基于深度學(xué)習(xí)的高校實驗室安全教育課程體系的建構(gòu)

邴 杰， 宋宏濤， 李 森

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京100875）

0 引 言

高校實驗室是進(jìn)行教學(xué)實踐和科學(xué)研究的特殊場所，其安全問題受到社會各界人士的普遍關(guān)注。近年來高校實驗室事故時有發(fā)生，各高校及其管理部門積極采取應(yīng)對管理措施，確保實驗室安全管理和正常運行。然而，鑒于高校實驗室的特殊性、實驗室環(huán)境的復(fù)雜性、學(xué)生流動性大、人員專業(yè)水平不等等特性，為了確保教學(xué)和科研的有序運行、減低實驗室事故發(fā)生、確保師生人身財產(chǎn)安全，高校開展實驗室安全教育課程逐漸達(dá)成共識，并認(rèn)為實驗室安全教育應(yīng)該走進(jìn)課堂，并納入學(xué)業(yè)考核指標(biāo)體系；只有實現(xiàn)實驗室安全教育理論化、系統(tǒng)化、內(nèi)涵化發(fā)展，才可有效提升實驗室安全教育質(zhì)量，預(yù)防實驗室安全事故的發(fā)生［1-2］。

為了應(yīng)對高校實驗室安全、提高學(xué)生實驗室安全意識、增強(qiáng)學(xué)生在實驗室中的安全管理能力，不同學(xué)校、專業(yè)和學(xué)科需要開發(fā)相應(yīng)的安全教育課程，讓學(xué)生及其實驗人員在進(jìn)入實驗室伊始就具備實驗室安全意識和處理實驗室安全事故的能力，為學(xué)生進(jìn)入實驗室順利開展科學(xué)實驗和研究奠定基礎(chǔ)。

1 高校實驗室安全教育的現(xiàn)狀分析

前期文獻(xiàn)和調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前高校在實驗室安全教育方面的建設(shè)逐漸完善，相較于前幾年，學(xué)校和實驗室管理得到高度重視，不同類別高校根據(jù)自身特色，基于管理學(xué)理論模型開發(fā)并建設(shè)了實驗室安全教育課程［3-4］。但其中仍存在需要增強(qiáng)和完善的方面。

1.1 實驗室安全教育被視為常態(tài)化教育的邊緣內(nèi)容

學(xué)科課程建設(shè)中并未將實驗室安全教育課程作為必修課程，也沒有作為人才培養(yǎng)計劃單獨列出，經(jīng)常以講座或以實驗室準(zhǔn)入的培訓(xùn)形式開展，有研究調(diào)查顯示58%的學(xué)生每年接受的相關(guān)安全教育課程少于4 h，并且隨著學(xué)生年級的遞增其接受安全教育的頻率也逐年下降，通常只在入學(xué)伊始實施實驗室安全教育培訓(xùn)［5］。然而，隨著學(xué)生年級的增長尤其是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗教學(xué)和科學(xué)研究活動從入學(xué)一直延續(xù)到高年級，僅通過幾次簡單的講座和培訓(xùn)活動，根本無法讓學(xué)生掌握全面的實驗室安全知識和安全管理細(xì)則，在日常實驗中各種違規(guī)操作時有發(fā)生，無形中增加了安全隱患。因此，在以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科中，需要從學(xué)科建設(shè)的高度將實驗室安全教育課程納入其正規(guī)的課程體系，作為人才培養(yǎng)計劃和課程體系的必要環(huán)節(jié)，并根據(jù)學(xué)科特征從課程理念、教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、教學(xué)活動、教學(xué)評價等方面進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計和規(guī)劃。

1.2 實驗室安全教育的課程知識內(nèi)容表層化

從前期文獻(xiàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前高校實驗室安全教育課程的設(shè)計，多利用管理學(xué)領(lǐng)域的模型設(shè)計，盡管基于管理學(xué)領(lǐng)域模型的安全教育課程設(shè)計結(jié)構(gòu)上相對比較縝密，對于安全教育課程的整體結(jié)構(gòu)框架的搭建具有一定的實際意義，但是該模式更多的體現(xiàn)是其管理效應(yīng)，側(cè)重點在實驗室的管理和培訓(xùn)，而并沒有結(jié)合學(xué)生認(rèn)知和學(xué)習(xí)規(guī)律，結(jié)合教育學(xué)理念構(gòu)建課程體系，從而造成課程知識內(nèi)容的表層化。

1.3 實驗室安全教育內(nèi)容知識重知識獲取、輕能力發(fā)展

在教學(xué)內(nèi)容的選擇上側(cè)重于安全知識和管理原則等陳述性知識，比如關(guān)注通識性安全知識和特殊專業(yè)中相關(guān)知識的教育。采用知識形式的設(shè)計具有其內(nèi)在優(yōu)勢，能在有限的課時內(nèi)包含海量的信息，在廣度和寬度上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，通過學(xué)生的短期記憶可以在較短時間內(nèi)記住這些知識內(nèi)容，并在安全教育評價中通過實驗室準(zhǔn)入考試，但是知識的記憶是有時間效度的，通過短期的記憶學(xué)生很難將知識消化理解，當(dāng)在實驗室實際操作中遇到緊急情況時，不能將這些短期知識及時調(diào)取并應(yīng)用，這是當(dāng)前實驗室安全教育效果并不顯著的重要原因之一。

1.4 實驗室安全教育評價體系過于片面

從實驗室安全教育評價體系的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前評價方式過于單一，多以總結(jié)性評價為主，通過聽取專題講座、培訓(xùn)活動、資料復(fù)習(xí)等突擊準(zhǔn)備后參加安全教育考試，即獲得實驗室準(zhǔn)入資格［6］，追蹤其根本在于對實驗室安全教育的認(rèn)知還存在著不完善，如前所述，課時的有限性和內(nèi)容的龐雜性，造成在課程目標(biāo)設(shè)計上過于重視事實性知識目標(biāo)的設(shè)計，而忽視了能力目標(biāo)和情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)的設(shè)計，在教學(xué)內(nèi)容上重理論輕實踐，進(jìn)而在評價體系上呈現(xiàn)出單一目標(biāo)的評價，缺少對能力和價值性目標(biāo)的形成性評價。

2 深度學(xué)習(xí)實驗室安全教育的內(nèi)涵

鑒于當(dāng)前高校實驗室安全教育課程發(fā)展中課程內(nèi)容的邊緣性、知識內(nèi)容的表層化、重知識獲取、輕能力發(fā)展等需要完善的問題，將深度學(xué)習(xí)的理念引入高校實驗室安全教育課程體系具有重要價值。

2.1 深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

關(guān)于深度學(xué)習(xí)的研究最早來源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，新時代我國教育教學(xué)改革以立德樹人為基準(zhǔn)，并提出了核心素養(yǎng)作為育人的重要目標(biāo)，在此背景下各大、中、小學(xué)將深度學(xué)習(xí)的理念應(yīng)用于課程教學(xué)實踐［7］。所謂深度學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者能主動學(xué)習(xí)內(nèi)容知識，并批判性的將新知識、新概念整合到原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，并能在新情境中運用這些知識做出決策，從而解決問題的學(xué)習(xí)［8］。從深度學(xué)習(xí)的發(fā)生、維持、促進(jìn)和支持4個方面可以將深度學(xué)習(xí)機(jī)制具體分為以下4個部分：情境中誘發(fā)問題、體驗中培養(yǎng)高階思維、通過實踐解決問題、結(jié)合在線和虛擬現(xiàn)實的支持模式（見圖1）。

圖1 深度學(xué)習(xí)模式圖

2.2 深度學(xué)習(xí)在實驗室安全教育中的適用性分析

深度學(xué)習(xí)在教育教學(xué)中的運用多集中在對大概念的學(xué)習(xí)和單元教學(xué)的架構(gòu)方面，將深度學(xué)習(xí)與實驗室安全教育相結(jié)合具有重要的理論和實踐意義。主要體現(xiàn)在3個方面：①從學(xué)習(xí)者的角度，實驗室安全教育應(yīng)該從淺層、機(jī)械性學(xué)習(xí)向深度學(xué)習(xí)發(fā)展，實驗室安全和管理中出現(xiàn)的任何問題都是“有或無”，任何的錯失都會引起嚴(yán)重的事故和災(zāi)害；②從學(xué)習(xí)環(huán)境的角度，深度學(xué)習(xí)以情境認(rèn)知理論為基礎(chǔ)，需要學(xué)習(xí)者參與真實情境實踐中，在與他人、環(huán)境的互動中建構(gòu)知識體系，實驗室具有情境的特質(zhì)，將學(xué)習(xí)者置身于實驗室真實情境，具備切身體驗后才會對其產(chǎn)生深刻的影響；③從深度學(xué)習(xí)特征上，其強(qiáng)調(diào)在真實情境中問題的解決能力，實驗室安全與管理建構(gòu)在實驗室特殊環(huán)境，利用標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范開展和實施實驗的過程，強(qiáng)調(diào)的是將淺層和簡單記憶的知識轉(zhuǎn)化為深層次的程序性知識，并解決問題，從而實現(xiàn)在實驗室中開展創(chuàng)造性的工作。

3 基于深度學(xué)習(xí)的實驗室安全教育課程體系的構(gòu)建

基于深度學(xué)習(xí)的實驗室安全教育課程體系的構(gòu)建主要圍繞深度學(xué)習(xí)的發(fā)生、維持、促進(jìn)和支持4個方面展開，如圖2所示。

圖2 基于深度學(xué)習(xí)的實驗室安全教育課程體系構(gòu)建圖

3.1 構(gòu)建深度學(xué)習(xí)的實驗室安全教育發(fā)生機(jī)制

深度學(xué)習(xí)的實驗室安全教育發(fā)生機(jī)制指以實驗室安全教育遴選出的核心概念為知識基礎(chǔ)，構(gòu)建能激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)的主題情境，將實驗室安全教育中呈現(xiàn)出來的新概念與學(xué)生原有知識體系關(guān)聯(lián)后的深度加工和理解，并通過特定主題情境中的核心問題驅(qū)動，促進(jìn)學(xué)生實驗室安全知識的深度建構(gòu)。以“生物安全知識與實驗室安全管理”課程為例。①通過篩選確定了共性和特性的兩類核心概念，其中共性核心概念中包含4個主要概念：實驗室安全隱患與安全管理、實驗室突發(fā)事故應(yīng)急管理、實驗室安全評價體系和實驗室信息安全；特性核心概念包含4個主要概念：動物實驗室安全與管理、微生物實驗室安全與管理、野外實踐與實習(xí)安全與管理、工程學(xué)實驗室安全與管理。每個主要概念又分為若干小知識點，見表1。②根據(jù)兩類核心概念下的8個主要概念確定5個情境主題，如，共性核心概念下設(shè)計的主題情境是“假如你是一名剛回國的PI，現(xiàn)在需要自己搭建一間生物學(xué)實驗室，請給出你的設(shè)計方案并詳細(xì)概述”。③在具體的主題情境中設(shè)計相應(yīng)的核心問題以實現(xiàn)驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)的目的（見表1）。

表1 生物學(xué)安全教育核心概念-主題情境-核心問題的構(gòu)建

3.2 基于深度學(xué)習(xí)實驗室安全教育維持機(jī)制的建構(gòu)

深度學(xué)習(xí)實驗室安全教育維持機(jī)制指的是在主題情境和核心驅(qū)動問題下，確定教學(xué)內(nèi)容，并根據(jù)教學(xué)內(nèi)容制定學(xué)生主動參與的相關(guān)學(xué)習(xí)活動，從而實現(xiàn)學(xué)生高階思維的發(fā)展。其中，教學(xué)內(nèi)容的確定主要依據(jù)核心概念中主要概念確定，在教學(xué)中教師采用講授、線上MOOC或混合SPOC等形式將該部分的理論教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生；學(xué)生活動的制定主要依據(jù)教學(xué)內(nèi)容和核心問題的解決確定學(xué)生主動參與的活動，如組織參觀重點實驗室后，讓學(xué)生以小組合作的形式，參與建模、論證、設(shè)計一間實驗室；按照布魯姆分類原則認(rèn)為高階思維是相對于低階思維而言的，分為分析、綜合、評價、創(chuàng)新、元認(rèn)知和批判性思維等，這些思維也是深度學(xué)習(xí)的核心要素［9］。學(xué)生在特定的主題情境中，需要解決其中的核心問題，就需要將生物學(xué)實驗安全教育中的基本概念進(jìn)行分析綜合，并通過比較評價其中的聯(lián)系，結(jié)合已有知識和認(rèn)知作出創(chuàng)新，在小組合作中通過彼此間的互動、批判、論證并建構(gòu)出邏輯完整的方案，從而實現(xiàn)將淺層的知識進(jìn)行深加工，實現(xiàn)遷移應(yīng)用的深度學(xué)習(xí)。

3.3 基于深度學(xué)習(xí)實驗室安全教育促進(jìn)機(jī)制的建構(gòu)

實現(xiàn)實驗室安全教育深度學(xué)習(xí)，其目標(biāo)的達(dá)成是建立在學(xué)生的實踐參與，以及問題解決能力的外顯化過程，所謂實踐參與其主旨就是讓學(xué)生解決問題，這就需要為學(xué)生提供問題解決的情境域。所謂情境域指的是為每一位學(xué)生提供主動參與的機(jī)會，通過提供解決問題支架（規(guī)范、方式、方法、步驟、建模流程、CER等），為學(xué)生解決問題提供支撐；最后，按照比格斯（Biggers）等提出的預(yù)測-過程-結(jié)果模式［10］，讓學(xué)生通過元認(rèn)知系統(tǒng)和對情境域的評價對學(xué)習(xí)過程和結(jié)果預(yù)測分析，在主題情境的核心問題下，利用理論知識和腳手架選擇合適的學(xué)習(xí)方法，最終獲得相應(yīng)的學(xué)習(xí)結(jié)果，學(xué)生在主動學(xué)習(xí)、理解概念、創(chuàng)造性的運用概念并解決問題過程中，深化其對新概念知識的理解。

3.4 基于深度學(xué)習(xí)實驗室安全教育支持機(jī)制的建構(gòu)

深度學(xué)習(xí)的理念是對傳統(tǒng)教學(xué)的變革，是隨著信息化時代的發(fā)展逐漸成熟起來的一種新型教育理念和思路。有別于傳統(tǒng)教學(xué)，從媒介上而言是對學(xué)習(xí)環(huán)境的再創(chuàng)造，跨越了常態(tài)化的課堂教室，屬于意義建構(gòu)性的學(xué)習(xí)［11］。前期大量研究顯示，借助信息網(wǎng)絡(luò)平臺、虛擬仿真技術(shù)、實時互聯(lián)機(jī)制有助于深度學(xué)習(xí)的實現(xiàn)，對于架構(gòu)深度學(xué)習(xí)的情境具有顯著優(yōu)勢［12］。因此，該課程支持機(jī)制主要包括以下3個方面：①素材庫1的構(gòu)建，主要包括圍繞主要概念的微課視頻（包含自建和大學(xué)MOOC平臺共享資源）、借助MOOC和SPOC構(gòu)建混合式實驗室安全教育課程體系，按照主要概念梳理知識點并采用微視頻、文本資料、腳手架（論證、建模、規(guī)范等操作框架與步驟舉例）的形式呈現(xiàn)。②素材庫2的構(gòu)建，利用自建、高校共享機(jī)制和國外大學(xué)公開案例為學(xué)生提供不同主題概念下的虛擬仿真實驗，讓學(xué)生在虛擬空間中掌握基礎(chǔ)知識。③利用國家實驗教學(xué)實踐平臺讓學(xué)生在真實情境中完成實操訓(xùn)練，從而實現(xiàn)線上線下一體化的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，將資源、任課教師、實驗教師、學(xué)生進(jìn)行整合，為學(xué)生合作學(xué)習(xí)、概念的意義建構(gòu)和深度學(xué)習(xí)提供了重要保障機(jī)制（見圖3）。

圖3 基于深度學(xué)習(xí)的實驗室安全教育支持系統(tǒng)構(gòu)建

4 構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的實驗室安全教育課程的學(xué)生學(xué)習(xí)評價體系

基于深度學(xué)習(xí)的實驗室安全教育課程的學(xué)生學(xué)習(xí)評價體系的構(gòu)建主要包括兩個方面，終結(jié)性評價和過程性評價兩種模式。

4.1 基于深度學(xué)習(xí)的學(xué)生學(xué)習(xí)終結(jié)性評價體系的構(gòu)建

所謂終結(jié)性評價主要是對學(xué)生每個主題學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)習(xí)任務(wù)的完成情況的評價，即對情境任務(wù)成果的評價，重在評價學(xué)生對實驗室安全教育課程中的核心概念的理解，及其遷移應(yīng)用情況的評價。根據(jù)深度學(xué)習(xí)的概念維度分為3個具體維度（理解整合、分析評價和遷移應(yīng)用）［13］；根據(jù)SOLO分類的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化［14-15］，將前結(jié)構(gòu)劃分為水平1，單一結(jié)構(gòu)劃分為水平2，多元結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)劃分為水平3，其中水平1和水平2為淺層認(rèn)知，水平3為深層認(rèn)知。具體見表2。

表2 深度學(xué)習(xí)模式下實驗室安全教育學(xué)生終結(jié)性學(xué)習(xí)評價表

4.2 基于深度學(xué)習(xí)的學(xué)生學(xué)習(xí)過程性評價體系的構(gòu)建

過程性評價主要發(fā)生在分主題學(xué)習(xí)過程中的評價，重在促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)活動能按計劃開展，教師根據(jù)學(xué)生在主題活動中的參與度進(jìn)行分析和評判。根據(jù)深度學(xué)習(xí)模式下實驗室安全教育課程的實施過程分為理論課和實踐課2個階段的過程性評價，見圖4，其中，理論課中主要對學(xué)生的課堂參與度和對概念的理解度展開評價，課程參與度指學(xué)生課堂教學(xué)中的出勤率、課堂活躍度等；概念理解度指學(xué)生對課堂教學(xué)中核心概念的建構(gòu)程度和對主要概念的理解程度，關(guān)于核心概念的建構(gòu)程度可以采用概念圖的形式進(jìn)行評價，而主要概念的理解程度可以通過對學(xué)生在小組活動中的具體表現(xiàn)作出評價，具體評價指標(biāo)可以參考終結(jié)性評價指標(biāo)中第一個維度“理解整合”中的水平劃分實施評價。實踐課中主要對學(xué)生線上課程的參與度、虛擬操作完成度、腳手架的使用度、小組內(nèi)的合作及分工以及概念的遷移運用實施評價，其中，學(xué)生線上課程和虛擬操作的參與度和完成度可以通過如“雨課堂”、平臺的后臺跟蹤其學(xué)習(xí)時長實施評價；腳手架的使用度主要體現(xiàn)在學(xué)生在完成任務(wù)的過程中對腳手架如論證模式、建模流程等使用情況進(jìn)行評判，教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，在適當(dāng)?shù)碾A段給出不同的腳手架，幫助學(xué)生完成相關(guān)的學(xué)習(xí)；小組合作及分工的評判標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)不同學(xué)生的特征和情境學(xué)習(xí)理論，學(xué)習(xí)者從邊緣的學(xué)習(xí)者到核心學(xué)習(xí)者的轉(zhuǎn)變進(jìn)行階段性評價［16］，其宗旨是讓每一位學(xué)生都能實現(xiàn)其水平的躍遷，最終在實驗室安全教育的學(xué)習(xí)中都能成為核心學(xué)習(xí)者的水平；概念的遷移運用可以具體參考終結(jié)性評價指標(biāo)中第三個維度“遷移應(yīng)用”實施評價。過程性評價的宗旨一方面促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，另一方面幫助教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的進(jìn)度，并進(jìn)一步通過反思改進(jìn)教學(xué)，設(shè)計并開發(fā)出適合學(xué)生深度發(fā)展的新任務(wù)情境。

圖4 深度學(xué)習(xí)模式下實驗室安全教育課程過程性評價建構(gòu)

5 結(jié) 語

近年來，實驗室安全管理和運行的規(guī)范性和法制化逐漸引起了世界各國的廣泛關(guān)注，并強(qiáng)調(diào)當(dāng)面臨安全性問題時，要避免實驗室生搬硬套安全規(guī)范，而鼓勵不同實驗室處理安全性問題時，采用靈活有效的實驗方法應(yīng)對，如2019年世界衛(wèi)生組織頒發(fā)的《實驗室生物安全手冊（修訂版）》中的規(guī)定［17］。為了適應(yīng)時代發(fā)展、實驗室特征、學(xué)生認(rèn)知發(fā)展等的需要，設(shè)計的基于深度學(xué)習(xí)的實驗室安全教育教學(xué)體系和評價機(jī)制，契合了當(dāng)前國內(nèi)、外對實驗室安全和管理的需求，基于前期的教學(xué)實踐也發(fā)現(xiàn)該課程對學(xué)生實驗室安全素養(yǎng)的全面發(fā)展具有重要作用。