基于虛擬仿真和“三階+三化+三思”的生物工程下游技術異步SPOC多元交互混合式教學

廖潔丹 龔權 蓋作啟 李建軍 張旭

摘?要：根據(jù)“生物工程下游技術”課程特點、學情分析和教學痛點，提出以“立德樹人”為核心，圍繞以學生為中心構建基于虛擬仿真和“三階+三化+三思”的異步SPOC多元交互混合式教學。以目標多元、注重過程為原則，借助信息化技術開展過程性評價。實踐表明，該混合式教學改革實現(xiàn)“新工科”背景下專業(yè)課的知識傳授和能力培養(yǎng)。虛擬仿真實踐教學和PBL小組合作，有效提升學生的綜合素質(zhì)，實現(xiàn)了家國情懷、科技興國、工匠精神等價值引領。

關鍵詞：生物工程下游技術;虛擬仿真;異步SPOC;混合式教學

“生物工程下游技術”是生物技術、生物工程專業(yè)大四學生的核心專業(yè)課，主要以目標產(chǎn)物的分離純化、目標產(chǎn)物的分析檢測為主線，闡述發(fā)酵液預處理、初步分離、精制和成品制備等分離純化的方法和手段，讓學生掌握并能合理設計目標產(chǎn)品的分離與純化流程。發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、根據(jù)目標產(chǎn)品特性設計產(chǎn)物的分離純化方案，是下游加工產(chǎn)品生命周期中最關鍵和最困難的問題。本課程綜合性和實踐性很強，既要注重對學生創(chuàng)新思維和實踐能力的提升，又考慮將家國情懷、科技興國、工匠精神等元素融于課堂教學。如何讓學習者在知識、能力、人格、價值培養(yǎng)中獲得提升，需要從課程資源重構、教學模式、教學設計和課程考核等方面考慮。

一、“生物工程下游技術”課程建課歷程

“生物工程下游技術”課程建設16年間，師資隊伍逐步壯大，課程體系日趨完善，教學水平顯著提升，教學資源不斷優(yōu)化。課程根據(jù)國家教育部對高等院校人才培養(yǎng)要求、地方院校人才培養(yǎng)定位、專業(yè)課程建設目標等方面，設定四個課程建設期，并針對每個時期的教學痛點提出對應教學策略和課程教改目標。

第一階段是初級建設期（2006—2010年），完成初步建課和多媒體教學。此階段主要到兄弟院校同課程進修，制作多媒體課件、編制教學大綱、電子教案、生產(chǎn)流程圖、設備結構和流程Flash等教學資源。第二階段是院級課程建設期（2010—2014年），主要完成課程資源庫、試題庫等，教學方法側(cè)重案例式教學、師生互動討論、學生匯報等。匯集典型工藝流程Flash、生產(chǎn)案例、學生PPT和匯報視頻、課堂相片為網(wǎng)絡教學平臺資源建設做準備。第三階段是省、校級精品課程建設期（2014—2018年），圍繞“以學生為中心”的課程教改和創(chuàng)新人才培養(yǎng)，通過網(wǎng)絡教學平臺建設、開發(fā)虛擬仿真軟件拓展實踐教學和課程考核改革為主。本階段網(wǎng)絡教學平臺構建獲批廣東省級質(zhì)量工程建設項目，平臺采用師生共建、以建促改、以建促學的方式，將多種教學形式結合，促進學生對專業(yè)知識的主動獲取知識和自我學習的能力。圍繞我校理工科轉(zhuǎn)型發(fā)展和“應用型”人才培養(yǎng)目標，秉承“虛實結合、相互補充、能實不虛”的建設原則，建設生物工程下游技術虛擬仿真實驗教學資源開發(fā)，實現(xiàn)校企平臺建設、產(chǎn)教融合、實驗教學團隊管理培訓和完善實踐教學管理體制。第四階段是省級一流課程建設期（2018—至今），圍繞課程思政建設、信息化教學設計、突出創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練、虛擬仿真實踐教學和過程性考核等方面教改。本階段注重挖掘?qū)I(yè)育人元素，創(chuàng)新教學內(nèi)容使之體現(xiàn)多學科融合、產(chǎn)學教融合、跨專業(yè)能力融合;積極運用互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代信息技術融入教學設計、教學方法、教學內(nèi)容和教學評價。

二、生物工程下游技術教學痛點及改革目標

“生物工程下游技術”課程貫穿了上游、中游和下游多門課程知識，從產(chǎn)品發(fā)酵液的預處理、初步提取、精制純化到成品制備技術的綜合應用，需要學生對前期所學知識進行融會貫通，在生產(chǎn)實際中能夠根據(jù)提取產(chǎn)物的特點設計行之有效的提取方案。

（一）教學痛點

“生物工程下游技術”課程內(nèi)容較為抽象，知識點碎片多;部分分離純化儀器昂貴，課程的實踐性較強，但未能提供儀器讓學生實際操作;以教師為中心的課堂教學忽視信息化手段應用，缺乏對學生實時學習過程干預，普遍存在學生學習主動性不高、學習能力差異化較大的現(xiàn)象;學生的專業(yè)穩(wěn)定性較差，責任感與使命感不足等。同時，課程內(nèi)容涉及工程倫理、工匠精神、生態(tài)文明等價值目標，單純講授灌輸會降低學生對課程的認可度。

（二）改革目標

課程緊緊圍繞“立德樹人、精于實踐、勇于創(chuàng)新、敢于創(chuàng)業(yè)的高素質(zhì)應用型人才”的目標，突出“敬業(yè)精神、工匠精神和責任意識”的培養(yǎng)，為國家和地方經(jīng)濟發(fā)展培養(yǎng)生物技術和生物工程領域具實踐能力、創(chuàng)新精神和家國情懷的高素質(zhì)應用型人才。

按照一流金課的建設標準，以“立德樹人”為核心，將“知識探索、能力培養(yǎng)、人格養(yǎng)成、價值塑造”等方面納入人才培養(yǎng)方案，教學大綱凸顯思政育人，重構課程教學內(nèi)容，重塑課程教學目標。一是知識探索。要求學生能重述產(chǎn)品的提取、分離及純化基本原理，區(qū)分不同物質(zhì)特性來選擇合適的分離純化技術;圍繞上、中、下游拓展跨學科知識，強化核心知識與科技前沿對接，緊扣生態(tài)文明建設需求培養(yǎng)清潔生產(chǎn)意識。二是能力培養(yǎng)。學生能區(qū)分不同目標分離物的特征，分析分離純化影響的因素，設計產(chǎn)品分離純化方案并評價其可行性;混合式教學加強學生自主學習、深度學習能力，培養(yǎng)批判性思維;虛擬仿真實踐培養(yǎng)學生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決復雜問題的實踐能力。三是人格養(yǎng)成。課堂教學教授物質(zhì)分離純化等方法，潛移默化讓學生感悟分離過程中家國情懷、工匠精神和生態(tài)文明等元素;通過團隊合作、同伴學習和技能實踐，培養(yǎng)學生養(yǎng)成完善人格;虛擬仿真實踐教學注重學思結合、知行統(tǒng)一。四是價值塑造。強化學生工程倫理，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神;培養(yǎng)文化自信、民族自豪感，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當?shù)取?/p>

三、生物工程下游技術異步SPOC多元交互混合式教學

“生物工程下游技術”課程建設始終堅持學?！坝藶楸?、質(zhì)量立校、特色辦學”以及“教學是立校之本，科研是強校之路，人才是發(fā)展關鍵”的辦學理念，以滿足地方所需人才培養(yǎng)為根本任務，立足地方，面向基層，培養(yǎng)基礎扎實、精于實踐、勇于創(chuàng)新、敢于創(chuàng)業(yè)的高素質(zhì)工程技術人才。

（一）課程內(nèi)容與資源建設

基于“生物工程下游技術”課程混合式教學實踐的基礎，選用中國大學MOOC平臺國家精品在線開放課程，結合我校生物技術、生物工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案、課程目標及學情分析，對不同優(yōu)質(zhì)源課程的教學取長補短，借鑒異步SPOC建立在線教學平臺，構建優(yōu)學院和“雨課堂”教學平臺的教學資源。優(yōu)學院線上資源包括：10個教學單元（教案、PPT、慕課22個、單元測試125道）。課外資源包括往屆學生優(yōu)秀作品、視頻資源庫（67個視頻和Flash）、自拍慕課2知識點（22min）、課外拓展資源文檔（65篇），線上慕課視頻時長209min。線上學習資源包括：課前指導性資源（教學大綱、教學計劃、教案、章節(jié)講義、慕課視頻）、內(nèi)容性資源（多媒體教學課件、企業(yè)生產(chǎn)、新聞案例庫資源、教學微視頻、階段性測驗、課后拓展知識、虛擬仿真教學平臺青蒿素的超臨界流體萃取和HPLC鑒定）和生成性資源（優(yōu)學院、長江雨課堂對學生的課前參與度、課堂實時互動、隨堂測驗、課后作業(yè)及討論區(qū)的活躍度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計）。

（二）“三階+三化+三思”的異步SPOC混合式教學

混合式教學是借助信息網(wǎng)絡技術將數(shù)字化在線教學與面授課堂教學相結合，突出“以學生為中心”的教學理念，充分發(fā)揮學生學習的主動性和創(chuàng)造性思維。三階段即“漸進分段設定教學目標、教學設計、學教評價”，三模式化即“課程思政融入式、PBL教學互動式、線上線下混合式”，三反思即“過程性評價反思、同伴學習反思、團隊合作反思”。SPOC（Small Private Online Course，小規(guī)模限制性在線課程）的線上學習，分為同步SPOC、異步SPOC和獨立SPOC，其中異步SPOC在因材施教方面具有明顯的優(yōu)勢，因此，異步SPOC形式開展線上線下混合式教學的相關研究也不斷呈現(xiàn)[1-2]。本課程根據(jù)OBE教育模式，課堂采用借助長江雨課堂和PBL相結合的直播教學，“三階+三化+三思”的異步SPOC混合式教學模式主要由首課教學設計、課前預習、課中學習和課后復習幾部分構成。

首課的教學設計：在開課前一周學生分組（4～5人/組），提交團隊信息（組名/組員長/組員名單/學習口號）;個人介紹（相片/個人生源地/興趣愛好/對課程的期待），教學設計中明確課程學習目標，通過案例教學、場景模擬、游戲觀摩將課程價值引領與BOPPPS、PBL和OBE等教學方法融入課堂。

課前環(huán)節(jié)：教師通過長江雨課堂發(fā)送課前預習任務單。學生課前完成慕課、課前測試、閱讀拓展資料，針對預習提出難點和疑問。通過生產(chǎn)案例、新聞、專題等閱讀將價值引領融于其中。優(yōu)學院平臺記錄學生在線預習數(shù)據(jù)及時掌握學生對新知識預習難點掌握深淺度、微信群和組長溝通課前任務安排和課中學生回答問題準備情況。

課中環(huán)節(jié)：利用長江雨課堂直播和互動功能，課中前5min學生發(fā)送投稿或個人分享，總結上節(jié)課重難點或個人預習、課中教師教授和課中測試等環(huán)節(jié)促進學生學習反思。教師課堂采用BOPPPS、啟發(fā)式教學、案例教學法、PBL、小組討論等教學方法，鼓勵學生參與課堂互動、分享或針對新聞時事發(fā)表個人見解。課堂教學關注工程倫理、人文思維、人文知識、人文能力等培養(yǎng)，知識傳授由課前的低階轉(zhuǎn)向課中的高階層次，課堂充分調(diào)動學生學習熱情，提高學生綜合能力、深度學習能力、激發(fā)學生學習興趣。

課后環(huán)節(jié)：布置課后作業(yè)、思考題和完成優(yōu)學院平臺的單元測試，精準記錄學生課后學習數(shù)據(jù)。通過優(yōu)學院討論區(qū)發(fā)布主題討論，師生共同參與進行交流，討論帖是在理解章節(jié)知識點基礎上結合工程倫理、生態(tài)文明等價值引領方面設計的開放性話題。針對課堂討論、課后測試以及案例教學中未能掌握解決的問題，學生課后與小組成員及教師共同討論研究，知識和能力提升逐步轉(zhuǎn)向高階層面。

PBL小組學習形式，學生以問題式創(chuàng)建項目組織框架，對分離純化設備參數(shù)設定等工程問題進行分析，在問題制定中確定項目目標與方法，在項目過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，跨學科的新舊知識迭代推動學生專業(yè)知識體系梳理，最終形成期末項目報告和小組匯報。教學目標由初級認知轉(zhuǎn)向設計、實施和評價產(chǎn)品分離純化設計的合理性和可行性。PBL小組合作“任務驅(qū)動型”自學、課中“學習反饋分享”和課后總結反思;期末小組答辯的自評互評、同伴學習、反思報告等環(huán)節(jié)，形成學習態(tài)度、學習能力和學習效果等過程性和綜合性評價模式。

（四）過程性評價與總結性評價相結合

以目標多元、注重過程為原則，從單一性評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣u價，提高形成性評價項目類別及分數(shù)、期末小組匯報、期末考試綜合題的高階性，體現(xiàn)課程的挑戰(zhàn)度。課程考核是期末閉卷（40%）和平時成績（60%）。平時成績中體現(xiàn)專業(yè)知識與能力素質(zhì)考核為重點，兼顧崗位技能、團隊精神、職業(yè)素質(zhì)等多方面的細化。將學習態(tài)度、學習能力和學習效果評定一部分交付學生自評和互評，并建立對教師或者其他同學的評價反饋機制，形成學習態(tài)度、學習能力和學習效果的綜合評價模式。

四、生物工程下游技術課程教改成效

《生物工程下游技術》課程以MOOC慕課本地化重構，搭建了異步SPOC在線教學平臺，學生通過手機APP完成線上學習，案例工具模式容易復制、輻射覆蓋面廣，該案例獲得2021年廣東省本科高校在線開放課程優(yōu)秀案例一等獎。課程教改中重視教學內(nèi)容的迭代更新和教學目標階段性建設，課程自2014年后獲得省級教改立項3項、校級教改3項，課程獲2019年校級教學成果一等獎，同時也得到省內(nèi)兄弟院校同行專家給予書面的高度評價。

在對2017級、2018級生物工程專業(yè)教改建設的問卷調(diào)查和師生訪談中證明，90%以上學生認同成效顯著，學生教學評價逐年遞增。教師團隊連續(xù)5年獲“教學優(yōu)秀獎”“教學質(zhì)量評估獎”，多人次獲省級、市級和校級教學獎勵。2018—2020年學生發(fā)表論文104篇，參與省級以上科技、文化競賽獲獎94項。學生分析解決問題、批判性學習和團隊協(xié)作能力提高明顯，進一步培養(yǎng)了學生工匠精神、愛國情懷和社會服務責任與擔當。

“生物工程下游技術”課程堅持“以人為本、德育為先、能力為重、全面發(fā)展”的原則，注重對學生的基本素養(yǎng)、專業(yè)知識和技能訓練，注重基本科研素質(zhì)和創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)。課程教學目標明確，教學內(nèi)容系統(tǒng)全面，教學資源豐富多樣，重學習過程的參與性和交互性，注重形成性評價和過程性評價相結合。基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的生物工程下游技術課程異步SPOC教學實現(xiàn)了課前—課中—課后各教學環(huán)節(jié)在時間和空間分配的轉(zhuǎn)變，在知識傳授、能力培養(yǎng)、人格養(yǎng)成和價值引領都起到了較好的效果，該教學模式值得推廣和借鑒。

參考文獻：

[1]朱方霞.基于MOOC的概率論與數(shù)理統(tǒng)計異步SPOC教學模式研究——以滁州學院為例[J].菏澤學院學報，2021，43（05）：105-109.

[2]張烈平，梁勇，張聲嵐，等.異步SPOC和雨課堂的數(shù)字電子技術課程混合式教學模式研究與實踐[J].高教學刊，2021，7（16）：92-95.

基金項目：2021年佛山科學技術學院質(zhì)量工程項目;2021年佛山科學技術學院課程思政建設改革項目;2020年佛山科學技術學院課程思政項目;2019年廣東省本科高校高等教育教學改革項目;2019年教育部高教司產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（項目編號：201902051013）;2018年佛山科學技術學院質(zhì)量工程項目

作者簡介：廖潔丹（1979—?），女，漢族，廣東潮州人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：獸醫(yī)微生物學與免疫學、獸藥殘留檢測。