新工科背景下信息化實驗教學改革探索

摘 要 為適應新工科背景下實驗教學的高速發(fā)展，從課程建設(shè)和信息化教學兩方面對生物分離工程實驗課程進行改革。應用泛雅網(wǎng)絡教學平臺建設(shè)網(wǎng)絡課程，引導學生課前完成線上預習，豐富教學模式，激發(fā)學生學習興趣。整合虛擬技術(shù)資源輔助實驗課程教學，拓展實驗教學的廣度及深度，增強實驗教學實際效果。以小組任務為載體拓展課外學習空間，結(jié)合優(yōu)質(zhì)慕課資源進行在線教育，學生利用碎片化時間完成自我提升。通過信息化實驗教學增強生物分離工程實驗課程教學效果，為推動高校教育現(xiàn)代化發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞 生物工程；生物分離工程實驗；信息化實驗教學；虛擬仿真；慕課；微課；網(wǎng)絡教學平臺

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）17-0-03

0 引言

生物工程在引領(lǐng)未來經(jīng)濟社會發(fā)展中的戰(zhàn)略地位不斷提高，在解決人類發(fā)展面臨的資源、環(huán)境和健康等重大問題方面展現(xiàn)出巨大潛力，因此需要建立完善的生物工程領(lǐng)域應用型人才培養(yǎng)體系。生物分離工程實驗是面向生物工程專業(yè)開設(shè)的專業(yè)必修課程，是現(xiàn)代生物分離技術(shù)和生物學相互結(jié)合而發(fā)展起來的一門新型技術(shù)學科，對培養(yǎng)生物工程綜合應用型人才具有重要意義。生物分離工程實驗教學內(nèi)容綜合了生物分離領(lǐng)域中的各種物質(zhì)分離技術(shù)和研究方法，主要培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，提高其綜合素質(zhì)，為將來的科研工作打下堅實基礎(chǔ)。目前，該實驗課程已經(jīng)在各個高校廣泛開設(shè)。

1 傳統(tǒng)實驗教學的局限性

傳統(tǒng)的實驗教學模式往往以教師為中心，課上教師講授實驗過程并指導學生進行實驗操作，課下學生按時書寫實驗報告并提交。實驗課程內(nèi)容有限，教學模式單一，雖然具有一定的教學成效，但是隨著時代發(fā)展和教學改革的進行，傳統(tǒng)實驗教學模式的局限性逐漸凸顯。

1）實驗課前學生參與度低，預習時使用的參考資源有限，不能全面理解實驗內(nèi)容；教師講授課時有限，學生難以在短時間內(nèi)掌握所學知識，實驗操作過程中容易出錯，影響實驗結(jié)果。

2）實驗課后學生以完成實驗報告為主，課外練習空間小，對知識的掌握程度低。

3）教學手段單一，無法滿足現(xiàn)階段多樣化的信息化學習需求，難以激發(fā)和維持學生的學習興趣。

4）教學內(nèi)容局限于教材內(nèi)容，上課時間和空間有限，學生課上所學所練均為最基礎(chǔ)和安全的實驗內(nèi)容，無法系統(tǒng)學習與課程相關(guān)的其他實驗操作，對于本領(lǐng)域內(nèi)的先進儀器使用較少，如酶純化儀和超臨界流體制備儀器等科研工作中常用的儀器。

同時，生物分離工程實驗內(nèi)容安排相對固定，現(xiàn)代生物技術(shù)迅猛發(fā)展，一系列重要進展和重大突破被廣泛應用于各行各業(yè)，很多先進技術(shù)和實驗操作不能及時加入課程當中，造成學生的知識面相對較窄。

隨著我國科技水平和綜合國力的大幅提升，生物工程領(lǐng)域發(fā)展迅速，傳統(tǒng)的以教師為中心的線下實驗課程教學模式已經(jīng)無法滿足學生學習和綜合素質(zhì)培養(yǎng)的要求，單一的實驗教學模式授課效果達不到現(xiàn)階段高等教育要求的“兩性一度”，建設(shè)具有創(chuàng)新性、高階性、挑戰(zhàn)度的新型實驗課程授課模式迫在眉睫[1]。

2 信息化實驗教學改革

為了解決目前高校生物工程專業(yè)生物分離工程實驗教學中的上述瓶頸問題，課題組著重于將單一的傳統(tǒng)實驗室教學模式進行優(yōu)化，充分利用現(xiàn)代信息化教學手段支持和優(yōu)化生物分離工程實驗課程，增加信息化教學方式的比重，使其發(fā)展成為以學生為中心的新型現(xiàn)代信息化教學模式。

2.1 網(wǎng)絡教學平臺建設(shè)課程，學生課前線上學習

本研究以當前生物分離工程實驗教學的現(xiàn)狀為出發(fā)點，充分利用泛雅網(wǎng)絡教學平臺，構(gòu)建線上課程并引入實驗教學，豐富教學模式，激發(fā)學生學習興趣，提高學習積極性和實驗課程的參與程度，促進教育的信息化。針對生物分離工程實驗課程三個綜合性實驗分別建立網(wǎng)絡微課和標準實驗操作視頻，具體內(nèi)容如下。

1）微課建設(shè)。微課是以教學視頻為主要載體，記錄教師在課堂教學過程中針對實驗過程開展的簡短教學活動。生物工程專業(yè)的生物分離工程實驗有許多前期實驗材料由教師操作獲得，有些實驗過程較復雜，課上講解不能完整全面地展示實驗過程，學生理解起來較困難。因此，可以將前期實驗過程制作成微課，復雜的實驗過程以視頻形式呈現(xiàn)，讓學生在實驗課前通過反復觀看視頻掌握基本實驗流程，增強實驗課程學習效果。

2）標準實驗操作視頻。標準實驗操作視頻主要內(nèi)容是實驗課程中的基礎(chǔ)實驗操作過程或?qū)嶒瀮x器操作方法，由教師或?qū)W生錄制并制作成視頻，上傳至網(wǎng)絡教學平臺供學生學習使用。生物分離工程實驗課程開設(shè)學期是第六學期，學生前期實驗基礎(chǔ)較弱，對新開設(shè)實驗內(nèi)容不了解，對實驗儀器較陌生，實驗操作過程中容易出現(xiàn)基礎(chǔ)性錯誤。標準實驗操作視頻涵蓋實驗過程中所有的基礎(chǔ)實驗操作和實驗儀器操作方法，學生課前通過觀看可以掌握基本實驗操作技能，避免出現(xiàn)基礎(chǔ)錯誤；同時能規(guī)范實驗操作方法，提高實踐能力。

授課教師于課前一周發(fā)布實驗課預習任務，要求學生按時完成課程任務點的學習；針對課程內(nèi)容，在網(wǎng)絡教學平臺發(fā)布習題測驗和話題討論，組織學生通過網(wǎng)絡教學平臺分組完成任務。教師及時登錄網(wǎng)絡教學平臺查看學生完成情況，根據(jù)預習結(jié)果合理調(diào)整授課內(nèi)容，整理課前線上預習綜合成績計入課程考核。新型的信息化學習模式和富有挑戰(zhàn)度的話題討論可以迅速激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。通過課前預習，學生可以在很大程度上掌握該次實驗課的授課內(nèi)容，教師可以節(jié)約課堂講授時間，加強學生實驗操作技能的培養(yǎng)，提高學生動手能力和科學研究能力。

2.2 整合虛擬仿真技術(shù)資源，輔助實驗課程教學

傳統(tǒng)的“教師演示—學生練習—教師指導”教學模式存在很多問題，例如：實驗儀器、設(shè)備、實驗室空間不足，所涉及領(lǐng)域?qū)儆诤暧^或微觀，現(xiàn)實條件沒有合適案例進行演示；有些實驗需要高成本、低可操作性的物理演示系統(tǒng)，學生親手實踐的機會少。傳統(tǒng)課堂教學的局限性會影響學生學習的積極性[2]。

本課程針對傳統(tǒng)實驗課堂學時有限和實驗設(shè)備不足等局限性，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)最新產(chǎn)品及模式特點，對線上虛擬仿真資源進行整合，提供更多實驗環(huán)境，擴大學生知識面，拓展學生學習時間和空間。課外虛擬仿真實驗資源整合主要包括以下內(nèi)容。

1）生物工程虛擬仿真軟件整合：將生物工程虛擬仿真軟件和生物化學虛擬仿真軟件中有關(guān)各種生物活性物質(zhì)的分離、純化和精制技術(shù)部分進行排序與調(diào)整。

2）制藥工程虛擬仿真軟件整合：使用與生物分離工程相關(guān)的阿司匹林工藝3D仿真軟件、原料藥工廠生產(chǎn)仿真實訓軟件。

3）食品工業(yè)虛擬仿真軟件整合，包括葡萄酒工藝仿真軟件、豆奶粉工藝虛擬仿真軟件、液相色譜儀仿真軟件。

4）虛擬仿真軟件操作視頻：對于不能實現(xiàn)在線操作的虛擬仿真軟件，通過網(wǎng)絡搜索和查詢，收集相關(guān)軟件操作視頻供學生觀看。

針對不能在實驗室進行的項目，提供虛擬技術(shù)資源。每次實驗課程授課過程中，給學生預留足夠時間進行虛擬仿真操作練習，更大程度地拓展實驗教學的廣度及深度，增強實驗教學實際效果。采用專業(yè)的仿真軟件，結(jié)合網(wǎng)絡教學資源，構(gòu)建的虛擬仿真實驗教學平臺可以降低實驗教學成本，豐富教學內(nèi)容，打破教學時間和空間限制，創(chuàng)造安全有效的學習環(huán)境，大幅度地增強教學效果。

2.3 拓展課外練習空間，教師與學生課下云互動

傳統(tǒng)實驗教學課時有限，教師和學生在課后缺乏有效互動，課后任務為單一的實驗報告撰寫，學生完成任務過程中大多參考實驗講義，缺乏主觀能動性和創(chuàng)新性。因為教學時間和空間有限，學生無法對實驗內(nèi)容進行深入思考，在實際的科研工作中難以做到學以致用，實踐能力差[3]。

為了使學生更好地掌握所學知識，本研究根據(jù)實驗課程內(nèi)容和特點在泛雅網(wǎng)絡教學平臺建立案例庫、試題庫和小組任務庫，拓展學生的課后學習空間，豐富課后練習內(nèi)容。讓學生進行探索性學習，對知識點的深度、廣度、難度加以研究，提高學生分析問題的能力，進一步加深對知識的理解。學生課后登錄網(wǎng)絡課程觀看案例，完成相關(guān)試題的測驗后，以小組為單位領(lǐng)取小組任務，組內(nèi)成員相互合作查閱文獻或者進行課外實驗，共同完成任務。小組任務庫中的任務分為高階任務和普通任務，各小組可以根據(jù)自己的實際情況合理選擇，保證不同基礎(chǔ)的學生分別得到合理的鍛煉。學生完成小組任務后需將結(jié)果上傳至網(wǎng)絡教學平臺，教師及時批閱反饋，學生根據(jù)教師的意見進行總結(jié)和完善，進一步加深對知識的理解和掌握。學生完成任務過程中如果遇到不懂的問題，可以在網(wǎng)絡教學平臺上進行提問，問題可以通過不同的方式進行解答。

1）學生提問，教師回答。針對學生在任務完成過程中提出的問題，教師可以適當引導學生理清思路，通過拓展思維和探索性學習，讓學生自行尋找答案，真正做到學中思、思中學，提高知識應用能力。對于難度較高的問題，教師可以給出參考答案，引導學生認真分析、舉一反三。

2）學生提問，學生回答。對于學生提出的創(chuàng)新性較強的問題，教師會將問題轉(zhuǎn)化為話題討論發(fā)布在網(wǎng)絡教學平臺，組織學生進行討論，綜合分析后將最終答案發(fā)布于教學平臺，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。

3）拋出問題，多人回答。教師課后在網(wǎng)絡教學平臺發(fā)布與實驗課程內(nèi)容相關(guān)的開放性問題，組織學生復習實驗內(nèi)容并查閱資料，分析總結(jié)可能的答案上傳至網(wǎng)絡教學平臺。開放性試題沒有標準答案，學生可以發(fā)散思維、暢所欲言，只要回答合理即可得分，培養(yǎng)學生文獻檢索和自主學習的能力[4]。

以小組任務為載體拓展學生的課后練習時間和空間，以學生為中心將理論和實踐相結(jié)合，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和實踐能力。教師承擔引導者工作，學生自主完成課后任務，教師和學生課后云互動，激發(fā)學生的學習興趣，極大地增強教學效果。

2.4 慕課助力在線教育，碎片化時間提升自我

現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動了我國教育技術(shù)的改革和創(chuàng)新，以學生為中心的教育思想和理念得到落實。慕課資源的出現(xiàn)，推動傳統(tǒng)教學體系和方法進行全面革新，豐富了教學資源，讓教學過程充滿了動態(tài)性和多元化，激發(fā)了學生的學習興趣，切實增強了學生的學習效果[5]。

傳統(tǒng)實驗課程授課時間和課容量有限，學生課后學習主要集中在復習實驗內(nèi)容和撰寫實驗報告，學習內(nèi)容較單一。學生在學習過程中只能接收本課程教師的教學內(nèi)容，學習效果受教師的影響較大，無法接觸其他高校的類似課程，學習面較窄。慕課是通過大規(guī)模在線教育形成“共享名師和優(yōu)課”模式的課程，課程以短視頻和交互式練習方式授課，依托網(wǎng)絡實現(xiàn)師生互動交流，使在線學生有上課感。同類課程有多所高校在慕課平臺建立優(yōu)質(zhì)網(wǎng)課，如南京工業(yè)大學建設(shè)的生物分離工程課程和四川大學建設(shè)的制藥分離工程課程就與生物分離工程實驗課程內(nèi)容相關(guān)，學生可以利用課余時間選擇相應的課程進行自主學習。課后線上學習階段，學生可以根據(jù)自己的時間合理安排上課時間，利用慕課平臺和全國高校教學名師互動交流，利用碎片化的時間完成知識的學習。通過學習不同高校的課程內(nèi)容，進一步加深學生對知識點的理解，幫助學生把理論知識和實驗過程有機結(jié)合，提高學生的知識應用能力，保證實驗教學高質(zhì)高效地完成。

3 結(jié)束語

生物分離工程實驗課程是生物分離工程理論課程的重要補充，課程的教學效果直接影響生物工程專業(yè)人才的培養(yǎng)。本研究將信息化技術(shù)引入課程教學，利用泛雅網(wǎng)絡教學平臺建立生物分離工程實驗網(wǎng)絡課程，幫助學生課前完成課程內(nèi)容的預習工作；整合虛擬資源進一步豐富課程內(nèi)容，實現(xiàn)教學信息從信息源到學習者之間智能化的傳遞；建立課程資源庫、任務庫，教師與學生課后云互動，提高學生學習效率；篩選優(yōu)質(zhì)慕課資源助力實驗教學，拓展學生學習時間和空間，進一步增強學習效果。隨著課程的進行，課程資源會不斷改進和完善，為推動我國高校教育現(xiàn)代化和信息化發(fā)展作出貢獻。

4 參考文獻

[1] 張穎，王鋰韞，李衛(wèi)錦.分子生物學實驗課程建設(shè)與教學改革探索[J].中國教育技術(shù)裝備，2023（2）：136-138.

[2] 李瀾，王吉.高等學校虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀及趨勢研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2022（19）：18-21，25.

[3] 李誠誠.超星學習通和釘釘線上教學環(huán)境與案例教學法融合的教學模式構(gòu)建[J].中國教育技術(shù)裝備，2022（20）：47-50.

[4] 謝春麗，范東溟，馬振江.問題引導式BOPPPS教學法在工科專業(yè)課程中的應用實踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2023（6）：104-107.

[5] 郝正君.高?！澳秸n+翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式構(gòu)建研究[J].淮南職業(yè)技術(shù)學院學報，2023，23（2）：70-72.

*項目來源：齊魯理工學院校級教研項目“新工科背景下虛擬仿真技術(shù)輔助《生物分離工程實驗》教學”（項目編號：JG202026）。

作者簡介：張俊嬌，通信作者，講師；高曉娟，副教授；鹿小詩、張亞男、王靖婷，講師。