PBL教学模式在生物化学实验教学中的设计与实践

朱波 王源秀 刘慧君 刘俊红 施媚 李恩

摘  要：为响应一流本科专业建设，提高生物化学实验课教学质量，提高学生的独立学习能力、实践能力和科研能力，针对学院4个专业2020级378名在校生进行PBL教学模式的设计和实践。将信息技术和PBL教学法有机融合，在实验教学过程中，整合教学内容、设置情境问题，对课前、课中、课后3个环节进行教学体系构建并实施，结果显示，该教学模式可明显提高教学效果，提高学生的独立自学能力、合作实践能力，有利于培养学生的独立科研能力，为一流本科专业建设服务。

关键词：PBL教学法;生物化学实验;课程设计;人才培养;教学效果

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）01-0123-05

Abstract： In order to respond to the construction of first-class undergraduate majors， improve the teaching quality of Biochemistry Experiment course， and improve the students' independent learning ability， practical ability and scientific research ability， the PBL teaching mode was designed and practiced for 378 students of grade 2020 in four majors of the college. In the process of experimental teaching， by organically integrating the information technology and PBL teaching methods， situational problems were set， and the teaching system was constructed and implemented for the three links： pre class， in class and after class. The results showed that this teaching mode could significantly improve the teaching effect， improve the students' independent self-study ability and cooperative practice ability， help to cultivate the students' independent scientific research ability， and serve the construction of first-class undergraduate majors.

Keywords： PBL teaching method; Biochemistry Experiment; curriculum design; talent training; teaching results

信息技術的迅猛发展，人们可以随时随地利用智能终端访问互联网，获取知识和信息，这改变了传统的学习观念和学习方式。传统的高校教学手段和教学方式已然不适应时代的需求，阻碍了教学质量的提高。如何推动信息技术与教育的深度融合，提高学生的积极性以及教学过程的参与度，提高教学效果，这是当前高等教育面对的重要问题[1]。

实验教学改革应该根据学校、教师、学生和课程的具体现状进行合理设计和实施。目前，安徽师范大学生物科学和生物技术两个专业入选国家一流本科专业建设点。学院教学目标也从单纯的知识型人才培养向突出实践能力和创新素质的高水平人才培养转移。生物化学实验教学响应学院教学改革的号召，根据学院生化实验具体现状，将PBL（Problem-based learning，PBL）教学模式与教学平台、微信等互联网信息技术有机结合，以提升实验教学效果。以问题为基础的PBL教学模式是美国的神经病学教授Barrows于1969年首创，在课堂上通过设置问题，不断激发学生自主思考、探究与合作来学习科学知识，可提升学生的思考能力和解决实际问题的能力;但单纯将该方法用于实验教学，会减少学生实践操作的时间[2-5]。我们在生物化学实验教学中设计了基于教学平台的PBL教学模式，并进行了实践，取得了良好的教学效果，提高了学生运用基础理论解决实际问题的能力，可为后续其他专业课程的学习打下坚实的基础。

一  实验内容和教学对象

根据学院的具体教学现状，学院制定了2020版培养方案;因生物化学是专业基础课程，培养方案将其安排在大二上学期，并给予生化实验课程34学时，1个学分。按照生化实验教学大纲，我们选择科学出版社的《生物化学实验》（第五版）[6]为主要参考教材，结合学院生化实验设施条件，编写8个实验进行课程教学设计。这8个实验中6个属于综合类或设计类实验，其内容涵盖了生物化学授课内容的基本知识体系，并突出了重点内容与学生必须掌握的基本实验技术。

本教学研究以2020级生物科学和生物技术两个专业，4个方向378名本科二年级学生为对象。将奇数班作为实验组（共10个班196名学生），偶数班作为对照组（共9个班182名学生）。对照组采用传统教学方法，即教师讲授实验内容、演示实验操作、学生跟做实验过程、实验结束撰写实验报告后上交。实验组采用PBL教学模式。实验过程2名学生为1小组，每位学生都有动手的机会。

二  基于PBL教学模式的设计与实施

（一）  设置实验教学问题

情景问题设置注重层次性、渐进性、创新性;内容涉及实验理解、技术方法、实验机理应用或延伸;设置的问题符合板块知识结构特征，题型多为选择和简答题，问题由浅入深，具有科学性，兼顾有效性和可行性。设置问题时注意留给学生提问、设计和评价的空间，有利于激发学生自主发现问题，培养学生设计规划实验的能力。问题形式多样，可以是自问自答也可以是自问他答，同时会加以延展，促进学生对实验的灵活应用，有利于培养学生创新能力。我们选取“人血清蛋白乙酸纤维薄膜电泳”实验为例分析问题设置的逻辑关系（图1）。

在“人血清蛋白乙酸纤维薄膜电泳”实验教学设计中，我们引入了“Image J”图像分析软件进行教学实验中的蛋白条带百分含量结果分析[7]，提高学生的图像处理能力。该实验的问题设置按照实验进程进行，分3个模块：问题1—4为原理机制;问题5—7为情境操作;问题8—10为规范操作。其中问题10是对结果分析的自问自答，体现了对实验掌握的时间渐进度，即先原理后操作再总结最后设计。对于学生掌握实验概况、理解知识点间的联系、熟悉实验技术方法、规范操作、培养信息处理与思维模式都有一定帮助。

该实验中我们提出的相关问题：①乙酸纤维素薄膜电泳属于哪类电泳？②人血清蛋白的组成是什么？③染色液和漂洗液中主要起作用的是哪两种试剂？④张三想检测兔子血清蛋白的组成是否可以用乙酸纤维素薄膜电泳方法？该怎么设计？⑤张三在点样时，将血清蛋白样品点在薄膜的光面，他是否要换一张薄膜重做？有无其他补救措施，为什么？⑥张三发现漂洗后的薄膜中间位置没有蛋白印迹，而在薄膜一端有模糊印迹，你觉得问题可能出在哪里？⑦“Image J”图像分析软件下载后，打开之后闪退，你觉得是什么原因，怎么处理？⑧本实验图像分析结果中峰面积含义是什么？⑨为确保实验顺利进行，实验过程中应该注意哪些因素？⑩根据本小组的实验结果，请你设计一个问题并尝试回答。

所设问题相关的知识点和考查目的：问题①考察电泳技术的概念和分类;问题②强调人血清蛋白的组成，是判断实验结果根据;问题③用于理解染色液和漂洗液中重要组分的作用;问题④帮助学生充分理解电泳技术的应用;问题⑤突出实验操作第一步的关键性;问题⑥通过对结果的分析熟悉电泳仪的正确使用;问题⑦关注软件的操作要点;问题⑧了解软件分析结果的处理与其意义;问题⑨培养实验过程规范操作;问题⑩引导学生发现问题，并根据所学知识解决问题。

（二）  课前准备

教学团队根据制定的教学计划和教学大纲，设计了PBL教学模式框架图（图2）。课前录制每次实验课内容的PPT 课件，包括实验原理、仪器试剂、实验步骤和数据分析等内容，制作成简单的微视频。到网络上搜寻重要的仪器工作原理、操作步骤、注意事项，以及实验过程或软件使用方法，甚至包括慕课平台上相似实验的学习视频。制作好的微课视频和下载搜索到的相关视頻或网址，以及实验讲义和实验教学问题都上传至教学平台的资源库备用。将相关内容的视频、网址或微视频以及部分问题插入到PPT供学生预习;通过教学平台或微信等把预习任务发布给学生，并设定截止时间。学生在收到预习任务和公告提醒后，可以直接下载相关资料或在线观看和讨论答题，完成预习任务。通过相关教学设备教师端可以直观地掌握学生线上完成预习任务的情况，包括预习任务完成人数和每个同学预习情况，并通过讨论区综合回答学生反馈的问题，评定学生预习部分成绩;学生通过线上PPT预习后，按照教师发布的预习任务撰写好预习报告，主要是对实验原理的掌握和实验步骤的熟悉，以便流畅地完成实践过程。由于预习任务关系到成绩评定，无形中可督促学生在课前进行充分预习，为实践过程做好充分准备。

（三）  课中实施

由于教学计划的改变，实验课时减少，但是小班上课（16～22人为一班），易于操作，有限的时间内让学生得到充分的实践锻炼。课前几分钟课代表收交预习报告，教师浏览批阅后发放给学生。课上利用教学平台的签到功能，让学生扫码签到，大大节约课堂时间。其次，教师通过教学平台收集学生预习时的反馈，有重点地 进行课堂讲解;必要时发送预习测试题进行测试，检测学生的预习效果;课上教师不再对实验原理、仪器试剂、数据分析等进行详细讲解，重要的内容通过翻转课堂形式，让学生充分学习理解或动手操作;针对每次实验课的重点和难点问题进行讲解，必要的实验操作进行演示。比如“人血清蛋白乙酸纤维薄膜电泳”实验，需要演示和讲解的重要内容是判断薄膜光面和毛面、利用点样器点样，以及电泳时薄膜的放置等细节过程的操作;利用翻转课堂，请一位同学讲解“Image J”图像分析软件的使用，其他学生根据该同学的讲解找出存在的问题，进行讨论，从而加强学生对该软件的掌握，同时教师进行必要的补充和讲解，对于某些仪器设备的操作，也采用这种方式，这样可以充分调动学生参与课堂的积极性。课堂授课结束后，教师会把课件及时上传到教学平台，有利于学生回顾复习，修改自己的预习报告。剩余时间是学生按照预习报告中实验步骤进行实践操作，教师巡视指导，回答学生实验过程的疑问。这种方式增强了课上的师生互动，带动了课堂气氛，拉近了师生距离。教师可以根据记录签到、点名、预习测试，以及预习报告、翻转课堂和实验操作参与度等所有学生的课堂行为，对学生课堂表现进行成绩评定，从而帮助教师量化了解学生的学习效果，更好地进行教学反思。

（四）  课后反馈

实验课结束后，在教学平台讨论区发布与实验主题相关的思考题，让学生进行讨论，学生也可将自己遇到的实验相关问题，如实验操作、特殊现象、数据结果等，发布在讨论区内，和其他同学或者老师进行交流。有时，根据实验情况发布课后任务，比如上传实验中获得的结果拍照图片、软件处理图片或数据，绘制的实验流程图并拍照按时上传。学生参与讨论和完成任务的情况也会纳入平时成绩的考核当中。学生可以将撰写的实验报告拍照上传至教学平台，教师在线批阅，工作效率提高，并可即时反馈给学生。一次实验课结束，教师可以参照课程分析报告，进行实验教学反思，有利于及时改进实验教学。

（五）  课程考核

生物化学实验课一般安排在开学后的第三周开始，也就是生化理论课先上两周，让学生了解了这门课程的基本特点后再开实验课程。在上第1次实验课之前，教师就已经开启教学平台教学，在教学平台发布资料，向学生介绍本学期的课程执行计划，包括实验安排和教学模式，明确告诉学生这门实验课的考核计划，即线上测验及讨论和预习报告占最终总成绩的20%;课堂表现和实验过程动手参与度占40%;实验报告成绩占20%;期末考试占20%。期末考试不是之前传统的笔试，而是实验课结束后的一次实验考核，其中实验考核不是简单地重复之前做的实验，根据之前学过的实验方法、仪器设备，出一个与实际生活相关的题目如“市售果蔬Vc的含量测定”，学生任选一种蔬菜或水果，查阅文献，撰写实验方案（包括实验原理、试剂仪器、实验步骤、数据处理和结果讨论），在规定的时间内到实验室完成实验，并写好实验报告，教师根据学生完成的情况进行评价，并给出成绩，该成绩占最终总成绩的20%。

三  效果评价和模式探讨

我们在生化实验教学中设计和实施了PBL教学模式，发现这种教学模式可以使生化实验教学内容更加丰富;教学过程更加活泼生动，并能在一定程度上实现一对一精准教学;课堂教学效果可有效延伸，使学生可以自主学习、长效学习[8-10]。

（一）  课前预习完成度高，预习效果好

使用教学平台推送问题、预习内容和任务，限时完成并打分或评价，这样形成无形的驱动力，学生必须认真进行课前预习，提高了课前预习完成度和预习效果。2021年秋季学期生物化学实验课累计推送预习视频10个，19个教学班共计378人，预习视频完成率达97.36%;预习测试习题26道，平均测试成绩85.13分。良好的实验预习，可以使课堂上的实践过程更加顺畅。实验预习报告相当于科研的研究计划，课前预习有利于培养学生的科研能力。

（二）  课堂气氛活跃，教学效率提高

利用教学平台进行课前预习和扫码签到，极大节约了上课时间，教师对重难点的讲解以及必要实验步骤演示工作，就可以灵活处理，以问题的形式让学生讨论后总结讲解，或以翻转课堂的形式请学生讲解后，学生讨论评价，教师解释说明;这个过程中，利用教学平台的弹幕功能或抢答功能，活跃课堂气氛，增强学生参与感，集中注意力，提高教学效率。为了留出足够的时间让学生进行实践，实验讲解时间要控制在30～40 min，这需要教师关注学生的课前预习反馈，认真梳理总结，精准讲解重难点。

（三）  课后批改周期缩短，反馈及时

实验过程或结束后，学生拍照上传实验结果和实验报告，教师在线批改迅速、及时，缩短了批改评价周期;学生也可及时查询到批改评价意见或报告得分，知道自己在实验中存在的不足，并可在以后的实验学习中及时改进，有利于学生实践能力的提高。

（四）  教与学过程都留痕，考核有依据

教学平台实现了课前预习、实时课堂、课后测试全程教学活动的数据采集，让教与学层次更加清晰。通过数据分析，教师能够获取学生学习情况的量化指标，对学生进行成绩评定有据可循;同时教师通过反馈信息可及时调整教学过程，实现一对一的精准互动，学生个性化地完成实验教学项目;教师也可以引导学生使课堂学习成果有效延伸，增强学生自主学习和长效学习能力。

（五）  效果明显，有待改进

为了检验采用PBL教学模式的教学效果，我们集中对学生进行有关所学实验内容的突击测试，实验组平均成绩为69.8分，对照组平均成绩63.4分，学生成绩有显著提高。同时我们对学生实验过程中分析问题的能力进行了问卷调查，调查显示，实验组的学生分析问题能力明显优于对照组;例如有一问是“你小组测得的数据是否在有效数据范围内？请分析原因”，95%的实验组学生能从5～6个实验方面去分析相关原因，而90%的对照组的学生只能从3～4方面去分析原因，部分学生竟然无所适从，不知道如何回答，这说明利用这种教学模式明显提升了教学效果。但该教学模式仍然存在一些有待改进的地方：教师的PPT有待完善，提供的PBL问题应更有针对性，与现代科技发展高度契合，下载的慕课视频或操作视频应该更清晰、更符合本实验室的实际情况，需要增加生化实验课的精力和经费的投入，针对本校实验室的仪器设备，制作更精美的短视频，进一步提高学生的学习效果，教师应花更多的精力去做好一个学习引导者，不能仅限做一个知识的传授者，等等。

（六）  学生科研兴趣提高，培养了科研能力

生物化学是安徽师范大学国家一流本科专业的基础核心课程，其实验教学对学生学习这门课程具有重要的辅助作用。将PBL教学模式引入生化实验教学，特别是在问题设计和讲解两个环节，会穿插一些与实验相关的生化领域里的国内外最新研究成果，特别是本校相关研究人员的最新成果，将其作为问题或讲解时的重点项目。因为实验课时有限，我们在课堂上只是简略讲解，但会注重引导学生在课前和课后查阅文献资料以详细了解相关内容。因是实践课程，学生可以很快地现场感受到与最新研究成果相关的理论、方法、仪器和操作，学生对科研有现场体验，使科研工作不再神秘，可激发学生对科研的兴趣，培养学生科研能力;我们在引导学生时，发现学生对本校老师的科研成果更加感兴趣。我们会借机引导学生学好基础科研知识，为将来参入相关研究打好基础，同时引导学生积极参加与生化领域相关的大学生创新创业项目或生命科学竞赛，在我们的引导下，参入这些领域的科研工作的学生越来越多，例如参入第五届安徽省大学生生命科学竞赛（2022，科学探究类）的研究团队有59个，最终获得一、二、三等奖共27个。在27个获奖项目中，研究内容涉及生化知識领域的有24个，占88.89%。

四  结束语

在国家一流本科专业建设背景下，实验教学将面临新的挑战与机遇。生物化学实验是生物科学和生物技术两个专业学生提高专业能力的基础核心实验课程，对培养学生综合能力起到举足轻重的作用。我们通过引入PBL实验教学模式，有利于拓宽学生科学视野、 激发学生创新意识、 培养学生自己动手、 分析解决问题的能力;在我们的教学实践中，PBL教学模式可贯穿于课前、课中和课后整个实验教学过程。课前准备工作是整个过程的基础，教师要投入精力准备并上传问题和资料，随时监督学生的预习情况，提高学生的自主学习、独立思考能力。课中实践是整个过程的重点，可以通过师生、生生之间更多的交流和互动，提高学生的合作能力、实践能力。课后反馈及延伸是整个过程的重要部分，教师的指导与评价，可让学生巩固所学理论与实践，培养学生的独立科研能力。该教学模式可实现精准教学，提高教学效果，为国家一流本科专业建设服务。

参考文献：

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[4] 趙培，孟丹，李炳娟，等.PBL教学法在生物化学实验教学中的设计研究[J].生命的化学，2020，40（4）：628-632.

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[8] 张丽娟，古同男，鄢雯.基于“互联网+教育”的生物化学实验教学模式研究[J].实验技术与管理，2019，36（9）：181-183.

[9] 吴明彩，吕俊，徐蕾，等.基于雨课堂的PBL翻转课堂模式在生物化学实验教学中的应用[J].教育教学论坛，2020（21）：378-379.

[10] 张惠莹，刘建，连玲丽，等.基于雨课堂的植物生理生化实验课PBL教学探索[J].安徽农学通报，2019，25（17）：129-132.

基金项目：安徽省高等学校省级质量工程《生物化学》精品线下开放课程（2019kfkc022）;安徽师范大学本科教学质量工程项目“《园艺植物病理学》的课程思政的教学探索与实践线下课程”（校教字[2020]44号）

第一作者简介：朱波（1978-），女，汉族，吉林松原人，博士，副教授。研究方向为生物化学教学及植物基因功能。

*通信作者：李恩（1971-），男，汉族，安徽含山人，博士，副教授。研究方向为生物化学与分子生物学教学及科研。