混合式教學視域下環境工程微生物學實驗課程探索與實踐

張一婷,孫 穎,晉 利,梁雅潔

(河北環境工程學院,河北 秦皇島 066102)

1 課程教學現狀

實驗教學在高校人才培養過程中發揮著鞏固學科知識、訓練科研素養、培養理論聯系實際能力的作用,通過實驗訓練提升學生的實踐能力和創新能力[1]。 現階段很多實驗課程受重視程度往往不如理論課程,教學方法單一,學生學習興趣及積極性不高[2]。 各高校都在探索改變實驗課程教學模式,發揮實驗課程育人作用的途徑[3]。

通過分析河北環境工程學院環境工程專業實驗課教學內容、教學方式及考核辦法發現,大部分實驗課程教學內容不夠系統,多為基礎性、驗證性實驗[4]；教學方法多數采用教師課前講解實驗步驟,學生機械的按照步驟進行操作；實驗考核評價基本以實驗報告成績為主[5]。 由此造成了學生對實驗中關鍵問題不進行深入思考研究,部分學生不進行實驗操作,直接撰寫甚至抄襲實驗報告的現象[6]。 這種以教師為中心的教學方法以及簡單、片面的考核方式,無法有效調動學生學習的積極性,難以發揮實驗課提高學生動手能力的作用,更無法評價學生是否完成了課程目標。

2 多舉措探索實驗課程教學模式改革與創新

為了解決實驗教學中存在的問題,環境工程微生物學實驗課程建立了線上線下混合式教學模式,改變了原有實驗課堂的教學模式,開展了以學生為中心,課前、課中、課后借助信息化手段,利用多種方式與學生進行互動,尤其是課堂教學中采用翻轉課堂、PBL 分組任務、課堂辯論等方式進行深入互動,通過不同環節的過程性考核引導學生深度參與課堂,同時注重在教學中思政元素的融入,提升實驗課程的育人效果。

2.1 重構教學內容,建設混合式課程

將原有碎片化、無關聯的基礎性實驗進行了篩選,將訓練基本操作技能的實驗項目保留,增加了綜合運用基礎實驗操作技能和理論知識以解決實際問題的綜合實驗,以及進一步提升綜合素質的拓展實驗。 利用線上課程平臺課程資源解決了原有實驗課堂中教師講解演示不充分,學生預習機械抄寫操作步驟的難題。 同時,充分利用線上平臺隨時交流互動,進行課前、課中、課后的全過程指導。

2.1.1 建立線上課程資源

為解決微生物個體微小的問題,實驗課程單純講解過于抽象的難點,利用超星學習通平臺,建設多樣化的線上課程資源,主要包括實驗操作視頻,課前、課中、課后習題庫、課前實驗任務、實驗評價量表、虛擬仿真實驗等。 其中實驗操作視頻是基于學校實驗室環境及儀器設備,由團隊教師分工合作完成錄制、剪輯以及講解,便于學生進入實驗室后迅速熟悉實驗設備,盡快開展操作。

2.1.2 構建三級遞進式教學體系

對原有驗證性、基礎性為主的實驗內容進行篩選,將實驗內容對照課程培養目標進行重構,形成了基礎實驗—綜合實驗—拓展實驗三級遞進式的實驗教學體系,如圖1 所示。

圖1 三級遞進式實驗教學體系

基礎實驗資源主要包括實驗操作視頻、虛擬仿真實驗以及預習闖關習題,突出了實驗操作時容易出現問題的環節,學生課前線上預習對實驗關鍵要素建立初步認識,有助于課中線下實驗過程中對關鍵步驟的把握,熟練掌握操作技能。

綜合實驗則是根據工作中的實際場景,設置不同的任務,學生在課前需要根據任務自主查閱相關資料,小組合作來完成實驗方案的設計,課前提交線上平臺,由教師審核方案的合理性。 課堂上教師引導學生共同優化實驗方案,小組成員合作,按照優化后的實驗方案獨立完成綜合實驗。

拓展實驗主要依靠學生線上學習,引入中國大學生慕課的優質課程,虛擬仿真實驗資源等,學生通過拓展實驗能夠學習學科前沿技術和實驗室不具備實驗條件的實驗項目,突破了實驗室的硬件限制,擴大了教學范圍。

2.1.3 線上有效指導

為解決實驗預習不充分、思考不深入的問題,建立學生在線與教師進行交流討論的渠道。 師生隨時可以開展在線交流討論,通過教師發布討論主題,引導學生共同參與討論,學生也可以點對點與教師進行個體討論。 另外,教師針對學生提交的實驗方案、實驗結果、實驗報告等任務完成情況,隨時進行點評和反饋,對于不合格的任務直接退回并給出修改意見,幫助學生更好地完成學習任務。 教師通過認真分析學生線上交流反饋信息,能夠及時掌握學生的學習情況及需求,并對共性以及個性問題提供有效的指導。

2.2 互融互動型的教學方式的實施

教師在進行課程設計的過程中需要充分考慮以學生為中心,通過課前、課中、課后的不同教學環節課程內容和教學活動的設計,培養學生利用知識解決實際問題的能力、團隊協作精神、科研思維以及創新能力。

2.2.1 課前師生線上指導交流

學生課前需要根據老師布置的任務,線上自主進行學習,在完成課前任務的同時將知識和技能內化于心,才能在課堂中將自己完成的任務講明白并應對其他同學的提問。 對于基礎實驗,學生需要完成預習測試,測試合格后才能進入到線下課堂教學中；如果未能通過測試,則需要反復學習通過測試,教師根據學生課前測試情況,有針對性地開展指導。 對于綜合實驗,教師需對小組實驗方案的合理性、可行性進行初步審核指導,方案基本合格后才能進入線下實驗方案講解及討論環節。

2.2.2 課中線下學生主導,教師引導

線下教學過程中,充分利用教學平臺中分組任務、隨機選人、結果投屏分享、課堂討論等現代化信息手段,采取了翻轉課堂、PBL 小組任務、小組辯論等教學模式,讓學生能夠深度參與各項教學活動。

以綜合實驗課堂教學過程為例,課堂中首先隨機選人代表本組進行實驗方案分享,這樣團隊成員會互相幫助讓每一位學生都能將課前知識內化。 方案講解完成后,其他組同學會進行提問,本組成員進行解答,在講解—提問—回答中鍛煉學生的團隊協作能力和解決實際問題的能力。 隨后由教師引導學生深入研究實驗方案,完成實驗方案的整合—優化—細化。 在后續實驗過程中各組及時展示及分享實驗結果,共同進行結果討論和分析,教師根據課中出現的問題,隨時發布課堂測驗檢驗學生的掌握情況,及時調整教學方案；組間成員根據課前發布的評價量表進行評價。

2.3 評價量表為引領實施全過程考核

教師在設計課程考核環節時,利用評價量表作為評價工具,將過程性評價、表現性評價與終結性評價相結合,“自評—互評—師評”相結合,充分發揮學生評價主體性,通過師評發揮評價引導作用。

根據每個項目的目標確定評價任務和評價要素,列出每個評價要素需要滿足的標準和分值,制作評價量表。 要求學生結合評價量表進行線上課前預習,明確實驗的任務與要求,在實驗過程中和實驗后,學生進行互評和自評,教師結合課堂表現完成評價,課程評價考核體系如圖2 所示。

圖2 課程評價考核

基礎實驗考核學生基礎操作目標的完成情況,必須由學生獨立完成。 學生課前結合評價量表,線上反復觀看操作視頻,分析探究基礎實驗的關鍵點,完成課前測試。 實驗過程中組內根據評價量表進行互評,基礎實驗評價量表主要注重對學生規范操作能力的考查,課后學生根據自我表現進行自評,教師根據學生的課堂表現和實驗報告給出評分。

綜合實驗重點考核學生動手實踐能力、分析問題解決問題能力和團隊協作能力,重點考察方案的設計及實驗結果與分析等要素。 綜合實驗采用PBL 教學模式,以4 ～5 人為一組協作完成,課前根據線上分組任務提交實驗方案,完成線上測試,線下教師引導小組通過討論、分組任務、搶答等多種方式進行學習,促使小組合作完成實驗方案優化、實驗操作、結果分析,組間根據評價量表進行評價。 綜合實驗的評價量表主要考察學生綜合運用知識解決實際問題的能力,課后以小組為單位提交實驗報告,進行線上自評,教師根據小組線上提交材料和課堂表現進行評價。

拓展實驗則根據不同的項目,要求學生在學習線上資源的同時,自主查閱相關資料,尤其是學科前沿知識,形成學習報告上傳至平臺,同時完成課后測試。

3 課程改革實踐與成效分析

3.1 持續進行實驗課程的改革與探索

為了更好地發揮實驗教學的作用,課程進行了持續的教學改革,已經進行了三次迭代。 首次改革是探索線上實驗操作視頻對學生實驗成績的促進作用,在線上平臺上傳了17 個實驗操作視頻,共計113.3 min。 將兩個平行班中一班學生加入線上平臺,發現實驗視頻的觀看對學生掌握操作技能有一定幫助,但進一步分析視頻觀看時長,發現學生積極性不高:31 名同學中,35.5%的學生視頻學習進度不足60%,45.2%的同學視頻學習進度在60%～90%之間,只有19.4%的同學能達到90%以上。 分析兩個班的8 次實驗成績可以看出,一班部分同學進行了線上視頻學習,有5 個實驗平均分高于二班,二班同學雖然沒有進行線上視頻的提前學習,但有三次成績略高于一班,兩個班的平均分相差不到1 分,可以看出,線上自主進行視頻學習對實驗能力的提升作用不明顯,成績對比如圖3 所示。

圖3 平行班實驗成績對比

為了引導學生利用線上資源提高實驗操作水平,第二次加入了過程性考核內容,將線上學習時長記入實驗成績,讓學生在課堂中進行實驗演示,提高學生學習的積極性。 通過分析觀看視頻時間和次數與實驗成績和操作規范程度的關系,分析學生觀看時長和實驗成績關系,發現觀看操作視頻時間和次數多的學生實驗成績明顯高于觀看時間和次數少的學生,對操作關鍵技術把握更加清楚,但是部分學生對實驗課的重視程度依然不高,思考不夠深入,分析結果如圖4 所示。

圖4 觀看視頻時長與實驗成績關系

第三次改革將實驗內容分成了基礎實驗、綜合實驗和拓展實驗三類,并針對不同類別設置了相應的線上線下學習內容和活動,引入對應課程目標的全過程評價方式,學生課前、課中、課后都可以通過參與教師設計的翻轉課堂、PBL 小組任務、小組辯論等活動獲得分數,尤其是綜合實驗中組間的方案討論、實驗方案優化提升、實驗結果的分析辯論更有助于學生達到高階目標。 通過對學生的學習數據及問卷調查結果分析發現,學生對教師和課程的認可度大大提升,絕大多數同學認為課堂氛圍活躍,綜合實驗對能力的提升幫助很大,自我評價滿意。

3.2 課程改革成果及應用

通過實驗課的改革建設,學生自主學習的積極性、分析與解決實際問題的能力和創新能力都有了顯著的提高。 環境工程微生物學實驗課程成為河北環境工程學院首批立項建設的線上線下混合式金課,也是河北省高等教育教學改革研究與實踐的建設項目。

該實驗教學模式改革與創新成果,獲得了河北省首屆教師教學創新大賽副高組二等獎。 此外,為了提升學生解決實際問題的能力,團隊教師積極加強與企業合作,與企業共同開發和建設線上教學資源,“學科基礎課信息化教學資源庫建設研究——以微生物實驗為例”課題,通過教育部協同育人項目的立項。

校內其他專業微生物實驗課程已經逐步采用本實驗教學模式,翻轉課堂等深入互動的實驗課堂教學模式在多門課程的實驗教學中推廣使用,并深受學生的認可。 依托該教學模式建設的線上線下混合式課程資源被超星集團推薦為示范教學包。 截止到2023 年5 月,超星學習通示范教學包引用詳情數據顯示,該課程已被39 所學校50 名教師所引入,起到了一定的示范作用。

4 結論

對環境工程微生物學實驗課程進行改革與實踐,重構實驗教學體系,實施線上線下混合式實驗教學模式,采用小組任務、翻轉課堂等互溶互動式課堂教學方式,使用全過程多形式考核評價方法,旨在提高學生利用知識解決實際問題的能力,培養學生的團隊協作精神、科研思維以及創新能力。

環境工程微生物學實驗課程還存在課程思政案例融入深度不夠,考核不夠細化的問題,后續團隊教師將共同挖掘適用于實驗課程的思政案例,建立案例庫,進一步細化考核辦法,引導學生更好地達成課程目標。