生物通识实验网络教学研究

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摘要：生物通识实验作为生命科学通识教育的重要组成部分，不仅使学生了解生物学理论知识，掌握实验技能，更有利于学生理论联系实际，提高分析问题和解决问题的能力。在肺炎疫情期间，为了保障实验教学质量与进度，该文利用多种网络教学方式和资源开展了生物通识实验的网络教学，并辅以线下家庭版实验操作，论文探讨了适应当下教学条件的应对措施，优化了学生在线实验课程体验，丰富了学生的学习方式，为后续推动通识实验类的教学改革提供参考。

关键词：肺炎疫情；生物实验；通识教育；网络教学；教学研究

21世纪是生命科学的世纪，生命科学正以前所未有的的速度发展，并慢慢渗透到现代社会与生活的各个领域[1]。生命科学已经逐渐发展成为每个人都应该了解和掌握的基础学科，并成为高等教育中“通识教育”不可或缺的重要组成部分和本科人才培养的必需环节[1]。生命科学作为一门以实验为基础的学科，生物实验课程是该学科不可分割的一部分，是沟通理论与实践的桥梁，并对培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力起着课堂理论教学无法企及的作用，同时有利于学生形成探究性的科研素养[2]。因此，四川大学生命科学学院在已经开设“现代生命科学基础”“生命科学与人类健康”和“微生物与人类文明”等多门通识教育理论课程的基础上，专门开设了面向全校非生物类专业学生的“生命奥秘探索实验”生物实验类通识课程，以理论与实践相结合的形式带领非生物类专业的学生进行生命科学奥秘的奇妙探索和生命科学知识的普及教育。随着高等教育教学的不断改革，生命科学通识教育更加注重体验式的实践性教学，教学重心从原来对生命科学知识的普及，转向引领学生对生命自然的“探索与思考”。因此，生物通识实验教学的开展显得十分重要。然而，在肺炎疫情的特殊时期，学生无法返校，不能在实验室开展体验式的实践性教学。按照国家教育部“停课不停教，停课不停学”的精神要求，各高校开展线上理论课程教学成为主流，而实践类课程相对滞后，会导致实践教学部分缺位，进而影响整体教学进度与效果。因此，如何在特殊时期开展实践类课程教学值得思考和探索。组织好本科学生开展线上实验课堂，并引导学生面对困难、解决实验教学等问题，对教师和学生双方都是一次生动的教学体验。本文针对肺炎疫情防控期间给生物通识实验教学带来的负面限制问题，利用多种网络方式开展生物通识实验教学，从科研思维的训练、实验方案的设计与改进、网络在线教学资源的利用、虚拟仿真实验的学习与运用、家庭版实验操作的教学探索以及多元化开放性的成绩评价等6个方面，对新变化和新挑战下的生物通识实验教学进行探索，以期引发更深层次地讨论与思考，为线上生物通识实验更好地开展提供帮助和参考。

1科研思维的训练

科研思维是指个体运用一定的科学方法进行思考的过程，其基本要点是事实与逻辑，即从事实出发，尊重事实、观察事实，以事实为依据并在此基础上进行科学严密的逻辑推理，从而提出科学问题并通过反复客观的实践论证，最后进行归纳、提炼和概括的一个过程[3]。科研思维能力主要分为4个层次：快速学习能力、实验设计能力、动手操作能力和发现问题能力[4]。科研思维能力是新时代对在校大学生的重要要求，而生物通识实验的教学不仅有助于学生将课堂上的理论知识应用于实际生活，提升学习兴趣以及个人成就感，还有助于学生科研思维能力的训练和培养。在疫情期间，生物实验教学大多只能开展线上实验理论教学。学生通过对实验理论的学习，从而理解整个实验设计，有助于科研思维能力中快速学习能力和实验设计能力的培养。另外，我们充分利用生物通识实验与实际生活密切联系的特点，通过教师网络在线指导和学生线下自主操作相结合的方式进行家庭版的生物实验操作，以锻炼学生的实践能力和科研思维能力。与学校实验室统一的实验环境相比，学生在各自家中进行实验操作时不仅更需要独立完成所有的实验操作，还需要根据实验原理和不同条件调整实验方案并自己准备实验材料和用具。这不仅能大大增强了学生的动手操作能力，还更有助于理解实验原理和实验设计，同时有利于引导学生发现问题、思考问题和解决问题，更有效培养学生的科研思维能力。同时，教师在授课过程中，有意识地将科研思维的训练与实际生活的方方面面联系起来，充分利用好学生对生命科学的学习兴趣和热情，以实验、实训为出发点，结合专业特色，引入生物实验相关的科学思维训练内容，同时答疑解惑。如在课程上，提出一系列贴近肺炎疫情防控的科学问题，将生物通识教育与疫情防控有机结合，科普相关知识。这不仅是对理论知识的情景再现，也是对科研思维的综合训练。

2实验方案的设计与改进

基于肺炎疫情的影响，学生无法返校，实验内容不能在实体实验室中进行实际操作，教师结合实验教学需求进行在线实验课程新模式探索势在必行。我们根据生物通识实验的特点，针对一些硬件设备、试剂药品和专业要求不是很高的实验项目进行从新设计和改进，形成家庭版实验方案，并在线上指导学生进行实验教学。而对一些实验要求较高，无法在家中开展的实验内容，我们采取线上实验理论教学方式，利用各种线上教学资源和平台进行实验原理和方法的学习，并引导学生进行实验方案的设计和讨论。如通过线上教学方式，以PCR检测ORF1ab基因的内容，引导学生了解生物信息学相关的数据库和软件资源，如国家生物信息中心2019病毒信息库、GISAID数据库、GenBank、Primer3软件、MFEprimer3.0软件等。学生通过学习如何在数据库中下载的全基因序列，并利用相关软件进行序列分析和设计qRT-PCR的扩增引物等，从而了解整个实验原理并完成整个实验方案的设计，从而也达到了对科普的目的。

3网络在线教学课程资源的利用

网络技术的快速发展及其在教育领域中的广泛应用，给教育事业带来了蓬勃生机，建设了大量丰富的网络在线教学的课程资源平台，保证了线上课程的教学进度和质量。教育部根据疫情防控期间高校在线教学需求，迅速组织专家遴选出爱课程（中国大学MOOC）、超星学习通、学堂在线、智慧树网等37个在线课程资源平台和技术平台来保障教学进度和教学质量。为了顺利开展线上生物通识实验教学，我们充分利用上线的慕课和在线课程教学资源。例如，四川大学课程中心整合了大量的优质实验课程资料，形成了较为完整的实验教学课程体系和灵活特色的开课计划，有利于学生课前预习、课堂学习和课后复习[5]。另外，除了通过常规的教学PPT课件来学习具体实验课程的基本知识、实验原理、实验步骤、仪器设备的操作和实验室安全等理论知识外，学生还可观看生命科学学院老师团队拍摄的实验教学视频，视频清晰具体，简略得当，有助于学生了解实验的具体过程，帮助理解相关的理论基础。课后，教师针对相关知识点以及疫情热点问题，发放补充资料到腾讯课堂课程群，并进行实时反馈讨论，同时鼓励学生充分利用多种在线资源进行课后巩固，如案例库、四川大学图书馆文献检索、专题讲座库、试题库和作业系统等，加强在线资源的挖掘、建设和应用，为线上实验教学提供必要的辅助素材。

4虚拟仿真实验的学习和应用

虚拟仿真实验课程建设，是推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措[6]。开展虚拟仿真实验教学能够强化学生实验基本技能、激发学生求知欲、培养学生创造性、提高学生专业技能，在生物实验教学中具有重要意义。四川大学生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心（以下简称虚拟实验中心，网址：），依托生命科学学院和生物科学国家级实验教学示范中心，联合生物技术相关企业以及数字软件公司共同建设，为虚拟仿真实验教学资源的学习和应用提供了平台和基础，实现了实验课件、图像、动画、虚拟实验操作、在线测试等多种教学资源的优化整合[7]。经过十年的建设，虚拟实验中心拥有数字化数学标本资源共享平台、虚拟工厂实践训练平台、虚拟实验课程综合学习平台等3个课程平台，自建虚拟仿真实验项目26个，并实现了校内外资源广泛共享，虚拟实验教学资源丰富，如图1（a）所示。在病毒疫情防控期间，虚拟实验中心不仅支持了本学院专业实验课程的网络教学，还支撑了面向全校的生物科学通识类实验课程。在虚拟实训平台上，支持学生以生产员工角色进入虚拟生产车间了解生物用品的生产过程，如疫苗、有机酸工业化生产等，具备设置实验参数、互动回答问题、操作生产设备等功能，答题与“打怪升级”有机结合，模拟游戏体验，边娱乐边学习，最终掌握工业化设备操作，了解系统完整的工业化生产流程，为学生打下宽厚扎实的生物工程技能基础，如图1（b）所示。同时平台创编的游戏新颖有趣，契合了学生好动、爱玩的天性，大大激发了学生的学习兴趣与动力[8]。

5家庭版实验操作的教学探索

百闻不如一见，百见不如一干。实验教学是高校培养学生实践能力和创新精神的主要途径之一，能有效提高学生的实验基本技能、动手能力和创新思维能力[9]。生物实验课程是以实验为基础的学科教学，应突出培养学生的创新能力和实践能力[10]。基于“实践出真知”和“停课不停教，停课不停学”的精神要求，在肺炎疫情防控期间，我们生物实验通识课程针对某些实验内容进行实验方案的改进，并采取教师线上指导与学生线下自主开展家庭版生物实验操作相结合的方式进行生物实验网络在线教学探索，创新线上讲解、线下实操的实验教学和学习模式，让学生不仅掌握生物实验基本操作和生命科学相关知识，还有助于培养学生实验设计能力、动手操作能力和发现问题能力[9]。通过对生物实验内容的梳理和家庭实验条件的挖掘，确定开展了家庭版酸奶和醪糟的制作、认识身边的植物、彩色脉络−叶脉书签创意制作等实验项目的教学。首先，我们充分利用各种网络方式来实验课程预习材料，进行在线实验理论教学与讨论。例如，在开展家庭版酸奶和醪糟的制作实验教学时，教师上课前通过课程QQ群来并组织学生进行实验预习和准备，在上课期间通过腾讯会议等网络方式进行线上实验理论的讲解和讨论，如图2所示。然后，学生通过学习掌握了实验原理和基本操作步骤后，还需要根据各自家庭已有的条件选择实验材料和用品，并适当地改进实验方案。最后，根据各自的实验方案独自完成包括实验准备在内的所有实验操作步骤和实验报告。由于学生实验场所是家庭环境，教师无法近旁指导，但是学生如果有任何疑问可以通过课程QQ群进行线上交流、讨论，打破了实验学时的限制，如图2（d）所示。与实体实验相比，这不仅有利于更多学生之间的广泛交流，特别是习惯于键盘式交流方式的学生，教师也可以不受课程学时限制地进行线上指导，极大地加强了师生间的在线互动交流。在肺炎疫情防控的长期居家条件下，家庭版实验操作极大地激发了学生的学习兴趣，学生课下开动大脑，根据自行建立和完善的实验方案，自主挖掘家庭实验条件，进行实验操作训练的同时，还可享受自主学习、自由探索以及生命科学带来的生活乐趣。然而，在家做实验，难免会因为缺少精确的仪器设备给学生带来困扰，但也会带来对困难解决思路的思考以及感受到“自己创造条件”的自豪感，无论实验成功和失败，都是难忘的“生命奥秘探索”体验，有助于加深对生物实验更深层次的理解和思考。

6多元化开放性的成绩评定方式

传统的实验成绩评定方法，大多基于考勤、实验过程表现、实验报告的质量等方面来实施，而在肺炎疫情期间开展的生物实验类通识课程由于实验场所在学生家中，实验条件和环境各不相同，学生完成的实验任务在内容、过程等方面都无法简单地进行比较，采取传统的实验成绩评定方法不能准确、合理地量化评定学生的成绩[11]。另外，生物实验类通识课程作为面向非生物类学生的生命科学通识课程，不再以全面的知识传授为主要教学目的，而应注重提高学生在思想层次认识分析事物的能力，强调引导学生对生命奥秘的感悟和思考[12]。因此，在对学生的成绩评定上我们也应采取多元化开放性的评定方式，多在实验操作后给出一些让学生引发思考与感悟的开放性题目，如“有没有必要进行全民针对的抗体筛查？请列出支持或否定全民筛查的理由”等。由于课程是通过网络在线教学与线下操作相结合的方式实施，学生的实验成绩分为平时成绩（20%）、实验操作成绩（20%）、实验结果分析成绩（30%）、测试题或思考题成绩（20%）和实验心得体会（10%）等部分。在形式上，学生既可以提交传统电子版实验报告形式，也提交自己录制的实验视频报告形式。教师通过虚拟实验中心平台，组织班级管理、设置实验预习资料和在线测试等，学生可以在平台提前预习并参与测试，平台会记录每个学生的学习时长和考试结果，可记录学生的预习情况和教学效果，形成评价报告，丰富成绩评定与分析的方式，培养学生自学意识，激发学习动力。

7结束语

实验教学作为高等学校人才培养的重要教学环节，肩负着培养学生实践能力和基本操作技能的重任[12]。肺炎疫情期间，特殊时期特殊对待，它更要求高校教师具备更新变化的能力，为特殊时期实验课程的有序进行出谋划策、贡献力量；同时生物通识实验也是针对肺炎疫情的一场大型科普教学。本文就科研思维的训练、实验方案的设计与改进、网络教学资料的利用、虚拟实验、家庭实验操作训练以及多元化成绩评定分析6个方面做了实验课程教学尝试，探讨适应当下教学条件的应对措施，优化学生在线实验课程体验，保障教学质量与进度，旨在新挑战下为生物通识实验教学的实施提供参考。同时，在线教学工作不仅是应对疫情的短期行为，更是一场长期的教学探索，对后续推动实践类通识教育教学方式改革具有重要的指导和现实意义。

作者:李佛生 熊莉 王甜 周洁 晏仕英 汪红 赵建 单位:四川大学生物科学实验教学中心