理实融合,构建“教、学、做、思、用”立体化教学模式

李晓岩,王鹏超,毕 冰

(东北林业大学 生命科学学院,哈尔滨 150040)

生物学是一门理论性和实践性都很强的学科,而实践教学是引导学生从理论知识的基本认知到实际应用与创新的主渠道,是大学教育培养学生实践创新能力的“最后一公里”[1-2]。在多年教学过程中发现,不少本科生虽精通书本内容,但实验动手能力较差,个别学生甚至不能独立完成实验试剂的正确配制等基本操作,成为培养生物类高质量卓越人才的严重制约。2004年,东北林业大学生命科学学院根据生物学卓越人才培养需求,结合自身专业及办学特色,以提升学生实践创新能力为目的,创建生化分析技术课程,该课程作为生物化学的后续课程,以“生物活性物质的分离纯化”为主线设计教学内容,通过理论教学与实践教学的深度融合,着力提升学生独立开展科学实验的能力,切实为培养具有实践能力、创新意识和科学精神的林业特色生物学卓越人才助力。

1 课程改革的背景及必要性

1.1 学生对课程的知识理论难以做到深度理解

生化分析技术是以动物、植物或微生物为原料,利用待分离目标组分与其他物质性质的差异进行分离,用于制备生物活性物质所采用的多种技术的组合。本课程涉及电泳、层析及光谱分析等多种技术的工作原理,涵盖生物学、化学、数学、物理学、工程学等相关学科背景知识,是一门综合性、实用性强且难度较大的课程[3]。传统教学中,学生很难建立具象意识,对课程的部分理论知识难以做到深度理解。

1.2 提升学生独立开展科学实验能力的手段单一

本课程主要面向生物科学类专业二年级学生开设(第4学期),注重培养学生独立开展科学实验的能力及科研思维,是一门实践性较强的课程。本课程共计56学时,其中,理论教学24学时,实验教学32学时。在以往教学过程中,有限的实验教学学时导致学生的实验操作机会相对较少,提升学生动手能力的手段较为单一。

2 课程改革思路及实施

立体化教学模式是以实践能力培养为主线,利用有效的手段建立课程各环节的内在联系,实现实践能力培养的一体化教学模式[4-5],该模式是解决本课程传统教学中存在问题的有效手段。在教学改革实施过程中,坚持以学生为中心的教学理念,通过理论教学与实践教学的深度融合,着力打造“教、学、做、思、用”立体化教学模式,开启课堂教学改革新路径。

2.1 教与学

2.1.1 教学设计合理化

本课程教学改革的要点之一是重塑课程内容,打造遵循科学研究发展历程和规律、具有林业行业特色、面向生物学专业的研究型教学内容。在整门课程的内容组织方面,以生物活性物质分离纯化的主要流程“前处理、初级分离和高级分离”为主线,将五章内容贯穿其中,体现课程内容的脉络化和系统性,其中,前四章主要讲授生物活性物质的分离、提取、纯化及鉴定等技术,第五章则是对前四章内容的综合应用[图1(a)]。每一章的内容设计,既要寻共性,又要找不同[图1(b)]:以电泳技术一章为例,首先学习电泳的定义、分离原理及仪器等基本的、共性的知识;在此基础上,介绍聚丙烯酰胺凝胶电泳、琼脂糖凝胶电泳及等电聚焦电泳等分离带电粒子的原理,即电荷效应和分子筛效应。与上述三种电泳方式不同,高效毛细管电泳却可以分离中性粒子,其分离原理是什么[6]?由此抛出问题,激发学生的学习兴趣。在一堂课的内容组织中,注重知识点的前后关联和重难点突出[图1(c)]:以等电聚焦电泳为例,通过案例分析导入授课内容,将教学重点及难点以问题链的形式呈现,培养学生的自主学习能力和探究能力[7]。通过以上教学设计,将知识学习、知识应用及能力提升融为一体,使学生实现由“学会”到“会用”的转变。

(a)一门课的内容设计;(b)一章节的内容设计:第二章电泳技术;(c)一堂课的内容设计:凝胶过滤层析。

2.1.2 教学方法多元化

“教无定法,教必有法,贵在得法”,在教学过程中,优选多种教学方法且灵活运用,可助力学生深刻理解所学内容。例如,在凝胶过滤层析一节的授课过程中,综合运用导入教学法、启发式讲授法、问题教学法及讨论教学法等多种教学方法(表1)。在本节内容当中,由于恒流泵及部分收集器的工作原理较难理解,借助丰富的网络资源,并结合大量短视频、图片,将许多看不见的、难理解的、容易混淆的知识点变成显而易见的、简单易懂的、具有趣味性的知识,使学生在潜移默化中理解、掌握课程难点。此外,在教学过程中,注重将授课重点和难点以问题链的形式呈现,让学生在教师的引导启发下跟着“问题”走,使课堂真正“活”起来[8]。既注重拓展学生的发散思维,提升课程的高阶性,又不偏离课程主线,使学生在掌握课程精髓的基础上,能够合理应用所学知识,达到活学活用的目的。

表1 凝胶过滤层析教学内容及教学方法

2.2 做与思

实践教学是本课程的重要组成部分,在培养学生的科学思维、创新意识以及提升学生的动手操作能力等方面具有重要作用[9-10]。实践教学的开展,可帮助学生进一步加深对理论知识的理解和消化。然而,传统的实验教学内容常采用“教-学-做”模式,保姆式的实验教学模式以及标准化的实验结果要求极易导致学生仅仅是根据实验讲义机械性地重复实验过程,对实验原理的理解并不透彻,且学生的自主性被极大抑制,缺乏思辨思维和变通能力。在“第一课堂”中,通过理论教学与实践教学的深度融合,按照认知-实践-实训逐级递进的方式,培育学生的实践技能和探究能力[11],下面以“凝胶过滤层析分离细胞色素c和核黄素实验”为例阐述改革实施。

2.2.1 坚持实验操作零起点

在实验教学过程中,从药品称量、溶液配制、仪器组装等基本操作入手,锻炼学生的动手操作能力。本实验采用磷酸缓冲液(0.05 mol/L,pH 7.2)作为洗脱液,学生需要正确计算磷酸氢二钠和磷酸二氢钠的质量并准确称量,才能完成磷酸缓冲液的配制。此外,实验过程中采用MA99-3自动核酸蛋白分离层析仪分离细胞色素c和核黄素,学生需根据说明书学会并熟练掌握恒流泵、核酸蛋白检测仪及收集器等仪器的使用方法。以BS-100A自动收集器为例,该仪器能够自动进行计时、计滴分量采集样品洗脱液,提高工作效率,并可根据时间、滴数或体积收集洗脱液,还具备防泄漏、防漏电功能。学生按照说明书学会仪器的使用后,可根据个人习惯设定不同的洗脱模式,达到准确收集洗脱液的目的。实验操作零起点的实施,能够有效激发学生的探索欲望,培养学生的自主探究能力,使学生获得成就感和自信心。

2.2.2 巧用教学留白设计

“教学留白”是为学生的思考和建构留出空间,给学生们更多的可支配时间、更宽容的环境,培养他们的批判性思维和科研思维[12-13]。学生在“补白”的过程中,往往需要通过查阅文献、小组讨论等活动才能获得正确答案。在凝胶过滤层析实验中,学生需要根据所学知识完成正确的仪器连接才能得到较为理想的实验结果,其中,恒流泵的位置安装是仪器连接过程中要解决的关键问题。恒流泵主要用于自动连续精确输送洗脱液,其工作原理是通过转轮挤压泵管推动管内的流体向前移动从而产生液体流动,那么,恒流泵的位置应该安装在层析柱之前(位置①)还是层析柱之后(位置②)[图2(a)]?如果两个组分在分离过程中洗脱体积相差较大,恒流泵安装在层析柱之前或之后,不会对实验结果产生影响,但如果两个组分洗脱体积相差较小,恒流泵安装在层析柱之后会导致已经分离的两个组分经过挤压混合在一起,影响分离效果[图2(c)]。通过教学留白设计实现学生主体地位的回归。

(a)凝胶过滤层析的仪器连接;(b)恒流泵的工作原理;(c)凝胶过滤层析分离样品组分示意图。

2.3 用

引导学生将理论知识灵活应用于实践,提升创新能力是本课程的重要教学目标。针对传统教学中提升学生动手能力的手段较为单一的问题,积极拓展“第二课堂”,锻炼学生的动手操作能力,是在灵活运用、融会贯通的过程中对学生专业核心技能的强化突破[14-15]。此外,“第二课堂”的构建与实践,能够有效增加学生的实验操作机会,丰富提升学生动手能力的手段,有效地解决了教学改革的痛点问题。

(1)创新研究性实验设计。以“从生物材料中分离制备有效化学成分”为主题,引导学生利用所学过的理论知识进行创新性设计,独立完成实验方案并予以实施。学生以小组为单位,通过查阅资料、独立设计、综合讨论分析形成实验方案,在答辩过程中,每组选派代表讲解制备工艺的目的意义、所需仪器药品及实验流程,其他同学做补充。其他小组则负责研判实验方案的可行性,同学们在“答”与“辩”的过程中,能够知道自己设计的制备方案中哪些是正确的,哪些是错误的,有没有更好的解决方法等,在交流中完成实验方案的升级优化。实践证明,上述“命题作业的完成”能够有效激发学生的创新思维,达到学以致用的目的。

(2)大学生创新创业训练计划项目。本课程在第四学期开设,正值大学生创新创业训练计划项目立项之际,在项目申报过程中,学生在指导教师的帮助下,能够主动参与项目申请书的撰写、修改、完善等。在设计实验方案时,学生能够利用所学的多项实验技术,针对某一个问题,通过比较多种实验方法,给出最优解。本课程的学习与训练为学生申请大学生创新创业训练计划项目奠定了坚实的基础,学生能够运用所学知识顺利完成资料检索、实验方案设计及项目申请书撰写等工作。此外,不少学生包括多名已毕业进入知名高校攻读研究生的学生反馈,生化分析技术课程的学习对他们的科研启蒙起到了重要的作用。

(3)大学生课外科研训练。本科生导师制是在本科教育阶段引入导师制,在大学四年教学过程中由指导教师对学生进行学科引导、专业指导、科研训练,促进学生学科知识、科研素养、实践能力等综合素质的提升,最终达到提升人才培养质量的目的[16]。随着本科生导师制的推行,不少本科生从大二开始进入实验室进行科研训练,但是由于缺乏生物学专业知识,对实验室常用技术的原理及操作一知半解,导致学生的自主性被极大抑制。通过本课程的学习,学生的实验操作能力、团队协作意识、科学研究思维得到较为全面的启蒙和系统训练,为后续科研训练奠定坚实的基础。学生在实验室进行科研训练的过程中,能够进一步加深对课程内容的理解和内化,以达成深度学习。

3 立体化教学模式的实施效果分析

本课程以“培养学生独立开展科学实验的能力及高阶思维能力”为目标进行教学改革,实践证明,学生的独立思考能力以及严谨缜密敢于质疑的科研探究精神得到明显加强。

(1) 教学改革卓有成效。为探讨“理论实践深度融合,教、学、做、思、用立体化教学模式”的实施效果,在每学期期末课程结束后发放调查问卷,对教学改革效果进行评价。问卷调查内容的评价按照“非常满意、满意、一般、不满意、非常不满意”5个等级分别赋分值5、4、3、2、1分,其中2018级生物科学类专业采用传统教学法,2019级和2020级采用立体化教学模式(表2只显示部分问卷题目及结果)。问卷结果显示,绝大多数学生对立体化教学模式持肯定态度,学生普遍认为,新的授课方法有利于激发学习主动性,更易于理解课程难点,尤其是在“第一课堂”掌握基本理论和技能之后,通过开拓“第二课堂”,能够完成从“懂”到“能”的蝶变,有效培养了知识迁移能力和科研思维(表3)。

表2 理论实践深度融合,教、学、做、思、用立体化教学模式满意度调查结果分)

(2)学以致用能力增强。通过本课程的学习,学生对生物学研究中所涉及的多项实验技术有了深入的理解和掌握,并能够学以致用。截至2021年,笔者共指导国家级大学生创新创业训练计划项目3项,省级大学生创新创业训练计划项目2项,指导本科生作为第一作者发表论文7篇(EI收录1篇,中文核心收录6篇)。此外,诸多学生也反馈了课程学习的感受,课程的改革及实施使许多枯燥难懂的知识点以生动有趣的形式呈现出来,激发了自身的学习兴趣。

(3)国际大赛屡获佳绩。2021年11月14日,学院NEFU-China团队凭借“基于G-四联体的病毒检测系统”课题在国际遗传工程机器竞赛(International Genetically Engineered Machine Competition,iGEM)第五次斩获金奖,同时荣获“最佳医疗诊断项目”单项奖和“最佳wiki制作”单项奖。2021年11月20日,学院与奥林学院学生共同组建的团队在国际定向进化大赛(International Directed Evolution Competition,iDEC)中力压伦敦帝国理工学院等一众名校,包揽 “最佳分子进化成果”“最佳基因组进化机器”和“最佳基因组进化成果”3个赛道的第一名,同时还获得“最佳报告系统”“最佳筛选方法”两个单项奖及多个单项奖提名。参赛学生普遍反映,生化分析技术课程的学习极大提高了独立开展科学实验的能力及科研思维,为在国际大赛中取得优异成绩奠定了基础。

(4)有力促进教学相长。在本课程教学改革实施过程中,笔者及时总结经验,于2019年获得东北林业大学首届教学改革先锋奖(全校仅5人获奖),2022年获得第二届黑龙江省高校教师教学创新大赛二等奖。所在教学团队先后获批黑龙江省高等教育教学改革研究项目2项,黑龙江省教育科学“十四五”规划重点课题1项,发表中文核心教学改革论文5篇,累计获得校级教学质量优秀奖一等奖5人次。在学校教务部门组织的学生群体及教学督导的评教结果中,本课程及授课教师团队均获得较好评价。