“半翻轉課堂+半自主設計”教學模式在細胞生物學實驗教學中的應用

徐志玲，呂永鋼，梅 虎，楊迎伍

（重慶大學 生物工程學院 生物流變科學與技術教育部重點實驗室，重慶 400030）

實驗教學是由理論轉向實踐的橋梁，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力的重要環(huán)節(jié)。在多年的細胞生物學實驗教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學模式存在以下幾方面問題：①教學方式單一，單純的課堂教學限制了理論知識的外延拓展，束縛了學生探究知識的主動性和自主思考能力；②實驗項目缺乏系統(tǒng)性、完整性，綜合設計性實驗少，對現(xiàn)有實驗方法依賴性大，學生參與選擇和設計的空間小，導致學生自主學習的積極性和創(chuàng)新性下降甚至喪失；③評價、考核方式單一，不能科學地綜合反映學生的能力差異，無法起到引導學生進行科學探索、研究和思考的作用。高等教育中，除了教師、學生、教學內容三個基本課堂要素外，教學方法、教學手段、教學技術等也是需要不斷改進的方面。在傳統(tǒng)教學模式基礎上，我們在細胞生物學實驗教學實踐中實施了“半翻轉課堂+半自主設計”教學模式。

1 “半翻轉課堂+半自主設計”教學模式的內涵

1.1 半翻轉課堂教學模式內涵

美國塞達維爾大學的Baker[1]在2000年提出翻轉課堂（flipped classroom）的概念后，隨著互聯(lián)網(wǎng)的逐漸普及以及計算機技術在教育領域越來越廣泛的應用，這一模式被眾多學者采納并應用于各類實驗教學研究[2-4]。翻轉課堂作為一種混合式教學方法，主要是通過教師提供課外指導，引導學生在課外通過網(wǎng)絡等平臺學習優(yōu)質的微課、微視頻，查閱資料，完成課前練習等，然后學生將這些課外學習成果帶到課堂內，進行師生互動、生生互動。教師在課堂上的主要任務變?yōu)橐龑W生完成實驗任務、解答問題、進行討論等，幫助學生掌握和內化知識。翻轉課堂教學模式更加強調學生的個性化學習，有助于提升學習質量、增強學習主動性積極性、改善思維習慣等，從而使教學任務能在較短時間內完成。

因此，我們提出在細胞生物學實驗課程中實行“半翻轉課堂教學模式”[5-7]。半翻轉課堂教學模式是在“教師教”與“學生學”之間尋求一個平衡點，不要求學生在課前掌握所有的知識點，而僅要求學習教師布置的關鍵知識點和學習任務，還要求提出個人見解或所遇到的問題。課堂上，教師依然按傳統(tǒng)教學模式進行講授，同時可利用“微課”（主要是實驗操作視頻）對課堂教學內容進行延伸和補充，并留出時間針對學生課前思考的問題進行解答，組織分組討論，以及進行實驗操作。這種教學模式與翻轉課堂不同，使教師和學生能夠有目的地進行“教”與“學”，也不會過多增加教師和學生的負擔，同時提高了學生學習的積極性，加強了對學生自主學習的監(jiān)督與指導。

1.2 半自主設計教學模式內涵

傳統(tǒng)實驗教學可以滿足對學生進行必要的基本實驗操作技能訓練的要求，但傳統(tǒng)的驗證性實驗教學無法滿足對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需求，因此一些高校在教學實踐中逐漸增加了自主設計性實驗的比例[8-9]。自主設計實驗將專業(yè)理論知識與實驗方法相結合，是實驗教學的高級階段[8]，更加強調學生學習的主動性、創(chuàng)新性，以及實驗內容的探索性和實驗技能的綜合性。但由于實驗室硬件條件、實驗時間、實驗成本預算等各種限制，完全的自主設計實驗很難開展。針對這些問題[10]，我們提出在細胞生物學實驗課程中實行“半自主設計”的教學模式，即讓學生課前查閱資料，對教師指定的實驗方法進行優(yōu)化設計，并在常規(guī)實驗教學規(guī)定時間開展實驗。半自主設計實驗在某種程度上達到了綜合設計實驗的教學效果，而且能夠在規(guī)定時間和預算成本內進行。

2 “半翻轉課堂+半自主設計”教學模式的實踐

為提升人才培養(yǎng)質量, 在細胞生物學實驗課程中，我們引入了“半翻轉課堂+半自主設計”教學模式，更新了教學內容、教學模式、教學方法，重構了教學設計。通過整合教學內容，增加設計性實驗項目，解決了原來實驗內容多、課時少、實驗方法陳舊、實驗操作難以在規(guī)定時間完成，以及不利于學生進行創(chuàng)新性實驗等問題。

2.1 重新整合實驗教學內容，更新實驗技術方法

傳統(tǒng)實驗教學模式中，細胞生物學實驗課程主要按照課時來編排實驗內容，未進行有機整合，未形成體系化、模塊化，未體現(xiàn)實驗教學的層次性。為強化學生的實驗技能，使其掌握生物醫(yī)學工程學科（國家重點一級學科）科學研究的基本實驗技術與方法，以熟練操作各種專業(yè)實驗儀器設備為目標，對實驗教學內容進行了重新整合。具體來說，精簡了部分簡單的驗證性實驗，保留了具有代表性的設計性和綜合性實驗，以形態(tài)、結構、功能、工程應用為主線，重新整合了實驗項目，更新了實驗技術方法。我們將原來不成體系的實驗內容分為三個有機聯(lián)系的教學模塊。

（1）顯微觀察技術模塊。顯微鏡是細胞科學研究中常用的儀器。在這一模塊中，需要學習普通光學顯微鏡、倒置相差顯微鏡、倒置熒光相差顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等的結構原理與方法。并在顯微技術基礎上，學習顯微攝影技術及生物作圖技術。

（2）細胞形態(tài)結構觀察與分析模塊。在這一模塊中，選留了細胞膜的通透性和細胞通訊、細胞器的分級分離及觀察和細胞骨架的觀察三項實驗，并將經(jīng)典的細胞骨架實驗（考馬斯亮藍法顯示）改進為綜合創(chuàng)新性較強的免疫熒光法顯示細胞骨架實驗。旨在通過實驗使學生從細胞膜、細胞骨架、細胞器等各個層次全面系統(tǒng)地認識細胞形態(tài)結構。

（3）細胞工程技術模塊。包括以下實驗：①細胞培養(yǎng)技術；②細胞增殖及細胞活力測定；③細胞誘導凋亡及檢測；④細胞融合技術。在這一模塊中，以細胞培養(yǎng)作為基本技術支撐，以教研團隊培養(yǎng)的細胞等實驗材料為主線，開展相關的系列基礎實驗，如細胞增殖及細胞活力測定，并與綜合性、探索性、創(chuàng)新性較強的實驗，如細胞誘導凋亡及檢測、細胞融合技術等進行整合。各項實驗之間相互關聯(lián)，形成細胞工程技術模塊。

2.2 “半翻轉課堂+半自主設計”教學模式的構建及教學過程設計

“半翻轉課堂+半自主設計”教學模式的教學過程分三個階段：課前準備階段、課中實施階段、課后反饋階段。下面以“細胞融合技術”實驗為例進行說明。

教學設計是教師在授課之前對教學目標、教學重點、教學難點及教學手段和教學內容的再三斟酌的過程。而現(xiàn)在小說教學的設計基本停留在對小說三要素的分析或是具體對小說某一段落的分析，教師的閱讀教學理念還沒有更新。這既不能使學生得到個性的發(fā)展，也使得高中語文教學的課堂單一化，毫無新意。例如對小說教學分為“三段式”——總分總的教學理念，或者是根據(jù)小說的開端、發(fā)展、高潮、結局“四步走”。小說教學對學生沒有發(fā)揮任何的啟發(fā)作用，不僅打消學生閱讀學習小說的興趣，教學效率也很低。

2.2.1 課前準備階段

教師課前的主要任務是準備各類教學資源，包括：①課堂教學需要的各種圖文、動畫資料，如微視頻、PPT課件等；②提供文獻資源，如在明確實驗項目為“聚乙二醇（PEG）誘導細胞融合”后，制訂學生學習任務單（如了解細胞融合的概念、細胞融合的方法、影響細胞融合的因素）；③進行實驗項目設計和準備。

學生課前的主要任務包括：①根據(jù)教師提供的學習任務單自主學習關鍵知識；②查閱文獻資料，了解實驗項目關鍵信息，掌握相關概念，了解實驗要求及實驗任務，如實驗原理、實驗方法優(yōu)缺點及適用性、影響實驗結果的因素等；③按小組進行組內工作分工和問題討論；④匯總問題并書寫課前自學報告。

“半翻轉課堂+半自主設計”教學模式的課前準備，注重學生的科研文獻閱讀能力和搜集、整理信息能力，尤其要求他們根據(jù)文獻資料對實驗方法進行優(yōu)化，但不要求在此時就掌握所有與實驗項目相關的知識。在此過程中，教師可與學生通過媒體平臺進行互動交流，并通過學生的反饋信息，對教學方案和設計進行完善和更新。

2.2.2 課中實施階段

考慮到學生自主學習的不確定性、局限性和個體差異性，“半翻轉課堂+半自主設計”教學模式在課堂教學中，主張教師仍以PPT為資源，講授實驗項目的重點內容，再以微視頻或“微課”形式對相關知識進行補充和拓展?；趯W生在課前已經(jīng)對實驗內容有所了解，教師在講授過程中采用 PBL（problem-based learning）教學方式，以問題來引導學生學習，檢測學生課前自主學習效果，提高學生學習的主動性和積極性[11]。教師還應安排以小組為單位的自學報告匯報，由學生提出問題，教師答疑解惑。以“細胞融合技術”實驗為例，由于學生通過前期查閱文獻資料，已了解到影響細胞融合的因素包括分子量、pH值、時間、溫度、鈣離子濃度等，因此在教師提供的常規(guī)實驗方法基礎上，能夠通過小組討論，提出優(yōu)化的實驗方案，并做好實驗操作準備。這樣，課堂教學的大部分時間都能用于實驗操作，教師在此期間則能夠更多地對學生進行個體指導和答疑，并督促學生實時觀察和記錄實驗現(xiàn)象，培養(yǎng)他們的科研素養(yǎng)和科研習慣。

“半翻轉課堂+半自主設計”教學模式的課中實施，注重學生對知識理解的深化及內化，注重學生對實驗方法的優(yōu)化設計能力提升，注重培養(yǎng)其探究式、協(xié)作式的科研思維，同時兼顧不同層次學生的需求和個體差異。

2.2.3 課后反饋階段

學生課后的主要任務是上傳自己的實驗結果，包括數(shù)據(jù)、圖片等，并對實驗結果進行分析和評價，完成教師給出的測驗或思考題，教師則按照學生的個體情況進行答疑。對于設計類的實驗，要求實驗報告按科研論文形式編寫，包括題目、作者、摘要、正文四個部分，其中正文部分包括引言、材料、方法、結果、分析討論等，目的是讓學生了解和掌握科研論文的格式和寫作要求[12]。

教師課后的主要任務是對學生課前、課中、課后三個階段的學習過程、學習成果等從多方面進行綜合評價。按照課前學習30%、課中表現(xiàn)40%、課后反饋30%的比例評定總成績。由于本實驗課程由多項實驗構成，每項實驗報告按五級評分制評分，然后換算成百分制，最后取各項實驗報告分數(shù)的平均值作為實驗報告的最終成績。綜合考核評價體系如表1所示。

表1 綜合考核評價體系

2.3 “半翻轉課堂+半自主設計”教學模式的教學效果

我們對所教授班級的41名學生進行了問卷調查，讓學生對新的教學模式進行滿意度評價。調查結果顯示：①100%的學生支持課前在線學習課程內容；②93%的學生支持課堂中教師對課程內容進行重點強化、延伸或補充；③76%的學生認為教師提供的在線學習資源或微視頻是完備的；④85%的學生認為半翻轉課堂教學模式可以提高學習效率；⑤80%的學生支持課前查閱文獻、優(yōu)化實驗設計的安排；⑥90%的學生認為半自主設計教學模式可以提高獨立思考能力和團隊協(xié)作能力。

學生對“半翻轉課堂+半自主設計”教學模式的建議為：①希望教師能提供更多的在線學習資源；②希望教師能對參考文獻進行聚焦，縮小范圍，從而提高小組討論和優(yōu)化實驗設計的效率；③希望教師能提供更多的實驗條件，而不僅僅局限于優(yōu)化實驗設計。

根據(jù)學生的建議，我們豐富了教學資源，并實現(xiàn)了資源共享和大型儀器設備開放共享，這是進行科學研究、培養(yǎng)科技人才和進行社會服務的重要保障[13]。我們依托在我校的生物流變科學與技術教育部重點實驗室及現(xiàn)代生命科學實驗中心這兩個重要平臺，將相關的科研實驗室及科研儀器向基礎實驗教學開放，承擔實驗教學及人才培養(yǎng)任務。

3 結語

“半翻轉課堂+半自主設計”教學模式實施以來，教師的工作量有所增加，但教學效果改善非常明顯，80%以上的學生認可新的教學模式所帶來的教學質量提升?！鞍敕D課堂+半自主設計”教學模式通過相關的實例、圖文、視頻等線上、線下資料，強化了翻轉實驗課堂操作，為學生提供了多元化的學習環(huán)境，滿足了學生自主學習的需求。通過該課程不但讓學生掌握了基本的實驗研究理論、方法和實驗技能，還訓練了他們的專業(yè)實驗能力及創(chuàng)新能力，以及提出問題、分析問題、解決問題的科研素養(yǎng)。