关于生物工程专业实验体系中PBL教学模式的探索与实践

[摘 要] PBL教学是一种以问题为中心、学生为主体的教学模式。本文在介绍PBL教学特点的基础上，提出了在生物工程专业实验课程体系中运用PBL教学模式。本文介绍了PBL教学模式在生物工程实验课程体系中的组织实施方法，阐述了PBL教学模式对生物工程专业实验课程教学的意义，指出了生物工程实验PBL教学中存在的问题，并提出了解决方法。

[关键词] PBL；教学模式；生物工程；实验课程

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2017） 04-0110-03

生物工程是以微生物学、遗传学、生物化学和分子生物学等学科的理论和技术为基础，结合化工、机械和信息等工程技术对遗传物质进行操纵，改变生物的性状，使生物产生对人类有益的代谢产物的一门技术，主要包括基因工程、酶工程、蛋白质工程、发酵工程以及细胞工程，是一门应用性强的学科。本校生物工程专业要求学生通过大学四年培养后，具有扎实的生物学与工程学方面的理论基础、具备从事生物工程产品生产、工艺设计、生产管理、新技术研究和新产品开发等方面工作，具有较强实践能力和创新精神的应用型高级工程技术人才。依据生物工程学科的特点及其本科专业的培养目标，培养学生的专业技能和创新能力是各高等院校的核心竞争力和立足之本。实验教学作为本科教学的重要组成部分，不仅是培养学生实践技能的重要手段，也是培养学生分析问题、解决问题和创新能力的重要途径。一直以来，生物工程专业实验教学主要采用以教师为中心的传统教学模式，一般由教师事先准备好实验所需的试剂和材料，然后学生依据相应的实验指导书进行实验操作，且实验内容设置大都属于验证性、演示性或综合性实验，这阻碍了学生分析问题、解决问题以及创新能力的培养。因此，对生物工程的专业实验课教学内容、教学方法和手段等进行改革势在必行。本文针对目前生物工程专业实验课程教学的现状，将PBL（problem-based learning）教学模式引入到生物工程实验课程体系的教学实践当中，以江苏科技大学生物技术学院为例，探索了PBL教学模式在生物工程专业部分实验课程（包括普通生物学、生物化学、生物反应工程和生物分离工程）教学实践中的组织方式、效果评价和教学意义，并指出了亟待解决的问题。

一 PBL教学模式简介

PBL教学是由神经病学教授Howard Barrows提出的教学方法，最初在加拿大麦克玛斯特大学医学院首先试行，取得了良好的教学效果。PBL教学提倡教师主导，学生积极参与，共同完成课程教学内容。在教学实践中，教师根据教学内容，将学习内容设置到有意义的问题情境中，学生围绕问题展开主动学习，通过查资料、讨论、归纳、论证等学习过程解决问题，从而实现理解和掌握课程学习的内容。PBL教学的优点在于能够最大限度激发学生的学习兴趣和探索欲，提高学生自主学习能力、分析问题能力以及解决问题能力。与传统教学相比，PBL教学具有问题基础性、团队协作性、时空开放性、知识探索性、师生互动性等特征。

按照PBL教学实践，通常PBL教学环节大致可以包括：划分学习小组；教师根据教学内容提出问题；学生归纳所需解决的问题；学生收集资料；教师与学生讨论；提供反馈信息；解决问题；产生新的问题；重复上述教学过程，直到完全掌握教学内容，其教学流程如图所示。

二 生物工程专业实验课程体系中PBL教学的组织实施

（一）立足本课程内容，设立综合性问题情景

针对教学内容设立综合性问题情景是PBL教学的关键环节，直接决定着教学效果。因此，在设立问题情景时应遵循以下原则：

1 問题的层次性

问题设计一定要有层次，难易结合，要有一定的梯度性，使学生在解决问题过程中既能感受到成就感，也能感受到挑战性，激发学生的学习积极性和探索欲。

2 问题的真实性

问题设计应遵循实事求是原则，不能虚拟，应与生活实际相关，培养学生利用专业知识分析和解决实际问题的能力。

3 问题答案的多样性

问题的解决方法应具有多种形式，无固定的解决方法和过程，这既能提高学生思维的灵活性，又能培养学生的发散思维能力；同时，问题答案的多样性也决定了学生在解决问题时会涉及到诸多知识内容，促使学生牢固掌握相关专业知识。

例如，在“分离纯化一种蛋白酶”的设计性实验中，教师对几种常用蛋白酶进行简单介绍，学生可根据自己的兴趣选择一种蛋白酶为目标物质并以此进行相应分组，然后教师针对每组分别进行实验设计引导。以木瓜蛋白酶为例，提出系列问题：“木瓜蛋白酶有何用途？”，“木瓜蛋白酶有何特征？”，“蛋白酶粗提的方法有那些？”，“为什么要在分离过程中实时测定比活力？”，“蛋白酶纯化有哪些方法？”。学生通过解决上述系列问题，可以顺利制定出适宜木瓜蛋白酶的分离与纯化方法，最后组织学生通过实验对方案进行验证和调整。这些问题中，内容涉及生物化学、生物分离工程、酶工程和生物统计学。学生需要掌握蛋白酶的基础知识的同时，还能分辨出各分离纯化技术存在的优缺点，同时掌握相关实验设计及数据处理方法。在教师的引导下，制定出适宜的木瓜蛋白酶的分离纯化方法。通过此问题式教学，提高了学生运用所学知识解决实际问题的能力。

（二）学生分组及收集资料

学生自愿分组，每组5至6人，然后依据教师给出的问题查阅相关资料，学生通过理解和掌握教材上的相关章节内容，并利用网络信息资源查阅有关的文献资料，寻找涉及到问题的相关信息，并将其提取出来，用于解决问题。通过这一阶段训练，提高了学生运用信息工具获取信息、处理信息以及表达信息的能力。

（三）问题的推理与讨论

问题的推理与讨论是PBL教学法的重要环节，由教师引导学生围绕问题将所收集的各种资料进行交流和讨论，在交流讨论中产生的新问题经进一步查找资料、交流与讨论，归纳出解决问题的办法，为下一步实验验证和调整作准备。

以上述“木瓜蛋白酶的分离与纯化实验”为例，通过讨论问题“木瓜蛋白酶有何用途？”，可以使学生了解木瓜蛋白酶在食品、医药、饲料、日化、皮革及纺织等行业中具有重要作用的知识背景，可激发学生对木瓜蛋白酶的兴趣，增强他们的学习动力；问题“木瓜蛋白酶有何特征？”的信息量非常大，如：木瓜蛋白酶的适宜pH决定了缓冲液的种类，木瓜蛋白酶的适宜温度决定了提取过程中环境温度，木瓜蛋白酶的分子量决定了纯化时采用的分子筛类型；问题“蛋白酶粗提的方法有那些？”可以给出木瓜蛋白酶提取的基本流程；问题“为什么要在分离过程中实时测定比活力？”可以给出评价木瓜蛋白酶分离纯化时所用方法的优劣；问题“蛋白酶纯化有哪些方法？”可以给出适宜木瓜蛋白酶分离纯化的方法。总之，通过上述问题的推理与讨论，基本上可以制定出木瓜蛋白酶的分离与纯化的实验方案。

（四）实验环节

根据各学习小组在教师引导下设计的实验方案，利用实验验证设计方案的可行性。在实验过程中存在的问题，各小组间可以相互帮助，共同解决问题。对不能解决的问题由教师引导解决。实验结束后，小组成员将自己在实验过程中遇到的问题以及讨论结果汇总整理，并填写实验报告。教师应在实验结束后对教学实施情况进行总结，若实验结果存在偏差时，应引导学生分析其原因。并对采用不同分离纯化手段分离同一种酶的不同组间进行分析、比较，加深学生对相关理论课程和实验内容的理解。

（五）教学评价

与传统教学不同，PBL教学强调学生自主学习能力、团队协作能力、分析问题和解决问题能力。因此，PBL教学评价应有自身独特的评价体系，以激发学生的学习热情，发挥 PBL 学习的优势。在生物工程实验PBL教学的课程成绩评价体系中，采用学生自评、小组互评、教师评价相结合的形式，其中权重比例分配为15%、25%和60%。根据刘银萍等报道的学生成绩评价体系，本课题组建立了我校生物工程专业实验课程PBL教学的实验成绩评价体系，如下表所示。

三 生物工程实验课程PBL教学的意义

生物工程是一门强调应用性的学科，要求培养的学生具有扎实的专业理论知识，同时具有很强的实验动手能力和实际应用能力。因此，实施PBL教学对生物工程人才培养显得尤为重要。实验成绩评价统计结果表明，生物工程实验课程中采用PBL教学取得了良好的实践效果。

（一） 有利于培养学生自主学习能力

学生可以自主选题并设计实验方案，不仅增加了学生的学习兴趣和学习热情，而且通过围绕问题收集资料，可以提高学生检索文献和归纳资料的能力，增强了学生学习的主动性。同时大大提高了学生分析问题能力、口头表达能力和实验设计的能力。

（二） 有利于培养学生团队精神和协作能力

以学习小组为单位进行学习和讨论，共同完成整个实验。学生依据自己的分工，在收集资料的基础上提出自己对解决问题的看法，然后小组成员间相互讨论、质询和辩证，最终小组内部在教师的引导下提出解决问题的方案。通过上述教学互动过程，潜移默化培养了学生的团队精神和协作能力。

（三） 有利于培养学生分析和解决问题的能力

PBL教学将学习内容置于一个问题场景中，通过解决这些问题，培养了学生的发散思维和横向思维能力，加强了学生灵活运用知识和理论联系实际的能力，加深了学生对理论知识的理解和应用，培养了学生利用各类知识资源分析问题和解决问题的能力。

四 生物工程实验课程PBL教学面临的问题

第一，与传统的教学模式相比，PBL教学需要教师和学生付出更多的時间。PBL教学通过提出问题、收集资料、讨论与归纳、论证等学习过程来解决问题，整个教学时间的预设应具有弹性，而传统的学时制授课过于僵化，无法满足PBL教学需要。因此，需要实施灵活的学时教学，为生物工程实验PBL教学顺利进行提供时间保障。

第二，PBL教学对教师的综合素质要求高，不仅要具有丰富的专业知识，同时也要有良好的指导技能。当前大部分高校中，一门生物工程专业实验课程通常仅由1至2位教师指导，若实施PBL教学时，往往增加了教师的教学压力，同时也降低了PBL教学效果。因此，建立实验课程教学团队很有必要，实验内容由教学团队成员依据教学大纲共同制定，共同授课，课程内容的分工可由教师依据自身优势选定，通过教学团队的协作能够发挥各教师自身的优势，互相补充、取长补短，以提高PBL教学效果。

将PBL教学模式应用于生物工程实验教学，具有传统教学模式不可比拟的优势。学生经历了情景问题的引入、资料的收集、讨论与归纳、论证等学习过程，不仅提高了学生的学习兴趣和团队协作精神，而且增强了学生分析问题和解决问题的能力。总之，PBL教学能够有效提高生物工程专业学生的综合素质，为生物学科的应用型和创新性人才培养提供了新的思路和方法。

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