教育信息化背景下的医学生物化学实验教学改革

柯益彬，陈小萍，吴志鹏

莆田学院基础医学部， 福建 莆田 351100

生物化学是医学生重要的必修课程之一，其理论与技术渗入到基础医学与临床医学的各个领域，对医学生毕业后的科研与临床工作都具有重要意义。其中，实验内容又是这门课的重要组成部分，实验教学效果直接关系到学生对生化理论的理解和实验技能的掌握。

1 传统实验教学存在的问题

过去的实验教学一般是教师先讲解，学生再做实验，课后写实验报告。实验大多以验证性为主，综合性、设计性实验很少，甚至没有。具体问题如下：①实验课时有限，课堂时间紧张，学生动手机会不多；②教学形式枯燥、单一，较为复杂的实验，教师讲解就占去大量时间，学生边看书边做实验，思路不连贯，实验容易中断；③学生基础参差不齐，不同专业、不同个体间差异化明显，差生难以跟上进度；④教学评价单一，缺乏全面考评学生的有效机制。

这种僵化的教学模式导致学生对知识技能消化吸收有限，技术操作水平低下，也未能充分理解实验现象与生化理论之间的内在联系。同时，学生上课缺乏积极性，小组实验时协作与交流不足。因此，很有必要改革实验教学，以跟上新时代对高素质医学人才的要求。

2 信息化的必要性

近年来，随着互联网络的迅速发展与普及，高校教育信息化建设也在加速。2012年，教育部出台的《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》指出，要为学生提供信息化学习环境，支撑以学习者为中心的学习模式，为培养创新型人才提供高性能信息化教学科研环境[1]。2018年，教育部和卫健委又联合颁发了《关于加强医教协同实施卓越医师教育培养计划2.0的意见》，要求加快推进现代信息技术与医学教育教学的深度融合，推进互联网+医学教育，用新技术共建共享优质医学教育资源，积极建设虚拟仿真实验教学项目，广泛开展混合式教学和在线教育[2]。

以此为契机，生化实验教学尝试以翻转课堂为新教学模式，充分利用信息技术优势，结合虚拟仿真实验技术，整合优化多种电子化学习资源，改革生化实验教学[3-4]。

3 相关教学方法

翻转课堂，被教育界称为影响课堂教学的重大技术变革[5]。就是在信息化环境下，对传统的学习安排颠倒翻转，先学后教，师生的角色也发生巨大变化。任课教师先在网络中提供包括视频在内的各种学习资源，学生在上课前先完成对这些内容的观看、学习。课堂上，师生再进一步深入讨论，小组交流答疑，协作探究，内化知识[6]。这种方式颠覆了传统教学模式，从教师的教学思维、学生的学习方式，到知识的获取途径、学习资源的拓展与整合、师生互动、团体协作与交流等，都发生了巨大的变化[7]。

相比理论教学，生化实验教学多了动手操作实践环节，课前学习仅靠视频与文字材料无法获得理想效果，而近年发展起来的虚拟仿真实验技术可以满足教与学的要求。虚拟生化实验利用数字化仿真技术，参照真实的实验，模拟各种试剂、药品、仪器与耗材，建立虚拟仿真实验环境，使实验者就如身处真实的生化实验室[8]。实验者通过手机或电脑人机交互，完成各种仿真操作，包括从实验原理、目的到实验条件的设置，实验步骤的操作，以及数据的采集、处理、实验结果分析等，通过虚拟场景化学习，完成预设的实验任务。

虚拟实验技术一般由专业公司开发，目前已经在多所医学高校应用。它本身有许多好处：有利于节约宝贵的实验课时；有利于打破时空以及地点的限制；可以减少师生接触有毒、有害、高危生化试剂的机会，避免安全隐患；可以节约资源和降低实验成本，打破经费的束缚；可以减少污染物排放，降低对环境的破坏等[9]。但这只是比较次要的一个方面，更重大的意义在于可以与翻转课堂教学模式完美结合，转变教学思维，调整教学策略，显著提升教学效果[10]。

4 具体实施

4.1 三大环节

新模式采用混合式学习方式，对生化实验课堂进行翻转，分实验课前、实验课上和实验课后三大环节，如图1所示。

图1 翻转课堂实验教学模式示意图

4.1.1实验课前

①优化整合多种电子化学习资源学习资源以微课的形式呈现，其中以微虚拟仿真实验为核心，虚拟实验按正常操作时间计算，时长一般限制在10 min以内，后期综合性实验过程步骤复杂，也控制在15 min以内。每个微虚拟实验与教学目标配套，设计合理、主题突出、短小精悍。学生在人机互动虚拟实验操作时，每个操作步骤必须准确无误才能进入下一步，操作错误的自动退回，重新操作。一些关键步骤还配上语音提示，讲解操作技巧和注意事项。基础较差的学生还可以根据自己的情况，多次操作、反复练习。

除此之外，还有微视频、微三维动画、微课件、微问题等学习资源。微视频一般是任课教师根据教学目标，结合不同专业要求，录制筛选有代表性的实验教学视频，上传网络供学生课外观摩。时间一般不超过10 min。由于对教师的时间、精力、制作能力有较高要求，只作为辅助补充。三维动画可以直观、形象地观察生物大分子微观结构或生化反应动态过程，与实验过程产生的各种现象结合起来，有助于加深理解，内化知识。

这种微课的好处是学生可以充分利用碎片化时间，随时随地拿起手机或平板电脑，就可以操作虚拟实验、观摩视频、查阅资料，既增加了学生的学习时间容量，提升了学生的学习乐趣与积极性，同时，又不会过多挤占学生的有效时间，对学生的课余活动与生活造成太大影响[11]。

②在线学习交流社区社区对所有修习该课程的学生开放，在此平台上师生互动式教学、生生互助式学习。

在线学习过程中，教师紧扣学习目标，在关键环节穿插一系列微问题引导学生思考。结尾部分附上专题讨论，拓展学生思维，提高综合应用分析能力。学生在自主式学习探究时，产生疑惑，提出问题，查阅相关文献资料，在社区上与学生共享，共同分析探讨、解决问题[12]。教师在此过程中，观察学生的表现情况，协调引导，必要时讲解指导。同时，收集学生的学习难点和重点，在实验课上集中展示给全班学生。

4.1.2实验课有了课前充分的训练、资料收集与学习，实验课上无须面面俱到。教师首先把课前收集整理好的重、难点呈现出来，供学生集体深入讨论，教师指导，启发学生思考，分析讲解[13]。学生也可以带着疑问进入下一轮即实验环节，在实验过程中寻找答案。实验以小组为单位，分工协作，小组边操作边交流，探究实验现象，分析与生化理论间的联系，进一步内化知识。教师在旁观察，协调引导。

4.1.3实验课后课后强化与巩固，除了撰写实验报告，学生也可以把实验过程中的思考与出现的问题，以实验总结、分析报告的形式反馈，有代表性的可以放到线上，师生继续展开讨论。由于专业基础、动手能力等个体差异，不同学生做同样实验，实验结果会有所不同，实验后在学习社区上进行结果展示，分析比较，探讨得失，扬长避短。

4.2 三个阶段

从教学进度和时间安排上，整个生物化学实验课程大致分为三个阶段，由浅入深，由易到难，相互关联，层层递进。

第一阶段：基本实验技术操作开学后第一至六周，以课前在线学习为主。教师对生化基本实验知识和常用技术内容进行分割，制作成一系列的微虚拟实验项目，时长均不超过10 min[14]。内容包括生化实验室安全；琉璃仪器清洗与试剂配制；实验动物基本操作；涡旋仪、PH计、微量移液器等的使用；分光光度计技术；PCR技术、高速离心机技术；常用电泳技术和层析技术等。学生可以在线虚拟操作，观摩学习。

在此期间，真实的生化实验室也对学生开放，每周两次，学习该课程的学生可自由进入，体验真实的实验环境，进行实际仪器设备操作，与线上虚拟实验交叉比较，加深认识。在教师的指导下，学生还可以参与准备实验所需的仪器、耗材，配制实验试剂和药品等，以提高学生的动手能力和参与意识。

第二阶段：综合性、设计性实验第七至十五周，课前学习与实验课并重。此类实验持续时间长、过程复杂，是对前面所学知识与操作技能的综合应用。基本知识与技能在前期已经得到充分训练和熟练掌握，因此，可以删繁就简，突出重点，虚拟实验时长仍然控制在15 min以内。此阶段把重点放在：探讨实验发生的原理与设计思维；实验各环节间的相互联系；对生化实验与理论的深度融合；分析比较不同实验条件和方法下导致的实验结果优劣(例如：以不同方法测定蛋白质并分析比较)；也可以与临床应用相结合，实验过程结合临床病例进行讨论分析，例如：在不同家兔腹腔内注射胰岛素和肾上腺素，抽血测定血糖，观察血糖变化，提取兔肝测定肝糖原含量，了解血糖的激素调节机制、糖的代谢途径，分析糖尿病的产生机制等。

教师在此过程可以对学生引出较为深入的问题，以及实验相关的外延知识与科研进展，附上参考文献和研究资料，供学有余力的学生课后进一步钻研，培养学生的科研兴趣与深度思维。为节省时间，文献资料目录可提供快捷获取途径。近年快速发展的数字化图书馆为教学提供了很大便利，点击相关按钮就可以直接跳转到所需文献资料，比传统的查资料法方便、快捷。

第三阶段：最新、最前沿实验技术与研究进展第十六至十八周，进一步拓展学生的思维与专业领域的知识边界。在传统实验条件下，因仪器昂贵或技术难度等条件限制而难以开展，或者由于学时有限无法兼顾。虚拟实验可以体验性操作大型贵重仪器，也可以视频形式演示生化实验技术领域的最新进展，教师在课堂上介绍讲解，让学生初步认识和形成大致印象，为以后进一步学习与科研打下基础。

5 学习效果跟踪与评价

传统评价方式无法体现新模式中的全部学习效果，因为翻转课堂同时训练了学生的综合能力，如主动式自学能力、个人时间管理能力、分析解决问题能力，以及合作能力、团体合作与组织协调能力、表达与沟通能力等。所以，新模式下，定量评价与定性评价、过程性评价与总结性评价、个人评价与小组评价、自我评价与他人评价之间充分结合，以评估整体教学效果。教师通过形成性评价，分析总结，及时调整教学计划、改进教学方法。通过这种多层次的综合评价系统，能更好地体现教与学的良性互动关系。

除了期末考试与操作考核的总结性评价，教师平时可以通过在线学习追踪系统，观察学生的学习质量，如学生学习进度与时间安排、独立学习时的表现、思考题的完成质量、在线互动与交流中的表现，进而对学生作出过程性评价。实验课堂上，学生的实验操作水平、组织分工与协调能力、小组问题讨论与分析能力，以及课后实验报告、实验总结与反馈、阶段性小测验等，既可以通过教师或其他学生进行评价，也可以通过学生自我评价，一起纳入综合评价体系。

6 应用效果分析

在莆田学院的临床和护理专业，对学习该课程的学生分别随机抽取两个班次，分成对照组和实验组。实验组采用翻转课堂实验教学法，对照组采取传统实验教学法，分析、比较两组的实验技术操作考核、实验分析与数据处理、期末理论考试的表现，结果如表1所示。

专 业组 别n实验操作考核(15分)实验分析与数据处理(15分)期末理论考试(60分)临床专业实验组51(11.36±3.25)(12.15±1.84)(48.12±7.65)对照组49(9.22±4.76)(9.92±3.85)(44.32±9.34)t值2.635 3.7192.230P值0.010<0.0010.028护理专业实验组53(10.68±3.45)(11.28±2.45)(46.42±7.72)对照组51(9.15±3.07)(9.71±3.37)(42.73±8.53)t值2.386 2.7252.315P值0.019 0.0080.023

统计结果显示，实验组的学生无论是实验技术操作、实验的分析与数据处理，还是期末理论考试，都优于对照组，差异均具有统计学意义(P<0.05)。需要指出的是，这些量化指标仅是其中一个方面，新模式还训练了学生的上述多项个人能力，并有利于培养学生批判性思维和循证思维，养成自主学习、终身学习的习惯，为以后临床工作和科研打下良好基础[15]。

7 教改中发现的问题与建议

新模式对学生的自律性和时间管理能力有较高要求。与传统教学相比，需要学生自主安排学习计划，采用积极主动的学习方式，部分学生难以适应。为了不让一个学生掉队，可以考虑在软件设计上把关，系统自动统计追踪学生的学习情况，教师利用这些信息，以及在线学习交流和答疑情况，及时了解每位学生的学习状况和遇到的问题，作出有针对性的引导，根据个体差异布置个性化任务，合理设计在线习题的数量和难度。

需要指出的是，教师在过程性评价中最重要的并不在于对学生打分给成绩，而在于了解学生是否掌握了学习内容，帮助其解决学习中遇到的困难。并且对差生也应给予同等关注，比较其前后表现，及时给予肯定和鼓励，以提升其学习信心和兴趣。

网络化的教与学，这种变化不仅针对学生，也要求任课教师积极转变思想观念，调整教学策略。新模式下的教师不再是单纯的知识传授者，同时也是学生学习过程的领路人。教师需要对多样化的电子学习资源精心编排组织，并采取个体化、差异化的教学方式，各知识点之间的内在联系和重难点，也需教师用适当的技巧加以启迪与引导，这些无疑对教师的时间、精力与个人能力都提出更多、更高的要求。所以，有必要对教师进行系统化的培训，使之胜任新教学模式[16]。

总之，教育信息化背景下，应用虚拟仿真实验技术在内的多种电子化学习资源，实行翻转课堂教学模

式，克服了传统实验教学的缺点，既提升了教学效果，也训练了学生的各项能力。这一教改方向值得进一步尝试，也期待今后经过实践反馈，不断改进和完善。