指導探究式實驗生物化學教學體系的構建與實踐

董 文，毛玉峰，于樂軍

（中國海洋大學海洋生命學院國家海洋生命科學實驗教學示范中心，山東青島 266003）

0 引言

生物化學是研究生命現象化學本質的科學，研究生物體的化學組成、分子結構與功能、物質代謝與調節及其在生命活動中的作用，是生命科學的共同語言。現代的生物化學理論和技術也有著廣泛的實用價值，是生命科學領域的前沿學科，對生物相關專業學生的知識體系及其職業發展具有舉足輕重的作用［1］。但目前的教學體系尤其是實踐教學中存在一些普遍性的問題亟須解決，這些問題與培養綜合創新性人才的目標不符，難以適應學生的職業發展和滿足社會對優秀創新人才的要求。

1 生物化學教學現狀

1.1 理論教學未能切實支撐科研實踐

生物化學教學目前普遍存在注重理論而輕視實踐的現象。在理論教學過程中，學生學習生物化學核心的理論知識并了解到前沿動態，建構了基本的生物化學理論知識體系，但是生物化學作為實驗性學科，學習理論知識的目標是指導并應用于科研實踐，尤其對于綜合性重點大學的學生更是如此。雖然在理論教學中強調創新精神和批判思維，同時也能學習到一些實驗技術原理，但具體實踐及問題的解決則是另一回事。例如，聚合酶鏈式反應技術（Polymerase Chain

Reaction，PCR）是當前生物學基本的實驗技術，雖然學生抱怨至少6 門專業課中學習過PCR相關內容，但實際上除了原理外，學生幾乎一無所知，在從業之初，依然需要從引物設計到PCR 體系選擇等各個方面重新手把手去教。在目前的教學體系中，理論教學的教學內容、教學模式以及教學時數不足等決定了它沒有也難以切實支撐實踐教學；教師的學術積累和優秀科研成果沒能積極轉化為教學資源，通過反復實踐和長期積累的科研經驗在學生培養過程中沒有發揮應有的作用。

1.2 實踐教學缺乏真實的問題情境

實踐教學是鞏固理論知識和加深對理論知識理解的有效途徑和重要手段。學生在生物學科相關科目學習中的普遍感受是學習內容枯燥，學習的主要方法就是背誦相關知識點，這就導致學生學習興趣不高。出現這種現象的根本原因在于實踐教學缺乏真實的問題情境，學生不能深入理解這些知識在自己的職業生涯中可以用來解決什么樣的實際問題，不能準確把握相關理論知識的內涵，未能有效支撐理論教學而實現有意義的深度學習［2］。“紙上學來終覺淺，絕知此事要躬行”，生物化學是在“摸不著看不到”的分子水平探討生命現象本質的學科，實驗對理論教學的支持作用顯得尤為重要。受到教學方式、教學時間等限制，致使實踐教學不能創建真實的問題情境，只能以相應基本實驗操作與技能培訓作為基本目標設置實驗教學內容，這些程式化、碎片化的教學內容難以實現對核心生物化學知識體系進行系統的實踐，沒有起到對理論教學該有的支持作用。

1.3 與現代科研體系脫節

實踐教學是培養具有創新意識高素質科研人才的重要手段，是理論聯系實際、培養學生掌握科學方法和提高科研能力的重要平臺［3］。但是目前生物化學教學尤其是實驗教學與現代科研體系脫節，未能有效支撐學生的科研職業發展需要［4］。首先，實驗教學內容老舊，仍以驗證性實驗為主，嚴重滯后于現代科研體系。比如對核酸的研究僅停留在簡單化學提取和定性反應上，提取的核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）沒有進行生物活性研究的價值；定糖法及定磷法對核酸定量很少會被應用于科研實踐；又如血糖測定（Folin-Wu法）已經無臨床及實踐價值。其次，教學方式單一，沒有探索性和挑戰性，學生興趣不高，沒有從教學中獲得從事科學研究應具有的科研思維和科學素養［5］。教學過程“批量化，流水線”，目前主流的生物化學實驗課程一般是學生在特定的時間、特定地點，以教師設定好的實驗程序，利用教師配制好的實驗試劑、準備好的實驗儀器，遵循教師提供的操作規程，按部就班完成規定的實驗過程。在這些實驗中，學生雖然可以學習基本的實驗操作技能和規程，但是很顯然，這樣的生物化學實驗教學體系無法為學生提供足夠的機會來提高實驗設計能力和批判性思維，學生沒有接受到系統的、個性化的科研思維訓練，也沒有學習到從事科學研究應有的基本實踐技能，與科研工作體系脫節。近年來很多高校已經注意到并開始著手解決相關問題，例如開展了綜合創新實驗，但是仍沒有擺脫傳統生物化學實驗的教學模式，受到組織形式、場地、經費、師資人手、學生的知識儲備、教學時間制約、管理松散粗獷等限制，實際上很難達到預期效果而徒有虛名。

生物化學實驗教學中存在的問題，與培養高素質的創新人才培養目標以及社會需求不符［6］，難以支撐學生的職業發展需要［4］，迫切需要改變現行生物化學實驗教學的教學內容與教學模式，探索新的更貼近現代生命科學研究需求的生物化學實驗教學體系，實現理論教學、實驗教學與科研實踐深度融合。

2 基于在線項目的指導探究式實驗生物化學教學體系架構

2.1 基本策略

甄選涵蓋生物化學核心知識的綜合性研究項目，通過解決特定科學問題來創建真實問題情境，借力網絡教學平臺和移動信息技術，在教師的指導下，采取團隊協作的探究模式，學生通過自我學習和自我實踐，促進深度學習和有意義學習，系統深入掌握生物化學知識和現代生化與分子生物學核心實驗技能，提高綜合科學素養。

2.2 面向真實問題情境的研究項目

項目甄選的基本原則是項目的內容涵蓋生物化學核心知識，項目的實施過程接近學生將來要從事的生物化學與分子生物學相關的科學研究工作。項目選擇強調挑戰性，充分激發學生的探索欲望。但也要尊重認知規律，重視生物化學理論教學的內容體系和學生已有經驗，不好高騖遠。如果難度過大，超出學生已有知識體系的支撐，學生將無所適從，無從下手［7］。充分考慮到學生的能力，興趣，知識背景等各種差異對探究活動的影響，將項目設定為3 個層次，滿足不同探究群體：①指定項目：選擇目標蛋白質，譬如科研、醫藥或企業中廣泛應用的淀粉酶、脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）限制性內切酶、DNA 聚合酶以及胰蛋白酶等酶類，或者干擾素、甜蛋白、胰島素等具有開發價值的活性蛋白質，在生物信息學分析的基礎上，通過基因克隆、載體設計與構建、受體細胞轉化、發酵與蛋白質誘導表達、細胞破碎、蛋白質分離純化、蛋白質表征等環節，最終完成蛋白質的生物活性分析；②限定題目：以具有重要理論或者應用價值的蛋白質為目標，研究程序原則上應包括基因克隆與載體構建、蛋白質分離純化與定量定性分析、蛋白質表征、蛋白質表達與功能分析、蛋白質活性以及生物信息學分析等基本環節；③自主選題：鼓勵自主選擇創新突出、目標明確、難度適中、條件成熟的課題，鼓勵與本科生創新創業訓練計劃（SRDP）、國際遺傳工程機器大賽（iGEM）研究項目以及科研課題結合，尤其支持學生將符合主題的本科導師或其他教師科研課題的部分作為探究項目。

2.3 以學生為中心的自主合作探究

在教師的引導下，學生通過自主合作探究方式完成研究項目，實現線上自主學習和線下自我實踐的完美結合。通過教學實踐，建立了以學生為中心的自主合作探究教學規范，充分發揮學生在學習過程中的主體地位，調動學生的學習主動性，利用項目構建的真實情境，讓學生通過探究過程來生成科學知識和技能，實現深度學習和有意義學習，深入掌握生物化學和分子生物學知識，有效實現科學素養提升［8-9］。學生首先通過研讀和與教師交流等過程，充分理解教學規范和要求；3～6 人自由組合組建學習小組；根據興趣，選取指定題目、限定題目或自主選題確立探究項目；充分利用實驗指導以及教學平臺教學資源，在教師的指導下，互相協作，廣泛查閱文獻資料、分析討論，選題并提交初步的立項書，闡明立項依據及意義、項目實施需要的基本實驗條件等；主講教師及助教審核立項書；立項書審核通過后，劃分實驗模塊，確定具體實驗方法和步驟，推進過程中隨時與任課教師溝通交流，以模塊化的方式提交詳細的研究方案報告；優秀項目通過SRDP、iGEM以及開放實驗的方式予以線下自主實踐，以不同實驗模塊為單位提交研究進展報告；通過教師對學生各個環節進行評價、組內同學互評以及自我評價等方式，對學生探究活動予以適時反饋。

2.4 網絡與移動通信提供技術支持

網絡與移動通信技術發展及其與教育的深度融合，對教育模式的創新帶來革命性影響。便捷的網絡與移動通信技術為探究學習的有效開展提供了強大的技術和環境條件［10］。交互性、數字化、網絡化的探究學習環境，突破了傳統課堂中探究活動開展的時間和空間的限制，提供豐富的認知工具，使課堂環境下難以實施的探究活動得以實施，為探究情境的創設、資源的存儲與獲取、數據處理和加工、交流分享以及評價和反饋等探究學習的各個環節實現全過程的支持。

依托我校引進的Blakboard 網絡教學軟件開發了開放式探究學習平臺。教師在平臺上發布課程要求及規范，上傳模塊化的實驗程序指導、每一模塊典型原始例證文獻以及檢索方法指導等教學資源，作為開放平臺，學生隨時可以查閱和學習，指導學生探究過程；搭建課程論壇、Wiki（多人協作寫作系統）等交流板塊，方便師生交流互動。例如在項目的立項及線上和線下實踐過程中，遇到的任何問題都可以在課程論壇專題區發帖提問，教師和學生可以即時回帖討論，也可以通過相應板塊分享進展、心得等。又如，立項書、模塊化的研究方案等草案在Wiki發布，組內每個成員都可以修改完善，同時方便指導教師者直接修改或給出修改建議；充分利用網絡平臺及移動客戶端提供的技術支撐，不但非常方便地實現了實驗指導和拓展資料獲取、師生交流互動、資源共享，也通過創建相應模塊，方便地實現了立項報告、研究方案與研究進展報告等線上提交、評價與反思等功能。由于網絡平臺為探究學習的各個環節實現全過程的支持，使學生和學習結果之間有了更直接的聯系，為探究活動的評價與反思提供了強大的“硬件平臺”［11］。

2.5 注重教師的指導作用

探究活動強調學生的自主性，但這種自主性與注重教師的啟發和指導是不矛盾的，適時的指導恰恰是學生良好自主性的基礎。學生從傳統學習習慣的被動接受轉變到自主探究的過程中，同時又受到知識水平的限制，項目立項與實施過程非常需要教師適時地提供必要的支持、評價和反饋。首先，教師利用自己的科研經驗并參考其他來源資料，整理編寫模塊化的主流生物化學與分子生物學實驗技術指導，提供關鍵研究技術實驗程序及注意事項，搜集典型的實驗研究文獻例證，提供文獻的查找方法指引，將教師的科研經驗和學術積累積極轉化為教學資源，為探究項目立項與實施過程提供技術支持；其次，通過網絡課程論壇，Wiki以及移動通信軟件等對學生項目立項與實施過程中遇到的問題進行即時交流指導。研究方案采取模塊化的方式，不但便于線下實踐，也使教師能夠及時發現不同環節或模塊的問題并適時反饋。

在基于項目的探究學習過程中，教師的角色定位需要適時轉變，充分發揮高校教師在科研思維和科研實戰經驗上的優勢與價值，在學生良好的自主性為前提下，由知識的傳授者轉變為教學過程的組織者、監控者、鼓勵者、啟發者和引導者。這實際上對教師就有了更高的要求［12］，對學生相關項目要能夠有足夠深入的了解和把握，充分認識學習情境，尤其對于自主選題的項目，如果是教師自己科研中涉及不夠深入的領域，就要求教師及時查閱相關資料，保證對學生的有效指導，做到游刃有余的引導學生在相應情境中開展探究學習活動。

采用項目式探究教學，需要教師隨時跟進學生的探究過程，極大地增加了教師的工作量。為了解決這個問題，將研究生教學實踐培養環節和本教學體系結合，設置研究生助教崗位，可以起到很好的補充作用。

2.6 采用多元化評價體系

包括生物化學在內的生物學科相關科目，傳統教學的目標通常是理解與掌握科學知識，評價的主要內容大多是回憶陳述性與程序性知識，一般采用形成性或終結性評價方法，往往是“一考定終身”，不能適當地評價高級思維技能與發現問題以及解決問題的能力，很顯然這些方法難以對基于項目的探究學習進行準確有效的評價。采用探究學習的方式，往往花費更多的時間，通常情況下學習目標也與傳統的考試目標不一致，從而影響學生在這些對考生非常重要的考試中的表現［10，13］，不改變評價方法，不能最大限度實現其反饋效果，難以調動學生的學習積極性，出現應付差事的現象。這就要求探究學習的評價方式和標準做出適時調整，不但重視探究結果，更應該重視學生的探究能力、知識建構、科學態度等探究過程表現，兼顧學科內容目標和探究素養目標［10］。在基于項目的探究性實驗生物化學教學評價中堅持評價主體和評價方式的多元化，持續對整個探究學習過程跟蹤、評價和實時反饋。采取課程討論、報告、現場匯報等多種形式，對整個學習過程開展嵌入式評價，教師通過課程論壇、Wiki、開題與立項報告、模塊化的實驗研究方案、實驗數據記錄報告、實驗論文的評閱等形式對學習的各個環節給予實時評價反饋，同時學生通過自評和互評等方式對探究學習開展情況進行自我評價和自主性反思。所有環節成績都以一定加權比例計入課程成績，充分發揮成績的“指揮棒”作用，最大程度提高基于項目的探究學習效果。

3 教學效果

3.1 充分激發了學生的學習積極性

在傳統的生物化學教學過程中，學生面對以文字符號等表征的去情境化知識，諸如抽象的理論、概念、摸不著看不到的物質名稱等，不能深入理解這些知識在自己的職業生涯中可以用來解決什么實際問題，不能準確把握相關科學知識的內涵，學生忙于被動機械背誦相關知識點，應付各種考試，枯燥乏味，難以引發學生強烈的探索和求知欲望，逐漸對這些科目失去興趣，給學生進行深度學習帶來了障礙。因此，缺乏真實的問題情境是學生對包括生物化學在內的生物學相關科目興趣索然的根本癥結所在。在這些項目的立項與實施過程中，學生以科學家的視角和思維方式，解決將來的職業中將要遇到的具有理論或者應用價值的實際問題，能直觀有效地闡明科學知識在實際科學研究與職業生涯中的意義與價值，能夠充分調動學生的好奇心、興趣和創造力，引發學生的探究熱情，積極主動地全身心投入探究學習活動中［14］。

3.2 促進教師的科研經驗和科研積累轉化為教學資源

高等學校的根本任務是培養人才［15］，如何將科研成果轉化為教學資源是教學改革所面臨的現實而重要的課題［16］。傳統教學過程中任課教師需要應對課綱、課本，課堂和課時限制了教師的科研資源有效轉化為教學資源。基于項目的探究式實驗生物化學教學體系的建立和實施有效地促進了教師的科研經驗和科研成果轉化為教學資源。

在教學體系建設過程中，教師根據自己的科研經驗并整合各種資源，整理編寫模塊化的核心生物化學與分子生物學實驗技術指導，強調關鍵環節、注意事項等，上傳到教學平臺，隨時供學生查閱學習，指導學生探究過程。例如在載體選擇與引物設計模塊，上傳載體及其用途、載體的基本結構原件、載體的類型、常見載體的物理圖譜分析、載體的選擇依據、引物設計的基本原則和注意事項、堿基保護、常見引物設計軟件及其使用方法簡介等文件，供學生在載體選擇和引物設計時參考，這是受教學時間等限制的傳統生物化學理論及實驗教學難以提供給學生的。本平臺甚至成了學生寶貴的開放資源庫，在其他培養環節和課程中會作為資源回頭訪問。學生在項目的立項與實施過程中遇到問題，除了可以通過互聯網等方式尋求解決外，也可以通過課程論壇，Wiki以及移動通信軟件等與教師進行討論，獲取老師即時的技術等方面支持，教師也可以從專業的角度發現學生探究過程中的問題并及時予以指導反饋。

在項目選擇上鼓勵將本科導師或其他教師符合主題要求的科研課題的部分作為探究項目，間接將其他老師的科研資源轉化為生物化學教學資源。這類項目本身就是教師科研課題的一部分，創新性突出，同時為線下實踐提供便利條件。通過探究學習過程，學生對項目也有更深入的理解，深化研究方案，有效實現了科研資源與教學過程的相互促進，達到了相得益彰的效果。

3.3 實現了深度學習和有意義學習

整個教學過程是以學生為中心的，利用情境、協作、對話等學習環境要素，充分發揮學生的積極性和主動性，最終完成對知識的意義建構，通過“同化”與“順應”的方式，促進自身認知結構發展，實現探究式的有意義學習［11，17］。項目的設置是基于工作的，模擬學生將來要從事的科學研究等真實活動的學習環境，學生就能夠不斷對知識的適用條件思考和修正，對科學知識的發現過程、應用條件及限制因素等有更加直觀和深刻的認識，從整體上把握問題解決方案所賴以存在的情境要素，提高學習的有效性，幫助學生在科學實踐中實現知識向真實情境順利遷移和靈活應用［18］。

選擇的探究項目涵蓋生物化學核心知識體系（見表1），有別于對書本知識的硬性背誦，以這些項目創設問題情境的探究學習，幫助學生準確理解核心生物化學知識的內涵，進行深度學習，有助于完成從理論到實踐的蛻變［19］。舉例來說，學生在選擇相應的真核表達載體時，首先要了解載體的基本結構。篩選標記是載體上的重要原件，例如很常見的Ura3，學生通過查閱資料，了解到Ura3 是編碼酵母乳清苷5-磷酸脫羧酶的基因，通過進一步學習理論課上學習過的核酸代謝過程，知道這個酶催化嘧啶核苷酸合成過程中乳清苷酸轉化為尿嘧啶核苷酸，該基因敲除菌株不能合成嘧啶核苷酸，只有成功轉入含有Ura3 基因的載體后才能在相應的篩選培養基上增殖而實現陽性篩選。5-氟乳清酸是作為一種陰性篩選藥物，在酵母細胞能表達Ura3 時（未被成功敲除或轉入外源Ura3 基因），Ura3基因編碼的酶可以使5-氟乳清酸轉變成對細胞有毒性的抗代謝藥物5-氟尿嘧啶，作為尿嘧啶的類似物，抑制胸苷酸合酶而抑制胸腺嘧啶核苷酸的生物合成，使酵母細胞在含5-氟乳清酸的培養基上不能生長。通過這樣的探究學習過程，學生能進一步系統深入地掌握核酸代謝途徑，深刻理解學習核酸代謝過程及抗代謝藥物作用機制對于自己將來科學研究的價值和意義。

表1 探究項目建議模塊對生物化學教學及科研實踐的支持

3.4 提高了學生的科研思維和科學素養

通過制訂探究學習的規則和相應的評價體系，引導學生組建探究學習共同體，使協作作為探究活動情境的重要組成部分。通過實質性的合作交流，互相質疑、共同反思，探究問題和探究目標得以明確，行動路徑更加清晰，通過不斷調整和修正使個人經驗合理化，內化有關知識，助力科學知識的社會建構。共同體成員通過協作的方式完成基于項目的探究活動這一共同的學習任務，分享各種學習資源，形成了相互影響、相互促進的關系，培養學生的合作精神［20］。在項目的實施過程中，學生通過項目的立項、研究方案設計以及線下實驗研究等環節，體驗了科學家真實的科研活動，培養學生提出問題、分析問題和解決問題的能力，提高學生的創新精神。學生通過深度參與分析、綜合和評價等高階思維任務，提高了學生的批判性思維［21］。

3.5 線下實踐成果卓著

基于在線項目的指導探究式實驗生物化學教學體系能夠充分發揮學生的潛能，實現個性化培養。對于學有余力學生的優秀項目，創造條件，諸如通過SRDP立項，開放實驗室等方式，力爭完成線下實驗，很多項目取得優秀成果。例如“RNA 半衰期延長工具”獲得SRDP支持，核心內容是通過在RNA 兩端引入發卡結構來調節RNA的半衰期，結果發現這種方式調節了目標基因的表達效率，該項目作為我校iGEM 團隊的兩項目之一參加國際遺傳機器設計大賽獲亞洲賽區最佳數學建模獎和亞洲賽區金獎。“RNA 半衰期延長工具”研究結果是另一個項目“順反子協奏曲”的基礎。“順反子協奏曲”的核心內容是在多順反子中引入莖環結構，使多個目的基因在大腸桿菌中能夠按照設定比例定量表達，這一項目在波士頓奪得國際遺傳工程機器大賽全球金獎。

4 結語

基于在線項目的指導探究式實驗生物化學教學體系借助網絡與移動通信的技術使能，以涵蓋生物化學核心知識體系的研究項目創建與學生將來科學研究類似的真實問題情境，充分發揮教師的指導作用，將教師的科研經驗和學術積累積極轉化為教學資源，采用多元化和嵌入式評價體系，采用基于團隊的探究模式，通過自我學習和自我實踐的探究過程，充分激發學生的學習興趣和學習動機，促進了知識的有效建構，促進了深度學習和有意義學習，實現理論教學、實驗教學與現代科研體系的深度融合，發展學生的科學思維能力，提高了學生的科研素養。雖然部分優秀項目通過SRDP、iGEM以及開放實驗等進入實體實驗室開展研究工作，取得不錯的效果，但受限于一些硬件條件，目前未能覆蓋全部立項項目。在此教學體系的工作模式下，進一步豐富分層次、模塊化、綜合化、創新性突出的項目儲備，推廣研究生教學實踐相結合的輔助指導體系，完善國家海洋生命科學實驗教學示范中心開放實驗室建設，引進銜接順暢的物聯網管理和安防系統，達到物聯網化、模塊化、全天候，使線上立項項目全部直接對接線下實驗環節，徹底替代傳統生物化學實驗，建立面向科研前沿的創新型科研人才培養體系。