宋 淵 程 博 沈 喜 馮虎元

（蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 甘肅·蘭州 730000）

沉浸式教學(xué)這個(gè)概念始于二十世紀(jì)六十年代加拿大的語言類教學(xué)中，是指全天候封閉式語言訓(xùn)練[1,2]。在現(xiàn)代教學(xué)中沉浸式課堂指能夠激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)生課堂專注力，高度參與的課堂。任何一種教學(xué)形式都離不開完善的教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂組織，精確把控課堂45分鐘是教師上好一門課，學(xué)生學(xué)好一門課的基石。而沉浸式課堂作為卓越課堂的一種形式，積極引導(dǎo)和提高學(xué)生的專注力和參與度是高效教學(xué)的核心內(nèi)容之一。在近十年承擔(dān)的《分子生物學(xué)》和《表觀遺傳學(xué)》的教學(xué)中，我們以培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心能力的獲得[3]為目標(biāo)，體會和總結(jié)出課堂建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和方法，在這里分享給大家。

1 探索沉浸式課堂的內(nèi)涵

作為一名高校教師，科研與教學(xué)需要相輔相成，相得益彰。對教學(xué)模式的探索和教學(xué)技巧的研究是工作的核心內(nèi)容之一，如何潤物無聲、如何引起共鳴、如何持久記憶、如何縮小學(xué)生學(xué)業(yè)差距、如何進(jìn)行全過程育人，有教無類，因材施教，都是日常思考的問題。從建立以沉浸式課堂為代表的卓越課堂到成為卓越教師、培養(yǎng)卓越人才，是一個(gè)教師終生奮斗的目標(biāo)。

《分子生物學(xué)》是生命科學(xué)學(xué)院本科二年級必修的基礎(chǔ)理論課程，《表觀遺傳學(xué)》是遺傳學(xué)和分子生物學(xué)衍生的一門新興前沿學(xué)科，屬于本科三年級選修課程。這兩門課程的特點(diǎn)是內(nèi)容發(fā)展日新月異，新技術(shù)層出不窮，信息量大，涉及生命科學(xué)眾多研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的教學(xué)方式無法勝任這類課程的發(fā)展。教學(xué)理念，教學(xué)方法的變革顯得尤為迫切。課程教學(xué)中微觀的抽象概念剖析、全部章節(jié)內(nèi)容的融會貫通、前沿內(nèi)容的及時(shí)更新、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的對接，構(gòu)建開放式、研究型、高度參與的課程體系，為此我們進(jìn)行了一系列的教學(xué)模式探索與實(shí)踐。圖1所示，我們近年來教學(xué)模式的改變和發(fā)展，課堂講授部分逐漸減小，傳統(tǒng)的師生互動會被學(xué)生報(bào)告以及翻轉(zhuǎn)課堂所代替，而引燃興趣、全員全程高度參與課程的沉浸式課堂是目前我們努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)課堂形式。目前我們的課堂也結(jié)合超星教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)課前課中和課后的隨時(shí)互動形式。在未來5G背景下的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）在沉浸式課堂中的應(yīng)用，必然會解決對微觀抽象概念理解的困境，并且會實(shí)現(xiàn)隨時(shí)對接實(shí)驗(yàn)課程的操作與模擬實(shí)踐。

現(xiàn)代教學(xué)模式探索與傳統(tǒng)教學(xué)精華的融合，發(fā)展出個(gè)性化教學(xué)模式，利用最新的虛擬環(huán)境視覺顯示技術(shù)，以及國內(nèi)外公共資源，讓學(xué)生沉浸在DNA、RNA和蛋白質(zhì)的各種活動當(dāng)中，真切的體會抽象的概念。在網(wǎng)絡(luò)大時(shí)代背景下建立的沉浸式課堂，與傳統(tǒng)教學(xué)模式融合的“變”與“不變”，創(chuàng)新型生物學(xué)課堂[4]，教與學(xué)的關(guān)系[5]，引入成果導(dǎo)向教育（Outcome-based education，OBE）模式[6]，成為我們課程建設(shè)，教改項(xiàng)目主要考慮的主題。下面以大學(xué)本科二年級必修課《分子生物學(xué)》和三年級選修課《表觀遺傳學(xué)》為例，對教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂組織進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

2 建立沉浸式課堂的方法

2.1 課前熱身策略

圖1：教學(xué)模式發(fā)展概念圖。圍繞學(xué)生綜合能力提升的各種教學(xué)方式以及占比大小。

沉浸式課堂的核心是激發(fā)學(xué)生的熱情，高度的參與，完全的沉浸式教學(xué)。教師深厚的學(xué)識功底、積極樂觀的態(tài)度、得當(dāng)?shù)难哉勁e止和字正腔圓的聲音都會促進(jìn)學(xué)生快速進(jìn)入課堂中。如何開個(gè)好頭讓學(xué)生馬上進(jìn)入到上課狀態(tài)呢？一些熱身策略可以應(yīng)用，比如提前準(zhǔn)備這節(jié)課的提綱和一些拓展知識，在開始上課前十分鐘進(jìn)行分發(fā)，有效的讓學(xué)生進(jìn)行短時(shí)的課堂預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備。開始5分鐘提問是有效的熱身手段，但是不同的年級和不同類型的課程熱身提問策略也有差別。二年級的分子生物學(xué)，一般以知識點(diǎn)回顧為主，例如：“什么是岡崎片段，發(fā)現(xiàn)岡崎片段的實(shí)驗(yàn)過程”和“DNA復(fù)制的過程”，讓學(xué)生充分掌握基礎(chǔ)知識和實(shí)驗(yàn)原理；而三年級的表觀遺傳學(xué)一般以擴(kuò)展性的陳述為主，例如：“根據(jù)上節(jié)課學(xué)習(xí)的表觀遺傳學(xué)三大特征，講講生活中的表觀遺傳現(xiàn)象”，不僅鞏固知識，更要啟發(fā)高年級學(xué)生的觀察熱情和科技思維。對于好的熱身策略可以形成一門課的慣例，這樣一開始就形成有紀(jì)律有效率有緊迫感的上課氛圍。

教師需要對自己的講授的課程有詳細(xì)的規(guī)劃和把控，而緒論是引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程興趣的重要環(huán)節(jié)，好的開始是成功的一半。除了有趣的現(xiàn)象、尖端的前沿發(fā)展、深邃的哲理啟迪以及日常生活現(xiàn)象的提示等，還要提供整個(gè)課程的學(xué)習(xí)思路，比如在分子生物學(xué)的緒論講解中，強(qiáng)調(diào)了以“中心法則”為學(xué)習(xí)的主線，在以后的學(xué)習(xí)中提綱挈領(lǐng)、補(bǔ)充細(xì)節(jié)、融會貫通。在表觀遺傳學(xué)的緒論中強(qiáng)調(diào)與經(jīng)典遺傳學(xué)相輔相成的關(guān)系，以及達(dá)爾文與拉馬克進(jìn)化論的異同點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生更高的認(rèn)識和思考。緒論是課程熱身的重要部分。

2.2 課中節(jié)奏把控

課堂節(jié)奏是一節(jié)課成敗的關(guān)鍵因素之一，錯(cuò)誤的節(jié)奏讓學(xué)生專注力下降，過快的節(jié)奏會使得學(xué)生困惑和沮喪，同樣過慢的節(jié)奏會使得學(xué)生厭倦和低效率。錯(cuò)誤的節(jié)奏導(dǎo)致學(xué)生與老師的無序交流，使得教師也很疲憊。好的課堂體驗(yàn)有“快”“慢”的節(jié)奏起伏，緊密吸引學(xué)生的注意力，引導(dǎo)深層次思維。

如何制定和把握有效的課堂節(jié)奏呢？首先，課堂中的有效互動，會保持良好的課堂節(jié)奏感，需要教師在互動中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生掌握的情況，從而不斷調(diào)整上課節(jié)奏。提問是課堂師生互動的關(guān)鍵一環(huán)，正確時(shí)機(jī)的提問，會加快課堂節(jié)奏，提高教學(xué)質(zhì)量，針對二年級的必修課，分子生物學(xué)的提問以理解和掌握基礎(chǔ)知識為主，比如，“真核啟動子含有不同的元件，鳥類細(xì)胞和哺乳動物細(xì)胞有怎么樣的偏好性？”，用這個(gè)問題來理解“一個(gè)真核細(xì)胞基因的啟動子區(qū)域幾乎不會包括所有的元件類型”，同時(shí)需要學(xué)生記憶Ⅱ類基因啟動子和調(diào)控區(qū)的各種元件類型和特點(diǎn)，并且為下一步學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)錄中不同基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合相應(yīng)啟動子區(qū)元件，構(gòu)建轉(zhuǎn)錄平臺做好準(zhǔn)備。而三年級的選修課，表觀遺傳學(xué)是一門前沿學(xué)科，主要引導(dǎo)學(xué)生接觸最前沿的研究動態(tài)，并引導(dǎo)學(xué)生開拓思維，向研究生學(xué)習(xí)階段進(jìn)行過度，關(guān)注的科學(xué)問題極具拓展性，比如：“相分離可能是開啟下一個(gè)維度微觀世界的鑰匙，但是目前也有很多爭議，爭議的焦點(diǎn)在哪里？”從而讓學(xué)生了解這一前沿和熱點(diǎn)研究方向并且啟發(fā)學(xué)生的思辨能力。

課堂提問也有很多方式和技巧，比如留時(shí)間思考后提問、冷不丁點(diǎn)名提問、連續(xù)性提問和分解問題從不同角度提問等等，各種提問方式配合教學(xué)目的而設(shè)定。好的提問環(huán)節(jié)設(shè)置會讓學(xué)生充分思考，提高學(xué)習(xí)效率，有更高的參與度，形成積極的課堂氛圍，并且在短時(shí)間內(nèi)讓模糊的概念清晰化，讓學(xué)生進(jìn)行了一次快速的復(fù)習(xí)。提問的反饋中，教師也需要注意積極鼓勵、準(zhǔn)確表揚(yáng)、幽默趣味和耐心細(xì)致的補(bǔ)充解答。另外，通過對上課中學(xué)生反應(yīng)程度的觀察以及對后排同學(xué)的關(guān)注，及時(shí)進(jìn)行停頓或者進(jìn)入更深層次的探討，包括適時(shí)播放音樂，視頻，調(diào)節(jié)和加強(qiáng)學(xué)生的專注力。

分子生物學(xué)各章節(jié)都需要加入相關(guān)的視頻展示，比如：翻譯部分核糖體中多肽合成的過程，PPT需要動態(tài)播放氨酰tRNA的進(jìn)位、轉(zhuǎn)位和離開，便于學(xué)生直觀理解和記憶。由于微觀課程的特點(diǎn)，需要大量精致圖片的收集和展示，比如；電鏡照片中與染色質(zhì)凝集狀態(tài)有關(guān)的熒光標(biāo)記活躍基因（active genes）區(qū)域與非活躍基因（inactive genes）區(qū)域，令學(xué)生產(chǎn)生直觀且深刻的記憶?？茖W(xué)典故也適合作為與學(xué)生互動的重要環(huán)節(jié)，在講解科學(xué)家故事的時(shí)候還可以融入思政元素，比如在分子生物學(xué)中講到轉(zhuǎn)座子序列的發(fā)現(xiàn)者M(jìn)cClintock精彩而坎坷的科研之路，堅(jiān)持真理不盲從其他權(quán)威的聲音。講到DNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)者ArthurKornberg在DNA復(fù)制中的貢獻(xiàn)時(shí)，聯(lián)系到同樣出色的兒子Roger Kornberg在RNA轉(zhuǎn)錄過程中貢獻(xiàn)，介紹了家庭環(huán)境對人成長的影響，并且繼續(xù)詢問獲得諾貝爾獎的父子和母女有哪些。營造恰當(dāng)?shù)挠哪n堂氛圍能夠積極影響課堂師生的互動，有趣的標(biāo)題或者引言，比如：“三色貓是公貓還是母貓？”作為表觀遺傳學(xué)“X染色體失活機(jī)制”這一章的標(biāo)題，先讓學(xué)生自由討論和發(fā)言，進(jìn)而解釋概念和介紹其他生物類型中也存在的X染色體失活現(xiàn)象，最后聯(lián)系到DNA甲基化和組蛋白修飾等機(jī)制。一些隨機(jī)的幽默節(jié)點(diǎn)，會引起學(xué)生共鳴同時(shí)緩和課程進(jìn)度。研究領(lǐng)域的新進(jìn)展和新方向同樣會吸引學(xué)生注意力，并適當(dāng)放慢課堂節(jié)奏。

其次，課堂測試，課堂討論，以及一分鐘論文（1 min paper）的設(shè)置，都能有效的控制課堂節(jié)奏，鞏固教學(xué)效果。此類教學(xué)手段的特點(diǎn)是設(shè)定時(shí)間都比較短，而且緊貼當(dāng)日教學(xué)主題。分子生物學(xué)有很多經(jīng)典命題，這里不再一一列舉。我們將表觀遺傳學(xué)的課堂討論和1 min paper的常用題目進(jìn)行了總結(jié)（表1），也可以引入每一年研究熱點(diǎn)和研究前沿的討論話題，今年（2021）的表觀遺傳學(xué)課上我們對相分離的生物學(xué)意義也進(jìn)行了主題討論，同學(xué)們表現(xiàn)出很高的熱情，并且在課堂上適當(dāng)發(fā)起友好辯論，引入深度思考。

表1：表觀遺傳學(xué)常用課堂討論題目

再次，課堂筆記的重要性。課堂筆記會促進(jìn)學(xué)生緊跟課堂上老師的節(jié)奏和思路。教師需要對課堂筆記的進(jìn)行硬性要求，每堂課進(jìn)行檢查。明確一些筆記的方法，比如康奈爾筆記法（Cornell notes），也叫5R筆記法（記錄record，簡化reduce，背誦recite，思考reflect和復(fù)習(xí)review）。雖然一直強(qiáng)調(diào)，但是仍然有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生不清楚如何有效地記錄并運(yùn)用課堂筆記。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對課堂筆記的完善記錄，對知識點(diǎn)理解、課后復(fù)習(xí)、知識拓展和學(xué)習(xí)記憶延長都有很大的作用，需要教師持續(xù)進(jìn)行引導(dǎo)和督促，甚至教師可以在黑板上進(jìn)行筆記示范。

最后，課堂結(jié)束前5分鐘進(jìn)行問題收集和擴(kuò)展閱讀，教師也可以通過這5分鐘對課堂效果和可能的問題進(jìn)行一個(gè)回顧和簡捷的記錄。這些都基于對課堂內(nèi)容精確的設(shè)計(jì)和課堂節(jié)奏的精準(zhǔn)把握。當(dāng)然在很多時(shí)候我們會根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況進(jìn)行調(diào)整，以每位學(xué)生都積極投入到課堂為目標(biāo)。抓住下課前5分鐘，進(jìn)行有效的交流，從師生互動到生生互動，達(dá)到鞏固知識，發(fā)散思維的效果。

2.3 課后效果追蹤

通過課堂隨機(jī)提問，課堂測試，課后作業(yè)和問卷調(diào)查進(jìn)行學(xué)習(xí)效果評估，主動追蹤，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度，問題和困難，及時(shí)進(jìn)行教學(xué)方案調(diào)整。如圖2所示，根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果，進(jìn)一步對不同班級的教學(xué)進(jìn)度和課堂設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，生物學(xué)班會適當(dāng)減慢速度加強(qiáng)基礎(chǔ)概念解釋，萃英班(生物學(xué)拔尖班)會增多主題討論，比如：“基因印記”“FLC開花調(diào)控機(jī)制”等等。線下教學(xué)伴隨線上教學(xué)同步進(jìn)行，在“超星學(xué)習(xí)通”平臺同步上傳課堂錄屏文件，開通問題討論專欄，提供課后核心知識點(diǎn)小問卷，或建立課程專屬的QQ群和微信群等，方便老師和同學(xué)們隨時(shí)提問、解答、討論和交流。鼓勵學(xué)生展示自己的想法，鼓勵積極提問，在問題中理清思路、強(qiáng)化理解，提高學(xué)習(xí)效果。建立分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課慕課課堂，學(xué)生可以隨時(shí)回顧實(shí)驗(yàn)技術(shù)細(xì)節(jié)，為未來的科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖2：表觀遺傳學(xué)調(diào)查問卷結(jié)果分析圖。利用超星學(xué)習(xí)通平臺對學(xué)生表觀遺傳學(xué)的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行問卷調(diào)查，了解教學(xué)效果并對教案和課堂設(shè)計(jì)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

3 沉浸式課堂的發(fā)展趨勢

多媒體時(shí)代“互聯(lián)網(wǎng)+”對于分子生物學(xué)和表觀遺傳學(xué)為代表的細(xì)胞內(nèi)微觀概念的學(xué)科提供了新的契機(jī)，VR+教育作為響應(yīng)國家政策號召的新型技術(shù)手段伴隨著5G技術(shù)必將會成為新型課堂的教學(xué)形式。在VR技術(shù)支持下的學(xué)生可以通過影像直接感知和理解知識點(diǎn)，師生之間亦可實(shí)現(xiàn)“一對一，面對面”的及時(shí)交流，對于相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)可以實(shí)現(xiàn)虛擬世界中的操作與模擬。此情景下的虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式課堂將會大大提高學(xué)生的專注力，據(jù)研究表明學(xué)生在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中學(xué)習(xí)的專注度是傳統(tǒng)環(huán)境的6倍[7]?；ヂ?lián)網(wǎng)+下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式課堂教學(xué)形式會融合更加豐富的教育資源，也可采用不同的終端設(shè)備將教學(xué)資源上傳，并組織教學(xué)活動，打破教學(xué)時(shí)空限制，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情和潛能。真正實(shí)現(xiàn)全員全程高度參與的課堂。

在現(xiàn)代化技術(shù)手段展現(xiàn)了豐富教學(xué)形式的今天，仍然需要教師對完整教案的編纂和修訂，對每一節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)和課堂組織的精細(xì)制定。輔助和引導(dǎo)學(xué)生延伸思維，并進(jìn)一步總結(jié)和提煉[8]。不斷改進(jìn)45分鐘的結(jié)構(gòu)，將66%時(shí)間布局在積極的學(xué)習(xí)活動中而非教師的一言堂灌輸[9]，實(shí)現(xiàn)分子生物學(xué)與表觀遺傳學(xué)的研究型課程體系。課堂45分鐘，不僅僅是學(xué)生學(xué)習(xí)的陣地，也是教師個(gè)人魅力展示的舞臺，一個(gè)卓越的老師會讓學(xué)生沉浸和享受課堂時(shí)間，讓學(xué)生高度參與的狀態(tài)成為課堂的常態(tài)，而我們所追求的沉浸式課堂教學(xué)形式會提高學(xué)生獲取知識和保留知識的能力。同時(shí)也要兼顧德育和思政元素的滲透，助推新時(shí)代大學(xué)生全面發(fā)展[10]。

在互聯(lián)網(wǎng)和虛擬空間高度發(fā)展的形勢下，高校課堂建立必須遵循“變”與“不變”的原則。針對以分子生物學(xué)和表觀遺傳學(xué)為代表的基礎(chǔ)理論學(xué)科，需要不斷改變和完善的是對線上線下教學(xué)模式分配比例的制定，以及豐富的教學(xué)資源的拓展和應(yīng)用，而永遠(yuǎn)不變的是教師對學(xué)生的愛心細(xì)心耐心和對教育事業(yè)的拳拳之心。鄧小平同志的“教育要面向現(xiàn)代化，面向世界，面向未來”，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)：今天的學(xué)生就是未來實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢的主力軍，廣大教師就是打造這支中華民族“夢之隊(duì)”的“筑夢人”，而每一個(gè)教師的每堂課就是構(gòu)成國家教育體系的細(xì)胞。按照國家新課程改革的要求，全面貫徹黨的教育方針，全面推進(jìn)素質(zhì)教育。堅(jiān)持德育為先、全面發(fā)展、能力為重、以人為本、與時(shí)俱進(jìn)，突出“一切為了每一位學(xué)生的發(fā)展”的核心理念，轉(zhuǎn)變教師教學(xué)方式和學(xué)生學(xué)習(xí)方式，建立師生學(xué)習(xí)共同體，彰顯多元、開放、包容的課堂教學(xué)文化，最大限度地優(yōu)化教學(xué)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段，形成最優(yōu)化的課堂形態(tài)，全面提高課堂教學(xué)效率和育人質(zhì)量。

根據(jù)教育部頒發(fā)的“兩性一度”金課原則，建設(shè)融合“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”的課堂為標(biāo)準(zhǔn)，以學(xué)生學(xué)習(xí)渴望和創(chuàng)造潛能激發(fā)，教師科研啟迪和幸福感指數(shù)作為共同的評估指標(biāo)，建立有效和具有影響力的課堂教學(xué)。一個(gè)教師不斷總結(jié)，提煉教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，升華教學(xué)理念，形成自己的教學(xué)風(fēng)格。在教學(xué)實(shí)操中細(xì)化環(huán)節(jié)，不僅通過短期（考試）和長期（畢業(yè)生追蹤）的教學(xué)評估，也可專門設(shè)立對比實(shí)驗(yàn)（平行班進(jìn)行不同教學(xué)模式）進(jìn)行案例分析[11]。建立全過程、多維度和多元化的評價(jià)體系。從“課堂效果”發(fā)展為“影響一生”，以“學(xué)習(xí)為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生發(fā)展為中心”，構(gòu)建“主線清晰，枝繁葉茂”的課程內(nèi)容體系。在未來的課堂設(shè)計(jì)和組織中將會加大VR技術(shù)應(yīng)用，并以表觀遺傳學(xué)研究團(tuán)隊(duì)科研優(yōu)勢帶動教學(xué)，將虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)和學(xué)術(shù)前沿真正融入課堂教學(xué)，為微觀基礎(chǔ)理論課程的教育改革提供新思路新動力。