基于深度学习理论的小组合作项目化学习在中医药院校细胞工程课程教学中的应用

Application of deep learning-based collaborative project based learning in Cell Engineering course teaching in traditional Chinese medicine colleges

摘要

目的 探讨小组合作项目化学习模式在中医药院校细胞工程课程教学中的应用。 方法 以浙江中医药大学滨江学院2019级生物技术专业学生为观察组（n=42），以2018级生物技术专业学生为对照组（n=37），分别采用小组合作和传统授课模式开展教学。以课堂参与度、学生成绩和学生能力提升问卷结果对教学效果进行评价。 结果 与对照组相比，观察组学生参与课堂的积极性明显提高，平均课堂参与次数由传统教学的1.38次提升至改革后的5.80次，平时成绩的优秀率由21.62%提升至40.48%；实验成绩和期末成绩的平均分显著提高（P<0.05）；90%以上学生的自主学习能力、团队合作能力、分析问题和解决问题的能力得到提升。 结论 小组合作项目化学习可作为深度学习的一种方式供生物医药类课程教学改革借鉴。

Abstract

Objective To explore the application of team-based learning on project in Cell Engineering course of traditional Chinese medicine colleges. Methods The students majoring in biotechnology in grade 2019 at Binjiang College were selected as the observation group （n=42）， and students majoring in biotechnology in grade 2018 were selected as the control group （n=37）. Team-based learning and traditional teaching mode were used to carry out the teaching respectively. The teaching effect was evaluated by the students’ class participation， students’ performance and ability improvement questionnaire. Results Compared with the control group， the students’ study enthusiasm in the observation group was significantly enhanced， with the class participation times rising from 1.38 to 5.80 after the reform. The excellent rate of regular performance has increased from 21.62% to 40.48%. The average scores of the experimental grades and the final grades increased significantly （P<0.05）. The self-study ability， teamwork ability， and the ability to analyze and solve problems of more than 90% students in the observation group were improved. Conclusion Team-based learning on project can serve as a valuable reference as a way of deep learning in biomedical courses.

Graphical abstract

关键词

深度学习 / 小组合作 / 项目化学习 / 细胞工程

Key words

deep learning / team-based learning / project-based learning / cell engineering course

细胞工程是生物医药类专业的专业课，在人才培养中发挥重要作用。传统课堂以教师为主体，学生总体参与程度低，学习能力强的学生能保持较好的学习状态，但自主学习能力弱的学生学习动力缺失，不利于学生综合能力的培养及整体人才培养质量的提高^［1］。

深度学习又称为深层学习，是以激发学习者的内在学习动机为前提，运用多元化的学习策略，旨在培养解决实际问题能力和高阶思维的学习方法^［2-3］。基于项目化学习法（project-based learning，PBL）是深度学习的主要策略之一^［4］，其基于建构主义的教学模式，强调以学生为中心，通过学生在实际项目中的主动参与和合作，积极构建知识^［5］，解决现实情境中的复杂问题。基于小组合作学习法（team-based learning，TBL）通过建立学习共同体，由教师布置项目等任务驱动小组合作开展深度学习，培养学生的学习能力、分析问题能力和合作精神^［6］，小组合作学习可有效促进学生的团队合作，提高学习的参与度^［7］，有利于深度学习的发生和核心素养的形成^［4，8］。

本研究根据学科性质及浙江中医药大学（以下简称“本校”）的中医药背景特色，在前期教学改革的基础上，将项目化学习引入本校细胞工程课堂教学中，在课前、课中和课后3个阶段，以科研实验项目为载体，以小组合作的形式开展课前组内学习、理论课堂组间交流、实验课堂实践验证，以及课后反思总结，探讨小组合作项目化学习模式在细胞工程教学中的应用，旨在通过项目化学习将知识点系统化，激发学生的学习兴趣，培养学生的自主学习能力和合作意识，驱动学生探究未知，培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生的核心素养。通过改革，探索深度学习模式在中医药院校生物类课程中的应用，以提高人才培养质量。

1 对象与方法

1.1 研究对象

以本校滨江学院2019级生物技术专业本科生42名为教学实施对象，作为观察组，采用小组合作项目化学习；2018级学生37名作为对照组，采用传统教学法。2组学生的性别、年龄、入学成绩差异无统计学意义。2组授课教师相同，所采用的教材相同。

1.2 研究方法

通过分析课程中存在的问题，结合学生对课程学习的需求，确定以小组合作的形式开展项目化学习，促进深度学习的发生，满足学生对知识和能力的需求。改革总流程具体见图1。

1.2.1 开展课程分析，明确课程问题

深度学习环境的构建是学生能否开展深度学习的前提，教学内容和教学组织形式的选择是关键。目前的课堂教学中主要存在以下问题：①教学内容缺乏前沿性和系统性：教学内容主要依托于教材，教材虽具有一定的权威性，但知识点较为陈旧，前沿知识不足；同时教材不同章节之间存在一定的壁垒，内容缺乏一定的系统性，难以激发学生的学习兴趣和学习动力。②教学形式缺少有效的深层互动：当前的课堂教学主要以提问等形式开展师生互动，通过教师提问和学生回答，只能简单地检验学生对知识的记忆、理解等低阶目标的实现情况，不利于学生分析、评价等高阶能力的培养。课堂上也有以小组讨论的形式开展生生互动，但分工不够明确，“搭便车”现象比较普遍，缺乏深层次的思想交流和知识的建构，不利于学生高阶思维和创新能力的培养^［9］。

1.2.2 开展学情调研，了解学生需求

深度学习是“四新”建设的要求，同时也是学生的内在需求。课前通过问卷星对学生的能力需求进行调查，结果表明，学生最想提升的3种能力分别为分析和解决问题的能力（88.89%）、自主学习能力（85.19%）和团队合作能力（70.37%）。这就要求教师要对教学过程进行精心设计，通过合适的课堂组织形式，唤醒学生的内在动机，使学生高度参与课堂。

1.2.3 精选科研项目，更新教学内容

教学内容是课堂教学的载体，教学方法是传递知识、情感、培养学生能力的重要形式。根据目前课堂中存在的主要问题，选取植物组织培养、动物细胞培养和细胞融合技术3个章节，开展以课堂实验项目为载体，小组合作学习为形式的课堂教学模式探索，旨在促进学生深度学习，提升学生综合能力。

为有效整合教学内容，使学生学习更有驱动力，以现有的3个实验为导向，将植物组织培养、动物细胞培养和细胞融合技术3个章节的内容项目化，使分散的理论知识融入实验步骤，并代入科研情境，激发学生的学习兴趣和内驱力。具体见表1。

例如，在植物组织培养章节，以浙江道地药材浙贝母为研究对象，从浙贝母在种植过程中容易出现染毒的实践问题出发，创设科研情境，通过小组合作设计浙贝母脱毒的实验方案，以实际问题驱动学生自主学习、合作学习，在设计方案的过程中，可将理论知识系统化和趣味化，并可激发学生的探究精神。

1.2.4 开展小组合作，促进深度学习

建构主义强调学生的主体位置，注重学习者群体的交互^［10］，提倡师生进行教师与学生、学生与学生、学生与学习环境等多维度、多层次的互动^［11］。维果茨基的“最近发展区”理论强调“潜在发展水平”的发展需要他人指导和同伴合作^［12］，充分肯定了教师引导和合作学习的重要性。

在细胞工程教学活动中，由教师提前1周将实验项目任务布置给小组，再由组长将实验项目进行分解，组员通过自主学习课本、查阅文献资料等，将分配到的任务用文字、图片形式在组内进行分享，然后在组间进行交流，最后由老师进行总结和点评，由此完成组内成员、组间成员、生生和师生的多维互动，围绕实验项目，通过多层次的探究完成深度学习，具体见图2。

例如，在植物组织培养章节，任课教师提前1周将浙贝母染毒的实践问题导入，提出“浙贝母染毒后是否会影响中药材质量”“利用细胞工程手段能否解决这一问题”等问题引发学生思考，引导学生分析问题，并通过预习尝试解决问题。以某小组为例，组长将任务分解为“中药材质量和哪些因素有关”“植物种植过程中为什么会染毒”“组织培养是否可以解决染毒问题”“茎尖分生组织培养为何可以脱毒”等问题，由组员分工准备后在组内、组间进行分享交流，最后由老师归纳总结，梳理课堂主线，并进行反馈交流。

1.3 评价方法

目前国内以深度学习为导向、以学生为中心的课堂教学改革，多是从理论知识、实践运用、素养养成等方面构建立体化的课程体系^［2］。本文通过小组合作开展项目化学习，旨在激发学生主动学习，促进学生深度学习的发生。以课堂参与度反映学生的学习兴趣；以期末成绩反映学生对理论知识的掌握情况；以实验成绩反映学生对知识的应用能力；并以问卷的形式了解学生能力素质的提升情况。

1.4 统计学方法

采用SPSS 25.0统计学软件对数据进行处理分析，组间均数比较采用单因素方差分析（One way ANOVA）和LSD检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 学生的课堂参与度明显提高

通过项目任务驱动小组开展合作学习，同伴之间相互支持，大大提高了学生的课堂参与度，课堂气氛活跃，学习氛围浓厚。平均课堂参与次数由传统教学的1.38次提升至改革后的5.80次，课堂参与度明显提高。

2.2 学生成绩有不同程度的提高

该门课程的成绩由平时成绩、实验成绩、期末成绩3部分组成，其中，平时成绩由课堂出勤率、课堂参与度、小组互评分数、作业评分等模块组成。结果表明，与对照组相比，观察组学生平时成绩的优秀率由21.62%提升至40.48%。

实验成绩由实验态度、实验原理、实验操作、实验结果、实验报告等模块组成。对照组学生的平均实验成绩为85.59分，观察组学生平均实验成绩87.49分，明显提高（P<0.05）。

期末成绩为学生期末考试的卷面成绩，对照组和观察组的试卷均从题库中随机抽取，知识点的覆盖范围和难易程度相当。对照组学生的平均期末成绩为71.65分，观察组学生平均期末成绩为73.67分，明显提高（P<0.05）。

课程结束后，通过问卷星向观察组的学生统一发放匿名问卷，问卷围绕课前学情调研中学生想提升的能力素养编制题目，共设计13道单项选择题，要求学生根据课程学习情况客观认真作答。问卷回收率为100%。Cronbach.α系数为0.921，共同度在0.6~0.85之间，表明信度和效度良好。研究表明，94.79%的学生认为，小组合作项目化学习有助于提高自主学习能力和团队合作能力；93.75%的学生认为，通过小组合作项目化学习提高了分析问题和解决问题的能力。问卷结果表明，小组合作项目化学习满足了学生课前对能力提升的需求。

3 讨论

基于建构主义的深度学习模式旨在激发学生的学习动机，培养学生解决问题的能力和高阶思维，符合当今社会对人才培养的要求。在项目化学习中，通过学生的主动参与完成知识的建构，是深度学习的主要策略之一。基于社会互赖理论和最近发展区理论的小组合作学习，可降低参与门槛，提高参与度，通过在项目化学习中的团结协作，共同完成知识的建构和核心素养的形成。

在细胞工程课堂教学实践中发现，通过布置项目化学习任务，驱动组内同伴合作学习，可激发学生的内驱力和参与意识，表现在观察组课堂参与次数大幅提升，团队合作能力得到加强；在参与过程中提升学生的责任意识和集体荣誉感，促进不同程度的学生在小组合作学习中共同进步^［1］，平均实验成绩和平均期末成绩均有显著提升。通过项目目标引导学生开展自主学习，共同分析问题和最终解决问题，提升了学生自主学习能力、分析问题和解决问题的能力。

项目案例是本次教学改革研究的载体，既要将课程知识的应用贯穿始终，体现专业培养的要求，也要能够融合学科背景特色。本项研究所选择的项目覆盖了植物细胞工程和动物细胞工程2个方面，植物细胞工程部分以“浙八味”中药浙贝母的组织培养为代表，充分体现了现代生物技术和中医药的融合；动物细胞工程部分，一方面以多数学生科研项目和学科竞赛会用到的肝细胞培养为依托；另一方面，以广泛用于医学、农学等诊断检测的单抗试剂盒作为细胞工程产品的代表，可极大地提高学生的参与度和科研兴趣。和细胞工程课程类似，大多数生物医药类课程实践性较强，和科研前沿联系紧密，课堂上单纯依靠教师按照教材讲授很难满足当今社会对人才培养的需求。基于深度学习理论的小组合作项目化学习在细胞工程课堂的教学实践表明，学生参与度、平时成绩的优秀率、实验成绩、期末成绩和综合能力均有所提升，其可作为通过课程学习实现人才培养目标的有效途径之一，并可为中医药院校生物医药类相关课程教学改革提供借鉴。

小组合作学习的运行模式关系到项目化学习的效果，需要教师的精心组织，组长的认真落实，以及学生的积极参与。项目化学习强调以学生为中心，学生在课堂中的主体地位能否充分体现关键取决于教师的主导，与传统教学相比，要求教师投入更多的精力精心组织教学。如教师在课前要开展充分的教学分析，确定合适的项目作为教学资源；选定组长、协助组建小组，并将项目分解为若干小问题布置给组长；课中精心导入，适时点评，做好过程控制，使小组学习有“放”有“收”；课后进行总结反思，通过教师评分、组间互评等形式激励组内协作和组间竞争。组长要认真落实项目任务，营造良好的组内学习氛围，及时发现学习过程中的问题，并和老师商量解决策略。组员要有强烈的集体责任心和荣誉感，结合文献、网课等线上资源，充分开展自主学习，完成组内协作，提高学习效果。

本研究存在以下不足：①个别学生学习动力不足，合作意识不强，体现在研究结果中会出现拉低平均分的现象，这也是后续研究中要关注的重点问题；②分组多为熟人组队，合作模式熟悉，有利于任务的完成，但可能会出现组间力量的不均衡；③个别小组组内学习开展不够，协作性不强；④目前采用的是教师评分和组间评分相结合进行综合评价，缺少组内的评价考核，容易使个别学生“搭便车”。

针对以上问题，有以下几点思考：①教师除了在宏观上发挥主导作用以外，还需关注“点”，特别是学习基础较差、对学习缺乏信心的同学，多给予鼓励以增强信心、激发动力；②分组可采用“星状小组”模式，每组由1~2名核心成员发挥领导者的作用，凝聚其他组员开展合作学习^［13］；③组长要有较强的组织协调能力，另外，教师对小组任务的分解要考虑组员间任务的相互依赖性，以促进组内协作；④在教师对小组评分和组间评分的基础上，引入组内差异化评分机制^［14］，评分规则要组员共同商议并执行，以全面提高组员的积极性，保障深度学习效果，促使全员共同进步。

此外，本研究通过编制问卷对观察组学生能力素养的提升情况进行调查，可在一定程度上初步反映教学改革的效果，但同时也存在着一些局限有待提升。如调查问卷中所编制的题目应避免暗示性，否则容易引导学生勾选正向的选项，导致与学生的真实变化会存在一定的偏差；可引入程度量表，使提升幅度量化；调查结果往往反映的是学生的“感觉”，而非实际的能力提升情况，可将测评问题拆解为对具体行为的描述，提高能力素养的可测性；另外，可适当增加一些开放性题目，以深入了解学生的想法，收获预设选项之外的反馈，不断发现并解决教学中的问题，提高教学质量。

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基金资助

2022年浙江省课程思政教学研究项目(124)

浙江中医药大学教育教学改革重大招标项目(ZB21016)

2023年度浙江中医药大学创新实验教学项目(16)

浙江省高校实验室工作研究项目(ZD202403)