研究生實驗課線上線下混合分層次教學的探索

發布時間：2021-07-05所屬分類：教育論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要:在交叉學科的研究生實驗教學環節中以提高研究生的科研、創新能力為目標，以生物醫學工程專業生物技術實驗課為例進行教學探索�；�于科研活動的內在邏輯規律和生物醫學工程的學科特點，充分利用現代信息技術，設計了由淺入深、具有內在聯系的立體網狀實驗

　　摘要:在交叉學科的研究生實驗教學環節中以提高研究生的科研、創新能力為目標，以生物醫學工程專業生物技術實驗課為例進行教學探索�；�于科研活動的內在邏輯規律和生物醫學工程的學科特點，充分利用現代信息技術，設計了由淺入深、具有內在聯系的立體網狀實驗內容體系，線上線下混合分層次教學模式和全過程多維度的評價方式。通過點單學習、自主設計、自主實驗、開放研究等多種方式，解決對不同背景、層次和科研方向的研究生進行科研能力和科研思維訓練不足的問題，同時促進學生的個性化發展。將提升學生自主學習能力、構建專業知識和技能教學體系、訓練科研思維模式有機融合在一起，獲得了良好的教學效果。

　　關鍵詞:生物技術實驗;研究生;線上線下混合教學;分層次教學;交叉學科

　　0引言

　　培養科研能力和創新能力是我國研究生教育的核心目標[1]。一方面，研究生是我國科技創新的重要主體，研究生的科研、創新能力與國家所實施的科教興國和建設創新型國家戰略密切相關[2]。另一方面，出于自身定位與對個人未來發展需求，研究生有提高自身科研、創新能力的強烈愿望�？蒲�、創新能力以扎實的理論為基礎，體現在善于獲取資源并高效學習、發現問題、利用現有知識和工具分析和解決問題(尤其是復雜綜合的問題)、發現未知并進行知識創新等方面[3]。因此，研究生實驗課要注重加強學生理論聯系實際能力、科研思維、創新意識和實踐能力的訓練和培養，在教學方法上綜合利用各種資源和新技術，達到提高研究生科研、創新能力的教學目的。

　　1研究生實驗課現狀

　　傳統的研究生培養過程以教師為中心，存在研究生過于依賴老師，缺乏自主學習動力和自主科研精神等問題，導致學生不能建立好理論知識體系與科研實踐的聯系，缺乏發現問題和解決問題的動力，缺乏自主學習和自主探究的意識[2]。因此，研究生實驗教學應進行適當的改革，強化學生自主學習的意識和能力，幫助學生構建本領域扎實的知識體系，培養研究生的科研實踐能力和創新能力。

　　與本科生相比，研究生已掌握了一定的基礎理論、專門知識和基本技能，具備了從事科學研究或專門技術工作的初步能力，在教學中更應考慮采用更貼近真實科研場景的綜合性、開放性和創新性實驗內容，訓練研究生的科研創新意識和能力。此外，通過改變教師占主導地位、學生被動學習的傳統教學方式，還可以提高學生自主學習、批判性思考、獨立科研的能力。為實現這一目的，國內同行進行了研究生綜合實驗[4]、復雜項目實訓[5]、依托科研成果的創新性實驗[6]等教學內容改革，也在線上線下混合實驗教學[7-8]、師生互動[9]、開放式實驗[1]等方面進行了教學模式探索，但是對于學科交叉特性比較強的專業(例如生物醫學工程專業)，尚未取得良好效果。主要原因是交叉學科的研究生在本科階段的知識結構、學術背景、未來的研究領域和方向有很大差別，導致他們對實驗課的興趣點和需求也不相同。因此，如何設計適合研究生特點和需求的教學內容和教學模式，對激發研究生的學習興趣和主觀能動性，幫助學生建立適應其個性化學術發展的知識體系，培養他們的自主學習能力和創新能力十分重要，也是在教學中要解決的主要問題。

　　通過對自身科研工作和研究生教學工作的不斷總結，在交叉學科的研究生實驗課中，應針對學科特點和學生科研需求設計貼近科研的具有開放性的復雜綜合實驗任務，按照科研活動的一般流程和內在邏輯將復雜綜合的教學內容合理解構、重組、并單元化，降低實驗教學任務的難度，便于學生在有限的課時內完成。因此，將教學內容設計成自主學習、自主設計、自主實驗、自主創新模塊，使學生在完成任務的同時，體驗科研的思路和流程。設計線上線下混合的分層次教學，兼顧教學目標與學生個性化發展需求，激發學生的學習興趣和主觀能動性。將教師作為組織者、引導者、和監督者，學生作為實驗教學的行為主體，以培養學生獨立探索能力。

　　2生物技術實驗課的教學設計

　　生物醫學工程是一門高度綜合的交叉學科，它綜合生物學、醫學和工程學的理論和方法，解決疾病預防、診斷、治療和康復中的問題，為保障人類健康服務[10]。生物技術實驗課是生物醫學工程專業研究生的一門重要實驗課，它以生物化學、分子生物學、細胞生物學等學科為基礎，交叉性、實驗性、應用性強，對于培養研究生生物和醫學相關的科研素養和能力極為重要[11]。為服務于生物醫學工程專業研究生的培養，生物技術實驗課教學需要解決研究生之間知識背景、研究方向差異大(組織工程、醫學電子、生物力學、生物材料、醫學圖像等方向)的突出問題，整合學生專業背景和科研方向的需求。因此，按照本領域科研活動內在邏輯設計教學內容和教學模式，開展基于線上線下混合模式的分層次實驗教學探索，提高學生的科研、創新能力和科研主動性。

　　2.1教學內容設計

　　綜合考慮生物醫學工程專業研究生的科研方向和科研需求，設計了在動物細胞中表達外源基因(綠色熒光蛋白GFP)的綜合性實驗任務作為實驗教學內容。在動物細胞中表達外源基因是生物醫學工程中常用的科研手段，它需要綜合微生物學、分子生物學、細胞生物學、細胞工程學、生物儀器分析等多門專業課的理論知識和實驗技能，完成質粒擴增、質粒提取、質粒檢測、動物細胞培養、質粒轉染、轉染效率檢測等一系列實驗。因此，這個實驗更貼近真實科研任務場景，并且各個任務環節緊密聯系，具有連貫性和系統性，也具有高度交叉性，方便學生依據自身的背景和將來的科研方向從儀器、材料、方法等環節進行開放性設計研究，向多領域拓展。

　　在教學實施過程中，根據學科特點和科研工作的內在邏輯，對教學內容合理的解構和重組，以方便復雜綜合實驗任務的實施，降低教學難度。將整個實驗教學劃分為自主學習、自主設計、自主實驗、和自主創新4個模塊，教師綜合使用線上線下教學手段引導學生完成實驗任務(見圖1)。

　　(1)自主學習模塊。目的是幫助研究生通過有效的線上自主學習，建立基本的專業理論技能體系。教師首先根據實驗流程將綜合實驗需要的知識和實驗技能分解重組為不同的結構單元(見圖2)，包括實驗原理、操作方法、儀器使用、實驗室規程、文獻數據庫和問卷等單元。每個單元里包含了完成本實驗需要的相關知識點，教師收集各知識點的文獻、視頻資料，制定設備使用和實驗室安全的規程，并制作相關視頻，將上述資源上傳到課程網站。學生根據自身情況自行安排學習的時間地點，點單式學習。有余力的同學還可以進一步通過文獻數據庫查找資料，了解每個子實驗的拓展內容，使學生分層次學習。為克服學生在線學習中缺乏互動和監督的問題，教師利用問卷星軟件，針對各模塊要達到的要求設計了問題庫[12]。學生通過問卷檢驗自己的學習效果，有針對性地彌補不足;教師通過問卷分析學生存在的問題[13]，給予個性化指導。本模塊對教學內容進行創新設計，通過知識單元解構和個性化指導降低綜合設計實驗的實施難度，通過分層次學習解決學生背景和基礎不一致的問題。

　　(2)自主設計模塊。包括學生自主設計實驗方案、課堂討論，修正實驗方案3個環節。學生自由組合，分工合作，在掌握基本知識和技能的基礎上，自主查閱文獻，利用實驗室條件設計實驗方案，預先考慮實驗中的關鍵節點及其可能發生的問題。討論課采用翻轉課堂模式[14]，學生在討論課上展示實驗方案，教師對學生們在實驗設計中突出的問題進行集中講解，引導學生在課堂環境中進行對實驗設計及關鍵環節充分討論。學生在討論課后繼續學習，在對實驗有深刻認識的基礎上，修正實驗方案。自主設計模塊引導和鼓勵研究生進行主動學習和深度探索。這樣，不但培養學生綜合運用所學的理論知識、實驗方法和實驗技能，提高分析問題、解決問題的能力，也有效地鍛煉了學生的語言表達能力與組織能力。

　　(3)自主實驗模塊。包括學生分工合作完成實驗準備、實驗開展、數據收集和分析、實驗報告撰寫。在實驗中，學生獨立思考，自主實驗，對實驗的過程展開反思和總結，對學習的過程進行自我評價。教師和助教保證實驗室運轉，對學生個別指導，但不干涉學生實驗。有些學生在實驗的某些環節失敗，教師引導學生遵守學術道德，如實呈現數據，同時做好失敗原因分析，寫出改進措施，讓學生學會如何正確處理科研中的失敗和挫折。本模塊的核心是通過自主實驗使學生系統地整合所學的理論知識和實驗技能，提高知識應用能力和實驗能力。

　　(4)自主創新模塊。學生基于不同的學術背景、科研方向和對實驗過程的體驗，發現儀器、方法等可以改進的地方，查閱資料，自主設計，提出改進和優化方案，老師給予點評。發現問題是科研中至關重要的一步，分析問題和解決問題則是利用已有知識和工具找到答案。本模塊的重點是進一步強化學生發現問題，分析問題和解決問題的訓練，提高學生自主創新的意識和能力。

　　2.2教學模式探索

　　在對實驗教學內容設計創新的基礎上，設計了線上線下混合分層次實驗教學模式，合理分配教師和學生的角色，降低綜合實驗教學的復雜性，激發學生學習和創新的主動性，引導學生在解決復雜問題時善于發現新問題，創新新手段、新知識。

　　在實驗教學內容設計創新的基礎上，設計了線上線下混合實驗教學模式，以便改變學生被動接受知識的教學方式，引導學生自主學習。將基礎知識和基本技能分解成不同單元，提供豐富的互聯網和多媒體資源，建立線上學習效果問卷反饋機制，構建一種靈活、開放、互動的學習環境，引導學生根據自身的專業背景和基礎分層次自主學習，建立基本的知識和技能體系。線下教學中搭建供研究生進行創新設計的開放式綜合實驗平臺，組織、引導學生自主設計實驗方案、自主實驗和自主創新。線上線下教學共同為促進學生的個性發展、培養學生的科研創新能力服務。

　　在每個教學模塊開展分層次教學，通過點單學習、自由組合、自主設計、自主實驗、開放研究等多種方式解決對不同背景、層次、和科研方向的研究生進行科研能力和科研思維訓練問題，同時促進學生的個性發展。首先，在整個教學過程中按照科研活動的內在邏輯合理設置教學模塊，組織和引導學生從自主學習建立基本專業知識和技能體系，運用學到的知識和技能自主實踐(設計方案并開展實驗)，在科研體驗及數據分析基礎上學科交叉融合進行創新，環環相扣，層層遞進地培養學生的科研和創新能力。其次，在線上教學過程中實現分層次教學，使學生根據自身情況進行菜單式的課程定制，快速補齊短板，構建出合理的知識和技能基礎。

　　相關期刊推薦：《實驗室研究與探索》雜志是教育部主管、上海交通大學主辦的國內外公開發行的綜合性技術刊物，全國高校實驗室工作研究會會刊之一。雜志辟有：校長名人談實驗室，21世紀實驗與創新，實驗教學，實驗技術，計算機技術應用，儀器設備研制與開發，實驗工藝與技巧，實驗室主任講壇，處長論壇，國家重點實驗室，實驗室建設與管理，技術物資供應與管理，實習與實訓，高職高專實驗室等欄目。

　　在實驗教學中合理分配教師和學生的角色，最大限度發揮學生在課程中的主動性和主體作用，也使教師從傳統教學的主體作用轉變為組織者、引導者和監督者。教師根據實驗項目內容及科研內在邏輯規律組織教學內容，設計教學模式，組織學生討論和實驗;結合自己的科研經驗與成果，引導學生建立知識體系和科研邏輯，引導學生通過主動學習、主動探索、與老師和同學積極溝通解決問題;監督檢查學生的學習進程，并及時給予個性化指導，保證學生順利完成各模塊學習。通過上述措施，使學生由被動接受轉變為主動進行知識內化及實踐體驗，激發學生發現問題、解決問題的主動性和創造性。

　　2.3評價方式探索

　　評價方式是正反饋還是負反饋，對影響學生的學習積極性十分關鍵。一種新的教學模式，必須提供一種新的考核方式，實現學生對學業的正反饋。為提高學生的學習主動性，設計了與線上線下分層次教學模式相適應的成績考核體系[15-16]，在實驗教學中全過程、多維度考核學生的學習過程和能力。針對4個教學模塊的關鍵節點設計多個指標，從自主學習效果、實驗方案設計合理性可行性、實驗操作和實驗素養、數據分析正確性、報告撰寫規范、開放設計環節的創新性和可行性等方面對學生進行綜合考核�？己藰藴试趯嶒炚n前就向學生公布，以考核標準引導學生主動按照教學目標要求完成各項實驗任務，幫助學生提高科研創新能力。這種考核方式和指標設計，在完成學業成績標定的同時，還實現了對學生學習動力和學習意愿的促進。

　　3實施效果

　　在教學探索中，線上教學使學生快速建立了基本生物技術知識和實驗技能體系。利用先進的信息化手段，將復雜綜合的任務分解，重組成相對簡單易懂、便于自學的線上學習單元，設計了便于學生和教師檢驗學習效果的問卷單元，學生根據自身情況以靈活的方式分層次學習，受到學生歡迎。在學校教務處的調查中，學生反映“實驗課程真的不僅僅是操作的學習，也還有基礎理論的學習和豐富，收獲很大”“對生物技術實驗———質粒提取到細胞轉染等完整的流程有了更深的理解，對實驗操作更加熟悉”。

　　線下教學中，學生在方案設計、討論、實驗、優化各環節充分發揮主動性和創造性，研究生在實驗過程中對生物技術的學科特點、科研活動的一般流程和內在邏輯有了深刻理解。學生反映“學習這門課程很有收獲，掌握了相關的概念、理論、應用和最新進展，創新意識也有所增強，使我分析問題和解決問題的能力也得以提高”“很慶幸選擇了這門實驗課，不僅僅學到了一系列實驗操作，還明白了實驗沒結果或者失敗是常常出現的事情，讓我在科研工作中能夠及時調節自己的心態”。

　　4結語

　　針對交叉學科的研究生實驗教學環節，以提高研究生的科研、創新能力為目標，設計了由淺入深、具有內在聯系的立體網狀實驗內容體系和線上線下混合分層次教學模式，引導和促進學生自主學習、自主設計、自主實驗和自主創新，將提升學生自主學習能力、構建專業知識和技能體系、訓練科研思維模式有機融合在一起。已取得的教學效果表明，線上線下分層次的研究生實驗教學，教學活動中教師學生角色的合理分配，全過程多維度的評價方式，對于保持學生愉悅學習的同時，提高研究生科研、創新能力有重要作用。——論文作者：貢向輝，鄭權，孫艷，樊瑜波