沉浸式课堂教学设计和组织策略——以分子生物学和表观遗传学为例

宋 渊 程 博 沈 喜 冯虎元

（兰州大学生命科学学院 甘肃·兰州 730000）

沉浸式教学这个概念始于二十世纪六十年代加拿大的语言类教学中，是指全天候封闭式语言训练[1,2]。在现代教学中沉浸式课堂指能够激发学生兴趣，提高学生课堂专注力，高度参与的课堂。任何一种教学形式都离不开完善的教学设计和课堂组织，精确把控课堂45分钟是教师上好一门课，学生学好一门课的基石。而沉浸式课堂作为卓越课堂的一种形式，积极引导和提高学生的专注力和参与度是高效教学的核心内容之一。在近十年承担的《分子生物学》和《表观遗传学》的教学中，我们以培养生物学学科核心能力的获得[3]为目标，体会和总结出课堂建设的经验和方法，在这里分享给大家。

1 探索沉浸式课堂的内涵

作为一名高校教师，科研与教学需要相辅相成，相得益彰。对教学模式的探索和教学技巧的研究是工作的核心内容之一，如何润物无声、如何引起共鸣、如何持久记忆、如何缩小学生学业差距、如何进行全过程育人，有教无类，因材施教，都是日常思考的问题。从建立以沉浸式课堂为代表的卓越课堂到成为卓越教师、培养卓越人才，是一个教师终生奋斗的目标。

《分子生物学》是生命科学学院本科二年级必修的基础理论课程，《表观遗传学》是遗传学和分子生物学衍生的一门新兴前沿学科，属于本科三年级选修课程。这两门课程的特点是内容发展日新月异，新技术层出不穷，信息量大，涉及生命科学众多研究领域。传统的教学方式无法胜任这类课程的发展。教学理念，教学方法的变革显得尤为迫切。课程教学中微观的抽象概念剖析、全部章节内容的融会贯通、前沿内容的及时更新、实验教学与理论教学的对接，构建开放式、研究型、高度参与的课程体系，为此我们进行了一系列的教学模式探索与实践。图1所示，我们近年来教学模式的改变和发展，课堂讲授部分逐渐减小，传统的师生互动会被学生报告以及翻转课堂所代替，而引燃兴趣、全员全程高度参与课程的沉浸式课堂是目前我们努力实现的目标课堂形式。目前我们的课堂也结合超星教学平台，实现课前课中和课后的随时互动形式。在未来5G背景下的虚拟现实技术（Virtual Reality）在沉浸式课堂中的应用，必然会解决对微观抽象概念理解的困境，并且会实现随时对接实验课程的操作与模拟实践。

现代教学模式探索与传统教学精华的融合，发展出个性化教学模式，利用最新的虚拟环境视觉显示技术，以及国内外公共资源，让学生沉浸在DNA、RNA和蛋白质的各种活动当中，真切的体会抽象的概念。在网络大时代背景下建立的沉浸式课堂，与传统教学模式融合的“变”与“不变”，创新型生物学课堂[4]，教与学的关系[5]，引入成果导向教育（Outcome-based education，OBE）模式[6]，成为我们课程建设，教改项目主要考虑的主题。下面以大学本科二年级必修课《分子生物学》和三年级选修课《表观遗传学》为例，对教学设计和课堂组织进行进一步的探讨。

2 建立沉浸式课堂的方法

2.1 课前热身策略

图1：教学模式发展概念图。围绕学生综合能力提升的各种教学方式以及占比大小。

沉浸式课堂的核心是激发学生的热情，高度的参与，完全的沉浸式教学。教师深厚的学识功底、积极乐观的态度、得当的言谈举止和字正腔圆的声音都会促进学生快速进入课堂中。如何开个好头让学生马上进入到上课状态呢？一些热身策略可以应用，比如提前准备这节课的提纲和一些拓展知识，在开始上课前十分钟进行分发，有效的让学生进行短时的课堂预习和准备。开始5分钟提问是有效的热身手段，但是不同的年级和不同类型的课程热身提问策略也有差别。二年级的分子生物学，一般以知识点回顾为主，例如：“什么是冈崎片段，发现冈崎片段的实验过程”和“DNA复制的过程”，让学生充分掌握基础知识和实验原理；而三年级的表观遗传学一般以扩展性的陈述为主，例如：“根据上节课学习的表观遗传学三大特征，讲讲生活中的表观遗传现象”，不仅巩固知识，更要启发高年级学生的观察热情和科技思维。对于好的热身策略可以形成一门课的惯例，这样一开始就形成有纪律有效率有紧迫感的上课氛围。

教师需要对自己的讲授的课程有详细的规划和把控，而绪论是引发学生学习这门课程兴趣的重要环节，好的开始是成功的一半。除了有趣的现象、尖端的前沿发展、深邃的哲理启迪以及日常生活现象的提示等，还要提供整个课程的学习思路，比如在分子生物学的绪论讲解中，强调了以“中心法则”为学习的主线，在以后的学习中提纲挈领、补充细节、融会贯通。在表观遗传学的绪论中强调与经典遗传学相辅相成的关系，以及达尔文与拉马克进化论的异同点，引导学生更高的认识和思考。绪论是课程热身的重要部分。

2.2 课中节奏把控

课堂节奏是一节课成败的关键因素之一，错误的节奏让学生专注力下降，过快的节奏会使得学生困惑和沮丧，同样过慢的节奏会使得学生厌倦和低效率。错误的节奏导致学生与老师的无序交流，使得教师也很疲惫。好的课堂体验有“快”“慢”的节奏起伏，紧密吸引学生的注意力，引导深层次思维。

如何制定和把握有效的课堂节奏呢？首先，课堂中的有效互动，会保持良好的课堂节奏感，需要教师在互动中，发现学生掌握的情况，从而不断调整上课节奏。提问是课堂师生互动的关键一环，正确时机的提问，会加快课堂节奏，提高教学质量，针对二年级的必修课，分子生物学的提问以理解和掌握基础知识为主，比如，“真核启动子含有不同的元件，鸟类细胞和哺乳动物细胞有怎么样的偏好性？”，用这个问题来理解“一个真核细胞基因的启动子区域几乎不会包括所有的元件类型”，同时需要学生记忆Ⅱ类基因启动子和调控区的各种元件类型和特点，并且为下一步学习转录中不同基础转录因子结合相应启动子区元件，构建转录平台做好准备。而三年级的选修课，表观遗传学是一门前沿学科，主要引导学生接触最前沿的研究动态，并引导学生开拓思维，向研究生学习阶段进行过度，关注的科学问题极具拓展性，比如：“相分离可能是开启下一个维度微观世界的钥匙，但是目前也有很多争议，争议的焦点在哪里？”从而让学生了解这一前沿和热点研究方向并且启发学生的思辨能力。

课堂提问也有很多方式和技巧，比如留时间思考后提问、冷不丁点名提问、连续性提问和分解问题从不同角度提问等等，各种提问方式配合教学目的而设定。好的提问环节设置会让学生充分思考，提高学习效率，有更高的参与度，形成积极的课堂氛围，并且在短时间内让模糊的概念清晰化，让学生进行了一次快速的复习。提问的反馈中，教师也需要注意积极鼓励、准确表扬、幽默趣味和耐心细致的补充解答。另外，通过对上课中学生反应程度的观察以及对后排同学的关注，及时进行停顿或者进入更深层次的探讨，包括适时播放音乐，视频，调节和加强学生的专注力。

分子生物学各章节都需要加入相关的视频展示，比如：翻译部分核糖体中多肽合成的过程，PPT需要动态播放氨酰tRNA的进位、转位和离开，便于学生直观理解和记忆。由于微观课程的特点，需要大量精致图片的收集和展示，比如；电镜照片中与染色质凝集状态有关的荧光标记活跃基因（active genes）区域与非活跃基因（inactive genes）区域，令学生产生直观且深刻的记忆。科学典故也适合作为与学生互动的重要环节，在讲解科学家故事的时候还可以融入思政元素，比如在分子生物学中讲到转座子序列的发现者McClintock精彩而坎坷的科研之路，坚持真理不盲从其他权威的声音。讲到DNA聚合酶的发现者ArthurKornberg在DNA复制中的贡献时，联系到同样出色的儿子Roger Kornberg在RNA转录过程中贡献，介绍了家庭环境对人成长的影响，并且继续询问获得诺贝尔奖的父子和母女有哪些。营造恰当的幽默课堂氛围能够积极影响课堂师生的互动，有趣的标题或者引言，比如：“三色猫是公猫还是母猫？”作为表观遗传学“X染色体失活机制”这一章的标题，先让学生自由讨论和发言，进而解释概念和介绍其他生物类型中也存在的X染色体失活现象，最后联系到DNA甲基化和组蛋白修饰等机制。一些随机的幽默节点，会引起学生共鸣同时缓和课程进度。研究领域的新进展和新方向同样会吸引学生注意力，并适当放慢课堂节奏。

其次，课堂测试，课堂讨论，以及一分钟论文（1 min paper）的设置，都能有效的控制课堂节奏，巩固教学效果。此类教学手段的特点是设定时间都比较短，而且紧贴当日教学主题。分子生物学有很多经典命题，这里不再一一列举。我们将表观遗传学的课堂讨论和1 min paper的常用题目进行了总结（表1），也可以引入每一年研究热点和研究前沿的讨论话题，今年（2021）的表观遗传学课上我们对相分离的生物学意义也进行了主题讨论，同学们表现出很高的热情，并且在课堂上适当发起友好辩论，引入深度思考。

表1：表观遗传学常用课堂讨论题目

再次，课堂笔记的重要性。课堂笔记会促进学生紧跟课堂上老师的节奏和思路。教师需要对课堂笔记的进行硬性要求，每堂课进行检查。明确一些笔记的方法，比如康奈尔笔记法（Cornell notes），也叫5R笔记法（记录record，简化reduce，背诵recite，思考reflect和复习review）。虽然一直强调，但是仍然有相当数量的学生不清楚如何有效地记录并运用课堂笔记。在教学过程中发现，学生对课堂笔记的完善记录，对知识点理解、课后复习、知识拓展和学习记忆延长都有很大的作用，需要教师持续进行引导和督促，甚至教师可以在黑板上进行笔记示范。

最后，课堂结束前5分钟进行问题收集和扩展阅读，教师也可以通过这5分钟对课堂效果和可能的问题进行一个回顾和简捷的记录。这些都基于对课堂内容精确的设计和课堂节奏的精准把握。当然在很多时候我们会根据当时的情况进行调整，以每位学生都积极投入到课堂为目标。抓住下课前5分钟，进行有效的交流，从师生互动到生生互动，达到巩固知识，发散思维的效果。

2.3 课后效果追踪

通过课堂随机提问，课堂测试，课后作业和问卷调查进行学习效果评估，主动追踪，掌握学生学习进度，问题和困难，及时进行教学方案调整。如图2所示，根据问卷调查结果，进一步对不同班级的教学进度和课堂设计进行调整，生物学班会适当减慢速度加强基础概念解释，萃英班(生物学拔尖班)会增多主题讨论，比如：“基因印记”“FLC开花调控机制”等等。线下教学伴随线上教学同步进行，在“超星学习通”平台同步上传课堂录屏文件，开通问题讨论专栏，提供课后核心知识点小问卷，或建立课程专属的QQ群和微信群等，方便老师和同学们随时提问、解答、讨论和交流。鼓励学生展示自己的想法，鼓励积极提问，在问题中理清思路、强化理解，提高学习效果。建立分子生物学实验课慕课课堂，学生可以随时回顾实验技术细节，为未来的科学研究打下坚实基础。

图2：表观遗传学调查问卷结果分析图。利用超星学习通平台对学生表观遗传学的学习状况进行问卷调查，了解教学效果并对教案和课堂设计进行及时调整。

3 沉浸式课堂的发展趋势

多媒体时代“互联网+”对于分子生物学和表观遗传学为代表的细胞内微观概念的学科提供了新的契机，VR+教育作为响应国家政策号召的新型技术手段伴随着5G技术必将会成为新型课堂的教学形式。在VR技术支持下的学生可以通过影像直接感知和理解知识点，师生之间亦可实现“一对一，面对面”的及时交流，对于相应的实验学习可以实现虚拟世界中的操作与模拟。此情景下的虚拟现实沉浸式课堂将会大大提高学生的专注力，据研究表明学生在沉浸式虚拟现实环境中学习的专注度是传统环境的6倍[7]。互联网+下虚拟现实技术的沉浸式课堂教学形式会融合更加丰富的教育资源，也可采用不同的终端设备将教学资源上传，并组织教学活动，打破教学时空限制，激发学习热情和潜能。真正实现全员全程高度参与的课堂。

在现代化技术手段展现了丰富教学形式的今天，仍然需要教师对完整教案的编纂和修订，对每一节课教学设计和课堂组织的精细制定。辅助和引导学生延伸思维，并进一步总结和提炼[8]。不断改进45分钟的结构，将66%时间布局在积极的学习活动中而非教师的一言堂灌输[9]，实现分子生物学与表观遗传学的研究型课程体系。课堂45分钟，不仅仅是学生学习的阵地，也是教师个人魅力展示的舞台，一个卓越的老师会让学生沉浸和享受课堂时间，让学生高度参与的状态成为课堂的常态，而我们所追求的沉浸式课堂教学形式会提高学生获取知识和保留知识的能力。同时也要兼顾德育和思政元素的渗透，助推新时代大学生全面发展[10]。

在互联网和虚拟空间高度发展的形势下，高校课堂建立必须遵循“变”与“不变”的原则。针对以分子生物学和表观遗传学为代表的基础理论学科，需要不断改变和完善的是对线上线下教学模式分配比例的制定，以及丰富的教学资源的拓展和应用，而永远不变的是教师对学生的爱心细心耐心和对教育事业的拳拳之心。邓小平同志的“教育要面向现代化，面向世界，面向未来”，习近平总书记强调：今天的学生就是未来实现中华民族伟大复兴中国梦的主力军，广大教师就是打造这支中华民族“梦之队”的“筑梦人”，而每一个教师的每堂课就是构成国家教育体系的细胞。按照国家新课程改革的要求，全面贯彻党的教育方针，全面推进素质教育。坚持德育为先、全面发展、能力为重、以人为本、与时俱进，突出“一切为了每一位学生的发展”的核心理念，转变教师教学方式和学生学习方式，建立师生学习共同体，彰显多元、开放、包容的课堂教学文化，最大限度地优化教学环境、教学内容、教学方法与手段，形成最优化的课堂形态，全面提高课堂教学效率和育人质量。

根据教育部颁发的“两性一度”金课原则，建设融合“高阶性、创新性和挑战度”的课堂为标准，以学生学习渴望和创造潜能激发，教师科研启迪和幸福感指数作为共同的评估指标，建立有效和具有影响力的课堂教学。一个教师不断总结，提炼教学经验，升华教学理念，形成自己的教学风格。在教学实操中细化环节，不仅通过短期（考试）和长期（毕业生追踪）的教学评估，也可专门设立对比实验（平行班进行不同教学模式）进行案例分析[11]。建立全过程、多维度和多元化的评价体系。从“课堂效果”发展为“影响一生”，以“学习为中心”转变为“学生发展为中心”，构建“主线清晰，枝繁叶茂”的课程内容体系。在未来的课堂设计和组织中将会加大VR技术应用，并以表观遗传学研究团队科研优势带动教学，将虚拟现实体验和学术前沿真正融入课堂教学，为微观基础理论课程的教育改革提供新思路新动力。