生物化学实验线上线下混合教学模式探索与实践

张少斌

(沈阳农业大学 生物科学技术学院，沈阳 110866)

“生物化学”是生物科学类专业的核心骨干课，生物化学实验不仅有助于学生对生物化学理论知识的理解，训练基本的生物化学实验技能，还有助于培养学生科学的思维方法，求实创新的精神，以及运用生物化学理论与实验技能分析和解决实际问题的能力[1-2]。传统的生物化学实验线下教学由于时间和条件限制，实验项目的数量和质量有限，已不能满足“六卓越一拔尖”计划2.0关于人才培养的时代需求[3]。建立在现代信息技术基础上的线上教学，打破了线下教学时间和空间的限制，拓展了教学的宽度和广度，在生物化学理论课教学中发挥了重要作用[4-5]。为了发挥线上教学的优点，弥补传统生物化学实验教学的不足，本文对生物化学实验的线上线下混合教学模式进行了探索和实践，为培养高素质复合型生物科学类专业人才奠定基础。

1 开展生物化学实验线上线下混合教学的必要性

1.1 线上线下混合式教学可以提高线下教学效率

传统生物化学实验教学全部在生物化学实验室完成，上课的一般程序为课前教师准备实验材料、仪器和试剂，上课时由教师讲解实验原理、示范仪器操作，然后指导学生开展实验，学生观察实验现象、记录实验数据，最后完成实验报告。大多数生物化学实验项目操作本身所消耗的时间长，加上教师讲解示范以及学生完成实验报告的时间，每个实验项目一般需要4～5个学时，在总学时有限的情况下，实验项目数少，而且大多为验证性实验，综合性和设计性实验比例低，不利于创新型人才的培养[6]。通过设计线上线下混合教学模式，将教师讲解原理、示范操作和学生完成报告的教学环节改为线上进行，从而提高线下教学效率，不仅可以通过线上学习更多的拓展实验项目，还可以开设更多的综合性、设计性实验。

1.2 线上线下混合式教学可以提高实验课考核的客观性和准确性

传统生物化学实验教学课程考核方式一般为考查，主要是实验报告完成情况，考核方式单一，成绩区分度小，影响学生上课积极性[7]。线上线下混合式教学则可以通过慕课平台数据，综合考查学生线上预习观看实验视频、完成课堂练习、参加章节测验、完成实验报告以及参与课程讨论等学习全过程，结合线下课堂综合表现，提高了实验课过程考核的客观性和准确性，增加学生成绩的区分度，从而提高学习积极性和综合教学效果。

1.3 线上线下混合式教学可以拓宽学生视野，培养学生的综合素质与能力

生物化学实验包括蛋白质、核酸、酶等有机分子的分离、纯化与鉴定以及上述有机分子在生物体内的代谢过程，实验项目数量众多，在有限的线下课堂时间内，不可能完成所有的实验项目。通过线上学习，则可以在对主要实验项目进行预习与复习的基础上，对其他相关的实验项目进行自主学习，从而大大拓宽学生的视野。此外，线下课堂时间有限，主要用于学生实验动手操作，训练实验技能，培养科学探索精神，而线上教学则方便开展课程思政教育[8]，通过相关的视频、网页或案例课件，培养学生的爱国奉献、职业伦理等综合素质，培养学生自主学习、有效获取知识的能力。

2 建设生物化学实验校园独立SPOC

随着高等教育信息化的发展，部分高校在公共教学平台建设有生物化学实验线上课程，这些线上课程都是根据本校实验室条件和学生特点建设的[9]，实验项目的设置以及实验室仪器设备条件不一定能够匹配本校实际情况，因此，在整合公共慕课平台生物化学实验教学资源的基础上，建设符合本校学科专业实验室和学生特点的校园独立SPOC，为开展生物化学实验线上线下混合式教学奠定基础。

首先，根据生物化学实验知识体系，确定SPOC课程的实验章节。将整个课程划分为10个实验章节(表1)，前8个章节多为验证性实验，包括蛋白质、氨基酸、核酸、核苷酸、酶、维生素、糖与糖代谢、脂与脂代谢，后2个章节分别为综合性实验和设计性实验。

其次，根据实验章节和技术方法，确定具体的实验项目，整理或制作课程资源。我校生物科学类专业共开设9个实验项目，详见表1中的核心实验项目。其中5个验证性实验(表1中2/3/4/5/7)、3个综合性实验和1个设计性实验。以综合性实验“食品蛋白质含量的测定”为例说明课程资源的制作原则与方法。蛋白质含量测定有多种技术方法[10]，如凯氏定氮法、福林-酚比色法、双缩脲法、紫外吸收法和考马斯亮蓝比色法，其中，考马斯亮蓝比色法是目前开展生物科学研究中主要的蛋白质含量测定方法，也是教学大纲中规定的必需掌握的生物化学实验技能，因此，以考马斯亮蓝比色法作为线上教学的核心资源，其他测定方法作为线上教学的拓展资源。核心资源主要由课程组教师在本校生物化学实验室实地制作，比如本实验用到的分光光度计、离心机等仪器设备的使用原理与操作方法，实验试剂的配制方法，教师在实验室内以实物进行讲解并录制视频，以确保学生进入实验室时能够正确使用这些仪器设备，同时录制学生从实验开始到完成实验的所有关键操作步骤的视频资源，为学生进入实验室自己动手开展相关实验作为参考。拓展教学资源主要在现有公共慕课资源基础上进行筛选和整理，公共慕课平台上也没有的资源再进行适当补充。此外，设计练习题、测验题、思考题等用于过程考核，以检验教学效果。

最后，挖掘思政教育素材进行思政教育。以综合性实验“食品蛋白质含量的测定”为例进行说明。凯氏定氮法用于食品和饲料中蛋白质含量的测定，其前提假设是样品中所有的氮均以蛋白质的形式存在，在实际应用中，不法分子将三聚氰胺添加到奶粉中冒充蛋白氮，对婴幼儿造成营养匮乏和肾结石等严重后果，从而暴发了震惊全国的三聚氰胺毒奶粉事件[13]，造成巨大的社会危害，相关责任人受到法律的严惩。本事件的发生，教导我们要做一个对国家和社会有益的人，树立正确的人生观和世界观，增强社会责任感。本事件的发生源于凯氏定氮法的局限性，提示我们将理论知识应用到生产实践时，要充分考虑其优缺点，扬长避短，提高职业伦理和科学素养。本事件的发生也有食品质量监管各个环节不到位的问题，提示我们做任何工作，尤其是关系国计民生的职业，一定要认真负责、遵章守纪，增强法制观念。

表1 生物化学实验项目

3 生物化学实验线上线下混合教学模式的探索与实践

生物化学实验是一门实践性课程，重点在于锻炼和培养学生的实验动手操作能力，学习和掌握生物化学实验技术，因此，实验室内的线下实验教学发挥着不可替代的作用。为了节约线下实验教学时间，提高学生的综合素养，充分发挥线上教学的优势，设计生物化学实验线上线下混合教学模式。生物化学实验包含多个实验项目，传统实验教学中，每个实验项目作为一个独立的教学单元，通常在实验室内1次课完成。在线上线下混合教学模式中，将每个实验项目的教学过程分为4个主要阶段，分别为课前准备、线上教学、线下教学和课后总结。

3.1 课前准备

教师设计教案，确定教学目标和教学方式、补充完善教学内容和线上教学资源。以蔬菜DNA提取测定为例。教学目标与基本要求是学习和掌握DNA提取和测定的原理与方法，了解DNA相关技术(如聚合酶链式反应PCR)在实践中的应用，培养学生科学探索和科技创新精神，提高学生分析和解决实际问题的能力。教学方式主要采取线上线下混合教学模式，在整个教学过程中，教师主要起辅导和监督作用，始终以学生为中心，线上学习实验原理，线下进行实验操作，从而培养学生的自主学习能力和动手操作能力。核心教学内容是蔬菜DNA提取测定，拓展教学内容是动物肝脏DNA提取测定，根据现有慕课资源，结合生物化学相关技术的最新进展(如RT-PCR在新冠肺炎诊断中的应用)，补充完善SPOC平台线上教学资源。

3.2 线上教学

教师在开展线下实验前一周发布线上学习任务，组织和指导学生开展线上学习。学生可随时随地通过校园SPOC线上资源，如教师的授课视频及PPT讲稿等，学习实验目的、实验原理、实验试剂的配制以及实验仪器的工作原理与操作方法，同时，通过实验操作视频可了解实验总体过程以及关键步骤等。反复观看学习线上资源，直到掌握全部内容，完成线上练习和测验，并就实验相关问题参与线上讨论，为线下实验做好充分准备。在学生线上学习过程中，教师通过微信、QQ以及SPOC平台讨论区等，对学生提出的疑问及时回复，根据学生答题情况，对学生进行有针对性地督促和指导。同时，教师在实验室准备实验材料、配制实验试剂并调试实验仪器，为线下实验室开展相关实验做好条件准备。

3.3 线下教学

线下以学生动手操作为主，教师指导为辅。为保证每名学生都能动手操作并协调配合完成实验，一般2人为1组，为保证实验室井然有序，提高教师指导效果。我校采取小班授课，每班7～8个实验小组。学生按照实验步骤依次开展实验，观察实验现象并记录实验结果，教师指导学生规范操作，帮助学生分析实验现象，解决学生实验中遇到的问题，协调实验室共用仪器的使用，确保学生安全高效地完成实验过程。

3.4 课后总结

学生根据线上学习内容和线下实验操作过程，分析讨论实验结果，完成实验报告。教师评阅实验报告，总结分析线上学习数据，结合实验室课堂表现，评定本实验项目的学生成绩，总结教学效果，为设计开展后续实验积累教学经验。

3.5 学生参与度分析

学生参与度是评价教学效果的重要因素，主要是考查学生在学习过程中投入的时间、精力以及学习有效性[12-13]。在线上线下混合教学模式中，建立在公共慕课平台基础上的生物化学实验校园独立SPOC，能够实时记录学生的学习数据，为学生参与度分析提供了便利条件。我校生物科学专业共开设9个实验项目，学生参与度分析如表2所示。学生线上平均签到8次，由于线上学习时间自由，部分学生没有及时签到，导致平台显示有迟到和旷课现象，但学生都参与并完成了线上的主要教学内容。线上平均观看视频24个，最低限度观看了9个核心实验项目视频，最高则看了29个项目视频。学生在讨论区发帖数差异很大，平均讨论发帖22个，最高44个，极个别学生发帖数为0。全部学生均参与并完成了线上练习和测验，练习平均87分，测验平均41分。线上学习为线下实验操作做好了充分准备，学生线下实验室出勤率100%，没有迟到早退现象，每名学生都能积极参与实验操作，认真观察实验现象，如实记录实验数据，实验操作环节平均18分(满分20分)。学生都能按时提交实验报告，实验报告平均分22分(满分25分)。在生物化学实验线上线下混合教学中，线上SPOC提供了核心实验项目和大量拓展实验项目(表1)，每个实验项目均包含实验演示视频、思政教育素材以及练习和测验题等丰富的教学资源，满足了学生差异化和个性化的教育需求，提高了学生线上学习和线下实验操作的参与度。

3.6 课程考核

根据线上线下混合式教学的特点，改革课程考核方式，考核成绩比例分配如图1所示。线上线下成绩各占总成绩的50%，其中线上成绩包括签到、练习、讨论、测验和视频观看，由慕课平台根据学习过程数据，按照一定的赋值比例直接计算线上成绩，保证了成绩的客观性和准确性。线下成绩包括出勤、操作和报告，通过采取小班授课，教师能够对每个学生的操作情况进行监督和指导，从而准确评定线下成绩。生物化学实验课程考核成绩如图2所示，传统实验教学考核以主观性考核为主，实验操作和实验报告评分差异较小(表2的6～8)，总成绩集中分布于90分上下，而线上线下混合式教学通过加强过程考核，由于线上学习数据差异较大(表2的1～5)，因而增加了学生成绩的区分度，学生成绩分布于70～90分，考核结果更为全面客观。

表2 学生参与度分析

图1 课程考核成绩组成Figure 1 Composition of course assessment results

图2 课程考核成绩分布Figure 2 Distribution of course assessment results

4 结语

生物化学实验的主要教学目标是培养学生的实验动手操作能力，因此离不开传统实验室的线下教学，如何将线上教学应用到传统实验教学中，是一个值得研究和探索的课题。根据本校生物化学实验室条件和学生特点建设校园独立SPOC，学生通过线上学习掌握实验原理、试剂配制和仪器使用方法，了解实验操作过程，并与同学和教师探讨实验过程中可能出现的问题和解决办法，从而提高实验效率，节约实验操作时间，因此，在总学时不变的情况下，可以增加实验项目的数量和质量，有助于使学生掌握更多的实验技能，培养学生的创新能力。与传统实验教学相比，线上线下混合式教学不仅开阔学生视野，提升学生综合素质，而且提高了实验考核的客观性和准确性，增加了学生成绩的区分度，提高了学生线上线下参与度，取得了更好的教学效果。