理實融合,構(gòu)建“教、學(xué)、做、思、用”立體化教學(xué)模式

李曉巖,王鵬超,畢 冰

(東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150040)

生物學(xué)是一門理論性和實踐性都很強的學(xué)科,而實踐教學(xué)是引導(dǎo)學(xué)生從理論知識的基本認知到實際應(yīng)用與創(chuàng)新的主渠道,是大學(xué)教育培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的“最后一公里”[1-2]。在多年教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),不少本科生雖精通書本內(nèi)容,但實驗動手能力較差,個別學(xué)生甚至不能獨立完成實驗試劑的正確配制等基本操作,成為培養(yǎng)生物類高質(zhì)量卓越人才的嚴重制約。2004年,東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院根據(jù)生物學(xué)卓越人才培養(yǎng)需求,結(jié)合自身專業(yè)及辦學(xué)特色,以提升學(xué)生實踐創(chuàng)新能力為目的,創(chuàng)建生化分析技術(shù)課程,該課程作為生物化學(xué)的后續(xù)課程,以“生物活性物質(zhì)的分離純化”為主線設(shè)計教學(xué)內(nèi)容,通過理論教學(xué)與實踐教學(xué)的深度融合,著力提升學(xué)生獨立開展科學(xué)實驗的能力,切實為培養(yǎng)具有實踐能力、創(chuàng)新意識和科學(xué)精神的林業(yè)特色生物學(xué)卓越人才助力。

1 課程改革的背景及必要性

1.1 學(xué)生對課程的知識理論難以做到深度理解

生化分析技術(shù)是以動物、植物或微生物為原料,利用待分離目標組分與其他物質(zhì)性質(zhì)的差異進行分離,用于制備生物活性物質(zhì)所采用的多種技術(shù)的組合。本課程涉及電泳、層析及光譜分析等多種技術(shù)的工作原理,涵蓋生物學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等相關(guān)學(xué)科背景知識,是一門綜合性、實用性強且難度較大的課程[3]。傳統(tǒng)教學(xué)中,學(xué)生很難建立具象意識,對課程的部分理論知識難以做到深度理解。

1.2 提升學(xué)生獨立開展科學(xué)實驗?zāi)芰Φ氖侄螁我?/h3>

本課程主要面向生物科學(xué)類專業(yè)二年級學(xué)生開設(shè)(第4學(xué)期),注重培養(yǎng)學(xué)生獨立開展科學(xué)實驗的能力及科研思維,是一門實踐性較強的課程。本課程共計56學(xué)時,其中,理論教學(xué)24學(xué)時,實驗教學(xué)32學(xué)時。在以往教學(xué)過程中,有限的實驗教學(xué)學(xué)時導(dǎo)致學(xué)生的實驗操作機會相對較少,提升學(xué)生動手能力的手段較為單一。

2 課程改革思路及實施

立體化教學(xué)模式是以實踐能力培養(yǎng)為主線,利用有效的手段建立課程各環(huán)節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系,實現(xiàn)實踐能力培養(yǎng)的一體化教學(xué)模式[4-5],該模式是解決本課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在問題的有效手段。在教學(xué)改革實施過程中,堅持以學(xué)生為中心的教學(xué)理念,通過理論教學(xué)與實踐教學(xué)的深度融合,著力打造“教、學(xué)、做、思、用”立體化教學(xué)模式,開啟課堂教學(xué)改革新路徑。

2.1 教與學(xué)

2.1.1 教學(xué)設(shè)計合理化

本課程教學(xué)改革的要點之一是重塑課程內(nèi)容,打造遵循科學(xué)研究發(fā)展歷程和規(guī)律、具有林業(yè)行業(yè)特色、面向生物學(xué)專業(yè)的研究型教學(xué)內(nèi)容。在整門課程的內(nèi)容組織方面,以生物活性物質(zhì)分離純化的主要流程“前處理、初級分離和高級分離”為主線,將五章內(nèi)容貫穿其中,體現(xiàn)課程內(nèi)容的脈絡(luò)化和系統(tǒng)性,其中,前四章主要講授生物活性物質(zhì)的分離、提取、純化及鑒定等技術(shù),第五章則是對前四章內(nèi)容的綜合應(yīng)用[圖1(a)]。每一章的內(nèi)容設(shè)計,既要尋共性,又要找不同[圖1(b)]:以電泳技術(shù)一章為例,首先學(xué)習電泳的定義、分離原理及儀器等基本的、共性的知識;在此基礎(chǔ)上,介紹聚丙烯酰胺凝膠電泳、瓊脂糖凝膠電泳及等電聚焦電泳等分離帶電粒子的原理,即電荷效應(yīng)和分子篩效應(yīng)。與上述三種電泳方式不同,高效毛細管電泳卻可以分離中性粒子,其分離原理是什么[6]?由此拋出問題,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。在一堂課的內(nèi)容組織中,注重知識點的前后關(guān)聯(lián)和重難點突出[圖1(c)]:以等電聚焦電泳為例,通過案例分析導(dǎo)入授課內(nèi)容,將教學(xué)重點及難點以問題鏈的形式呈現(xiàn),培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習能力和探究能力[7]。通過以上教學(xué)設(shè)計,將知識學(xué)習、知識應(yīng)用及能力提升融為一體,使學(xué)生實現(xiàn)由“學(xué)會”到“會用”的轉(zhuǎn)變。

(a)一門課的內(nèi)容設(shè)計;(b)一章節(jié)的內(nèi)容設(shè)計:第二章電泳技術(shù);(c)一堂課的內(nèi)容設(shè)計:凝膠過濾層析。

2.1.2 教學(xué)方法多元化

“教無定法,教必有法,貴在得法”,在教學(xué)過程中,優(yōu)選多種教學(xué)方法且靈活運用,可助力學(xué)生深刻理解所學(xué)內(nèi)容。例如,在凝膠過濾層析一節(jié)的授課過程中,綜合運用導(dǎo)入教學(xué)法、啟發(fā)式講授法、問題教學(xué)法及討論教學(xué)法等多種教學(xué)方法(表1)。在本節(jié)內(nèi)容當中,由于恒流泵及部分收集器的工作原理較難理解,借助豐富的網(wǎng)絡(luò)資源,并結(jié)合大量短視頻、圖片,將許多看不見的、難理解的、容易混淆的知識點變成顯而易見的、簡單易懂的、具有趣味性的知識,使學(xué)生在潛移默化中理解、掌握課程難點。此外,在教學(xué)過程中,注重將授課重點和難點以問題鏈的形式呈現(xiàn),讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)啟發(fā)下跟著“問題”走,使課堂真正“活”起來[8]。既注重拓展學(xué)生的發(fā)散思維,提升課程的高階性,又不偏離課程主線,使學(xué)生在掌握課程精髓的基礎(chǔ)上,能夠合理應(yīng)用所學(xué)知識,達到活學(xué)活用的目的。

表1 凝膠過濾層析教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法

2.2 做與思

實踐教學(xué)是本課程的重要組成部分,在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新意識以及提升學(xué)生的動手操作能力等方面具有重要作用[9-10]。實踐教學(xué)的開展,可幫助學(xué)生進一步加深對理論知識的理解和消化。然而,傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容常采用“教-學(xué)-做”模式,保姆式的實驗教學(xué)模式以及標準化的實驗結(jié)果要求極易導(dǎo)致學(xué)生僅僅是根據(jù)實驗講義機械性地重復(fù)實驗過程,對實驗原理的理解并不透徹,且學(xué)生的自主性被極大抑制,缺乏思辨思維和變通能力。在“第一課堂”中,通過理論教學(xué)與實踐教學(xué)的深度融合,按照認知-實踐-實訓(xùn)逐級遞進的方式,培育學(xué)生的實踐技能和探究能力[11],下面以“凝膠過濾層析分離細胞色素c和核黃素實驗”為例闡述改革實施。

2.2.1 堅持實驗操作零起點

在實驗教學(xué)過程中,從藥品稱量、溶液配制、儀器組裝等基本操作入手,鍛煉學(xué)生的動手操作能力。本實驗采用磷酸緩沖液(0.05 mol/L,pH 7.2)作為洗脫液,學(xué)生需要正確計算磷酸氫二鈉和磷酸二氫鈉的質(zhì)量并準確稱量,才能完成磷酸緩沖液的配制。此外,實驗過程中采用MA99-3自動核酸蛋白分離層析儀分離細胞色素c和核黃素,學(xué)生需根據(jù)說明書學(xué)會并熟練掌握恒流泵、核酸蛋白檢測儀及收集器等儀器的使用方法。以BS-100A自動收集器為例,該儀器能夠自動進行計時、計滴分量采集樣品洗脫液,提高工作效率,并可根據(jù)時間、滴數(shù)或體積收集洗脫液,還具備防泄漏、防漏電功能。學(xué)生按照說明書學(xué)會儀器的使用后,可根據(jù)個人習慣設(shè)定不同的洗脫模式,達到準確收集洗脫液的目的。實驗操作零起點的實施,能夠有效激發(fā)學(xué)生的探索欲望,培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力,使學(xué)生獲得成就感和自信心。

2.2.2 巧用教學(xué)留白設(shè)計

“教學(xué)留白”是為學(xué)生的思考和建構(gòu)留出空間,給學(xué)生們更多的可支配時間、更寬容的環(huán)境,培養(yǎng)他們的批判性思維和科研思維[12-13]。學(xué)生在“補白”的過程中,往往需要通過查閱文獻、小組討論等活動才能獲得正確答案。在凝膠過濾層析實驗中,學(xué)生需要根據(jù)所學(xué)知識完成正確的儀器連接才能得到較為理想的實驗結(jié)果,其中,恒流泵的位置安裝是儀器連接過程中要解決的關(guān)鍵問題。恒流泵主要用于自動連續(xù)精確輸送洗脫液,其工作原理是通過轉(zhuǎn)輪擠壓泵管推動管內(nèi)的流體向前移動從而產(chǎn)生液體流動,那么,恒流泵的位置應(yīng)該安裝在層析柱之前(位置①)還是層析柱之后(位置②)[圖2(a)]?如果兩個組分在分離過程中洗脫體積相差較大,恒流泵安裝在層析柱之前或之后,不會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響,但如果兩個組分洗脫體積相差較小,恒流泵安裝在層析柱之后會導(dǎo)致已經(jīng)分離的兩個組分經(jīng)過擠壓混合在一起,影響分離效果[圖2(c)]。通過教學(xué)留白設(shè)計實現(xiàn)學(xué)生主體地位的回歸。

(a)凝膠過濾層析的儀器連接;(b)恒流泵的工作原理;(c)凝膠過濾層析分離樣品組分示意圖。

2.3 用

引導(dǎo)學(xué)生將理論知識靈活應(yīng)用于實踐,提升創(chuàng)新能力是本課程的重要教學(xué)目標。針對傳統(tǒng)教學(xué)中提升學(xué)生動手能力的手段較為單一的問題,積極拓展“第二課堂”,鍛煉學(xué)生的動手操作能力,是在靈活運用、融會貫通的過程中對學(xué)生專業(yè)核心技能的強化突破[14-15]。此外,“第二課堂”的構(gòu)建與實踐,能夠有效增加學(xué)生的實驗操作機會,豐富提升學(xué)生動手能力的手段,有效地解決了教學(xué)改革的痛點問題。

(1)創(chuàng)新研究性實驗設(shè)計。以“從生物材料中分離制備有效化學(xué)成分”為主題,引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)過的理論知識進行創(chuàng)新性設(shè)計,獨立完成實驗方案并予以實施。學(xué)生以小組為單位,通過查閱資料、獨立設(shè)計、綜合討論分析形成實驗方案,在答辯過程中,每組選派代表講解制備工藝的目的意義、所需儀器藥品及實驗流程,其他同學(xué)做補充。其他小組則負責研判實驗方案的可行性,同學(xué)們在“答”與“辯”的過程中,能夠知道自己設(shè)計的制備方案中哪些是正確的,哪些是錯誤的,有沒有更好的解決方法等,在交流中完成實驗方案的升級優(yōu)化。實踐證明,上述“命題作業(yè)的完成”能夠有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,達到學(xué)以致用的目的。

(2)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。本課程在第四學(xué)期開設(shè),正值大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目立項之際,在項目申報過程中,學(xué)生在指導(dǎo)教師的幫助下,能夠主動參與項目申請書的撰寫、修改、完善等。在設(shè)計實驗方案時,學(xué)生能夠利用所學(xué)的多項實驗技術(shù),針對某一個問題,通過比較多種實驗方法,給出最優(yōu)解。本課程的學(xué)習與訓(xùn)練為學(xué)生申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目奠定了堅實的基礎(chǔ),學(xué)生能夠運用所學(xué)知識順利完成資料檢索、實驗方案設(shè)計及項目申請書撰寫等工作。此外,不少學(xué)生包括多名已畢業(yè)進入知名高校攻讀研究生的學(xué)生反饋,生化分析技術(shù)課程的學(xué)習對他們的科研啟蒙起到了重要的作用。

(3)大學(xué)生課外科研訓(xùn)練。本科生導(dǎo)師制是在本科教育階段引入導(dǎo)師制,在大學(xué)四年教學(xué)過程中由指導(dǎo)教師對學(xué)生進行學(xué)科引導(dǎo)、專業(yè)指導(dǎo)、科研訓(xùn)練,促進學(xué)生學(xué)科知識、科研素養(yǎng)、實踐能力等綜合素質(zhì)的提升,最終達到提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的[16]。隨著本科生導(dǎo)師制的推行,不少本科生從大二開始進入實驗室進行科研訓(xùn)練,但是由于缺乏生物學(xué)專業(yè)知識,對實驗室常用技術(shù)的原理及操作一知半解,導(dǎo)致學(xué)生的自主性被極大抑制。通過本課程的學(xué)習,學(xué)生的實驗操作能力、團隊協(xié)作意識、科學(xué)研究思維得到較為全面的啟蒙和系統(tǒng)訓(xùn)練,為后續(xù)科研訓(xùn)練奠定堅實的基礎(chǔ)。學(xué)生在實驗室進行科研訓(xùn)練的過程中,能夠進一步加深對課程內(nèi)容的理解和內(nèi)化,以達成深度學(xué)習。

3 立體化教學(xué)模式的實施效果分析

本課程以“培養(yǎng)學(xué)生獨立開展科學(xué)實驗的能力及高階思維能力”為目標進行教學(xué)改革,實踐證明,學(xué)生的獨立思考能力以及嚴謹縝密敢于質(zhì)疑的科研探究精神得到明顯加強。

(1) 教學(xué)改革卓有成效。為探討“理論實踐深度融合,教、學(xué)、做、思、用立體化教學(xué)模式”的實施效果,在每學(xué)期期末課程結(jié)束后發(fā)放調(diào)查問卷,對教學(xué)改革效果進行評價。問卷調(diào)查內(nèi)容的評價按照“非常滿意、滿意、一般、不滿意、非常不滿意”5個等級分別賦分值5、4、3、2、1分,其中2018級生物科學(xué)類專業(yè)采用傳統(tǒng)教學(xué)法,2019級和2020級采用立體化教學(xué)模式(表2只顯示部分問卷題目及結(jié)果)。問卷結(jié)果顯示,絕大多數(shù)學(xué)生對立體化教學(xué)模式持肯定態(tài)度,學(xué)生普遍認為,新的授課方法有利于激發(fā)學(xué)習主動性,更易于理解課程難點,尤其是在“第一課堂”掌握基本理論和技能之后,通過開拓“第二課堂”,能夠完成從“懂”到“能”的蝶變,有效培養(yǎng)了知識遷移能力和科研思維(表3)。

表2 理論實踐深度融合,教、學(xué)、做、思、用立體化教學(xué)模式滿意度調(diào)查結(jié)果分)

(2)學(xué)以致用能力增強。通過本課程的學(xué)習,學(xué)生對生物學(xué)研究中所涉及的多項實驗技術(shù)有了深入的理解和掌握,并能夠?qū)W以致用。截至2021年,筆者共指導(dǎo)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目3項,省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目2項,指導(dǎo)本科生作為第一作者發(fā)表論文7篇(EI收錄1篇,中文核心收錄6篇)。此外,諸多學(xué)生也反饋了課程學(xué)習的感受,課程的改革及實施使許多枯燥難懂的知識點以生動有趣的形式呈現(xiàn)出來,激發(fā)了自身的學(xué)習興趣。

(3)國際大賽屢獲佳績。2021年11月14日,學(xué)院NEFU-China團隊憑借“基于G-四聯(lián)體的病毒檢測系統(tǒng)”課題在國際遺傳工程機器競賽(International Genetically Engineered Machine Competition,iGEM)第五次斬獲金獎,同時榮獲“最佳醫(yī)療診斷項目”單項獎和“最佳wiki制作”單項獎。2021年11月20日,學(xué)院與奧林學(xué)院學(xué)生共同組建的團隊在國際定向進化大賽(International Directed Evolution Competition,iDEC)中力壓倫敦帝國理工學(xué)院等一眾名校,包攬 “最佳分子進化成果”“最佳基因組進化機器”和“最佳基因組進化成果”3個賽道的第一名,同時還獲得“最佳報告系統(tǒng)”“最佳篩選方法”兩個單項獎及多個單項獎提名。參賽學(xué)生普遍反映,生化分析技術(shù)課程的學(xué)習極大提高了獨立開展科學(xué)實驗的能力及科研思維,為在國際大賽中取得優(yōu)異成績奠定了基礎(chǔ)。

(4)有力促進教學(xué)相長。在本課程教學(xué)改革實施過程中,筆者及時總結(jié)經(jīng)驗,于2019年獲得東北林業(yè)大學(xué)首屆教學(xué)改革先鋒獎(全校僅5人獲獎),2022年獲得第二屆黑龍江省高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽二等獎。所在教學(xué)團隊先后獲批黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項目2項,黑龍江省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃重點課題1項,發(fā)表中文核心教學(xué)改革論文5篇,累計獲得校級教學(xué)質(zhì)量優(yōu)秀獎一等獎5人次。在學(xué)校教務(wù)部門組織的學(xué)生群體及教學(xué)督導(dǎo)的評教結(jié)果中,本課程及授課教師團隊均獲得較好評價。