教育信息化背景下的醫(yī)學(xué)生物化學(xué)實驗教學(xué)改革

柯益彬，陳小萍，吳志鵬

莆田學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部， 福建 莆田 351100

生物化學(xué)是醫(yī)學(xué)生重要的必修課程之一，其理論與技術(shù)滲入到基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域，對醫(yī)學(xué)生畢業(yè)后的科研與臨床工作都具有重要意義。其中，實驗內(nèi)容又是這門課的重要組成部分，實驗教學(xué)效果直接關(guān)系到學(xué)生對生化理論的理解和實驗技能的掌握。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題

過去的實驗教學(xué)一般是教師先講解，學(xué)生再做實驗，課后寫實驗報告。實驗大多以驗證性為主，綜合性、設(shè)計性實驗很少，甚至沒有。具體問題如下：①實驗課時有限，課堂時間緊張，學(xué)生動手機(jī)會不多；②教學(xué)形式枯燥、單一，較為復(fù)雜的實驗，教師講解就占去大量時間，學(xué)生邊看書邊做實驗，思路不連貫，實驗容易中斷；③學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，不同專業(yè)、不同個體間差異化明顯，差生難以跟上進(jìn)度；④教學(xué)評價單一，缺乏全面考評學(xué)生的有效機(jī)制。

這種僵化的教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生對知識技能消化吸收有限，技術(shù)操作水平低下，也未能充分理解實驗現(xiàn)象與生化理論之間的內(nèi)在聯(lián)系。同時，學(xué)生上課缺乏積極性，小組實驗時協(xié)作與交流不足。因此，很有必要改革實驗教學(xué)，以跟上新時代對高素質(zhì)醫(yī)學(xué)人才的要求。

2 信息化的必要性

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展與普及，高校教育信息化建設(shè)也在加速。2012年，教育部出臺的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》指出，要為學(xué)生提供信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，支撐以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)模式，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供高性能信息化教學(xué)科研環(huán)境[1]。2018年，教育部和衛(wèi)健委又聯(lián)合頒發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)醫(yī)教協(xié)同實施卓越醫(yī)師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，要求加快推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)教育教學(xué)的深度融合，推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)學(xué)教育，用新技術(shù)共建共享優(yōu)質(zhì)醫(yī)學(xué)教育資源，積極建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)項目，廣泛開展混合式教學(xué)和在線教育[2]。

以此為契機(jī)，生化實驗教學(xué)嘗試以翻轉(zhuǎn)課堂為新教學(xué)模式，充分利用信息技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合虛擬仿真實驗技術(shù)，整合優(yōu)化多種電子化學(xué)習(xí)資源，改革生化實驗教學(xué)[3-4]。

3 相關(guān)教學(xué)方法

翻轉(zhuǎn)課堂，被教育界稱為影響課堂教學(xué)的重大技術(shù)變革[5]。就是在信息化環(huán)境下，對傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)安排顛倒翻轉(zhuǎn)，先學(xué)后教，師生的角色也發(fā)生巨大變化。任課教師先在網(wǎng)絡(luò)中提供包括視頻在內(nèi)的各種學(xué)習(xí)資源，學(xué)生在上課前先完成對這些內(nèi)容的觀看、學(xué)習(xí)。課堂上，師生再進(jìn)一步深入討論，小組交流答疑，協(xié)作探究，內(nèi)化知識[6]。這種方式顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)模式，從教師的教學(xué)思維、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，到知識的獲取途徑、學(xué)習(xí)資源的拓展與整合、師生互動、團(tuán)體協(xié)作與交流等，都發(fā)生了巨大的變化[7]。

相比理論教學(xué)，生化實驗教學(xué)多了動手操作實踐環(huán)節(jié)，課前學(xué)習(xí)僅靠視頻與文字材料無法獲得理想效果，而近年發(fā)展起來的虛擬仿真實驗技術(shù)可以滿足教與學(xué)的要求。虛擬生化實驗利用數(shù)字化仿真技術(shù)，參照真實的實驗，模擬各種試劑、藥品、儀器與耗材，建立虛擬仿真實驗環(huán)境，使實驗者就如身處真實的生化實驗室[8]。實驗者通過手機(jī)或電腦人機(jī)交互，完成各種仿真操作，包括從實驗原理、目的到實驗條件的設(shè)置，實驗步驟的操作，以及數(shù)據(jù)的采集、處理、實驗結(jié)果分析等，通過虛擬場景化學(xué)習(xí)，完成預(yù)設(shè)的實驗任務(wù)。

虛擬實驗技術(shù)一般由專業(yè)公司開發(fā)，目前已經(jīng)在多所醫(yī)學(xué)高校應(yīng)用。它本身有許多好處：有利于節(jié)約寶貴的實驗課時；有利于打破時空以及地點(diǎn)的限制；可以減少師生接觸有毒、有害、高危生化試劑的機(jī)會，避免安全隱患；可以節(jié)約資源和降低實驗成本，打破經(jīng)費(fèi)的束縛；可以減少污染物排放，降低對環(huán)境的破壞等[9]。但這只是比較次要的一個方面，更重大的意義在于可以與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式完美結(jié)合，轉(zhuǎn)變教學(xué)思維，調(diào)整教學(xué)策略，顯著提升教學(xué)效果[10]。

4 具體實施

4.1 三大環(huán)節(jié)

新模式采用混合式學(xué)習(xí)方式，對生化實驗課堂進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，分實驗課前、實驗課上和實驗課后三大環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學(xué)模式示意圖

4.1.1實驗課前

①優(yōu)化整合多種電子化學(xué)習(xí)資源學(xué)習(xí)資源以微課的形式呈現(xiàn)，其中以微虛擬仿真實驗為核心，虛擬實驗按正常操作時間計算，時長一般限制在10 min以內(nèi)，后期綜合性實驗過程步驟復(fù)雜，也控制在15 min以內(nèi)。每個微虛擬實驗與教學(xué)目標(biāo)配套，設(shè)計合理、主題突出、短小精悍。學(xué)生在人機(jī)互動虛擬實驗操作時，每個操作步驟必須準(zhǔn)確無誤才能進(jìn)入下一步，操作錯誤的自動退回，重新操作。一些關(guān)鍵步驟還配上語音提示，講解操作技巧和注意事項。基礎(chǔ)較差的學(xué)生還可以根據(jù)自己的情況，多次操作、反復(fù)練習(xí)。

除此之外，還有微視頻、微三維動畫、微課件、微問題等學(xué)習(xí)資源。微視頻一般是任課教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合不同專業(yè)要求，錄制篩選有代表性的實驗教學(xué)視頻，上傳網(wǎng)絡(luò)供學(xué)生課外觀摩。時間一般不超過10 min。由于對教師的時間、精力、制作能力有較高要求，只作為輔助補(bǔ)充。三維動畫可以直觀、形象地觀察生物大分子微觀結(jié)構(gòu)或生化反應(yīng)動態(tài)過程，與實驗過程產(chǎn)生的各種現(xiàn)象結(jié)合起來，有助于加深理解，內(nèi)化知識。

這種微課的好處是學(xué)生可以充分利用碎片化時間，隨時隨地拿起手機(jī)或平板電腦，就可以操作虛擬實驗、觀摩視頻、查閱資料，既增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)時間容量，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣與積極性，同時，又不會過多擠占學(xué)生的有效時間，對學(xué)生的課余活動與生活造成太大影響[11]。

②在線學(xué)習(xí)交流社區(qū)社區(qū)對所有修習(xí)該課程的學(xué)生開放，在此平臺上師生互動式教學(xué)、生生互助式學(xué)習(xí)。

在線學(xué)習(xí)過程中，教師緊扣學(xué)習(xí)目標(biāo)，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)穿插一系列微問題引導(dǎo)學(xué)生思考。結(jié)尾部分附上專題討論，拓展學(xué)生思維，提高綜合應(yīng)用分析能力。學(xué)生在自主式學(xué)習(xí)探究時，產(chǎn)生疑惑，提出問題，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，在社區(qū)上與學(xué)生共享，共同分析探討、解決問題[12]。教師在此過程中，觀察學(xué)生的表現(xiàn)情況，協(xié)調(diào)引導(dǎo)，必要時講解指導(dǎo)。同時，收集學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)和重點(diǎn)，在實驗課上集中展示給全班學(xué)生。

4.1.2實驗課有了課前充分的訓(xùn)練、資料收集與學(xué)習(xí)，實驗課上無須面面俱到。教師首先把課前收集整理好的重、難點(diǎn)呈現(xiàn)出來，供學(xué)生集體深入討論，教師指導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生思考，分析講解[13]。學(xué)生也可以帶著疑問進(jìn)入下一輪即實驗環(huán)節(jié)，在實驗過程中尋找答案。實驗以小組為單位，分工協(xié)作，小組邊操作邊交流，探究實驗現(xiàn)象，分析與生化理論間的聯(lián)系，進(jìn)一步內(nèi)化知識。教師在旁觀察，協(xié)調(diào)引導(dǎo)。

4.1.3實驗課后課后強(qiáng)化與鞏固，除了撰寫實驗報告，學(xué)生也可以把實驗過程中的思考與出現(xiàn)的問題，以實驗總結(jié)、分析報告的形式反饋，有代表性的可以放到線上，師生繼續(xù)展開討論。由于專業(yè)基礎(chǔ)、動手能力等個體差異，不同學(xué)生做同樣實驗，實驗結(jié)果會有所不同，實驗后在學(xué)習(xí)社區(qū)上進(jìn)行結(jié)果展示，分析比較，探討得失，揚(yáng)長避短。

4.2 三個階段

從教學(xué)進(jìn)度和時間安排上，整個生物化學(xué)實驗課程大致分為三個階段，由淺入深，由易到難，相互關(guān)聯(lián)，層層遞進(jìn)。

第一階段：基本實驗技術(shù)操作開學(xué)后第一至六周，以課前在線學(xué)習(xí)為主。教師對生化基本實驗知識和常用技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行分割，制作成一系列的微虛擬實驗項目，時長均不超過10 min[14]。內(nèi)容包括生化實驗室安全；琉璃儀器清洗與試劑配制；實驗動物基本操作；渦旋儀、PH計、微量移液器等的使用；分光光度計技術(shù)；PCR技術(shù)、高速離心機(jī)技術(shù)；常用電泳技術(shù)和層析技術(shù)等。學(xué)生可以在線虛擬操作，觀摩學(xué)習(xí)。

在此期間，真實的生化實驗室也對學(xué)生開放，每周兩次，學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生可自由進(jìn)入，體驗真實的實驗環(huán)境，進(jìn)行實際儀器設(shè)備操作，與線上虛擬實驗交叉比較，加深認(rèn)識。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生還可以參與準(zhǔn)備實驗所需的儀器、耗材，配制實驗試劑和藥品等，以提高學(xué)生的動手能力和參與意識。

第二階段：綜合性、設(shè)計性實驗第七至十五周，課前學(xué)習(xí)與實驗課并重。此類實驗持續(xù)時間長、過程復(fù)雜，是對前面所學(xué)知識與操作技能的綜合應(yīng)用。基本知識與技能在前期已經(jīng)得到充分訓(xùn)練和熟練掌握，因此，可以刪繁就簡，突出重點(diǎn)，虛擬實驗時長仍然控制在15 min以內(nèi)。此階段把重點(diǎn)放在：探討實驗發(fā)生的原理與設(shè)計思維；實驗各環(huán)節(jié)間的相互聯(lián)系；對生化實驗與理論的深度融合；分析比較不同實驗條件和方法下導(dǎo)致的實驗結(jié)果優(yōu)劣(例如：以不同方法測定蛋白質(zhì)并分析比較)；也可以與臨床應(yīng)用相結(jié)合，實驗過程結(jié)合臨床病例進(jìn)行討論分析，例如：在不同家兔腹腔內(nèi)注射胰島素和腎上腺素，抽血測定血糖，觀察血糖變化，提取兔肝測定肝糖原含量，了解血糖的激素調(diào)節(jié)機(jī)制、糖的代謝途徑，分析糖尿病的產(chǎn)生機(jī)制等。

教師在此過程可以對學(xué)生引出較為深入的問題，以及實驗相關(guān)的外延知識與科研進(jìn)展，附上參考文獻(xiàn)和研究資料，供學(xué)有余力的學(xué)生課后進(jìn)一步鉆研，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣與深度思維。為節(jié)省時間，文獻(xiàn)資料目錄可提供快捷獲取途徑。近年快速發(fā)展的數(shù)字化圖書館為教學(xué)提供了很大便利，點(diǎn)擊相關(guān)按鈕就可以直接跳轉(zhuǎn)到所需文獻(xiàn)資料，比傳統(tǒng)的查資料法方便、快捷。

第三階段：最新、最前沿實驗技術(shù)與研究進(jìn)展第十六至十八周，進(jìn)一步拓展學(xué)生的思維與專業(yè)領(lǐng)域的知識邊界。在傳統(tǒng)實驗條件下，因儀器昂貴或技術(shù)難度等條件限制而難以開展，或者由于學(xué)時有限無法兼顧。虛擬實驗可以體驗性操作大型貴重儀器，也可以視頻形式演示生化實驗技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，教師在課堂上介紹講解，讓學(xué)生初步認(rèn)識和形成大致印象，為以后進(jìn)一步學(xué)習(xí)與科研打下基礎(chǔ)。

5 學(xué)習(xí)效果跟蹤與評價

傳統(tǒng)評價方式無法體現(xiàn)新模式中的全部學(xué)習(xí)效果，因為翻轉(zhuǎn)課堂同時訓(xùn)練了學(xué)生的綜合能力，如主動式自學(xué)能力、個人時間管理能力、分析解決問題能力，以及合作能力、團(tuán)體合作與組織協(xié)調(diào)能力、表達(dá)與溝通能力等。所以，新模式下，定量評價與定性評價、過程性評價與總結(jié)性評價、個人評價與小組評價、自我評價與他人評價之間充分結(jié)合，以評估整體教學(xué)效果。教師通過形成性評價，分析總結(jié)，及時調(diào)整教學(xué)計劃、改進(jìn)教學(xué)方法。通過這種多層次的綜合評價系統(tǒng)，能更好地體現(xiàn)教與學(xué)的良性互動關(guān)系。

除了期末考試與操作考核的總結(jié)性評價，教師平時可以通過在線學(xué)習(xí)追蹤系統(tǒng)，觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，如學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度與時間安排、獨(dú)立學(xué)習(xí)時的表現(xiàn)、思考題的完成質(zhì)量、在線互動與交流中的表現(xiàn)，進(jìn)而對學(xué)生作出過程性評價。實驗課堂上，學(xué)生的實驗操作水平、組織分工與協(xié)調(diào)能力、小組問題討論與分析能力，以及課后實驗報告、實驗總結(jié)與反饋、階段性小測驗等，既可以通過教師或其他學(xué)生進(jìn)行評價，也可以通過學(xué)生自我評價，一起納入綜合評價體系。

6 應(yīng)用效果分析

在莆田學(xué)院的臨床和護(hù)理專業(yè)，對學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生分別隨機(jī)抽取兩個班次，分成對照組和實驗組。實驗組采用翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學(xué)法，對照組采取傳統(tǒng)實驗教學(xué)法，分析、比較兩組的實驗技術(shù)操作考核、實驗分析與數(shù)據(jù)處理、期末理論考試的表現(xiàn)，結(jié)果如表1所示。

專 業(yè)組 別n實驗操作考核(15分)實驗分析與數(shù)據(jù)處理(15分)期末理論考試(60分)臨床專業(yè)實驗組51(11.36±3.25)(12.15±1.84)(48.12±7.65)對照組49(9.22±4.76)(9.92±3.85)(44.32±9.34)t值2.635 3.7192.230P值0.010<0.0010.028護(hù)理專業(yè)實驗組53(10.68±3.45)(11.28±2.45)(46.42±7.72)對照組51(9.15±3.07)(9.71±3.37)(42.73±8.53)t值2.386 2.7252.315P值0.019 0.0080.023

統(tǒng)計結(jié)果顯示，實驗組的學(xué)生無論是實驗技術(shù)操作、實驗的分析與數(shù)據(jù)處理，還是期末理論考試，都優(yōu)于對照組，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。需要指出的是，這些量化指標(biāo)僅是其中一個方面，新模式還訓(xùn)練了學(xué)生的上述多項個人能力，并有利于培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和循證思維，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣，為以后臨床工作和科研打下良好基礎(chǔ)[15]。

7 教改中發(fā)現(xiàn)的問題與建議

新模式對學(xué)生的自律性和時間管理能力有較高要求。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，需要學(xué)生自主安排學(xué)習(xí)計劃，采用積極主動的學(xué)習(xí)方式，部分學(xué)生難以適應(yīng)。為了不讓一個學(xué)生掉隊，可以考慮在軟件設(shè)計上把關(guān)，系統(tǒng)自動統(tǒng)計追蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，教師利用這些信息，以及在線學(xué)習(xí)交流和答疑情況，及時了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和遇到的問題，作出有針對性的引導(dǎo)，根據(jù)個體差異布置個性化任務(wù)，合理設(shè)計在線習(xí)題的數(shù)量和難度。

需要指出的是，教師在過程性評價中最重要的并不在于對學(xué)生打分給成績，而在于了解學(xué)生是否掌握了學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助其解決學(xué)習(xí)中遇到的困難。并且對差生也應(yīng)給予同等關(guān)注，比較其前后表現(xiàn)，及時給予肯定和鼓勵，以提升其學(xué)習(xí)信心和興趣。

網(wǎng)絡(luò)化的教與學(xué)，這種變化不僅針對學(xué)生，也要求任課教師積極轉(zhuǎn)變思想觀念，調(diào)整教學(xué)策略。新模式下的教師不再是單純的知識傳授者，同時也是學(xué)生學(xué)習(xí)過程的領(lǐng)路人。教師需要對多樣化的電子學(xué)習(xí)資源精心編排組織，并采取個體化、差異化的教學(xué)方式，各知識點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系和重難點(diǎn)，也需教師用適當(dāng)?shù)募记杉右詥⒌吓c引導(dǎo)，這些無疑對教師的時間、精力與個人能力都提出更多、更高的要求。所以，有必要對教師進(jìn)行系統(tǒng)化的培訓(xùn)，使之勝任新教學(xué)模式[16]。

總之，教育信息化背景下，應(yīng)用虛擬仿真實驗技術(shù)在內(nèi)的多種電子化學(xué)習(xí)資源，實行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模

式，克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的缺點(diǎn)，既提升了教學(xué)效果，也訓(xùn)練了學(xué)生的各項能力。這一教改方向值得進(jìn)一步嘗試，也期待今后經(jīng)過實踐反饋，不斷改進(jìn)和完善。