“半翻转课堂+半自主设计”教学模式在细胞生物学实验教学中的应用

徐志玲，吕永钢，梅 虎，杨迎伍

（重庆大学 生物工程学院 生物流变科学与技术教育部重点实验室，重庆 400030）

实验教学是由理论转向实践的桥梁，是培养学生创新实践能力的重要环节。在多年的细胞生物学实验教学过程中，我们发现传统实验教学模式存在以下几方面问题：①教学方式单一，单纯的课堂教学限制了理论知识的外延拓展，束缚了学生探究知识的主动性和自主思考能力；②实验项目缺乏系统性、完整性，综合设计性实验少，对现有实验方法依赖性大，学生参与选择和设计的空间小，导致学生自主学习的积极性和创新性下降甚至丧失；③评价、考核方式单一，不能科学地综合反映学生的能力差异，无法起到引导学生进行科学探索、研究和思考的作用。高等教育中，除了教师、学生、教学内容三个基本课堂要素外，教学方法、教学手段、教学技术等也是需要不断改进的方面。在传统教学模式基础上，我们在细胞生物学实验教学实践中实施了“半翻转课堂+半自主设计”教学模式。

1 “半翻转课堂+半自主设计”教学模式的内涵

1.1 半翻转课堂教学模式内涵

美国塞达维尔大学的Baker[1]在2000年提出翻转课堂（flipped classroom）的概念后，随着互联网的逐渐普及以及计算机技术在教育领域越来越广泛的应用，这一模式被众多学者采纳并应用于各类实验教学研究[2-4]。翻转课堂作为一种混合式教学方法，主要是通过教师提供课外指导，引导学生在课外通过网络等平台学习优质的微课、微视频，查阅资料，完成课前练习等，然后学生将这些课外学习成果带到课堂内，进行师生互动、生生互动。教师在课堂上的主要任务变为引导学生完成实验任务、解答问题、进行讨论等，帮助学生掌握和内化知识。翻转课堂教学模式更加强调学生的个性化学习，有助于提升学习质量、增强学习主动性积极性、改善思维习惯等，从而使教学任务能在较短时间内完成。

因此，我们提出在细胞生物学实验课程中实行“半翻转课堂教学模式”[5-7]。半翻转课堂教学模式是在“教师教”与“学生学”之间寻求一个平衡点，不要求学生在课前掌握所有的知识点，而仅要求学习教师布置的关键知识点和学习任务，还要求提出个人见解或所遇到的问题。课堂上，教师依然按传统教学模式进行讲授，同时可利用“微课”（主要是实验操作视频）对课堂教学内容进行延伸和补充，并留出时间针对学生课前思考的问题进行解答，组织分组讨论，以及进行实验操作。这种教学模式与翻转课堂不同，使教师和学生能够有目的地进行“教”与“学”，也不会过多增加教师和学生的负担，同时提高了学生学习的积极性，加强了对学生自主学习的监督与指导。

1.2 半自主设计教学模式内涵

传统实验教学可以满足对学生进行必要的基本实验操作技能训练的要求，但传统的验证性实验教学无法满足对学生创新能力的培养需求，因此一些高校在教学实践中逐渐增加了自主设计性实验的比例[8-9]。自主设计实验将专业理论知识与实验方法相结合，是实验教学的高级阶段[8]，更加强调学生学习的主动性、创新性，以及实验内容的探索性和实验技能的综合性。但由于实验室硬件条件、实验时间、实验成本预算等各种限制，完全的自主设计实验很难开展。针对这些问题[10]，我们提出在细胞生物学实验课程中实行“半自主设计”的教学模式，即让学生课前查阅资料，对教师指定的实验方法进行优化设计，并在常规实验教学规定时间开展实验。半自主设计实验在某种程度上达到了综合设计实验的教学效果，而且能够在规定时间和预算成本内进行。

2 “半翻转课堂+半自主设计”教学模式的实践

为提升人才培养质量, 在细胞生物学实验课程中，我们引入了“半翻转课堂+半自主设计”教学模式，更新了教学内容、教学模式、教学方法，重构了教学设计。通过整合教学内容，增加设计性实验项目，解决了原来实验内容多、课时少、实验方法陈旧、实验操作难以在规定时间完成，以及不利于学生进行创新性实验等问题。

2.1 重新整合实验教学内容，更新实验技术方法

传统实验教学模式中，细胞生物学实验课程主要按照课时来编排实验内容，未进行有机整合，未形成体系化、模块化，未体现实验教学的层次性。为强化学生的实验技能，使其掌握生物医学工程学科（国家重点一级学科）科学研究的基本实验技术与方法，以熟练操作各种专业实验仪器设备为目标，对实验教学内容进行了重新整合。具体来说，精简了部分简单的验证性实验，保留了具有代表性的设计性和综合性实验，以形态、结构、功能、工程应用为主线，重新整合了实验项目，更新了实验技术方法。我们将原来不成体系的实验内容分为三个有机联系的教学模块。

（1）显微观察技术模块。显微镜是细胞科学研究中常用的仪器。在这一模块中，需要学习普通光学显微镜、倒置相差显微镜、倒置荧光相差显微镜、激光共聚焦显微镜等的结构原理与方法。并在显微技术基础上，学习显微摄影技术及生物作图技术。

（2）细胞形态结构观察与分析模块。在这一模块中，选留了细胞膜的通透性和细胞通讯、细胞器的分级分离及观察和细胞骨架的观察三项实验，并将经典的细胞骨架实验（考马斯亮蓝法显示）改进为综合创新性较强的免疫荧光法显示细胞骨架实验。旨在通过实验使学生从细胞膜、细胞骨架、细胞器等各个层次全面系统地认识细胞形态结构。

（3）细胞工程技术模块。包括以下实验：①细胞培养技术；②细胞增殖及细胞活力测定；③细胞诱导凋亡及检测；④细胞融合技术。在这一模块中，以细胞培养作为基本技术支撑，以教研团队培养的细胞等实验材料为主线，开展相关的系列基础实验，如细胞增殖及细胞活力测定，并与综合性、探索性、创新性较强的实验，如细胞诱导凋亡及检测、细胞融合技术等进行整合。各项实验之间相互关联，形成细胞工程技术模块。

2.2 “半翻转课堂+半自主设计”教学模式的构建及教学过程设计

“半翻转课堂+半自主设计”教学模式的教学过程分三个阶段：课前准备阶段、课中实施阶段、课后反馈阶段。下面以“细胞融合技术”实验为例进行说明。

教学设计是教师在授课之前对教学目标、教学重点、教学难点及教学手段和教学内容的再三斟酌的过程。而现在小说教学的设计基本停留在对小说三要素的分析或是具体对小说某一段落的分析，教师的阅读教学理念还没有更新。这既不能使学生得到个性的发展，也使得高中语文教学的课堂单一化，毫无新意。例如对小说教学分为“三段式”——总分总的教学理念，或者是根据小说的开端、发展、高潮、结局“四步走”。小说教学对学生没有发挥任何的启发作用，不仅打消学生阅读学习小说的兴趣，教学效率也很低。

2.2.1 课前准备阶段

教师课前的主要任务是准备各类教学资源，包括：①课堂教学需要的各种图文、动画资料，如微视频、PPT课件等；②提供文献资源，如在明确实验项目为“聚乙二醇（PEG）诱导细胞融合”后，制订学生学习任务单（如了解细胞融合的概念、细胞融合的方法、影响细胞融合的因素）；③进行实验项目设计和准备。

学生课前的主要任务包括：①根据教师提供的学习任务单自主学习关键知识；②查阅文献资料，了解实验项目关键信息，掌握相关概念，了解实验要求及实验任务，如实验原理、实验方法优缺点及适用性、影响实验结果的因素等；③按小组进行组内工作分工和问题讨论；④汇总问题并书写课前自学报告。

“半翻转课堂+半自主设计”教学模式的课前准备，注重学生的科研文献阅读能力和搜集、整理信息能力，尤其要求他们根据文献资料对实验方法进行优化，但不要求在此时就掌握所有与实验项目相关的知识。在此过程中，教师可与学生通过媒体平台进行互动交流，并通过学生的反馈信息，对教学方案和设计进行完善和更新。

2.2.2 课中实施阶段

考虑到学生自主学习的不确定性、局限性和个体差异性，“半翻转课堂+半自主设计”教学模式在课堂教学中，主张教师仍以PPT为资源，讲授实验项目的重点内容，再以微视频或“微课”形式对相关知识进行补充和拓展。基于学生在课前已经对实验内容有所了解，教师在讲授过程中采用 PBL（problem-based learning）教学方式，以问题来引导学生学习，检测学生课前自主学习效果，提高学生学习的主动性和积极性[11]。教师还应安排以小组为单位的自学报告汇报，由学生提出问题，教师答疑解惑。以“细胞融合技术”实验为例，由于学生通过前期查阅文献资料，已了解到影响细胞融合的因素包括分子量、pH值、时间、温度、钙离子浓度等，因此在教师提供的常规实验方法基础上，能够通过小组讨论，提出优化的实验方案，并做好实验操作准备。这样，课堂教学的大部分时间都能用于实验操作，教师在此期间则能够更多地对学生进行个体指导和答疑，并督促学生实时观察和记录实验现象，培养他们的科研素养和科研习惯。

“半翻转课堂+半自主设计”教学模式的课中实施，注重学生对知识理解的深化及内化，注重学生对实验方法的优化设计能力提升，注重培养其探究式、协作式的科研思维，同时兼顾不同层次学生的需求和个体差异。

2.2.3 课后反馈阶段

学生课后的主要任务是上传自己的实验结果，包括数据、图片等，并对实验结果进行分析和评价，完成教师给出的测验或思考题，教师则按照学生的个体情况进行答疑。对于设计类的实验，要求实验报告按科研论文形式编写，包括题目、作者、摘要、正文四个部分，其中正文部分包括引言、材料、方法、结果、分析讨论等，目的是让学生了解和掌握科研论文的格式和写作要求[12]。

教师课后的主要任务是对学生课前、课中、课后三个阶段的学习过程、学习成果等从多方面进行综合评价。按照课前学习30%、课中表现40%、课后反馈30%的比例评定总成绩。由于本实验课程由多项实验构成，每项实验报告按五级评分制评分，然后换算成百分制，最后取各项实验报告分数的平均值作为实验报告的最终成绩。综合考核评价体系如表1所示。

表1 综合考核评价体系

2.3 “半翻转课堂+半自主设计”教学模式的教学效果

我们对所教授班级的41名学生进行了问卷调查，让学生对新的教学模式进行满意度评价。调查结果显示：①100%的学生支持课前在线学习课程内容；②93%的学生支持课堂中教师对课程内容进行重点强化、延伸或补充；③76%的学生认为教师提供的在线学习资源或微视频是完备的；④85%的学生认为半翻转课堂教学模式可以提高学习效率；⑤80%的学生支持课前查阅文献、优化实验设计的安排；⑥90%的学生认为半自主设计教学模式可以提高独立思考能力和团队协作能力。

学生对“半翻转课堂+半自主设计”教学模式的建议为：①希望教师能提供更多的在线学习资源；②希望教师能对参考文献进行聚焦，缩小范围，从而提高小组讨论和优化实验设计的效率；③希望教师能提供更多的实验条件，而不仅仅局限于优化实验设计。

根据学生的建议，我们丰富了教学资源，并实现了资源共享和大型仪器设备开放共享，这是进行科学研究、培养科技人才和进行社会服务的重要保障[13]。我们依托在我校的生物流变科学与技术教育部重点实验室及现代生命科学实验中心这两个重要平台，将相关的科研实验室及科研仪器向基础实验教学开放，承担实验教学及人才培养任务。

3 结语

“半翻转课堂+半自主设计”教学模式实施以来，教师的工作量有所增加，但教学效果改善非常明显，80%以上的学生认可新的教学模式所带来的教学质量提升。“半翻转课堂+半自主设计”教学模式通过相关的实例、图文、视频等线上、线下资料，强化了翻转实验课堂操作，为学生提供了多元化的学习环境，满足了学生自主学习的需求。通过该课程不但让学生掌握了基本的实验研究理论、方法和实验技能，还训练了他们的专业实验能力及创新能力，以及提出问题、分析问题、解决问题的科研素养。