虛實融合的線上線下混合式細胞工程學教學模式創新與實踐

趙肖瓊，劉麗艷，趙潤柱，張文勇，張恒慧

（太原工業學院環境與安全工程系 山西，太原 030008）

細胞工程是主要以細胞為對象[1]，應用生命科學理論，借助工程學原理與技術，有目的地利用或改造生物遺傳性狀，以獲得特定的細胞、組織產品或新型物種的一門綜合性科學技術[2]，并與基因工程、酶工程、生物化學工程、蛋白質工程等共同構成了現代生物工程技術體系[3]。細胞工程學是太原工業學院環境與安全工程系四年制生物工程專業在本科三年級第二學期開設的專業必修課，通過課程的學習能夠為學生今后從事生物學領域的相關研究及與細胞工程有關的生物技術產業工作奠定良好的理論和技術基礎[2,4]。

近些年，隨著新冠病毒疫情的影響以及 “互聯網+” 、短視頻、虛擬仿真技術的廣泛流行[5]，以教師為主體的 “傳遞—接受” “一言堂” “填鴨式” 教學方法已經不能適應生物工程人才的培養要求[6]，探索基于各類信息化教育技術手段與教育教學深度融合的新教學模式顯得尤為重要[7]。本文針對生物工程專業細胞工程學教學中的主要問題，借助超星學習通平臺和移動虛擬仿真實驗操作系統進行虛實融合的線上線下混合式細胞工程學教學模式改革的應用實踐，為高校細胞工程學課程的教學模式改革提供參考和建議。

1 課程教學存在的主要問題

1.1 課程學時少且教學方式單一

細胞工程學專業性強、內容更新快、學科交叉面廣，而課程理論課時僅有32學時，必須依靠教師作為主體講授大量內容才能勉強完成教學計劃，教學過程中師生之間缺乏交流，被動的接受知識使得學生主動參與的積極性不強；同時，授課形式主要依靠傳統的 “板書+幻燈片” 進行，上課形式相對枯燥，在一定程度上影響了學生的學習熱情，導致講臺上教師 “滔滔不絕” 、講臺下學生成為 “低頭族” 的局面屢見不鮮，課堂整體教學效果不佳。

1.2 實驗教學實施和學習效果較差

受實驗教學場地、經費因素等限制，實驗課教學儀器陳舊以及數量不足，很多新的實驗技術不能及時引進到實驗課，只能開設一些實驗指導書上既定的、陳舊的驗證性實驗，學生按照實驗步驟進行 “程序式” 操作即可，實驗結果變量不多，而且容易忽略對實驗現象的觀察和過程的思考，不利于學生創新思維和探究意識的培養[8]。此外，由于實驗課成績不計入課程總成績，很多同學不重視實驗課甚至是敷衍了事，經常出現一個同學全程操作實驗、其他組員旁觀的現象，使得實驗課教學效果大打折扣。

2 虛實融合的線上線下混合式教學模式的實施

2.1 課前教學資料準備與預習

每節課前教師在學習通上傳課程大綱、PPT課件、實驗講義、實驗操作視頻、模擬動畫以及其他教學拓展資源等，通知學生預習并完成自測試題。此過程中，學生通過課前在線學習初步了解了授課內容，既可以減輕線下課堂的聽課負擔，又可以利用課程資源進行探究式學習；教師可以全面監控學生的預習情況以及虛擬實驗的完成情況，更好地明確線下課堂教學的著重點。此外，鼓勵學生在學習通 “討論” 模塊發布話題，與同學、教師分享自己的觀點、學習收獲及在學習中遇到的一些問題等，促進師生間、學生間的溝通與交流，達到經驗共享、共同提升的效果[9]。

2.2 理論課課堂教學

在課堂教學中，首先，教師可借助學習通中的多種簽到功能快速統計出學生的出勤情況。其次，教師根據學生課前線上預習反饋，精講教學內容的重難點，并有針對性地與學生提問交流，提升學生的課堂參與度；教學過程中，對一些理論性強、概念抽象的知識點采用翻轉課堂的教學模式，即由學生分組講解、組間討論辯論，隨后教師引導學生反思、歸納總結；為了增強課程教學內容的生動性，也進行了案例教學法的嘗試與探索，通過精選相對淺顯、貼近生活又能夠調動學生學習興趣的典型案例，使學生理論聯系實際，提出問題、分析問題、解決問題，深入淺出地理解其中的原理，同時也增強了學生解決生物工程實踐問題的能力[10]。比如在講解 “動物細胞生物制藥” 章節引入 “新冠病毒滅活疫苗” 的案例，使學生更容易了解動物細胞或者經過改造的動物細胞在生物制藥中的應用。

2.3 實驗課教學

實驗教學秉承 “虛實融合、能實不虛、線上線下資源共享” 的原則，通過移動虛擬仿真實驗操作系統將常規實驗教學無法開展的前沿及創新性實驗內容轉化為虛擬仿真實驗教學資源，將線下實驗與虛擬實驗有機結合，幫助學生系統性地訓練細胞工程學實驗技能。細胞工程學實驗設置有4個實驗項目（見表1），每次實驗課前3～4d，教師在學習通發布將開展實驗內容的科學問題，學生通過預習教材和查閱文獻自行設計出實驗方案，并通過虛擬仿真實驗完成驗證。在此過程中，學生通過自主在線學習，熟悉了實驗原理和實驗操作的基本流程，為線下實驗操作做到準備充足、有的放矢[11]。學生完成線下實驗課的學習后，帶著實際操作過程中遇到的問題再次完成線上虛擬實驗操作，通過反復練習來加深對實驗原理和技術的掌握，切實提升學生的實驗操作技能。最后，學生依據線下實驗和虛擬實驗內容線上撰寫并提交實驗報告。

表1 細胞工程學實驗項目

2.4 課后鞏固與拓展

課后，學生可以通過線上資源對在課堂上不能及時理解的知識點反復學習，教師也可以通過學習通對學生的學習情況進行督查和評價，并依據學生對知識的掌握情況分層次設計作業和在線測試題，加強學生對知識點的理解和掌握，擴展學習的深度與廣度。此外，教師也可以借助學習通對課程進行知識拓展，發布國內外最新的學科進展、科研成果、企業研發和生產知識等資料，提升學生對課程的深層次理解，并鼓勵學生積極申報創新創業訓練項目以及參與教師的科研課題，將掌握的細胞工程學理論知識和實驗技術運用到實際的研究項目中[9]。

2.5 課程考核

采用多層次、全過程的考核機制，按照 “期末閉卷考試成績（60%）+平時成績（40%）” 進行綜合考核，其中平時成績通過統計學習通數據獲得：日常考勤（5%）、學習通任務點完成情況（10%）、課前課后討論互動（5%）、課后作業（5%）、課堂參與活動（5%）、實驗報告（10%）。這種基于知識、能力、過程性評價的多元化考核機制不但關注學習結果，更加關注學習過程，能夠全面、客觀、合理地評價學生學習情況[9]。

3 虛實融合的線上線下混合式教學模式的實施效果

近兩年，課程團隊通過問卷調查、學生座談的形式了解了課程改革的實際效果，95%以上的學生表示喜歡利用線上資源進行自主學習，能夠更加合理使用課外碎片化時間，學習積極性較高；提高了上課效率和學習效果，對知識點理解充分；移動虛擬仿真實驗操作系統流暢性高、趣味十足、能立體逼真地演示抽象的實驗現象。同時，學生們也對這種教學模式提出一些改進措施，比如建設線上試題庫、優化虛擬實驗操作系統、增加虛擬實驗項目等。

4 結語

綜上所述，通過對細胞工程學課程教學進行多層次、全方位的混合式教學模式改革，實現了虛擬仿真實驗與線上線下混合式教學的有機結合[12]，將原來有限的教學學時擴展到課外[13]，豐富了教學內容與形式，增添了課程吸引力和趣味性，很好地提升了學生對知識掌握的主動性和便捷性，同時有效降低了實驗教學成本，達到更好的教學效果。