高校“分子生物学”翻转课堂教学模式的探索

[摘 要] 随着信息技术高速发展，学生获取知识的途径更趋向多元化和便捷化，而大学课堂和教师的权威地位也受到一定的冲击，传统课堂教学面临前所未有的挑战，而“以学生为主”的翻转课堂教学模式成为高校传统教学的重要辅助工具。在近几年的课堂教学中，尝试利用互联网资源，整合翻转课堂、雨课堂和调研报告等多种教学方法，探索“以学生为中心”的教学模式。以高校环境工程专业研究生的“分子生物学”课程为例，利用雨课堂进行线上线下智慧教学，通过比较不同情况课程的教学效果，分析线上教学面临的机遇和挑战，提出教学方式和教学内容上的改革，引导学生自主学习，为更好地开展线上教学提供参考，实现优质教学。

[关键词] 翻转课堂;雨课堂;分子生物学

[基金项目] 2017年度中国石油大学（北京）研究生教育质量与创新工程项目“《环境工程中的分子生物学技术》的课程建设”（yjs2017011）;2018年度中国石油大学（北京）教学改革项目“《生物化学》网络辅助教学课程建设”（XM10720180205）

[作者简介] 李倩玮（1987—），女，山西大同人，博士，中国石油大学（北京）化学工程与环境学院副教授（通信作者），硕士生导师，主要从事微生物的地球化学循环研究;陈春茂（1978—），男，辽宁葫芦岛人，博士，中国石油大学（北京）化学工程与环境学院副院长，副研究员，博士生导师，主要从事炼化废水高效处理、石油污染环境修复研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）32-0088-04 [收稿日期] 2021-10-13

一、“分子生物学”传统教学模式改革必要性分析

为满足国家社会经济发展对应用型高层次人才的需求，高校要以培养研究生的科研能力和创新能力为目标，不断更新和完善教学内容，改变传统的灌输式教学方法，改革考核方式，持续探索研究生课程教学改革的方向。作为环境污染治理的一种技术手段，生物技术具有高效性、反应条件温和等优点，它对环境污染的治理和修复发挥了巨大作用，为重金属废水、石油废水、油脂废水、农药废水以及生活污水，提供了一条十分有效的途径。随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，现代生物技术的发展，为环境科学领域提供了评价、预测环境变化趋势的方法。

我校环境工程专业主要针对石油石化行业在污染减排及清洁生产方面的迫切需求，重点开展“三废”污染控制、处理、资源转化等方面传统技术升级以及新技术开发研究。尽管在油气田采出水处理、炼化难降解废水处理、恶臭污染控制、含油污泥资源化等方面形成一系列特色技术和优势成果，但是在开展“石油-环境”污染作用机制及石油污染环境生态修复工作的研究过程中，涉及“分子生物学”技术方面的知识较为缺乏，而研究生课程中也并未专门开设此类课程，因此“环境工程中的分子生物学技术”课程的建设将为环境工程硕士研究生的培养体系注入新的血液。目前各高校环境工程研究生培养体系中并未开设专门的“分子生物学”技术类课程，环境工程中的分子生物学技术作为环境专业与生物学的交叉学科，对于培养研究生了解环境微生物种类、微生物与环境的相互作用具有重要作用，有助于研究生掌握环境生物分子学的研究技术。

二、雨课堂教学模式的研究与探索

在2012年全国教育信息化工作电电话会议中，时任国务委员刘延东提出了著名的“双重革命”和“三个转变”，即“信息技术的深度应用，迫切要求教与学的‘双重革命’，加快以教为中心向多种学习方式转变”。习近平总书记在《致首届国际教育信息化大会的贺信》中提到“因应信息技术的发展，推动教育变革和创新，构建网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系，建设‘人人皆学、处处能学、时时可学’的学习型社会，培养大批创新人才，是人类共同面临的重大课题。”翻转课堂作为一种新型课堂模式，通过现代信息科学技术，将传统教学进行翻转，将课堂中部分讲授的环节提到以多种方式课前，将锻炼学生融会贯通能力的环节安排在课上，重构教学理念，将以教师“教”为中心的模式转变为以学生自“学”为中心，通过教学互动，提高学生自主学习的能力，实现优质教学。

雨课堂软件是应用于PowerPoint软件中的一个插件，使用者可以便捷地制作PPT和插入视频，使用之前不需要先制作慕课，只要有意愿做混合式教学就可以使用[1]。“环境工程中的分子生物学技术”一共有32学时，内容主要包括分子生物学导论和环境样品核酸的提取;环境组学中的环境微生物基因组学、环境微生物蛋白质组学、环境微生物转录组学和环境微生物代谢组学;环境分子生物学技术包括PCR技术、分子标记技术、荧光原位杂交技术、基因差异表达研究技术、生物芯片技术;环境分子生物学技术的应用以及和部分现代分析仪器内容。为了让学生更好地了解分子生物学知识，掌握基础的分子生物学技术，我们根据课堂内容额外设置了两个综合性的课内实验，包括“土壤样品中总DNA的提取”和“产脲酶菌株的分离筛选及分子生物学鉴定”，其中第一个实验用到的土壤学生可根据自己的意愿选择自备或者由老师提供，充分考虑学生的主观能动性，增加实验乐趣，而事实上很多同学倾向于选择自己备土，如来自宿舍花盆、校园树林等，实现翻转课堂中的寓教于乐;而第二个实验中菌株的筛选是第一个实验的后续，考查学生从菌株分离、筛选、鉴定的综合实验能力;两个综合性的实验需要三大节课来完成，同时课下还需要根据实际情况完成部分实验中间环节，比如菌株的转接、培养基的配置等。不同的实验材料以及操作手法会导致每个人的实验结果不尽相同，因此课后还需要根据实际情况对结果进行分析讨论，提出相应的实验改进建议，在一定程度上避免了实验报告的雷同。而反观传统的实验教学，占用了较多的教学时间来进行授课，只能通过少量的实验和课余实验报告的形式让学生进行实践练习，从而导致实验教学开展有限、实验设计课堂指导不足、难以激发学生的兴趣等问题。

在课上结合我校或国内外研究热点和动态，通过雨课堂向学生介绍相关领域的最新研究成果，利用这种方式有效地拓宽学生的知识面。如在讲授宏基因组学方面的知识时，将2013年发表在Nature上的一篇文章Dietary intervention impact on gut microbial gene richness进行分享，其中提到复杂的基因与环境互作被认为是形成肥胖的重要因素，肠道微生物群落的组成决定着人体从食物中获取能量的效率，而饮食结构的变化会引起肠道微生物群落的改变，该研究采用宏基因组测序技术对受到饮食干预的38位肥胖者和11位超重者的肠道微生物基因丰度变化进行监测，研究发现饮食干预会提高肠道微生物基因丰度，改善一些与肥胖相关的临床症状，肠道微生物的低基因丰度可能对饮食干预的有效性具有预测能力。通过这一案例的分享，学生在课堂上就“肥胖与基因组”这一研究课题展开热烈讨论。在讲授采用互动式的讲授方式是国外一流大学的普遍授课形式，课程教学是科研的前提和基础条件，科研是提高教育质量和层次的关键。柏林大学的创办者洪堡认为大学的主要认为是追求真理，科学研究是第一位的，并且提出了“教研同一”的原则。将课程与科研课题相结合，可拉近课堂与生产实际的距离，有效激发学生的兴趣，提高教学的效果。此外，翻转课堂的另一目的是培养学生自主学习、分析并独立解决问题的能力，因此在完成几个章节的授课后，会设置一个综合性问题引导学生进行思考，如在完成多个“组学”的教学内容后，设置一个开放性的题目“某区域环境受到重金属污染后，如何以组学的角度研究该区域发生的变化”供学生思考，该题目可以考查学生对基因组学、蛋白质组学、代谢组学等方面的知识的掌握情况。

雨课堂中的随机点名、限时作答、发弹幕、发红包等多种寓教于乐的教学形式，不仅能够很好地调动学生的课堂积极性，同时有利于教师课上随时了解学生对知识点的掌握程度，提高教学效果。相比于欧美国家的学生，我国学生性格大多比较害羞内敛，由于各方面的原因，导致学生有时即使听不懂也不会主动发问，但是雨课堂中的弹幕、不懂等环节的设置，可以让学生在有疑问时利用手机小程序随时点选，学生的反馈信息会及时汇总到教师端，教师可以在课上或课下对学生反馈进行即时或课后总结，及时调整课堂教学进度，真正实现“以学生为中心”。课程考核包括平时成绩和最终答辩成绩，平时成绩占40%，答辩成绩占60%。课程结束后的答辩环节，要求学生根据学科的领域自行设计科研项目，并以汇报答辩的方式进行考核，要求学生结合课程知识和自己的研究生课题，采用自由选题的方式设计研究项目，并在课程结束后按照正式研究生论文的形式提交报告并准备20分钟的答辩PPT，教师以选题意义、内容方法可行性、撰写格式等作为书面材料的评价依据;以语言表达能力、时间掌握以及回答问题的情况作为答辩的成绩评价依据。

三、雨课堂线上线下教学效果对比

通过两年多的教学改革实践，并对参与改革的60多名研究生进行回访调查，90%以上的学生对这种互动式的教学方式较为赞成，多数同学则表示，作为环境工程专业研究生本身对于分子生物学方面的知识较为缺乏，而这种互动式教学方法及结合科研热点的讨论式教学过程，能够快速而有效地获取分子生物学相关知识，让枯燥的课本知识变得鲜活起来。

疫情期间在线下教学条件无法实施的情况下，我们尝试利用雨课堂模式全面覆盖线上教学，虽然可以保证教学质量，但遭遇的困难也很多。雨课堂的优势在于能够在教室里与学生实现面对面的互动，而线上授课则将老师与学生分隔在屏幕两端，教师无法看到网络另一端学生的上课反馈;另外大规模的网课也导致我们的授课经常由于网络卡顿而中断，为了保证授课质量，在教学方式上，除了雨课堂，我们又利用腾讯会议的中的视频模式替代线下面对面授课，以提高课堂参与度;在教学内容上，对于部分内容采用提前预习相关知识点，而课上利用科学视频/动画的方式对学习内容进行讲授，以“荧光定量PCR技术”的学习为例，我们课前将该技术的概念、操作及应用范围等以预习课件的形式发给学生并设置相应的题目以考察其对知识的掌握程度，课上则引入哔哩哔哩网站上《细胞战场Battelfield Cell》及知乎网站上的《关于新冠病毒的一切》科普视频，让学生更加清晰地了解病毒侵染细胞的过程，以及新冠病毒的传染机制和检测方法，将真实案例融入课堂学习中。疫情影响尽管只能进行线上教学，但80%的同学认为线上教学的灵活性更强，可以随时随地完成学习任务，同时该课程的教学方式也使他们能够更有效利用时间，学习、理解最新最前沿的分子生物学知识，从而使特殊期间实现“停课不停学”的要求成为可能。

四、存在的问题

本课程通过对比雨课堂教学模式在线下和线上教学效果发现，雨课堂智慧教学模式能够将课前—课中—课后三个环节串联，提高学生课堂参与度，实现学生为主导的教学模式，无论是线上教学还是线下教学，对于培养学生自主学习能力、分析问题和解决问题能力等方面有着重要意义[2，3]。但是，相对于线下教学，在线授课模式面临着更大的挑战，如线上教学由于网络的原因，教师很难通过视频确定学生是否跟得上教学进度;上网课的同时不能很好地记笔记，课后不能及时回顾导致看过就忘;由于短时间内在线教学平台用户量激增，超过其最大承载用户量，导致平台卡顿、无法登陆等问题，很多教学设计的问答环节不能有效实施，只能临时更换其他平台，降低教学效率等[4]。此外，在教学实践中也发现，不同的同学在课上的表现差异较大，课上进行重难点知识讲解及答疑时，有些同学表示在课前预习中以及课前推送的课件中已经掌握该部分内容，可以忽略不讲，而有些同学则表示课前推送内容仍不懂，希望老师在课上详细讲解;在课中互动环节，总是有一小部分同学在其他同学自动分组开展讨论时沉默寡言，甚至不会主动去加入小组。如何解决这些问题，更好地设计线上教学环节并准备多套线上教学方案，有效地把握课堂节奏，是今后线上教学改革的努力方向。