基于“互联网+”的生物化学课程建设与探索

王潇然， 孟凡荣， 李会强， 金维环， 李 涛，崔晓娜， 石永春， 王小纯

(河南农业大学 生命科学学院，河南 郑州 450002)

1 “互联网+”模式成为课程改革趋势

2018年教育部发布《教育信息化2.0行动计划》，该计划的基本目标是2022年基本实现“三全、两高、一大、三变、三新”，其中“三新”即努力构建“互联网+”条件下的人才培养新模式、发展基于互联网的教育服务新模式、探索信息时代教育治理新模式[1]。相关文件的出台，为新时期高等教育教学的改革指明了方向。随着互联网技术的发展、移动智能终端的普及和便捷化，利用互联网技术优化升级教学方法、满足高等教育发展的探索在高等院校广泛开展，如中国大学MOOC、超星学习通、优客、智慧树、雨课堂等在线课程平台如雨后春笋般涌现。在线课程平台建设初步实现了教学资源快速共享，师生高效互动，不仅弥补了传统课堂的缺陷，同时优质高等教育资源得到充分共享。线上线下混合式教学的探索，对高等院校培养高素质人才，乃至提升全民文化素养都具有重要意义。因此，从教育教学和社会需求的角度而言，基于“互联网+”模式下的课程改革势在必行[2]。

2 生物化学课程地位与传统教学面临的挑战

诞生于20世纪之初的生物化学是生物学领域基础且前沿的学科，其发展过程贯穿百年的生物学发展历史，生物化学学科先后培养了近70位诺贝尔奖获得者，为推动生物学各学科的发展做出了卓越贡献。时至今日，生物化学已经成为关联分子生物学、细胞生物学、遗传学及基因工程、酶工程等领域的支柱学科，在全世界范围内成为高等院校生物学专业教学中的主干专业基础课[3]。然而，生物化学研究成果日新月异与传统课堂教学之间的矛盾已日益凸显。依靠有限学时的课堂教学，难以兼顾经典理论知识传授和前沿知识的拓展；相对滞后的实验教学，脱离一线科研实践，无法使学生动手能力得到本质提升；受时间和空间的限制，传统课堂无法满足高效互动的需求，缺乏对学生足够的引导和启发。

3 生物化学线上课程的建设与探索

结合农业院校生物化学特色，河南农业大学生物化学教学团队立足传统课堂，开拓创新，建设包括“基础理论”“实验技术”及“综合拓展”三位一体的在线开放课堂(见图1)，利用校内外多级在线教学平台，充分发挥时空自由、资源共享、系统开放等优点，全方位、立体式服务于河南农业大学及全国农林院校本科教学。

图1 生物化学线上课程建设思路Fig.1 The skeme on construction of biochemistry open course

3.1 精品课程建设，辅助突破课程重点难点

为突出河南农业大学生物化学教学特色，辅助本校学生掌握课程重点难点，生物化学教学团队开启“河南农业大学生物化学精品课程”建设。仔细梳理现行教学大纲内容，确定生物化学课程重点和难点，并以文本的形式共享于学院主页上，方便学生下载学习，帮助学生巩固和加深对理论知识的理解和掌握。本课程建设涉及内容14章，共1 025页演示文稿(PPT，powerpoint)，包含课程重、难点的归纳总结及部分课堂知识的内容补充，便利学生高效率复习总结。

3.2 中国大学MOOC基础生物化学课程建设，推动线上线下课程融合

2015年，教育部提出建设大规模开放在线课程(massive open online course, MOOC)。中国大学MOOC是线上课程建设主要平台，整合了大量优质教学资源，受到高校师生广泛关注[4]。课程团队以中国大学MOOC为平台，围绕生物化学核心理论知识及基础性实验技术，建设适用于农林院校本科教学使用的基础生物化学在线课程。课程包括在线授课、随堂测验、期中期末测试及互动讨论等板块，承担了线下课堂之外内容补充、测试检验及互动交流的任务，缓解线下课堂压力，保证线下课堂有足够的空间和时间专注于课程内容传授与专业兴趣的引导。

近年来，先后有14位生化教学骨干教师参与中国大学MOOC基础生物化学建设，共制作包括10章基础理论，55个授课视频，16个常规生化实验视频，累计669 min；为方便学习者整体把握章节内容，每一章课程内容配以思维导图；课程组对应主讲内容，制作课程PPT近1 300张，配套文本约19万字；同时设置随堂练习题10套，单元习题8套、期中和期末试卷及考研模拟真题20套，共计1 600余题。在线课程2017年上线之初，便受到了同行和学习者的好评，并在第一年顺利通过了“SPOC课程与学期”阶段，进入正式建设阶段。选课人数也随着课程的完善而不断增加，见图2(a)。课程组尝试将线上随堂测试引入传统课堂，利用每章课程结束前15分钟对上课学生进行随堂测试，及时掌握授课效果。同时，积极利用平台讨论区，及时解答学生疑问，教师发布讨论话题900余条，学生参与回复5 900余条，随着课程建设不断推进，课程中讨论的主题数量及评论数量逐年增加，见图2(b)。通过对热点问题的互动交流，增强学生对课程的了解和兴趣。2019年，本在线课程作为首批入选“河南省精品在线开放课程”(https://www.icourse163.org/course/HENAU-1003017008)

图2 基础生物化学在线开放课程选课人数统计Fig.2 The data statistic of open course basic biochemistry

3.3 仿真模拟实验建设，助力学生感受高阶实验

高校实验课程是培养学生实践能力的关键环节。长期以来，由于受到实验成本、实验设备及实验室空间等客观条件限制，本科实验教学与科研工作要求严重脱节。针对教学中“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的实验，生化教学团队借助近年兴起的Unity 3D仿真模拟手段[5-7]，依托当下生物化学领域最为热门的CRIPSR/Cas9基因编辑技术[8-9]，设计并建成了生物化学虚拟仿真实验“基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的玉米定向种植改良虚拟仿真实验”(课程网址为http://www.ilab-x.com/details/v5?id=5192&isView=true)。通过实地取景，教师现场演示，计算机3D模拟配合pbr(physically basea renating)材质和高光法线贴图，完美再现了CRISPR/Cas9基因编辑靶点设计、重组载体构建，大肠杆菌转化、玉米幼胚侵染及组织培养再生等关键技术环节。此实验课程建设先后制作网页版软件5个，本地版软件12个，编写脚本近12万字。最终实现通过35步人机交互操作，以高于40帧/秒的流畅画质(见图3)，最大程度模拟实验室真实操作体验。课程开设以来，来自全国各个高校累计10 919人观摩了实验，1 222人直接参与实验，实验通过率达到99.7%，其中670人参与课程评分，得分4.9分(满分5分)。该实验课程的开设，极大改善了本科实验相对滞后和简单的弊端，帮助学生亲身体验生物化学前沿技术，提升对生物化学学科及生物学科学研究的兴趣，被评为河南省首批精品虚拟仿真课程。

图3 在线仿真模拟实验截图Fig.3 The screenshot of virtual reality experiment

3.4 综合网络教学平台建设，提升学生综合科研素养

合格的生物学领域专业人员需要具备扎实的理论基础和实验技能，优秀的科学技术人才则需要开阔的学术视野和浓厚的科研兴趣。为满足学生在课堂之外对生物化学知识的渴求，教学团队建设了基于课堂内容之上的进阶教学服务平台——河南农业大学生物化学网络教学平台(见图4)。此网络课程包括“进步教程”“实验技术”“三点一测”和“专业拓展”模块，基于基础理论和基本实验，普及一线科研常规研究技术理论与操作流程，实现本科教学与研究生实践的有机结合。“专业拓展”部分为学习者提供了包括专业软件、专业机构、专业网站及专业期刊等大量专业扩展信息，囊括了绝大部分专业领域权威信息的获取渠道。对于学生走出书本，以更加开阔的视野去认识所学专业具有重要意义(课程网址为http://172.31.2.223:8080)。

图4 河南农业大学生物化学网络教学平台主页Fig.4 The homepage of biochemistry online course of Henan Agricultural University

随着近年来移动网络飞速发展，移动互联终端使用频率逐步提高，因此，基于移动终端的在线学习平台大量涌现。微信公众号依托社交平台“微信”客户端，开展人人互动、人机互动乃至机器之间互动，成为当下社会知识传播的重要途径之一[10-11]。生化教学团队准确把握这一发展趋势，迅速建立生物化学移动客户端学习平台——“生化之窗”微信公众号(gh_2ab4f82f2485)。公众号包括“实验指导”“网络公开课”和“专业前沿”模块，分别从实验、理论和拓展三方面为学习者及时推送有价值的学习信息，充分发挥移动互联网优势，真正实现“一机在手，名师随行”。

4 线上课程改革的展望

近年来，教育部多次对教育教学信息化建设做出指示，连续印发《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》和《教育信息化“十三五”规划》等相关文件[12-13]。随着“互联网+”成为社会发展趋势，“双万计划”成为教学改革的风向标，建设“线上线下混合式金课”已经逐渐成为新时期课程建设和改革的重要举措。

河南农业大学生物化学教学团队为助力全国高等院校深化教育改革，立足自身教学特色，探索线上线下混合式教学模式，打造依托中国大学MOOC、实验空间、微信公众号等多级开放式公共平台及学院门户网站，以“夯实理论基础，提升实验技能、拓宽科研视野”为建设思路，初步完成了三位一体的线上课程组合，为线下课程提供了有力补充，在激发学生的学习兴趣，拓宽学生的视野，促进学生学习的主观能动性，实现教与学互动，提高学生的培养质量方面发挥重要的作用。

本教学团队在基于“互联网+”的生物化学课程建设中积累了大量的经验，同时也发现了诸多问题。如课程建设支撑平台相对较少，课程平台功能完善、内容更新、互动版块回复、公众号定期维护等工作需要课程团队投入大量的时间和精力，而现行高等教育教师考核机制某种程度制约了线上课程高质量发展，导致大量线上课程昙花一现，造成了教育资源的浪费，偏离了建设优质教育资源的初衷。线上课程在知识传播中的价值，已经被发达国家无数成功案例证实[14-15]，随着我国互联网技术的飞速发展，线上课程建设也势在必行。搭建与课程建设相关的优质平台，完善教育教学管理体系才能促进“生物化学”在内所有在线课程高质量且可持续发展，实现优质教学资源开放共享。