生物工程專業(yè)核心工程基礎課線上線下混合式教學的研究與實踐
——以“化工原理”課程為例

涂志英，田毅紅，劉呈雄，楊 瀟，龔大春

(三峽大學 生物與制藥學院，湖北 宜昌 443000)

生物工程專業(yè)的核心基礎課程包括“化工原理”“微生物學”“分子生物學”和“生物化學”等課程，其中“化工原理”是一門緊密聯(lián)系生物加工生產(chǎn)實際的核心工程基礎課。課程以典型的單元操作為主要內(nèi)容，以傳遞過程和研究方法論為主線，研究解決生物技術產(chǎn)業(yè)過程中的實際單元操作問題。它不同于理學專業(yè)的基礎學科，僅以理想的模型為研究對象，采用嚴密的數(shù)學分析或推導，而是針對真實、復雜的生產(chǎn)實際，除了少數(shù)簡單問題可采用數(shù)學解析法，大多數(shù)情況需要依靠理論指導下的實驗研究法和數(shù)學模型法來解決[1]。因此化工原理是化學和生物學理論知識過渡到生物加工生產(chǎn)實際的橋梁，是培養(yǎng)學生應用專業(yè)理論知識解決工程實際問題能力的重要課程[2]。

作為生物工程專業(yè)的核心工程基礎課程，“化工原理”一般具有知識點多、理論性強、計算量大和學習難度大等特點。但由于課時之限，許多知識點僅能淺嘗輒止，學生往往感覺內(nèi)容枯燥、理解困難，始終籠罩著“難學”情緒；其次，傳統(tǒng)的面對面線下教學方式，學生的主體作用得不到發(fā)揮，即便使用了一些現(xiàn)代化的教學設備和手段，學生的學習主動性和教學效果仍然難以得到有效提高；其三，傳統(tǒng)的課堂教學缺乏教學效果的及時反饋，教師往往不知道學生聽懂多少，教學持續(xù)改進難于精準發(fā)力。為了解決上述問題，在生物產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)上取得突破，打牢生物工程專業(yè)學生在本科階段的工程基礎，提高學生運用工程觀念分析和解決工程實際問題的能力，引入翻轉(zhuǎn)課堂[3-7]、線上線下混合式[8-12]等新教學模式已勢在必行。

1 線上線下混合式教學模式概述

1.1 線上線下混合式教學的內(nèi)涵

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，網(wǎng)絡技術的發(fā)展為學生提供了廣泛、便捷的學習資源，課堂教學不再是學生的唯一選擇。以慕課(MOOC)為代表的線上教學資源對傳統(tǒng)教學模式提出了巨大挑戰(zhàn)，使教師的身份由資源的提供者逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生學習的組織者和引導者，也為“線上+線下”[13-15]這種更符合認知規(guī)律的混合式教學模式奠定了良好的基礎。

線上教學是指利用國家精品在線課程資源(國家認可的高質(zhì)量的教學視頻——中國大學MOOC、智慧課堂等)進行教學的一種方式，也就是把高水平教師請進課堂。此外，學生還可以通過各種各樣的學習網(wǎng)站、渠道查閱自己所需要的學習資源，在一些學習論壇上互相討論完成線上學習目標，滿足學生深層次的學習需求，提升學生學習興趣。這種線上學習的時間大部分由自己靈活掌握，可以利用大量碎片化時間用于線上學習。線下教學是指教師通過學生線上自主學習的反饋有針對性地開展導學、授課、輔導答疑的線下教學方式，充分結(jié)合本校學生基礎和特點開展教學，達到因材施教的目的。在當下“互聯(lián)網(wǎng)+”和“大數(shù)據(jù)”背景下，這種混合式教學模式為解決傳統(tǒng)授課模式的弊端指明了方向，可以實現(xiàn)信息化教學模式和傳統(tǒng)教學模式的有機融合，不僅順應了時代要求，也必將成為未來教學的“新常態(tài)”[16-17]。

1.2 線上線下混合教學應用于“化工原理”教學擬解決的問題

傳統(tǒng)的“化工原理”教學模式是對教材中所涉及的單元操作原理、數(shù)學描述及計算進行課堂講授，講授結(jié)束后由老師布置作業(yè)來鞏固所學知識。這種傳統(tǒng)方式存在以下不足：①課程教學進度無法顧及所有學生。授課進度一般以中等左右成績學生為基準進行，很難顧及所有學生，接受能力較弱的學生不能及時跟進教師的授課進度，使得學生作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴重，學生“難學，怕學”情緒加劇。②學生提前學習和課后學習實施難度大。“化工原理”課程與生產(chǎn)實踐結(jié)合緊密，但由于傳統(tǒng)授課時間的限制，只能通過播放短片視頻以加深學生的理解，而復雜一些的生產(chǎn)異?，F(xiàn)象如液泛、淹塔、干燥等視頻沒有足夠的時間在課堂播放，一定程度上限制了理論學習與實踐的結(jié)合，教學形式不夠生動，課下自學時間難于有效利用。③考評學生的方式過于單一。傳統(tǒng)教學缺少對平時學習態(tài)度和學習效果的科學評價方式，該課程的考核以期末考試為主，所以學生很容易忽視日常學習過程，壓抑了學生學習的主動性和創(chuàng)造性。

1.3 “化工原理”線上線下混合式教學的新模式構(gòu)建

學堂在線與清華大學在線教育辦公室共同研發(fā)的輔助教學雨課堂系統(tǒng)，是基于PowerPoint軟件和微信的教學平臺，可實現(xiàn)課程資源推送與共享、師生互動、在線作業(yè)、在線批改、在線統(tǒng)計等功能[18]。將線上線下混合教學模式引入“化工原理”教學，線上采用北京化工大學丁忠偉老師團隊或南京工業(yè)大學居沈貴教學團隊的中國大學MOOC視頻，線下采用雨課堂系統(tǒng)，構(gòu)建“化工原理”線上線下混合式教學新模式，將使“化工原理”教學中存在的“難學、評價單一”等問題在很大程度上得到改善。

具體模式如下：①課前導學。教師把預習課件和啟發(fā)性的問題發(fā)布到線上雨課堂云端，進行科學導學。學生通過慕課等在線課程自由、自主地完成規(guī)定內(nèi)容的學習，并在規(guī)定時間內(nèi)完成和上傳發(fā)布的預習作業(yè)。這種任務式的導學方式，突破了時間和空間的限制，有助于學生提前做好充分預習，基礎稍差的同學可以在課前自己多用時間，反復觀看線上視頻和做訓練理解題，極大鍛煉了學生的自學能力。②自學效果評價與難點問題重構(gòu)。根據(jù)各種互動題目完成好壞，雨課堂可以自動記錄，老師在授課前下載相關數(shù)據(jù)進行線上教學難點重構(gòu)，摸清學生難學的內(nèi)容，指導課堂教學，提高授課的針對性。③根據(jù)學生線上學習難點問題，設計授課新方案。根據(jù)線上學習的測試結(jié)果對章節(jié)的重難點進行重新梳理和總結(jié)，設計知識難點討論、生產(chǎn)案例分析、習題解答等多種授課形式，加深對線上學習知識的理解與應用，提高學生在學習過程中的參與度和學習興趣，更加突出“學生為中心，問題導向”的工程教育新理念。④課中授課突出重點、難點。課中根據(jù)課前每位同學留下的記錄，在新教案指導下，側(cè)重突破難點問題，對普遍存在的問題重點講，重點練，個性化問題單獨輔導，提高課堂學習效率。⑤課后答疑、交流互動。在線資源始終開放，雨課堂交流互動方便，指導評價痕跡自動生成。學生可以反復播放觀看線上視頻和老師的教學課件(PPT)，通過和老師同學互動有效解決學習過程中存在的系列問題。⑥課程考核在線記錄。根據(jù)線上自主學習和線下課堂表現(xiàn)，雨課堂系統(tǒng)自動生成形成性評價數(shù)據(jù)，減輕老師的數(shù)據(jù)統(tǒng)計負擔，使考核從傳統(tǒng)的“結(jié)果評價為主”向“過程形成評價+結(jié)果評價”轉(zhuǎn)變，細化且量化了平時學習的效果，更好地激發(fā)學生的學習自覺性，使考核更加公平、合理。教師也可以根據(jù)在線互動情況，有的放矢地幫扶困難學生，為進一步完善教學方法打基礎。

2 線上線下+雨課堂混合教學模式的實踐

以“化工原理”課程中“固體干燥”單元操作為例，對線上線下混合教學新模式的實踐進行剖析說明，其授課對象為生物工程專業(yè)的學生。首先從總體對教學內(nèi)容、教學目標、活動設計及評價進行教學過程宏觀設計，共12學時，4個小節(jié)。具體內(nèi)容見表1。

表1 “固體干燥”教學過程設計

2.1 線上教學資源選擇

中國大學MOOC關于“化工原理”的教學資源非常多。根據(jù)本校學生基礎以及教師授課風格，我們向生物工程專業(yè)學生推薦了北京化工大學丁忠偉老師團隊和南京工業(yè)大學居沈貴教學團隊的“化工原理”線上資源。每個學生下載APP，每天學習15 min左右慕課視頻，以一個完整知識點的講解為單元。課前面向全體學生說明學習方式、考核方式，所有學生的測試題及時通過雨課堂發(fā)布，通過雨課堂平臺檢驗學生預習情況，所有數(shù)據(jù)在線記錄，指導老師及時下載雨課堂自動記錄的相關數(shù)據(jù)進行分析并反饋，保證授課、評價的時效性。

2.2 線上開放課程導學

實施“四步導學”的教學模式：①提出導學問題，授課老師布置線下自學題；②學生在明確自學任務的前提下，觀看MOOC線上老師授課錄像；③學生線下完成預習作業(yè)，并通過雨課堂上傳；④線上評價自學效果，及時反饋給學生。老師線上批改，學生根據(jù)批改結(jié)果，自我分析自學效果，持續(xù)改進。教師通過統(tǒng)計錯題情況了解學生學習的難點和重點，并形成有針對性的教學策略。

為了不使學生產(chǎn)生畏學心理，導學以思考題為主，重點是理解概念和原理。如“常見物料的去濕方法有哪些？”“什么是對流干燥？”。干燥的4個小節(jié)均設計了導學思考題，導學題見圖1。導學題通過雨課堂的班級群發(fā)布，并在雨課堂中上傳含慕課視頻鏈接的PPT課件，供學生按照教學進度在線觀看，自主學習固體干燥的知識點。重點、難點處可以反復觀看，如“濕空氣的性質(zhì)”、“濕度圖的應用”等，雨課堂可對每位同學的觀看時間進行記錄。線上學習完成后，對預習題作答并上傳至雨課堂。老師通過預習作業(yè)批改檢測線上自學效果并匯總分析。比如概述部分設計了7道題，濕空氣性質(zhì)設計20道題，學生線上自學的學習效果如圖2所示。概述部分(總參與數(shù)37人)有25人得分在60～70分(總分60分)；10人得分在51～60分；2人得分在45～51分，還有5人未參與。學生自主學習的難點是對“對流干燥”定義的理解。“濕空氣性質(zhì)”的學習效果明顯提升(參與人數(shù)38人)，有30人得分在60～70分(總分70分)，51～60分4人，但隨著知識難度增大，也有2名少數(shù)民族同學沒有跟上。

圖1 干燥概述和濕空氣性質(zhì)章節(jié)的導學題

圖2 干燥概述和濕空氣性質(zhì)章節(jié)的線上學習效果形成性評價

2.3 線下課堂講解

線下教學仍是該課程教學的主要形式。根據(jù)線上的效果評價，對線下課程從以下3個部分進行設計：預習情況總結(jié)；重點、難點突破方案設計；課堂互動與討論教案設計。上課時結(jié)合雨課堂的自動排序功能對導學完成較好的學生給予表揚，對完成不好的同學進行鞭策，并根據(jù)雨課堂平臺提供的數(shù)據(jù)分析了解學生的自主預習情況，對知識點進行梳理，并針對預習測試結(jié)果總結(jié)出本節(jié)的重點和難點；然后進入重難點的理論講授，并穿插實時答題；最后教師全程參與課堂討論。例如通過預習測試發(fā)現(xiàn)，學生對“相對濕度”與“露點”的有關試題正確率較低。“濕空氣性質(zhì)”的正確理解是計算干燥質(zhì)量衡算和熱量衡算的前提，為加強這兩個定義的認知，從回顧“飽和蒸氣壓”的定義開始引入，隨后以提問方式讓學生思考“影響飽和蒸氣壓”的因素，然后展開描述“液態(tài)水的飽和蒸汽壓與其溫度”是有唯一對應關系。理論講解完成后，接著讓學生思考幾個生活實例：解釋“春天衣服不易晾干，而冬天衣服容易晾干的原因是……？”“天氣預報中報道的空氣濕度用百分之幾表示，而不是濕度的單位，為什么？”“為何春季易出現(xiàn)回潮現(xiàn)象？”“干燥相同的物料，北方地區(qū)的產(chǎn)品更具市場競爭力？”[19]。通過引入這些生活常識，拉近了理論和實際的距離，增加學生學習興趣，不僅深刻理解了“相對濕度”和“露點溫度”的意義，也達到了學以致用的目的。

2.4 課后鞏固

“化工原理”涉及大量的工程計算，課后作業(yè)是鞏固課堂學習的重要部分。作業(yè)內(nèi)容應根據(jù)教學目標和課程內(nèi)容進行設計，達到課后消化課堂內(nèi)容、實現(xiàn)課程目標、提升學生學習效果的目的。教師利用雨課堂平臺發(fā)布作業(yè)，要求學生限時完成，設定分值進行評價。此外，針對一些教學內(nèi)容，適時發(fā)布關于理論知識在生物工程生產(chǎn)中應用的國內(nèi)外研究實例，以拓寬學生視野。如學習完“干燥”一章后，在班級群上傳文獻《流化床型式在酵母干燥中的對比分析》[20]。此文獻涉及“干燥曲線”“干燥速率曲線”“臨界含水量”等基本知識，也探討了教材簡要介紹的流化干燥器的結(jié)構(gòu)型式，并根據(jù)高活性酵母的技術要求對干燥器進行了選型。要求學生閱讀文獻后分組討論，每組提交一篇小論文分析影響干燥過程經(jīng)濟性的主要因素。這樣不僅讓學生對學習內(nèi)容進行了總結(jié)，還可以拓寬他們的知識面，更有助于學生建立生產(chǎn)過程節(jié)能減排意識。每完成一章內(nèi)容，線上發(fā)布一次調(diào)查問卷，及時總結(jié)線上線下教學模式實施中的成效及問題，不斷提升教學效果。

3 線上線下混合教學模式的評價與實施效果

課程的考核評價體系建立是教學中的重要環(huán)節(jié)，是教學計劃開展、教學內(nèi)容實施、培養(yǎng)目標實現(xiàn)的有力保障?；旌鲜浇虒W模式的評價分為線上評價、線下評價和期末考試3個部分。線上評價包括兩方面，一是線上學習過程評價，即學生在線學習PPT的時間、討論參與度、學習筆記等；二是線上學習效果評價，即預習測試成績、課后拓展訓練的上交材料等，包含了整個線上學習的過程。線上評價數(shù)據(jù)全部來源于雨課堂的自動記錄數(shù)據(jù)庫。線下評價包括兩個方面：一是課堂表現(xiàn)評價，以出勤率、課堂活躍度(彈幕互動數(shù)據(jù))、課堂互動答題成績?yōu)橐罁?jù)；二是課堂學習效果評價，以課堂互動測試的正確率作為考核評價依據(jù)。這種考核方式易于量化，容易把控，成績更客觀。線上評價成績與線下評價成績的總和占總評成績的40%，期末考試成績占總評成績的60%。

基于雨課堂的“線上線下”相結(jié)合的考核與評價機制，更加注重學習過程的時效性評價，使線上學習的時長、線下課堂的參與度、課后拓展的活躍程度等指標貫通于考核與評估的全過程，可衡量、可評價，比傳統(tǒng)的“線上線下”更加科學公正，成為評價結(jié)果的重要組成部分。較好地防止了教師考試放水，學生“平時不努力，臨時抱佛腳”的現(xiàn)象，激發(fā)了學生學習的動力。

2020年春季本課程開始使用線上線下混合教學模式，為了進一步評價此教學模式的教學效果，與2018年和2019年春季的試卷成績進行了比較。期末考試為閉卷形式，比較結(jié)果相對客觀，具體結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，雖然使用新教學模式后不及格率沒有明顯下降，但優(yōu)秀率遠高于2018年的統(tǒng)計結(jié)果，比2019年稍有提高。不及格的原因是部分同學的學習自覺性不夠，沒有按照要求線上預習，不適應新的教學模式，導致線下跟不上教學的進度。

圖3 線上線下混合課程使用前后數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

以在線開放課程為依托，以學生為中心，以學生的自主學習為基礎，基于雨課堂平臺的線上線下混合式教學模式，不僅是網(wǎng)絡信息技術在大學課程中的應用，更是成果導向OBE(outcome based education)教學理念的實踐。本教學新模式在生物工程專業(yè)“生物化學”和“微生物學”等核心基礎課程上的推廣應用也得到較好的評價。實踐表明，線上線下混合式教學+雨課堂的混合教學模式下，學生的自主學習意識、課堂參與度以及學習效果相比之前均有較大提升，過程評價考核方式也更加透明合理。但目前“化工原理”“微生物學”“生物化學”課程方面在雨課堂平臺收集的慕課視頻偏少，插入網(wǎng)絡視頻也不太方便，需要兩個不同資源庫進行整合對接。教師還需在視頻的選擇與制作上投入更多精力。此外，不少同學對一些難度較大的知識點采用線上自主學習的效果不佳，需要優(yōu)秀的個性化視頻教材與之配套。教師在豐富教學設計與教學手段的同時，需要在進一步提高學生學習主動性方面不斷地反思與持續(xù)改進。