沉浸式課堂教學設計和組織策略
——以分子生物學和表觀遺傳學為例

宋 淵 程 博 沈 喜 馮虎元

（蘭州大學生命科學學院 甘肅·蘭州 730000）

沉浸式教學這個概念始于二十世紀六十年代加拿大的語言類教學中，是指全天候封閉式語言訓練[1,2]。在現(xiàn)代教學中沉浸式課堂指能夠激發(fā)學生興趣，提高學生課堂專注力，高度參與的課堂。任何一種教學形式都離不開完善的教學設計和課堂組織，精確把控課堂45分鐘是教師上好一門課，學生學好一門課的基石。而沉浸式課堂作為卓越課堂的一種形式，積極引導和提高學生的專注力和參與度是高效教學的核心內容之一。在近十年承擔的《分子生物學》和《表觀遺傳學》的教學中，我們以培養(yǎng)生物學學科核心能力的獲得[3]為目標，體會和總結出課堂建設的經(jīng)驗和方法，在這里分享給大家。

1 探索沉浸式課堂的內涵

作為一名高校教師，科研與教學需要相輔相成，相得益彰。對教學模式的探索和教學技巧的研究是工作的核心內容之一，如何潤物無聲、如何引起共鳴、如何持久記憶、如何縮小學生學業(yè)差距、如何進行全過程育人，有教無類，因材施教，都是日常思考的問題。從建立以沉浸式課堂為代表的卓越課堂到成為卓越教師、培養(yǎng)卓越人才，是一個教師終生奮斗的目標。

《分子生物學》是生命科學學院本科二年級必修的基礎理論課程，《表觀遺傳學》是遺傳學和分子生物學衍生的一門新興前沿學科，屬于本科三年級選修課程。這兩門課程的特點是內容發(fā)展日新月異，新技術層出不窮，信息量大，涉及生命科學眾多研究領域。傳統(tǒng)的教學方式無法勝任這類課程的發(fā)展。教學理念，教學方法的變革顯得尤為迫切。課程教學中微觀的抽象概念剖析、全部章節(jié)內容的融會貫通、前沿內容的及時更新、實驗教學與理論教學的對接，構建開放式、研究型、高度參與的課程體系，為此我們進行了一系列的教學模式探索與實踐。圖1所示，我們近年來教學模式的改變和發(fā)展，課堂講授部分逐漸減小，傳統(tǒng)的師生互動會被學生報告以及翻轉課堂所代替，而引燃興趣、全員全程高度參與課程的沉浸式課堂是目前我們努力實現(xiàn)的目標課堂形式。目前我們的課堂也結合超星教學平臺，實現(xiàn)課前課中和課后的隨時互動形式。在未來5G背景下的虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality）在沉浸式課堂中的應用，必然會解決對微觀抽象概念理解的困境，并且會實現(xiàn)隨時對接實驗課程的操作與模擬實踐。

現(xiàn)代教學模式探索與傳統(tǒng)教學精華的融合，發(fā)展出個性化教學模式，利用最新的虛擬環(huán)境視覺顯示技術，以及國內外公共資源，讓學生沉浸在DNA、RNA和蛋白質的各種活動當中，真切的體會抽象的概念。在網(wǎng)絡大時代背景下建立的沉浸式課堂，與傳統(tǒng)教學模式融合的“變”與“不變”，創(chuàng)新型生物學課堂[4]，教與學的關系[5]，引入成果導向教育（Outcome-based education，OBE）模式[6]，成為我們課程建設，教改項目主要考慮的主題。下面以大學本科二年級必修課《分子生物學》和三年級選修課《表觀遺傳學》為例，對教學設計和課堂組織進行進一步的探討。

2 建立沉浸式課堂的方法

2.1 課前熱身策略

圖1：教學模式發(fā)展概念圖。圍繞學生綜合能力提升的各種教學方式以及占比大小。

沉浸式課堂的核心是激發(fā)學生的熱情，高度的參與，完全的沉浸式教學。教師深厚的學識功底、積極樂觀的態(tài)度、得當?shù)难哉勁e止和字正腔圓的聲音都會促進學生快速進入課堂中。如何開個好頭讓學生馬上進入到上課狀態(tài)呢？一些熱身策略可以應用，比如提前準備這節(jié)課的提綱和一些拓展知識，在開始上課前十分鐘進行分發(fā)，有效的讓學生進行短時的課堂預習和準備。開始5分鐘提問是有效的熱身手段，但是不同的年級和不同類型的課程熱身提問策略也有差別。二年級的分子生物學，一般以知識點回顧為主，例如：“什么是岡崎片段，發(fā)現(xiàn)岡崎片段的實驗過程”和“DNA復制的過程”，讓學生充分掌握基礎知識和實驗原理；而三年級的表觀遺傳學一般以擴展性的陳述為主，例如：“根據(jù)上節(jié)課學習的表觀遺傳學三大特征，講講生活中的表觀遺傳現(xiàn)象”，不僅鞏固知識，更要啟發(fā)高年級學生的觀察熱情和科技思維。對于好的熱身策略可以形成一門課的慣例，這樣一開始就形成有紀律有效率有緊迫感的上課氛圍。

教師需要對自己的講授的課程有詳細的規(guī)劃和把控，而緒論是引發(fā)學生學習這門課程興趣的重要環(huán)節(jié)，好的開始是成功的一半。除了有趣的現(xiàn)象、尖端的前沿發(fā)展、深邃的哲理啟迪以及日常生活現(xiàn)象的提示等，還要提供整個課程的學習思路，比如在分子生物學的緒論講解中，強調了以“中心法則”為學習的主線，在以后的學習中提綱挈領、補充細節(jié)、融會貫通。在表觀遺傳學的緒論中強調與經(jīng)典遺傳學相輔相成的關系，以及達爾文與拉馬克進化論的異同點，引導學生更高的認識和思考。緒論是課程熱身的重要部分。

2.2 課中節(jié)奏把控

課堂節(jié)奏是一節(jié)課成敗的關鍵因素之一，錯誤的節(jié)奏讓學生專注力下降，過快的節(jié)奏會使得學生困惑和沮喪，同樣過慢的節(jié)奏會使得學生厭倦和低效率。錯誤的節(jié)奏導致學生與老師的無序交流，使得教師也很疲憊。好的課堂體驗有“快”“慢”的節(jié)奏起伏，緊密吸引學生的注意力，引導深層次思維。

如何制定和把握有效的課堂節(jié)奏呢？首先，課堂中的有效互動，會保持良好的課堂節(jié)奏感，需要教師在互動中，發(fā)現(xiàn)學生掌握的情況，從而不斷調整上課節(jié)奏。提問是課堂師生互動的關鍵一環(huán)，正確時機的提問，會加快課堂節(jié)奏，提高教學質量，針對二年級的必修課，分子生物學的提問以理解和掌握基礎知識為主，比如，“真核啟動子含有不同的元件，鳥類細胞和哺乳動物細胞有怎么樣的偏好性？”，用這個問題來理解“一個真核細胞基因的啟動子區(qū)域幾乎不會包括所有的元件類型”，同時需要學生記憶Ⅱ類基因啟動子和調控區(qū)的各種元件類型和特點，并且為下一步學習轉錄中不同基礎轉錄因子結合相應啟動子區(qū)元件，構建轉錄平臺做好準備。而三年級的選修課，表觀遺傳學是一門前沿學科，主要引導學生接觸最前沿的研究動態(tài)，并引導學生開拓思維，向研究生學習階段進行過度，關注的科學問題極具拓展性，比如：“相分離可能是開啟下一個維度微觀世界的鑰匙，但是目前也有很多爭議，爭議的焦點在哪里？”從而讓學生了解這一前沿和熱點研究方向并且啟發(fā)學生的思辨能力。

課堂提問也有很多方式和技巧，比如留時間思考后提問、冷不丁點名提問、連續(xù)性提問和分解問題從不同角度提問等等，各種提問方式配合教學目的而設定。好的提問環(huán)節(jié)設置會讓學生充分思考，提高學習效率，有更高的參與度，形成積極的課堂氛圍，并且在短時間內讓模糊的概念清晰化，讓學生進行了一次快速的復習。提問的反饋中，教師也需要注意積極鼓勵、準確表揚、幽默趣味和耐心細致的補充解答。另外，通過對上課中學生反應程度的觀察以及對后排同學的關注，及時進行停頓或者進入更深層次的探討，包括適時播放音樂，視頻，調節(jié)和加強學生的專注力。

分子生物學各章節(jié)都需要加入相關的視頻展示，比如：翻譯部分核糖體中多肽合成的過程，PPT需要動態(tài)播放氨酰tRNA的進位、轉位和離開，便于學生直觀理解和記憶。由于微觀課程的特點，需要大量精致圖片的收集和展示，比如；電鏡照片中與染色質凝集狀態(tài)有關的熒光標記活躍基因（active genes）區(qū)域與非活躍基因（inactive genes）區(qū)域，令學生產(chǎn)生直觀且深刻的記憶?？茖W典故也適合作為與學生互動的重要環(huán)節(jié)，在講解科學家故事的時候還可以融入思政元素，比如在分子生物學中講到轉座子序列的發(fā)現(xiàn)者McClintock精彩而坎坷的科研之路，堅持真理不盲從其他權威的聲音。講到DNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)者ArthurKornberg在DNA復制中的貢獻時，聯(lián)系到同樣出色的兒子Roger Kornberg在RNA轉錄過程中貢獻，介紹了家庭環(huán)境對人成長的影響，并且繼續(xù)詢問獲得諾貝爾獎的父子和母女有哪些。營造恰當?shù)挠哪n堂氛圍能夠積極影響課堂師生的互動，有趣的標題或者引言，比如：“三色貓是公貓還是母貓？”作為表觀遺傳學“X染色體失活機制”這一章的標題，先讓學生自由討論和發(fā)言，進而解釋概念和介紹其他生物類型中也存在的X染色體失活現(xiàn)象，最后聯(lián)系到DNA甲基化和組蛋白修飾等機制。一些隨機的幽默節(jié)點，會引起學生共鳴同時緩和課程進度。研究領域的新進展和新方向同樣會吸引學生注意力，并適當放慢課堂節(jié)奏。

其次，課堂測試，課堂討論，以及一分鐘論文（1 min paper）的設置，都能有效的控制課堂節(jié)奏，鞏固教學效果。此類教學手段的特點是設定時間都比較短，而且緊貼當日教學主題。分子生物學有很多經(jīng)典命題，這里不再一一列舉。我們將表觀遺傳學的課堂討論和1 min paper的常用題目進行了總結（表1），也可以引入每一年研究熱點和研究前沿的討論話題，今年（2021）的表觀遺傳學課上我們對相分離的生物學意義也進行了主題討論，同學們表現(xiàn)出很高的熱情，并且在課堂上適當發(fā)起友好辯論，引入深度思考。

表1：表觀遺傳學常用課堂討論題目

再次，課堂筆記的重要性。課堂筆記會促進學生緊跟課堂上老師的節(jié)奏和思路。教師需要對課堂筆記的進行硬性要求，每堂課進行檢查。明確一些筆記的方法，比如康奈爾筆記法（Cornell notes），也叫5R筆記法（記錄record，簡化reduce，背誦recite，思考reflect和復習review）。雖然一直強調，但是仍然有相當數(shù)量的學生不清楚如何有效地記錄并運用課堂筆記。在教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生對課堂筆記的完善記錄，對知識點理解、課后復習、知識拓展和學習記憶延長都有很大的作用，需要教師持續(xù)進行引導和督促，甚至教師可以在黑板上進行筆記示范。

最后，課堂結束前5分鐘進行問題收集和擴展閱讀，教師也可以通過這5分鐘對課堂效果和可能的問題進行一個回顧和簡捷的記錄。這些都基于對課堂內容精確的設計和課堂節(jié)奏的精準把握。當然在很多時候我們會根據(jù)當時的情況進行調整，以每位學生都積極投入到課堂為目標。抓住下課前5分鐘，進行有效的交流，從師生互動到生生互動，達到鞏固知識，發(fā)散思維的效果。

2.3 課后效果追蹤

通過課堂隨機提問，課堂測試，課后作業(yè)和問卷調查進行學習效果評估，主動追蹤，掌握學生學習進度，問題和困難，及時進行教學方案調整。如圖2所示，根據(jù)問卷調查結果，進一步對不同班級的教學進度和課堂設計進行調整，生物學班會適當減慢速度加強基礎概念解釋，萃英班(生物學拔尖班)會增多主題討論，比如：“基因印記”“FLC開花調控機制”等等。線下教學伴隨線上教學同步進行，在“超星學習通”平臺同步上傳課堂錄屏文件，開通問題討論專欄，提供課后核心知識點小問卷，或建立課程專屬的QQ群和微信群等，方便老師和同學們隨時提問、解答、討論和交流。鼓勵學生展示自己的想法，鼓勵積極提問，在問題中理清思路、強化理解，提高學習效果。建立分子生物學實驗課慕課課堂，學生可以隨時回顧實驗技術細節(jié)，為未來的科學研究打下堅實基礎。

圖2：表觀遺傳學調查問卷結果分析圖。利用超星學習通平臺對學生表觀遺傳學的學習狀況進行問卷調查，了解教學效果并對教案和課堂設計進行及時調整。

3 沉浸式課堂的發(fā)展趨勢

多媒體時代“互聯(lián)網(wǎng)+”對于分子生物學和表觀遺傳學為代表的細胞內微觀概念的學科提供了新的契機，VR+教育作為響應國家政策號召的新型技術手段伴隨著5G技術必將會成為新型課堂的教學形式。在VR技術支持下的學生可以通過影像直接感知和理解知識點，師生之間亦可實現(xiàn)“一對一，面對面”的及時交流，對于相應的實驗學習可以實現(xiàn)虛擬世界中的操作與模擬。此情景下的虛擬現(xiàn)實沉浸式課堂將會大大提高學生的專注力，據(jù)研究表明學生在沉浸式虛擬現(xiàn)實環(huán)境中學習的專注度是傳統(tǒng)環(huán)境的6倍[7]?；ヂ?lián)網(wǎng)+下虛擬現(xiàn)實技術的沉浸式課堂教學形式會融合更加豐富的教育資源，也可采用不同的終端設備將教學資源上傳，并組織教學活動，打破教學時空限制，激發(fā)學習熱情和潛能。真正實現(xiàn)全員全程高度參與的課堂。

在現(xiàn)代化技術手段展現(xiàn)了豐富教學形式的今天，仍然需要教師對完整教案的編纂和修訂，對每一節(jié)課教學設計和課堂組織的精細制定。輔助和引導學生延伸思維，并進一步總結和提煉[8]。不斷改進45分鐘的結構，將66%時間布局在積極的學習活動中而非教師的一言堂灌輸[9]，實現(xiàn)分子生物學與表觀遺傳學的研究型課程體系。課堂45分鐘，不僅僅是學生學習的陣地，也是教師個人魅力展示的舞臺，一個卓越的老師會讓學生沉浸和享受課堂時間，讓學生高度參與的狀態(tài)成為課堂的常態(tài)，而我們所追求的沉浸式課堂教學形式會提高學生獲取知識和保留知識的能力。同時也要兼顧德育和思政元素的滲透，助推新時代大學生全面發(fā)展[10]。

在互聯(lián)網(wǎng)和虛擬空間高度發(fā)展的形勢下，高校課堂建立必須遵循“變”與“不變”的原則。針對以分子生物學和表觀遺傳學為代表的基礎理論學科，需要不斷改變和完善的是對線上線下教學模式分配比例的制定，以及豐富的教學資源的拓展和應用，而永遠不變的是教師對學生的愛心細心耐心和對教育事業(yè)的拳拳之心。鄧小平同志的“教育要面向現(xiàn)代化，面向世界，面向未來”，習近平總書記強調：今天的學生就是未來實現(xiàn)中華民族偉大復興中國夢的主力軍，廣大教師就是打造這支中華民族“夢之隊”的“筑夢人”，而每一個教師的每堂課就是構成國家教育體系的細胞。按照國家新課程改革的要求，全面貫徹黨的教育方針，全面推進素質教育。堅持德育為先、全面發(fā)展、能力為重、以人為本、與時俱進，突出“一切為了每一位學生的發(fā)展”的核心理念，轉變教師教學方式和學生學習方式，建立師生學習共同體，彰顯多元、開放、包容的課堂教學文化，最大限度地優(yōu)化教學環(huán)境、教學內容、教學方法與手段，形成最優(yōu)化的課堂形態(tài)，全面提高課堂教學效率和育人質量。

根據(jù)教育部頒發(fā)的“兩性一度”金課原則，建設融合“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”的課堂為標準，以學生學習渴望和創(chuàng)造潛能激發(fā)，教師科研啟迪和幸福感指數(shù)作為共同的評估指標，建立有效和具有影響力的課堂教學。一個教師不斷總結，提煉教學經(jīng)驗，升華教學理念，形成自己的教學風格。在教學實操中細化環(huán)節(jié)，不僅通過短期（考試）和長期（畢業(yè)生追蹤）的教學評估，也可專門設立對比實驗（平行班進行不同教學模式）進行案例分析[11]。建立全過程、多維度和多元化的評價體系。從“課堂效果”發(fā)展為“影響一生”，以“學習為中心”轉變?yōu)椤皩W生發(fā)展為中心”，構建“主線清晰，枝繁葉茂”的課程內容體系。在未來的課堂設計和組織中將會加大VR技術應用，并以表觀遺傳學研究團隊科研優(yōu)勢帶動教學，將虛擬現(xiàn)實體驗和學術前沿真正融入課堂教學，為微觀基礎理論課程的教育改革提供新思路新動力。