細胞生物學實驗教學改革的探索與實踐

齊鳳慧　曾凡鎖　詹亞光　滕春波　景天忠

摘 ?要：實驗教學是本科人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，也是學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要手段。細胞生物學理論課程的不斷深化，要求實驗課也需要不斷改革以與理論課相適應。結(jié)合林業(yè)院校現(xiàn)狀建立了細胞生物學實驗線上線下混合式教學模式，激發(fā)了學生對細胞生物學實驗的興趣，變被動學習為主動學習，提高了實驗教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+;細胞生物學;教學改革;虛擬仿真

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）10-0135-04

Abstract： Experimental teaching is an important task for undergraduates， and is an important approach to train innovation capability for students. With the extensionof theory part of the course， the experimental part is required to improve to match the theory part. Based on the teaching states of forestry universities， this study established a mixed teaching pattern with online and offline courses， which has stimulated the study interests of students， made changes from passive study to active study， and improved the teaching quality in the end.

Keywords： Internet+; Cellular Biology; teaching method reform; virtual simulation

細胞生物學既是生命科學的基礎(chǔ)學科，也是前沿學科;細胞的研究既是生命科學的出發(fā)點，又是生命科學的匯聚點[1]。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，細胞的結(jié)構(gòu)與功能、細胞重大生命活動及分子機制的研究逐漸深入，強有力地影響著和改變著人類的生活，細胞生物學已成為生命科學的樞紐學科和前沿學科。縱觀諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，大部分與細胞生物學密切相關(guān)，說明細胞生物學是當今生物學的研究熱點[2]。細胞生物學實驗技術(shù)也隨著理論知識的深入發(fā)展而發(fā)展，在遺傳學、發(fā)育生物學及分子生物學等學科領(lǐng)域不斷深入，成為生命科學研究的重要利器[3]。

2015年首次將“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃提升為國家戰(zhàn)略，推動我國技術(shù)進步、效率提升和組織變革[4]。同時“互聯(lián)網(wǎng)+”也在高等教育領(lǐng)域發(fā)揮著重要的影響和創(chuàng)新作用。細胞生物學實驗是東北林業(yè)大學春季學期面向生物科學大類二年級學生開設(shè)的必修課，共32學時。該課程于2017年依托超星學習通平臺建立了在線開放課程（https：//mooc1-1.chaoxing.com/course/100251076.html），開展了線上線下混合教學模式，通過具體實施和改進，豐富并提升了線上線下混合實驗教學的經(jīng)驗。現(xiàn)將本課程的線上線下混合教學模式實施經(jīng)驗介紹如下。

一、基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的細胞生物學實驗教學改革思路

依據(jù)我校的“厚基礎(chǔ)、重實踐、強能力、促個性、敢擔當”的人才培養(yǎng)原則，結(jié)合新形勢下人才培養(yǎng)的要求，針對細胞生物學實驗課程，確立了注重知識的研究性、系統(tǒng)性學習，突破傳統(tǒng)的教學內(nèi)容的局限性，將互聯(lián)網(wǎng)+和實驗教學有機結(jié)合，構(gòu)建培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維和實踐操作能力為目標的框架。

我們將實驗分為實驗技術(shù)、基礎(chǔ)實驗、綜合實驗、虛擬實驗、應用實驗。實驗技術(shù)主要介紹細胞生物學相關(guān)的技術(shù)，包括細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察方法，細胞組分的分析方法，細胞培養(yǎng)與細胞工程技術(shù)，細胞及生物大分子動態(tài)變化分析方法，用于細胞生物學研究的模式植物等。目前我校生物學專業(yè)屬于大類招生，因此學生的基礎(chǔ)參差不齊，將理論部分的實驗技術(shù)放在實驗課中介紹，有助于學生更好的理解和掌握。設(shè)置基礎(chǔ)實驗有助于一些基礎(chǔ)薄弱的學生掌握細胞生物學實驗的操作技術(shù)。基礎(chǔ)實驗主要包括細胞和細胞器的光學顯微鏡觀察，細胞內(nèi)DNA和RNA的原位顯示，細胞內(nèi)DNA的Feulgen反應。在綜合實驗中注重學生實驗設(shè)計及結(jié)果分析的培養(yǎng)，綜合實驗主要包括細胞器（葉綠體、線粒體）的分離與觀察，不同處理條件對細胞骨架形態(tài)的影響，細胞凝集反應與細胞質(zhì)膜通透性效應的觀察。在虛擬實驗中，使學生掌握一些大型儀器的操作使用和動物細胞培養(yǎng)的方法，解決大型儀器學生只能看不能每個人操作的難題。虛擬實驗主要包括激光共聚焦顯微鏡虛擬仿真實驗，動物細胞傳代培養(yǎng)與觀察虛擬仿真實驗，生物顯微鏡虛擬仿真實驗。在應用實驗中，需要學生運用前面所掌握的實驗設(shè)計及結(jié)果分析方法，自主選擇材料方法并設(shè)計實驗，最后以論文的形式呈現(xiàn)，主要包括細胞凋亡的誘導及實驗論文寫作，微絲抑制處理對花粉管中線粒體的分布及運動的影響，不同的氮、糖饑餓條件對酵母細胞自噬的影響，其中后兩個為研究型、自選實驗，對有能力、有興趣的完全開放。應用實驗使學生既掌握了實驗操作能力又學會科學寫作方法。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的教學實施中，我們將實體課堂定為第一課堂，線上輔導和考核作為第二課堂。實驗技術(shù)和虛擬實驗共8學時，為線上授課內(nèi)容，基礎(chǔ)實驗、設(shè)計和綜合實驗及應用實驗共24學時，為線下授課內(nèi)容。通過視頻課程講解實驗原理、方法、應用及相關(guān)的前沿技術(shù)，學生根據(jù)課程內(nèi)容及文獻介紹，每個組設(shè)計出自己組的實驗方案并上傳到在線課程中進行討論。教師通過在線課程對學生的實驗方案進行指導，學生對實驗方案完善后在線下進行具體的實驗操作。通過這種線上線下的交互實驗，可以縮短課堂中實驗設(shè)計的時間，學生在操作中少走不必要的彎路，還可以培養(yǎng)學生自主構(gòu)建知識，增長實驗技能，提高自我創(chuàng)新的能力。學生完成實驗后需要在線上傳實驗報告和論文，教師會及時反饋實驗報告的意見，對于優(yōu)秀的內(nèi)容或特別差的內(nèi)容，教師也會不記名地發(fā)到討論區(qū)，讓學生討論交流，老師對學生反應的問題會定時跟蹤。

二、依托超星學習通構(gòu)建自主學習的細胞生物學實驗在線課程

超星網(wǎng)絡(luò)學習平臺是基于移動互聯(lián)網(wǎng)的新一代教學生態(tài)系統(tǒng)。可以在教室端、移動端和管理端進行在線課程建設(shè)、學習、互動、教學效果分析等。在超星網(wǎng)絡(luò)教學平臺上教師先進行課程建設(shè)、班級管理，學生加入課程后可以隨時隨地在線學習、做作業(yè)、討論、做筆記、考試和查詢成績，教師根據(jù)學生的學習情況可以進行成績管理，在課堂上運用手機移動端App學習通發(fā)起簽到、搶答、投票、討論等教學互動[5]。學習通雖然能夠?qū)W生的學習全過程和考試結(jié)果記錄下來，但學習資源、任務(wù)點的發(fā)布、討論主題的選擇以及學生在線答疑等等，這些都需要教師根據(jù)學生的學習情況進行精心設(shè)計和實施[6]。

我們借助超星平臺，根據(jù)課程內(nèi)容構(gòu)建了細胞生物學實驗所有知識點及相關(guān)的視頻、課件、參考書、資料等。在課前及時發(fā)布課程通知、布置作業(yè)，考試，討論等，通過管理信息功能，及時查看學生的章節(jié)測試結(jié)果，考試結(jié)果等，及時了解每一位同學的不足并單獨和學生溝通，指導他如何擬補和完善知識的弱點，盡快跟上班級整體的學習節(jié)奏。學生通過在線預習實驗內(nèi)容，實驗設(shè)計、討論、虛擬仿真實驗的操作以及報告總結(jié)的過程中，將獲取大量與實驗教學相關(guān)的信息，這些信息的傳遞過程不僅是學習的過程也是能力培養(yǎng)的過程。

三、基于“互聯(lián)網(wǎng)+”精心安排細胞生物學實驗教學活動

（一）提高學生實驗設(shè)計及分析能力

一門課程教學目標的實現(xiàn)，往往取決于教學活動的安排。學生在線學習除了觀看課程的視頻、PPT等，還需要完成教師布置的任務(wù)，如實驗設(shè)計、作業(yè)、主題討論等。為了鍛煉學生的自主學習能力、明確實驗的意義以及學生對知識的學習和能力的發(fā)展等，我們對每一個實驗先提出問題，有學生來設(shè)計完成。

如在細胞內(nèi)DNA和RNA的原位顯示實驗中，這是一個基礎(chǔ)的實驗，但為了學生在后期的設(shè)計和綜合實驗中更好的掌握實驗設(shè)計的方法，教師先提出多少濃度的甲基綠和派絡(luò)寧能更好的顯示細胞內(nèi)DNA和RNA？學生為了完成這個問題就需要進行單因素的實驗設(shè)計。學生對甲基綠和派洛寧的比例按照自己的想法設(shè)置3-5個梯度，比較不同的配比之間DNA和RNA原位顯示的差異。

學生通過對單因素實驗的設(shè)計的掌握，逐步過渡到多因素的實驗設(shè)計。比如在細胞骨架的熒光檢測實驗中，教師依然先提出多少濃度的Triton X-100抽提非骨架蛋白效果最好，抽提的最佳時間是多長？每組同學會根據(jù)自己的想法設(shè)置3-5個濃度和3-5個時間，然后不同的濃度和不同的時間進行交叉組合。緊接著教師還會提出，在相同的濃度和時間條件下，不同的實驗材料結(jié)果相同嗎？每個組會選擇3-5中實驗材料，如韭菜、洋蔥、百合花粉等常見的試材，進一步驗證實驗結(jié)果。通過這樣的練習，不僅提高了學生設(shè)計實驗和完成實驗的能力，還提高了學生的學習興趣和主動性，一步一步的引導學生如何在實驗中思考并提出問題，提高學生的實驗創(chuàng)新能力及分析能力。

（二）引入虛擬仿真實驗開展虛實結(jié)合的教學模式

虛擬仿真技術(shù)具有沉浸性、交互性、虛幻性和逼真性的4個基本特征[7]。隨著虛擬仿真技術(shù)的開發(fā)及信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實驗被應用到各大高校實驗教學中。

生物顯微鏡是細胞生物學實驗必備的儀器之一，學生需要正確掌握生物顯微鏡的使用及攝影。在學生使用中往往由于學生操作不當導致油鏡頭的損壞，增加了儀器的維護費用和教學成本。虛擬仿真實驗的引入，可以使學生不用直接觸碰顯微鏡，就能提前熟練掌握顯微鏡的正確操作方法，避免了在實際使用中對顯微鏡造成的損壞。動物細胞傳代培養(yǎng)虛擬仿真實驗的引物，可以避免在實際操作中對無菌環(huán)境要求高、成本也高、容易被污染的缺點。激光共聚焦顯微鏡虛擬仿真實驗的引入，可以解決生物學研究中需要新、貴、精的儀器設(shè)備問題。在激光共聚焦顯微鏡中，共設(shè)置了4個實驗項目，包括激光共聚焦的單通道、多通道、Z軸掃描及三維重建， Ga2+動態(tài)變化的時間序列掃描操作過程，操作結(jié)束后關(guān)閉軟件會有累計時間和分數(shù)的記錄。這種大型儀器設(shè)備場所一般較少、空間較小、規(guī)范化操作要求高，相關(guān)操作需要經(jīng)過較長的專業(yè)培訓過程才能獨立使用。虛擬仿真實驗的構(gòu)建，讓本科生在線學習，可以實現(xiàn)其原本不可能（或很難）用到的儀器變?yōu)榭赡埽鉀Q了大型儀器在實驗教學中“只能看不能做、做了只能摸一下”的問題，增強了大型教育設(shè)施的利用率和貢獻率。這樣既豐富了學生的閱歷，又提高了學生的綜合實驗技能和創(chuàng)新能力。

（三）引入實驗論文的寫作提高學生科學寫作能力

細胞生物學是一門綜合性的新興基礎(chǔ)理論學科，屬于現(xiàn)代生命科學的前沿學科，因此，離不開科研論文的寫作。而科研論文是對實驗成果的總結(jié)，它記錄著人們對真理探求的過程，體現(xiàn)科學研討的水平和價值，也是記錄科學研究者之間進行學術(shù)交流的文字載體。因此，我們從實驗教學中不僅培養(yǎng)學生實驗的操作能力，更要培養(yǎng)學生分析問題、解決問題以及科學寫作的能力。學生在前面的每一個實驗設(shè)計、實驗實施、結(jié)果分析的練習中，逐漸提高自己從事科研的能力，在細胞凋亡的誘導和實驗論文寫作中不僅要對實驗進行設(shè)計、實施、總結(jié)分析，還要完成一篇科研論文。教師首先會提出誘導細胞凋亡有哪些方法？不同的方法中需要哪些誘導劑、誘導劑的濃度、誘導時間是多少？誘導之后需要用什么檢測劑檢測凋亡的信號？植物和動物細胞凋亡是否一樣？學生會根據(jù)教師提出的這些問題依次查找文獻，并設(shè)計出自己的實驗方案。這個實驗方案要求學生上課的前2周提交上來，教師會根據(jù)學生的方案購買相應的實驗材料、所需的試劑等。在上課時學生自己從配藥開始，按照自己設(shè)計的方案進行具體的實施。實驗結(jié)束后學生要按照論文的要求提交實驗論文。論文寫作的基本要求是：論文字數(shù)不少于2500字;包括題目、作者、班級、中英文摘要及關(guān)鍵詞，正文部分前言、材料方法、結(jié)果分析、討論，圖表按照科技論文要求編排，參考文獻不少于13篇;文字流暢，邏輯性強，應用科學語言進行寫作，避免口語化描述;對于所涉及的科學概念與術(shù)語力求準確、嚴謹。最后每個小組派一名同學對小組實驗進行PPT展示，由學生組成評委進行評價打分。

科研論文的寫作也是一種創(chuàng)造性的腦力勞動。學生通過完成這樣一個項目的訓練，可以提高自己分析問題和解決問題的才能，可以促進科學素養(yǎng)的提高，同時科研論文的寫作也是培育學生創(chuàng)新性思維的手段。

（四）引入自選實驗項目激發(fā)學生科研潛力

在應用實驗中，引入兩個研究型、自選實驗項目，分別是微絲抑制劑處理對花粉管中線粒體的分布及運動影響，不同氮、糖饑餓條件對酵母細胞自噬的影響，這兩個實驗項目也是對學生能力的一個拓展。通過前面的實驗訓練，學生能夠掌握在面對一個實驗項目時，如何提出問題、如何設(shè)計實驗、如何實施等。因此，對于自選的實驗項目，學生需要提前查閱文獻，設(shè)計出實驗方案并發(fā)布到在線課程的討論區(qū)，教師和其他學生都可以對實驗方案進行評估，評價方案的可行性。然后學生對實驗方案進行完善，實驗的準備、實施、結(jié)果分析及撰寫實驗論文。

自選實驗項目的實施，學生可以通過閱讀文獻來增強自己的邏輯思維能力，提高實驗設(shè)計實施、總結(jié)研究項目的能力。同時，學生能夠主動思考并挑戰(zhàn)一些新的想法，在實驗實施過程中，每一個問題的出現(xiàn)和解決都會鼓舞學生的士氣，給他們帶來滿滿的成就感和對科學研究的熱情。

（五）利用“互聯(lián)網(wǎng)+”搭建師生交流平臺

由于線下課時有限，學生和教師交流的機會和時間都很短暫，因此，依托超星學習通平臺，學生可以將問題發(fā)表在討論區(qū)，教師和其他同學進行討論。學生可以自己發(fā)表新主題，也可對別人發(fā)表的主題進行回復，發(fā)表意見。為了鼓勵學生積極的參加課程討論，對討論的學生也有一定的分值的獎勵，這樣就促使學生來參加討論，就可把學生從刷微信“朋友圈”拉到刷學習通“討論區(qū)”上來。學生開始不知道如何發(fā)帖，發(fā)什么樣內(nèi)容的帖子，所以教師要在課程開始階段，發(fā)一些討論話題，引導學生積極發(fā)帖討論。對學生的帖子老師也會及時回復，因為每個學生都希望自己的內(nèi)容得到老師的響應。老師對學生的話題進行及時回復，評價（置頂、評分、加精等），可以激勵學生討論的積極性。

比如在最初實驗中用到的瑞氏染液，我們會在討論區(qū)提出瑞氏染液由什么組成？染色時主要染細胞的什么部位？再比如常用的甲基綠，我們會在討論區(qū)提出甲基綠電離出正電荷，不就是像氫離子嗎？為什么顯堿性而不是酸性？學生通過對這些問題的回復可以更加全面的了解實驗原理、實驗中的小知識點等。同時也調(diào)動了學生討論的積極性，學會如何發(fā)一些與課程相關(guān)的帖子。借助學習通在線平臺，學生可實時查看自己的成績，做到公開、公平。

四、線上線下混合式教學體會

《細胞生物學》是大學本科生物科學類各個專業(yè)的基礎(chǔ)課，同時也是醫(yī)學、林學、農(nóng)學等一些相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課。“細胞生物學實驗”既是理論課程教學的延伸，又是對學生科學思維和創(chuàng)新意識培養(yǎng)的平臺與窗口[8]。由于細胞生物學是一門發(fā)展非常迅速的學科，因此，在教學中還需要引入細胞生物學中一些重大的研究成果，使學生明白這些研究成果的實驗是如何完成的，用到哪些實驗技術(shù)。這既可以不斷更新知識，及時彌補教材知識的滯后性，同時也可以提高學生對科學問題探究的積極性[9]。

細胞生物學的尖端研究往往難度大、復雜程度高，系統(tǒng)性強，實驗過程微觀、抽象。然而傳統(tǒng)的實驗教學往往因硬件條件、課時數(shù)等因素，造成實驗內(nèi)容大多為割裂、獨立的單個實驗技能，很難引入完整的、系統(tǒng)的前沿研究內(nèi)容和最新實驗技術(shù)。要在有限的實驗教學課時內(nèi)增加教學內(nèi)容、提高教學質(zhì)量和效率，必須對傳統(tǒng)生物學實驗教學內(nèi)容和方法進行改革。利用“互聯(lián)網(wǎng)+”建立線上、線下混合式教學模式，可以對實驗內(nèi)容進行重要補充和擴展，保證細胞生物學實驗的系統(tǒng)性、綜合性，同時又促使學生開拓視野，獲得更為系統(tǒng)全面的技能訓練，建立完整的生命科學知識體系， 培養(yǎng)學生觀察能力、獨立思考能力、創(chuàng)新能力和實踐能力。

參考文獻：

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基金項目：2019年黑龍江省教育廳“基于‘互聯(lián)網(wǎng)+的林業(yè)院校細胞生物學實驗教學改革的研究與實踐”（編號：SJGY20190034）;2020年東北林業(yè)大學“‘互聯(lián)網(wǎng)+高等教育新形態(tài)下搭建‘推拉式自主學習平臺的探索與實踐”（編號：DGY2020-14）

作者簡介：齊鳳慧（1976-），女，漢族，北京人，博士，高級工程師，研究方向：林木遺傳改良與逆境分子生物學;曾凡鎖（1980-），男，漢族，黑龍江明水人，博士，教授，研究方向：林木遺傳改良與逆境分子生物學;詹亞光（1963-），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，研究方向：林木遺傳改良與逆境分子生物學;滕春波（1970-），女，漢族，山東萊州人，博士，教授，研究方向：分子細胞生物學;景天忠（1974-），男，漢族，甘肅民勤人，博士，副教授，研究方向：生物防治及微生物組學。