虚拟仿真+翻转课堂综合教学模式在生物化学实验教学中的应用

王天晓 成敏 韩阳阳

摘  要 生物化学是生物学专业学生重要的基础必修课，作为一门实验性课程，其实验教学至关重要。传统生物化学实验教学存在许多不足之处，极大地削弱了生化实验对理论课程的支撑作用。鉴于此，尝试在传统生化实验教学的基础上引入“虚拟仿真+翻转课堂”教学模式，使二者优势互补，弥补传统生化实验教学的不足，并系统总结分析此教学模式在实际应用过程中的优缺点及进一步改进措施，旨在为切实提高生化实验教学水平提供依据。

关键词 生物化学;实验教学;虚拟仿真;翻转课堂

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）24-0128-04

Application of Virtual Simulation + Flipped Classroom Mode in Teaching of Biochemistry Experiment//WANG Tianxiao， CHENG Min， HAN Yangyang

Abstract Biochemistry is an important basic course for students ma-joring in biology， and as an experimental subject， the method of ex-perimental teaching is very important. However， at present， there are many deficiencies in traditional teaching methods of biochemis-try experiment， which greatly weaken the supporting role of bioche-mistry experiment to the theory. Based on these， the new teaching mode of virtual simulation + flipped classroom was implemented on the basis of the traditional biochemistry experiment teaching， in order to complement the deficiencies of the traditional teaching methods. Besides， the advantages and disadvantages were summarized and analyzed in order to provide supporting of this new teaching mode.

Key words biochemistry; experiment teaching; virtual simulation; flipped classroom

1 前言

生物化學（Biochemistry）是研究有机生命体的生物大分子化学组成、结构、功能和代谢变化的科学[1]。生物化学实验作为一门依托生物化学并涉及细胞生物学、化学、分子生物学等相关专业的基础性实验课，其作用除了帮助学生深入理解生物化学的理论知识，掌握基本实验操作以外，更重要的在于培养学生的科研能力和创新思维[2]，以培养合格的生物学专业学生。

然而，目前大部分学校生物专业的生物化学实验教学依然采用传统的教学模式，即：开始实验前，教师讲解实验目的、原理、操作步骤及相应注意事项;然后，学生按照实验步骤进行实验操作，记录实验结果，撰写实验报告;最后，教师批阅实验报告并查看实验结果。虽然很长时间内这种教学模式在实验课堂一直占据主导地位，但是近些年来随着生物化学相关的新实验技术和方法的出现，以及新的教学理念和教学方法的不断提出和更新，促使教师对传统生物化学实验的教学过程进行改进，以提升实验教学质量，培养合格学生。本文基于翻转课堂核心理念，结合虚拟仿真教学模式，对生物化学实验教学进行初步探索。

2 传统生物化学实验教学模式中存在的问题

实验内容陈旧，教学设备不足  随着生物学科的飞速发展，新技术、新方法层出不穷。结合实际，潍坊医学院生物化学实验内容在一定程度上落后于科学技术的发展，现有的实验内容相对陈旧，多偏向于验证性实验，无法较好地引起学生的兴趣[3]。与其他实验课程如细胞生物学、药学实验相比，现有生物化学实验设备无法保证每个学生都能动手操作，有些实验仪器的操作需要排队进行。如“血清γ-球蛋白的分离纯化”实验中的离心机、“碱性磷酸酶的Km值测定”中的紫外分光光度计，都需要学生分组或排队使用，这就导致一些学生实验课上积极性不高，无法较好掌握整个实验技术及操作过程[4]。而另外一些实验内容，如“RNA的提取及逆转录”“荧光定量PCR检测目的基因的表达”等，由于实验对象或中间产物的微量且不可视，使学生无法直观地看到实验进程及结果，不利于学生对生物化学理论知识的理解和巩固。

实验教学方法和考核方式单一  传统生物化学实验教学中，教师占主导地位，学生按照教师给出的实验步骤按部就班地操作，知其然不知其所以然，不去深入思考，实验过程中出现问题不知如何分析解决，实验结果超出预期也不知该如何解释，提出问题更是无从说起，这些都必然不利于本科生创新思维的培养。在考核方式上，尽管很多高校已经做出改进，但很多地方院校仍然以实验报告+课堂表现+实验结果这种传统考核方式为主。这种考核方式存在一定的局限性：首先，由于实验报告是在课余时间完成的，教师无法单纯从实验报告上判断学生是否真正理解并且掌握了整个实验过程;其次，前述部分实验仪器的缺乏导致学生无法全部动手操作，使课堂上一些学生并不积极，课堂表现不佳。

实验前期准备工作学生参与度不高  在传统的生物化学实验教学过程中，实验前期的准备工作多是由实验室专业教师完成，比如试剂配置、药品分装、实验耗材准备、仪器调试等，这在一定程度上提升了实验教学的效率，但是也有一些不足之处。例如：学生只负责在课堂上直接使用教师配置好的各种实验相关试剂，并不清楚试剂是如何配置的，配置过程中需要注意些什么，这使得他们对实验准备过程一知半解，多限于纸上谈兵，在脱离了教师的前期准备工作之后无法真正独立地进行整个实验的操作，很难完全掌握整个实验要领。

3 “虚拟仿真+翻转课堂”教学模式在生物化学实验教学中的应用

为了弥补传统生物化学实验教学中的不足，提升教学质量，提高学生的兴趣和参与度，结合学校的虚拟仿真实验平台，进行实验教学内容和模式的更新，并引入基于小组合作的“虚拟仿真+翻转课堂”教学模式，取得良好效果。

虚拟仿真与翻转课堂简介  虚拟仿真实验依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果[5]。翻转课堂（Flipped Classroom）也被称为颠倒课堂（Inverted Classroom），最初起源于美国，自2011年起逐渐在美国学校流行起来[6]。所谓翻转课堂，是指通过颠倒知识传授和知识内化，改变传统教学中的师生角色并对课堂时间的使用进行重新规划的新型教学模式[7]。依托学校的虚拟仿真实验平台（图1），在生物化学实验教学中引入生物化学“虚拟仿真+翻转课堂”实验教学模式。

整个“虚拟仿真+翻转课堂”教学过程由三部分组成：虚拟实验学习+学生小组讨论/制作PPT+翻转课堂。实验的顺利实施依赖于学生的自主学习和教师的监督检测。在自主学习阶段，学生首先需要在课余时间用学号登录学习虚拟仿真实验平台，按照目录引导进行虚拟实验的学习，序号的唯一性则确保教师能在教师端实时监测学生的学习进度;接下来以提前分好的小组为单位，进行实验过程讨论，交流实验心得及互相解答实验过程中遇到的疑问，并且小组成员合作制作PPT;最后以小组为单位在实验课上进行汇报。教师以随机提问的方式来考查学生实际掌握情况并打分，另外需要批改学生提交的实验报告并打分（图2）。整个实验成绩的组成包括：虚拟在线学习+PPT制作+课堂表现+实验报告。每个环节衔接互补、取长补短，较好地弥补传统生化实验教学的不足。

“虚拟仿真+翻转课堂”实验教学举例  考虑到初步实施虚拟仿真实验教学及教学进度安排，尝试在2019—2020第一学期共八个生物化学实验中引入一个虚拟仿真实验。以“TaqMan探针法基因分型”为例（图3）：学生首先利用课余时间用学号登录学校虚拟仿真实验平台，按照引导目录了解实验目的，准备相关试剂，进行实验操作，观察实验结果，并进行结果分析（虚拟仿真）;接下来以提前分好的小组为单位（4～5人为一组）进行分工合作，搜集相关背景资料，思考及解答实验过程问题、制作PPT并撰写实验报告;最后在实验课上按照分组进行汇报，负责解答全班同学及教师的提问（翻转课堂）。

“虚拟仿真+翻转课堂”实验教学的实施效果分析  由于是初次实施“虚拟仿真+翻转课堂”实验教学，在结束后对教学效果进行调研。其中，有90%的学生都认为与传统教学模式相比，新的教学模式能够更好地调动大家的积极性，加强团队合作，锻炼大家主动分析并解决问题的能力，并有助于大家对实验过程的整体掌握;有10%的学生认为新的教学模式占用了较多的课余时间，增加了学习难度。

4 开展“虚拟仿真+翻转课堂”实验教学的思考

在开展“虚拟仿真+翻转课堂”实验教学的探索中，要注意把握“虚实结合，能实不需，以虚促实”的基本原则，妥善设计好实验教学内容，使传统教学和新教学模式之间优势互补，切实提高教学水平。

虚拟仿真和翻转课堂的联合应用，结合了二者的优点，能在极大程度上弥补传统生物化学实验教学中的不足。虚拟仿真实验具有安全、开发、可视、共享的特点，能够在很大程度上缓解生物化学实验教学设备的不足，同时便于将一些难度大、要求高、耗时长、危险系数高的实验，以及一些与科技前沿密切相关的实验教学内容及时引入实验教学中[8]。翻转课堂的实施改变了传统实验的填鸭式教学，化被动获取知识为主动获取，锻炼了学生独立思考和解决问题的能力，提高了学生获取知识的积极性[9]。

此外，在“虚拟仿真+翻转课堂”实验教学过程中，每个学生均需用自己的学号登录网站，观看实验内容，后台会自动记录每个学生观看视频的情况，帮助教师督促整个实验教学的顺利进行。与传统考核方式相比，在新教学模式的考核方式中增加了学生互评的分数，这一考核方式的增加使得学生更加端正学习态度，认真对待。同时，教师在课堂上的提问及小组学生的回答能够很好地检验学习效果，帮助教师判断学生对这一综合实验的掌握情况，有的放矢地对实验中的重点与难点进行进一步的强调和解答。

5 结语

“虚拟仿真+翻转课堂”综合教学模式聚焦于目前由于种种原因较难在传统生物化学实验教学中开展的实验，一定程度上缓解了生物化学实验教学中的不足，锻炼了学生主动获取知识的能力，也有助于锻炼学生的团队合作、沟通交流能力，为培养合格的生物学毕业生奠定了基础。

参考文献

[1]阮海华，孟丹，王素英.专题化组合式生物化学实验教学内容改革探索[J].生物学杂志，2019（5）：112-114.

[2]王臻，陈梁，李先磊，等.高校生物化学实验教学改革与创新型人才培养的研究[J].山东化工，2019（12）：165，167.

[3]黄小花，张弦，彭璐，等.基于慕课的医学生物化学实验教学方法探索[J].基础医学教育，2017（4）：314-317.

[4]邵敬偉，唐凤翔，郑允权，等.制药工程专业生物化学实验课程的建设与探索[J].生物学杂志，2020（1）：107-109.

[5]王森，高东峰.在线开放虚拟仿真实验项目建设的思考[J].实验技术与管理，2018（5）：115-118.

[6]张金磊，王颖，张宝辉.翻转课堂教学模式研究[J].远程教育杂志，2012（4）：46-51.

[7]Maureen J L， Glenn J P， Michael T. Inverting the Classroom： A Gateway to Creating an Inclusive Lear-ning Environment[J].The Journal of Economic Educa-tion，2010（1）：30-43.

[8]徐宋瑶，扈瑞平，薛昕，等.生物化学虚拟仿真实验教学项目的尝试与应用[J].基础医学教育，2019（9）：743-744.

[9]高涵，郭红艳，徐晶，等.翻转课堂教学模式在医学生物化学实验教学中的应用与研究[J].中国高等医学教育，2019（1）：111-112.