基于OBE理念的“微生物學實驗”改革探索

黃海嬋, 孫東昌

(浙江工業大學 生物工程學院, 浙江 杭州 310014)

傳統的微生物學實驗,注重理論知識的驗證和鞏固,綜合型、設計型實驗相對較少,影響了學生開展實驗的主動性和積極性,削弱了學生的實踐動手能力、綜合運用知識能力和創新思維的培養和提高[1]。為改變這種現狀,我校結合教學實際,將OBE(outcomes-based education)理念貫穿于微生物學實驗教學過程各個環節,進行了教學策略和內容的調整、教學方法和手段的優化整合以及評價方式的改進[2-4]。

1 調整教學策略,進行有針對性的教學

1.1 構建項目式微生物學實驗

OBE理念要求從預期成果出發,反向推導各類專業課程為滿足目標達成而需要的知識、能力和素質要求,將課程的設置放在專業人才培養的預期成果導向之下[5]。根據能解決復雜工程問題的專業畢業要求,我校在原有微生物學實驗內容的基礎上,通過調整實驗順序,將分散的驗證型、操作型實驗進行重新設計和整合,串聯成為以“功能微生物篩選與鑒定”為主線的應用研究型實驗項目[6]。

學生從實驗材料的準備開始,通過樣品的采集、功能微生物的篩選、觀察、鑒定,最后完成一個功能產品的開發,其中將培養基的配制及滅菌、功能微生物的分離純化、微生物的形態學觀察、活性物質的測定、微生物鑒定等各個微生物研究常用的方法和技能有機合理地穿插至整個實驗中(見圖1)。每個實驗內容獨立,但又有較好的拓展性、延續性和應用性。它們系統地、有機地聯系在一起,組成一個環環相扣的大實驗,實驗與實驗之間相互聯系、相互影響,前一個實驗是后一個實驗的準備,后一個實驗是前一個實驗的延續,解決了原有各實驗之間自成體系、相互脫節的情況,克服了實驗內容劃分過細、知識面過窄,只單純進行實驗訓練技能的弊端,培養學生的創新意識和創新能力,做好實驗教學和科學研究的銜接。

圖1 項目式微生物學實驗設置情況

在教學過程中,學生不僅需要進行一系列細致的準備工作,如所需各類培養基的用量計算和配制、玻璃器皿的洗滌、包扎和滅菌等, 還需要對實驗結果進行觀察、分析、數據處理。實驗中要求學生認真觀察、積極思索,在鍛煉技能的同時培養嚴謹認真的科學態度,不僅保留了對實驗技能強化訓練的優勢,還讓學生更深刻領會到微生物實驗技術是一個連續的、系統的知識體系,訓練學生具有綜合運用理論和技術手段設計實驗并進行實施的能力,同時還要求能夠考慮到經濟、環境、安全、健康、法律等制約因素。

1.2 實驗設置具有專業針對性

不同專業的學生所學知識背景不同,其實驗教學目標和培養目標也不同。微生物學實驗在進行項目式教學的同時,針對不同的專業及其畢業指標要求點,遵循OBE理念,“反向設計”了學生感興趣的、符合專業發展方向的、科學實用的實驗項目,激發了學生的學習興趣,提高其專業學習熱情[7]。

比如:針對生物工程專業學生,設置了“土壤中淀粉酶產生菌的篩選與鑒定”實驗項目,要求學生從土壤中篩選能產生具有特定功能酶(比如淀粉酶)的微生物,并對其進行分離純化、酶活性檢測和菌種鑒定；針對食品工程專業,設置“微生物源食品防腐劑產生菌的篩選與鑒定”實驗項目,要求以大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌為腐敗指示菌,從土壤中進行分離并進行活性檢測和菌種鑒定；針對環境工程專業,設置“活性淤泥中降解微生物的分離、鑒定與特性研究”實驗項目,要求學生從活性淤泥中篩選獲得具有一定降解能力的微生物,并對其進行分離純化、鑒定及降解特性研究,還增加了“活性淤泥及其生物相的觀察”等教學內容；生物制藥專業設置了“抗菌物質產生菌的篩選與鑒定”實驗項目,以黑曲霉、青霉為篩選指示菌,篩選具有抗真菌活性微生物,并增加了“抗生素的生物效價測定”等教學內容。針對來自不同國家的國際生,根據留學生基礎薄弱、語言溝通不暢、實踐操作能力弱等特點,適當地降低教學難度。不同專業選取的實驗項目,其實驗路線、實驗原理與技能既有共同點,又不完全相同,在兼顧到體現不同專業特色的同時,實驗又有很好的可操作性,能滿足各專業畢業要求的指標點。

1.3 撰寫科技論文

項目式微生物學實驗中保留傳統實驗教學的優勢,要求每個實驗都需課前預習、課后實驗總結、撰寫實驗報告,扎扎實實地抓具體項目的質量。在完成整個項目式研究之后,學生需要將所有實驗現象和結果進行整理,撰寫一份“功能微生物篩選與鑒定”的科技小論文。論文除了要求按論文格式書寫,還需要形成本實驗研究的成果與觀點、應用前景以及社會、經濟效益預測,并提出進一步研究的設想。在這樣一條有延續、有應用、有歸納總結的學習下,“內化于心”,學生體驗到創新的艱辛與樂趣,鍛煉了學生的論文撰寫能力,學會了分析問題、解決問題的思想和方法,為高年級階段綜合實驗和課外科技活動的開展奠定了良好的基礎。

2 優化教學方法,開展個性化教學

2.1 增加設計性元素

在進行項目式探究教學的同時,保留了原有的顯微鏡驗證型實驗。驗證型實驗作為一種重要的實驗類型,無論在科學研究中還是科學教育中都是不可或缺的,其作用也是任何其他類型的實驗所無法替代的。但僅僅停留在“驗證”的層面上不符合專業培養的要求,經過重新調整,要求學生在完成驗證實驗后,增加設計性元素[8-9]。比如在“細菌的革蘭氏染色”實驗中,教師要求學生在完成驗證實驗的同時,設計實驗深入探討革蘭氏染色結果的影響因素,學生設計了“乙醇脫色時間對革蘭氏染色的影響”以及“染色液染色時間和乙醇脫色時間的不同配比實驗”,探討最佳配比方案。學生課前選題,通過文獻查閱,自己設計個性化方案,擬定實驗因素和水平,并進行分工實施,最后拍照保存實驗結果、記錄實驗數據,進行結果對比和分析。剛接觸專業的學生此時還缺少活躍的設計思維能力和應有的專業素養,憑借個人難以完成高難度設計性實驗,故而教師布置的設計性環節要求難度適宜、可操作性強,使學生在課堂上能較為容易實施。

同時學生還需根據“功能微生物的篩選”中獲得的功能微生物的菌落特征進行種類區分,并進一步進行染色與觀察,深入開展其形態結構(形狀、大小、排列方式)、細胞特殊構造(莢膜、鞭毛、芽孢等)及染色特性的研究和討論。這個過程要求學生對所學知識融會貫通、活學活用,不斷優化實驗條件、調整實驗方案,解決較為復雜的工程問題,為今后的科學研究奠定基礎。

2.2 “互聯網+翻轉課堂”

實驗教學本身就是一個教學相長的過程,課堂不是教師一個人的舞臺,實驗課堂尤其如是,必須讓學生積極主動地參與進來,使得教學成為教師與學生之間相互對應、有效溝通的過程。基于印刷術的傳統教學模式,課堂知識容量較小,師生雙向互動方式單一、途徑少,師生間缺少多樣化、多層次的互動交流,學生學習主動性未得到充分的發揮。

微生物學實驗采用“互聯網+翻轉課堂”的模式,針對具體實驗、具體教學進行具有個性化的設計,調動教師、學生的主觀能動性,整合各類優質資源,發揮互聯網的優勢,讓互聯網和實驗教學深度融合、碎片學習和系統學習有機結合,突出學生在教學中的主體地位,切實培養學生綜合素質。課前,教師設計教學方案,收集、整理教學資料,錄制教學微視頻,將知識碎片化,并在網絡教學平臺上進行發布,替代教師的課堂講解和演示。學生使用電腦、移動設備閱讀電子文檔,觀看視頻、聽“課”等,利用碎片化時間進行課前學習,查閱需要的材料、與同學討論、向老師提問,并通過完成測驗題檢驗預習效果。課中,教師設定實驗任務,有針對性地答疑，學生利用課堂內的寶貴時間,更自主、更專注的進行基于項目的主動實踐,并和教師、同學互動交流,獲得更深層次的理解。課后,學生互相交流學習心得并自我評價。通過這種碎片化學習與系統學習的有機融合,課外完成知識傳授,課堂內進行知識內化,使得學習更加靈活、主動和有趣,學生參與度更強。

3 多樣化的教學手段,課內課外協同發展

隨著“互聯網+教育”的跨界融合,傳統的黑板、教具、幻燈片轉變為如今的多媒體技術、視頻技術,甚至是網絡技術,引領新時代的教育變革?；诨ヂ摼W的各種教學手段和教育資源,包括網絡教學系統、慕課、微課、虛擬仿真實驗等極大地補充了實驗教學,是提高教學質量、推進公平教育的重要手段,也促進和推動了以OBE為導向的工程人才培養。

3.1 網絡教學系統

我校的浙江省生物基礎實驗教學示范中心建設有教學網站“生物基礎實驗教學中心”,是“互聯網+翻轉課堂”教學模式實施和學生學習的主要平臺。教師在系統中發布教學內容和教學資源,學生可以進行實驗預習、實驗報告和科技論文的遞交等教學活動,同時還可以進行網上教學、實驗技術交流、網上選課和教學效果反饋。學生可在課前、課后任何時間,在校園網上的任何一個終端上進行自學、預習和復習實驗的有關內容,提前了解實驗的要求、步驟和注意事項。通過實驗教學課件、教學視頻、技能微視頻、虛擬實驗等教學資源進行課外學習,大大增加了教學的靈活性和機動性,讓有限的課堂在課外無限延伸。除此之外,網絡教學系統還具有實驗室管理和門禁預約、儀器設備預約和管理、實驗課程管理等功能。

3.2 虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗是利用虛擬現實或實物仿真技術創建、重塑或還原實驗教學場景的信息化或模擬式教學工具和手段。利用信息化的重要技術,構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象,對一些微生物學研究中重要的、經典的實驗或者是內容抽象、過程復雜、在實驗課堂教學中難以實現的實驗進行模擬仿真,并將仿真軟件上傳到教學系統上,學生可以遠程開展虛擬實驗。雖然虛擬實驗過程不具有真實性,但信息技術的文字、聲音、圖像、動畫效果能讓學生有身臨其境的感受,提高學生學習興趣。我校微生物學教研組開發了“細菌的革蘭氏染色”“5L發酵罐中微生物的發酵生產”“利用Biolog自動微生物鑒定系統進行微生物的分類鑒定”等虛擬實驗項目[10],實驗室環境、實驗儀器、實驗材料與用品等素材均來源于真實實驗,學生通過模擬完成整個實驗,可多次重復,大大提高了真實實驗操作的規范性、實驗結果的準確性以及實驗教學效率,達到了以虛補實、以虛代實、虛實結合的目的。

4 完善評價方式,實現多方位考核

OBE理念要求對學生學習能做出有效的產出性評估,教學和評估能相輔相成,以學生的發展為本,關注學生內在的感受、體驗、主體性及潛能的發掘[11]。不僅僅是對結果進行評價,還需強調過程的評價,通過對學生學習過程中各方面的發展做出的評價,引導教學進程正確并完善地進行。我們對學生評價體系進行了改進,將過程評價納入評價體系,增加了實踐學習過程的“學習診斷”,即教師在教學中全面了解和掌握學生實驗的整體情況,并對學生的實驗過程、實驗質量和實驗結果做出及時、客觀、公正的指導和評價。同時根據實驗目標和教學內容設計了5個考核單元——“顯微技術”“無菌接種技術”“分離純化技術”“微生物染色技術”“玻璃器皿的包扎”,在實驗過程中及時評價與反饋,學生根據教師評價及時進行修正和改進。成績評定方法也做出相應的調整,總評成績包括學習診斷(30%)+10份實驗報告(30%)+科技論文(20%)+期末操作考試(20%),比較全面地反映了學生表現和學生的綜合素質。

5 結語

為適應工程教育的需要,以OBE為導向的教學理念貫穿并滲透于微生物學實驗教學全過程,學生在完成課程后能懂得運用所學的知識、技能進行復雜的工程問題研究,培養了學生解決復雜工程問題的素養和能力,使實驗教學從過去的“獲取知識”向“探究知識”轉變,從“以教師為中心,以教學為中心”向“以學生為中心,以學習為中心”轉變,由單純驗證性實驗向具有設計性、專業針對性的綜合實驗項目轉變[12]。經過多年改革實踐,取得了一定的成效,為工程人才的培養起到一定的推進作用,我校環境工程、制藥工程、生物工程專業先后通過了工程教育認證。