基于深度學習的高校實驗室安全教育課程體系的建構

邴 杰， 宋宏濤， 李 森

（北京師范大學生命科學學院，北京100875）

0 引 言

高校實驗室是進行教學實踐和科學研究的特殊場所，其安全問題受到社會各界人士的普遍關注。近年來高校實驗室事故時有發生，各高校及其管理部門積極采取應對管理措施，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、實驗室環境的復雜性、學生流動性大、人員專業水平不等等特性，為了確保教學和科研的有序運行、減低實驗室事故發生、確保師生人身財產安全，高校開展實驗室安全教育課程逐漸達成共識，并認為實驗室安全教育應該走進課堂，并納入學業考核指標體系；只有實現實驗室安全教育理論化、系統化、內涵化發展，才可有效提升實驗室安全教育質量，預防實驗室安全事故的發生［1-2］。

為了應對高校實驗室安全、提高學生實驗室安全意識、增強學生在實驗室中的安全管理能力，不同學校、專業和學科需要開發相應的安全教育課程，讓學生及其實驗人員在進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，為學生進入實驗室順利開展科學實驗和研究奠定基礎。

1 高校實驗室安全教育的現狀分析

前期文獻和調查研究發現，當前高校在實驗室安全教育方面的建設逐漸完善，相較于前幾年，學校和實驗室管理得到高度重視，不同類別高校根據自身特色，基于管理學理論模型開發并建設了實驗室安全教育課程［3-4］。但其中仍存在需要增強和完善的方面。

1.1 實驗室安全教育被視為常態化教育的邊緣內容

學科課程建設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計劃單獨列出，經常以講座或以實驗室準入的培訓形式開展，有研究調查顯示58%的學生每年接受的相關安全教育課程少于4 h，并且隨著學生年級的遞增其接受安全教育的頻率也逐年下降，通常只在入學伊始實施實驗室安全教育培訓［5］。然而，隨著學生年級的增長尤其是以實驗為基礎的學科，實驗教學和科學研究活動從入學一直延續到高年級，僅通過幾次簡單的講座和培訓活動，根本無法讓學生掌握全面的實驗室安全知識和安全管理細則，在日常實驗中各種違規操作時有發生，無形中增加了安全隱患。因此，在以實驗為基礎的學科中，需要從學科建設的高度將實驗室安全教育課程納入其正規的課程體系，作為人才培養計劃和課程體系的必要環節，并根據學科特征從課程理念、教學目標、內容、教學活動、教學評價等方面進行系統的設計和規劃。

1.2 實驗室安全教育的課程知識內容表層化

從前期文獻研究中發現，當前高校實驗室安全教育課程的設計，多利用管理學領域的模型設計，盡管基于管理學領域模型的安全教育課程設計結構上相對比較縝密，對于安全教育課程的整體結構框架的搭建具有一定的實際意義，但是該模式更多的體現是其管理效應，側重點在實驗室的管理和培訓，而并沒有結合學生認知和學習規律，結合教育學理念構建課程體系，從而造成課程知識內容的表層化。

1.3 實驗室安全教育內容知識重知識獲取、輕能力發展

在教學內容的選擇上側重于安全知識和管理原則等陳述性知識，比如關注通識性安全知識和特殊專業中相關知識的教育。采用知識形式的設計具有其內在優勢，能在有限的課時內包含海量的信息，在廣度和寬度上具有相當大的優勢，通過學生的短期記憶可以在較短時間內記住這些知識內容，并在安全教育評價中通過實驗室準入考試，但是知識的記憶是有時間效度的，通過短期的記憶學生很難將知識消化理解，當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取并應用，這是當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現，當前評價方式過于單一，多以總結性評價為主，通過聽取專題講座、培訓活動、資料復習等突擊準備后參加安全教育考試，即獲得實驗室準入資格［6］，追蹤其根本在于對實驗室安全教育的認知還存在著不完善，如前所述，課時的有限性和內容的龐雜性，造成在課程目標設計上過于重視事實性知識目標的設計，而忽視了能力目標和情感態度與價值觀目標的設計，在教學內容上重理論輕實踐，進而在評價體系上呈現出單一目標的評價，缺少對能力和價值性目標的形成性評價。

2 深度學習實驗室安全教育的內涵

鑒于當前高校實驗室安全教育課程發展中課程內容的邊緣性、知識內容的表層化、重知識獲取、輕能力發展等需要完善的問題，將深度學習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 深度學習的內涵

關于深度學習的研究最早來源于人工神經網絡的研究，新時代我國教育教學改革以立德樹人為基準，并提出了核心素養作為育人的重要目標，在此背景下各大、中、小學將深度學習的理念應用于課程教學實踐［7］。所謂深度學習是指學習者能主動學習內容知識，并批判性的將新知識、新概念整合到原有認知結構中，并能在新情境中運用這些知識做出決策，從而解決問題的學習［8］。從深度學習的發生、維持、促進和支持4個方面可以將深度學習機制具體分為以下4個部分：情境中誘發問題、體驗中培養高階思維、通過實踐解決問題、結合在線和虛擬現實的支持模式（見圖1）。

圖1 深度學習模式圖

2.2 深度學習在實驗室安全教育中的適用性分析

深度學習在教育教學中的運用多集中在對大概念的學習和單元教學的架構方面，將深度學習與實驗室安全教育相結合具有重要的理論和實踐意義。主要體現在3個方面：①從學習者的角度，實驗室安全教育應該從淺層、機械性學習向深度學習發展，實驗室安全和管理中出現的任何問題都是“有或無”，任何的錯失都會引起嚴重的事故和災害；②從學習環境的角度，深度學習以情境認知理論為基礎，需要學習者參與真實情境實踐中，在與他人、環境的互動中建構知識體系，實驗室具有情境的特質，將學習者置身于實驗室真實情境，具備切身體驗后才會對其產生深刻的影響；③從深度學習特征上，其強調在真實情境中問題的解決能力，實驗室安全與管理建構在實驗室特殊環境，利用標準的規范開展和實施實驗的過程，強調的是將淺層和簡單記憶的知識轉化為深層次的程序性知識，并解決問題，從而實現在實驗室中開展創造性的工作。

3 基于深度學習的實驗室安全教育課程體系的構建

基于深度學習的實驗室安全教育課程體系的構建主要圍繞深度學習的發生、維持、促進和支持4個方面展開，如圖2所示。

圖2 基于深度學習的實驗室安全教育課程體系構建圖

3.1 構建深度學習的實驗室安全教育發生機制

深度學習的實驗室安全教育發生機制指以實驗室安全教育遴選出的核心概念為知識基礎，構建能激發學生內在學習動機的主題情境，將實驗室安全教育中呈現出來的新概念與學生原有知識體系關聯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動，促進學生實驗室安全知識的深度建構。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、實驗室突發事故應急管理、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、野外實踐與實習安全與管理、工程學實驗室安全與管理。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，共性核心概念下設計的主題情境是“假如你是一名剛回國的PI，現在需要自己搭建一間生物學實驗室，請給出你的設計方案并詳細概述”。③在具體的主題情境中設計相應的核心問題以實現驅動學生學習的目的（見表1）。

表1 生物學安全教育核心概念-主題情境-核心問題的構建

3.2 基于深度學習實驗室安全教育維持機制的建構

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

3.3 基于深度學習實驗室安全教育促進機制的建構

實現實驗室安全教育深度學習，其目標的達成是建立在學生的實踐參與，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生解決問題，這就需要為學生提供問題解決的情境域。所謂情境域指的是為每一位學生提供主動參與的機會，通過提供解決問題支架（規范、方式、方法、步驟、建模流程、CER等），為學生解決問題提供支撐；最后，按照比格斯（Biggers）等提出的預測-過程-結果模式［10］，讓學生通過元認知系統和對情境域的評價對學習過程和結果預測分析，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習方法，最終獲得相應的學習結果，學生在主動學習、理解概念、創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 基于深度學習實驗室安全教育支持機制的建構

深度學習的理念是對傳統教學的變革，是隨著信息化時代的發展逐漸成熟起來的一種新型教育理念和思路。有別于傳統教學，從媒介上而言是對學習環境的再創造，跨越了常態化的課堂教室，屬于意義建構性的學習［11］。前期大量研究顯示，借助信息網絡平臺、虛擬仿真技術、實時互聯機制有助于深度學習的實現，對于架構深度學習的情境具有顯著優勢［12］。因此，該課程支持機制主要包括以下3個方面：①素材庫1的構建，主要包括圍繞主要概念的微課視頻（包含自建和大學MOOC平臺共享資源）、借助MOOC和SPOC構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、規范等操作框架與步驟舉例）的形式呈現。②素材庫2的構建，利用自建、高校共享機制和國外大學公開案例為學生提供不同主題概念下的虛擬仿真實驗，讓學生在虛擬空間中掌握基礎知識。③利用國家實驗教學實踐平臺讓學生在真實情境中完成實操訓練，從而實現線上線下一體化的網絡互聯，將資源、任課教師、實驗教師、學生進行整合，為學生合作學習、概念的意義建構和深度學習提供了重要保障機制（見圖3）。

圖3 基于深度學習的實驗室安全教育支持系統構建

4 構建基于深度學習的實驗室安全教育課程的學生學習評價體系

基于深度學習的實驗室安全教育課程的學生學習評價體系的構建主要包括兩個方面，終結性評價和過程性評價兩種模式。

4.1 基于深度學習的學生學習終結性評價體系的構建

所謂終結性評價主要是對學生每個主題學習結束后，學習任務的完成情況的評價，即對情境任務成果的評價，重在評價學生對實驗室安全教育課程中的核心概念的理解，及其遷移應用情況的評價。根據深度學習的概念維度分為3個具體維度（理解整合、分析評價和遷移應用）［13］；根據SOLO分類的認知結構進行簡化［14-15］，將前結構劃分為水平1，單一結構劃分為水平2，多元結構和關聯結構劃分為水平3，其中水平1和水平2為淺層認知，水平3為深層認知。具體見表2。

表2 深度學習模式下實驗室安全教育學生終結性學習評價表

4.2 基于深度學習的學生學習過程性評價體系的構建

過程性評價主要發生在分主題學習過程中的評價，重在促進學生學習活動能按計劃開展，教師根據學生在主題活動中的參與度進行分析和評判。根據深度學習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，課程參與度指學生課堂教學中的出勤率、課堂活躍度等；概念理解度指學生對課堂教學中核心概念的建構程度和對主要概念的理解程度，關于核心概念的建構程度可以采用概念圖的形式進行評價，而主要概念的理解程度可以通過對學生在小組活動中的具體表現作出評價，具體評價指標可以參考終結性評價指標中第一個維度“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、小組內的合作及分工以及概念的遷移運用實施評價，其中，學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習時長實施評價；腳手架的使用度主要體現在學生在完成任務的過程中對腳手架如論證模式、建模流程等使用情況進行評判，教師根據學生的學習進度，在適當的階段給出不同的腳手架，幫助學生完成相關的學習；小組合作及分工的評判標準則根據不同學生的特征和情境學習理論，學習者從邊緣的學習者到核心學習者的轉變進行階段性評價［16］，其宗旨是讓每一位學生都能實現其水平的躍遷，最終在實驗室安全教育的學習中都能成為核心學習者的水平；概念的遷移運用可以具體參考終結性評價指標中第三個維度“遷移應用”實施評價。過程性評價的宗旨一方面促進學生的學習，另一方面幫助教師掌握學生學習的進度，并進一步通過反思改進教學，設計并開發出適合學生深度發展的新任務情境。

圖4 深度學習模式下實驗室安全教育課程過程性評價建構

5 結 語

近年來，實驗室安全管理和運行的規范性和法制化逐漸引起了世界各國的廣泛關注，并強調當面臨安全性問題時，要避免實驗室生搬硬套安全規范，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對，如2019年世界衛生組織頒發的《實驗室生物安全手冊（修訂版）》中的規定［17］。為了適應時代發展、實驗室特征、學生認知發展等的需要，設計的基于深度學習的實驗室安全教育教學體系和評價機制，契合了當前國內、外對實驗室安全和管理的需求，基于前期的教學實踐也發現該課程對學生實驗室安全素養的全面發展具有重要作用。