生物化学课程“数智”教学改革探索与实践

摘  要：培养拔尖创新人才是新时代人才强国建设的战略重点。传统的教育模式受限于技术手段，无法大规模地根据学习者的学习需求、学习目标及知识结构进行因材施教。生物化学是生命科学领域中的前沿学科，也是医药学专业重要的基础课程。该研究基于“生物化学”湖南省精品在线开放课程建设项目，面向医学专业学生，进行生物化学课程“数智”教学改革探索与实践。通过人工智能（AI+）技术的应用，实现教学资源整合数字化、智慧教学可视化、学习模式个性化、数据处理智能化，更好地调动学习者的学习内驱力；学习者可根据目标，灵活科学地选择学习资源和手段，实现生物化学课程学习的高效、趣味、广度和深度，提高教学效果。

关键词：生物化学；“数智”教学；知识图谱；教学改革；实践

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）36-0143-04

Abstract： Cultivating top-notch innovative talents is a strategic focus of building a strong talent country in the new era. Due to the limitations of technological means， the traditional education model cannot effectively teach learners according to their learning needs， goals， and knowledge structure. Biochemistry is a cutting-edge discipline in the field of life sciences and an important foundational course in the field of medicine. This study is based on the construction project of high-quality online open courses in Biochemistry in Hunan Province， targeting medical students to explore and practice the reform of "digital intelligence" curriculum teaching mode. Through the application of artificial intelligence （AI+） technology， digital integration of teaching resources， visualization of intelligent teaching， personalization of learning models， and intelligent data processing are realized， which better mobilizes learners' learning motivation. Learners can flexibly and scientifically choose learning resources and methods based on their goals， achieving high efficiency， interesting， breadth， and depth in the study of Biochemistry course， and improving teaching effectiveness.

Keywords： Biochemistry; digital intelligence teaching; knowledge map; teaching reform; practice

2023年1月，全国教育工作会议上，教育部部长怀进鹏明确提出“大力实施国家教育数字化战略行动，推动塑造教育发展新赛道新动能新形态”。人工智能为高等教育赋能成为重要趋势，基于AI信息技术，进行高质量医学专业课程教学改革势在必行[1-2]。

资优教育的核心理念在于为学习者提供匹配其需求的个性化教育。优秀的教师应该善于识别不同背景学习者的学习差异性，敏锐地根据学习者身心发展关键期特征及认知情感特征，调动学习者的学习内驱力，根据教育目标，调整教学策略，合理安排学习的深度和广度，从而因材施教地促进学习者的学习。教育信息化及人工智能技术的飞速发展，给这种大规模的因材施教提供了强有力的技术支撑[3-4]。生物化学是高等医学教育主要的基础医学课程，也是医学生执业医师资格考试的科目之一。随着生物化学知识不断更新以及它在疾病诊疗和科学研究方面的广泛应用，探索高效的生物化学教学模式对医学生职业技能的提升至关重要。在多元立体化教学模式蓬勃发展的同时，如何从诸多教学资源中，选择合适、高效的生物化学教学模式，“以学生为本”，从学习者角度，调动学习内驱力，提高学生的获得感变得极为迫切。

以人工智能为代表的一系列数字化手段的出现，为教育数字化2.0进阶升级带来了内涵建设的全面变革[5-6]。因此，为探明教育数字化背景下，医学生物化学与AI信息技术融合的有效路径，该研究利用在线学习平台、知识图谱、大数据、虚拟现实技术和虚拟仿真技术等方式赋能课程教学各环节，对课程教学设计、教学内容、教学方法、学期监测、成绩评定及课程评价等进行智能升级，设计学习路径、建设教学工具、整合教学资源、搭建教学场景，助力提升教学质量，以期为信息技术与医学生物化学课程教学的深度融合实践提供可能路径。

一  生物化学课程“数智”教学平台构建及应用

（一）  生物化学教学痛点与需求分析

通过对生物化学课程的教情梳理分析发现，医学生物化学教学普遍存在学业任务繁重、知识枯燥繁杂、课程衔接脱节和实践机会不足等痛点。学生对课程的核心诉求是：有用、有趣、高效、复盘、广度和深度。

知识的有用性主要指知识对于个人和社会的重要价值和作用。这里所说的有用即要求所学生物化学课程知识对以后的职业有用，在以后的职业生涯中能应用得上，能够解决实际问题，使学习者具有思维能力、创新能力和适应未来变化的能力；有趣即要求在学习生物化学课程中，能引发学生兴趣或愉悦感，能引起学生进一步学习的冲动，有吸引力；高效性指在有限的时间内掌握更多的知识，即要求在相同或更短的时间里掌握比采用其他学习方法更多的知识；这里的复盘是指一种复习方法，通过该方法，学习者回顾所学的知识，检查自己对知识的理解程度，对它们进行梳理和分类，并找到自己理解不足或者没有理解的部分进行重点学习和提高。通过复盘，学习者可以更好地理解所学知识之间的联系和内在逻辑性，以及在实际应用中的价值和意义；广度则要求生物化学课程内容覆盖范围广和多样性，以帮助学生全面、系统地掌握知识和技能；而深度则指对生物化学课程知识的深入理解和应用程度，使学习者能够批判性地学习新思想，建构新知识，并在众多思想间进行分析和判断、迁移和运用新知识解决问题。

（二）  教学理念与目标重塑

课程组通过问卷调查并深入剖析已有的线上线下融合智慧教学的痛点，对教学理念与目标进行了重塑（图1）。根据《中国本科医学教育标准——临床医学专业》及《国务院办公厅关于加快医学教育创新发展的指导意见》的要求，细研培养计划、毕业要求及临床需求，以临床胜任力为产出导向，辐射科研创新能力，确立核心胜任力指标，并对标为相应的知识、能力、思维目标，通过知识目标带动能力目标的落实，进而实现思维目标的内化。

（三）  “数智”教学平台构建及应用

课程组以知识图谱为纲，借助AI+数字化手段的优势，实现教学从“师生交互”向“师/生/机”深度交互转变，构建了教师端知识图谱和学生端知识图谱两个平台（图2）。教师端平台页面精美，在课堂应用时的可视性更强。学生端平台可以进行学习效果的统计分析，起到良好的正向反馈作用。知识图谱包含课程内容和拓展云资源两大体系，其中课程内容包括五大板块（静态生物化学、动态生物化学、中心法则、组织生化和分子生物学）15个章节372个知识点，“数智”资源组成如图3所示。拓展云资源包括题库、云课堂、虚拟实验、虚拟医院、生化纪念馆和图书馆六大资源体系。

图1  现有教学模式痛点及相应解决策略

图2  “数智”教学平台框架

图3  “数智”资源组成

其中，虚拟医院和虚拟实验动画有助于将日后的临床、科研场景与生化基础知识有机联系起来，拓宽学生的视野，解决了课程衔接脱节的痛点。虚拟仿真实验系统突破时空限制，让学生可以随时随地不断磨练自己的实验能力，解决了实践机会不足的痛点。各章知识点速览微课及云课堂短小精悍，有助于帮助学生迅速查漏补缺，缓解学业任务繁重的痛点。除此之外，课堂知识点试题库及课后四维试题库能让学生更好地巩固所学的知识，实现个性化学习。生化纪念馆及图书馆能拓宽学生视野，同时将思政隐性教育融入其中，避免生硬说教，起到潜移默化，润物无声的作用。

通过教师端生化知识图谱可视化交互平台实践，不光可以让学生更好地理解知识点的内在联系与深层逻辑，实现知识的融会贯通；而且可以简洁迅速地让学生切入其需要的资源中。用户界面友好，解决了课程枯燥繁杂的痛点。对标了学生有用、有趣、高效、复盘、广度和深度的核心诉求。

而学生端知识图谱主要供学生课后使用，包含教师端所有资源内容。学生还可通过“AI学伴”提高互动交流的效率。教师可通过系统对移动端学生的学习情况进行统计分析，进行学习者画像。如通过学习资源标注，引导学生主动学习相关知识点。记录学生在知识图谱上的学习节点和路径，评估学生个性化学习重点，利用题库对学生进行自动化测评。了解学生对知识点的掌握程度，最终把学习者画像可视化呈现在学科知识图谱上。并用不同颜色或灰度对学习者知识掌握情况进行标注，激励效果优秀者，并对效果不佳者进行预警干预。

二  优势

本课程组构建的生物化学课程“数智”教学资源具备多模态属性，不仅包含文本形式的学习资源，还包括视频、音频、图片等多种形式的学习资源，可以满足不同学习者的学习需求，为其提供更具针对性的学习资源[5]。具有以下优势。

（一）  学习内容有保障，知识点间关联直观可视化

在引入“数智”教学资源之前，学生主要依靠自己整理知识，只能梳理部分知识点，难以进行具体知识点与案例的思维外扩。然而，“数智”知识图谱的出现改变了这一状况，通过可视化展示不同概念和知识点之间的关系，学生可以查阅知识要点，发现知识点之间的关联，消除知识盲区，帮助学生总结沉淀[7]。

（二）  教与学过程更具个体化和针对性

在传统的教学模式下，授课老师往往只能根据所有学生的整体情况来安排教学内容。每个学生的具体情况不一样，就很容易出现一部分同学跟不上和一部分同学“吃不饱”的情况。而借助课程“数智”教学平台资源学习者画像，及带标注的学习资源，个性化、分层化的学习模式变得切实可行。依据学习者画像，基于知识图谱，为学习者推荐合适的学习资源和自主学习路径[8-9]，拓宽和加深学生的知识储备，实现“两性一度”标准。

（三）  增加了趣味性、广度和深度

“数智”教学平台还加入了互动元素，如“AI学伴”、讨论区等，鼓励学生参与互动，提高了学习的趣味性和效果。通过学生的互动行为，可以更好地了解他们的学习需求，为其提供更个性化的学习路径。