基于OBE理念的“微生物學與免疫學實驗課”虛實結合教學改革探索與實踐

馮華煒, 劉 彬, 劉 宇, 劉宏生

(遼寧大學 藥學院, 遼寧 沈陽 110036)

成果導向教育(Outcome-based education,OBE)由William G. Spady于1994年提出[1],強調以學生為中心,注重能力的獲得,旨在將教育的重點放在學生的“學”而非教師的“教”[2-3]。OBE教學過程重視學生的學習目標和學習過程,注重培養學生將學術知識轉化為解決實際問題的能力[4-6]。OBE模式下的課程設計,本質是課程計劃的“反向設計”,是從社會需求開始,由需求決定培養目標,再由培養目標決定畢業要求,再由畢業要求決定課程體系[7]。該模式可以最大程度地保證教育目標與結果的一致性,從而使學生具備步入社會后所需要的知識、能力和素質,滿足社會對高素質、應用型人才的需求。微生物學與免疫學實驗是遼寧大學針對制藥工程專業本科生開設的一門實踐性課程,旨在幫助學生實現微生物學與免疫學理論認識的提升,培養學生運用理論解決實際問題的基本能力、創造能力和實踐能力。2022年是新冠肺炎疫情常態化防控的第3年,為繼續保證“停課不停學”[8],遼寧大學積極組織師生進行線上教學。針對微生物與免疫學實驗課操作要點多、規范性要求強等特點,基于OBE理論指導,轉變傳統的課堂教學模式,建立“線上線下、虛實結合”的混合教學模式,契合后疫情時代的需求[9-10]。

1 基于OBE理念的線上線下、虛實結合實驗課模型

遼寧大學制藥工程專業的培養目標是培養能在制藥及其相關領域的生產企業、科研院所、設計院和管理部門等單位從事藥品開發、工藝和工程設計、生產技術質量管理和藥品經營管理等工作的具有較高素質和創新能力的應用型人才。因此,本課程改革以“學”為中心,建立基于OBE理念的虛實結合實驗課模型(圖1)。模型共分為四部分:預期學習目標、學習過程(反向設計、生成課程學習資源)、實驗考評和學習成果。預期學習目標以真實問題為導向確定預期學習目標,如何取得學習成果,如何保障取得學習成果,取得什么樣成果等問題[11]。學習過程在線上理論講解和演示實驗視頻教學的基礎上,引入虛擬仿真實驗模擬實體實驗的場景、儀器設備、操作流程,達到與實體實驗基本一致的實驗現象和實驗結果[12]。最后根據疫情控制情況開展線下(課堂)實驗教學,并以團隊協作完成項目的形式進行學習成果檢驗。這種教學模式很好地解決了微生物學與免疫學專業實驗學環節中的共性及個性問題,激發學習熱情,培養學生的自主學習能力和工程實踐能力,提升就業競爭力。

圖1 基于OBE理念的虛實結合實驗課模型Fig.1 The model of the experimental course based on the concept of OBE

1.1 預期學習目標

OBE要求規劃者確定學生在其當前專業領域所必需的技能,建立畢業后所需的知識和能力,并據此設計教學目標和任務[13]。針對制藥工程專業學生畢業后面臨的工作需求和承擔的工作內容,遼寧大學微生物學與免疫學實驗課程的實驗項目主要圍繞微生物學和免疫學實驗展開,分為基礎部分和應用部分(表1)。基礎部分包括微生物實驗室安全與防護、直接凝集反應實驗、培養基的配置與滅菌、微生物染色技術、微生物的分離和純化、抗生素抑菌性考察、紫外線殺菌效果考察等內容。應用部分加入《中國藥典》中微生物安全性檢查的重要內容,包括環境及食品中微生物的檢測、大腸埃希菌的分離和檢測、金黃色葡萄球菌的測定。課程內容由易到難、由淺入深,不斷加深學生對微生物學科理論知識理解,使學生掌握微生物的基本特性,培養無菌觀念、生物安全意識,成熟應用微生物研究的主要方法與技術,培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力?；陬A期學習成果達成情況,持續加強社會跟蹤關注,根據學生反饋和社會需求,不斷改進和創新課程設計,繼續優化預期學習成果。

表1 微生物學與免疫學實驗課程內容與教學目標Table 1 Contents and teaching objectives of the experimental course of microbiology and immunology

1.2 學習過程

鑒于OBE教學理念的最終目的是培養學生具備與專業需求相匹配的綜合素質能力,因此本實驗課程放棄了傳統“灌輸式”單一教學模式,針對課程教學過程的非預期性和不確定性因素,采用“線上線下、虛實結合”型學習方式,通過建立雨課堂、騰訊會議、大規模在線實驗室(MLABS)等線上教學平臺,實時調整線上課堂與傳統課堂的結合方式,滿足學生差異化學習的需要,從而獲得更好的教育教學效果。

1.2.1 課前學生低結構化自主學習 教師在課前通過雨課堂將課時安排、實驗教學日歷和教學大綱公告發送學生,學生可以了解每項實驗的基本信息,如實驗原理、所需器材、實驗過程、注意事項等內容。為了保證能夠進行基本的教學,教師將應知應會內容制作成簡單的預習作業及思考題上傳于MLABS平臺。學生開展課前的低結構化自主學習,通過MLABS平臺的闖關模式進行虛擬實驗,熟悉實驗目的、原理、所需器材及操作過程,完成預習作業。在線上和線下課堂,教師采取過程考核方式,2人為1組,考察學生的自主學習效果。

1.2.2 課中教師協助學生開展高結構化學習 ①線上教學。教師依據疫情嚴重情況,采取線上線下融合式教學方式進行授課。線上教學采用雨課堂+騰訊會議方式直播授課,通過詢問學生實驗原理、關鍵步驟、異常結果產生原因等關鍵性問題進行過程考核以檢查學生自學效果,并對實驗原理、操作步驟和注意事項進行深入講解[14]。針對學生不能親自動手進行實驗操作的問題,教師可以播放實驗操作的錄制視頻,通過視頻重點講解實驗的操作要點及規范性。教師授課時,遇到重點內容隨時進行課堂提問,學生可以用騰訊會議語音和批注、雨課堂彈幕等方式與教師進行互動探討。針對重點問題,教師可以設置雨課堂紅包對學生的回答予以鼓勵,不僅可以增加學生對重點知識的記憶,還可以活躍課堂氣氛,避免線上無法眼神肢體接觸帶來的缺陷。線上實驗課結束后,學生可再次進入MLABS系統進行虛擬實驗,以便更好地熟悉線下實驗過程。②虛擬仿真教學?；贛LABS的虛擬實驗平臺彌補了線下實驗時間不夠、實驗場地和實驗器材不足的問題(圖2)。例如MLABS平臺中“牛肉中大腸埃希菌檢測”的3D虛擬實驗縮短了從增菌-純化-染色-PCR儀鑒定的實驗時間,解決了藥學院無法提供二級生物實驗室和PCR儀的問題。此外,學生還可以根據自身的情況,對關鍵步驟反復操練,達到“不了解-熟練-精熟-技能”的狀態,為線下實驗打下基礎。虛擬實驗結束后,教師和學生進行討論和研究,進一步總結虛擬實驗存在的問題,展示實驗的操作要點和要求。例如正確的平板劃線分離操作:首先在酒精燈外焰燒紅接種環滅菌;之后左手拿無菌平皿,用拇指和食指控制皿蓋,其余手指控制皿底,開口角小于30°打開皿蓋;右手持接種環于平皿內連續劃線,劃線不能相交、漏交、錯交,劃線角度要合適,力度要均勻,不能劃破瓊脂、線的邊緣應劃至培養皿的內緣,每劃完一區,都應灼燒接種環,后一區要求與前一區首尾相連,但不得與其他區域搭在一起。而在MLABS虛擬仿真實驗中該過程很簡單,只需點擊接種環至培養皿中即可完成實驗(圖3)。學生對于接種環在火焰上燒多久、燒到什么程度才可以滅菌,劃線時用多大的力,胳膊和手處于多大角度才能使劃線不相交、漏交及劃破瓊脂等問題仍然無法準確掌握。因此還需要基于線下實驗進一步規范學生的操作能力,讓學生具有觸覺、視覺感知,形成肌肉記憶,進而有效提高實驗教學效果。③線下教學。在實驗條件允許時,本著加強基礎實驗、提高動手能力的原則,教師對實驗內容進行梳理和整合,形成內容相互銜接關聯的基礎實驗群,進行線下實驗。例如可將“光學顯微鏡使用與微生物觀察”“培養基的配置滅菌”“微生物分離和純化”“微生物染色技術”匯集為“環境及食品中微生物的檢測”一個實驗進行連貫性操作,將涉及光學顯微鏡使用、滅菌、細菌染色、培養基制備、分裝、平面、斜面劃線等進行統一考核。課堂上實時播放教師錄制好的實驗操作視頻以供學生參考,教師在實驗臺間來回走動,觀看各組實驗的情況,并指導學生通過回憶虛擬學習內容鍛煉其在實際操作中應具有的精確度和分寸感,提高處理實驗突發問題和分析實驗誤差的能力[14]。為了讓每個學生都參與進來,線下實驗要求每個小組成員展示不同的實驗結果,例如,用不同倍數物鏡觀察細菌,這樣小組中每個成員會畫出不同形狀大小的細菌。

圖2 基于MLABS的虛擬仿真實驗平臺Fig.2 Virtual simulation experiment platform based on MLABS

圖3 基于MLABS的平板劃線虛擬仿真實驗Fig.3 Virtual simulation experiment of plate streaking based on MLABS

1.2.3 課后學生低結構化深入探究 學生針對課前和課中的學習進行總結,根據實驗記錄,每人獨立撰寫實驗報告。實驗報告按規范模板填寫,實驗原理不能過簡、關鍵的試劑與設備不能缺失、重要的操作步驟或實驗條件不能省略,對實驗結果要有結論與探討等,這樣一節實驗課下來不僅提高學生動手能力也培養了他們書寫論文的綜合能力[14]。同時設置雨課堂線上討論區,供學生深入學習與研討,使學生的知識理解、認知結構升華到更高的水平,有效拓展其科研創新思維。

1.3 實驗考評

OBE重視學生的學習過程和是否達到預期目標。因此本課程會對學生的各個學習過程進行考評。線上線下每項實驗結束后,教師根據實驗報告、預習情況、MLABS評分、課堂提問、線下實驗操作、課后作業,參考學生的自評、小組互評并及學生出勤率,給與學生評分。其中,實驗操作占40分(MLABS 15分、線下實驗室操作25分),實驗報告20分,課前預習15分,課堂提問15分,衛生、紀律及出勤等占10分。總成績占本門課程的60%(圖4)。

圖4 微生物與免疫學實驗課程考評規則Fig.4 Evaluation rules for microbiology and immunology experiment course

1.4 學習成果

課程采取自主設計實驗進一步檢驗學生的學習能力是否達到預期學習成果,并對實驗教學效果進行評估。自主設計實驗在保證學生安全性、可行性的基礎上,引導學生關注現實需求問題,自主設計實驗,進行已有知識框架的拓展[15]。例如,水產養殖抗生素禁用已成為全球問題,如何篩選一些安全可降解的中草藥作為替抗藥物進行抑菌;牙齦感染經常發生,清潔口腔對牙齦斑有何影響?；谶@些問題,學生可以選擇“中草藥的抗菌作用研究”與“口腔牙菌斑的研究”作為自主實驗的題目(表2)。也可以利用前期實驗分離的環境微生物進行培養皿藝術畫創作,在了解不同種微生物的顏色、形態及其生活條件、生長周期的基礎上,培養學生的審美能力,提高學生的團隊協作能力。

表2 微生物與免疫學自主探究實驗案例Table 2 Experimental cases of self-exploration in the course of microbiology and immunology

自主設計實驗前,學生需以小組為單位,按照“自主選題-方案設計-開展研究-結果分析-總結報告”的思路自主設計并實施實驗項目,并提前一周向教師提交實驗方案,師生共同探討實驗可行性后開展實驗。學生在實驗完成后撰寫標準學術論文并以PPT形式進行匯報,論文內容包括題目、署名、關鍵詞、摘要、引言、實驗方法與材料、結果分析、討論、結論和參考文獻。教師考評時,實驗操作占30%,主要考評學生是否積極參與、實驗操作是否規范;論文占40%,考評如選題是否合理、實施方案是否科學、實驗數據是否可信、結論是否正確等。PPT匯報占30%,考評學生的表達能力。自主實驗成績占本課程的40%。

2 教改效果評價

全部實驗結束后,通過騰訊會議的投票功能,向本學期授課的2019級、2020級的80名制藥工程專業學生征求“線上線下,虛擬教學”效果評價,共發放問卷80份,回收70份有效問卷。從調查結果看(表3),學生對線上線下、虛擬教學總體滿意(95%);認為MLABS虛擬仿真實驗教學促進線上教學(91%);認為課程加深理論理解,提高動手能力(95%);增強自主學習能力,培養學習興趣(94%);促進同學間合作(96%),但對于虛擬仿真實驗取代線下實際操作支持度不高(84%不支持)。這一結果說明單一的虛擬實驗仍然不能完全替代實際操作,只有真正的虛實結合才能提高學生的動手能力,全面培養學生的自主學習能力和創新思維。

表3 學生對微生物與免疫學實驗課程的反饋Table 3 Student feedback on microbiology and immunology laboratory courses

3 總 結

OBE將教學的重點從教師轉移到學習者,彌合了學位課程與行業要求之間的差距,在全球高等教育領域廣受歡迎[16]。為滿足我國對研究型和應用型藥學專業人才的需求,本研究將OBE教育理念貫穿于整個教學活動,制定支撐專業培養要求的課程目標,構建“線上線下,虛實結合”教學模式,使得教師的主導作用和學生的主體地位在教學過程中都得到了良好的體現,學生對該教學模式的總體滿意度達到95%。依托雨課堂平臺和線下課堂開展實驗教學,發揮了MLABS虛擬仿真實驗和線下實驗各自優勢和長處,突破了傳統實驗教學的時空限制,有效解決了教學實驗條件不足、學生學習積極性不高、學習過程監管困難等問題。

MLABS虛擬仿真實驗為學生提供了一個身心安全的學習環境和重復學習的機會[17]。已有研究表明,采用VUMIETM、Storyline 360平臺[18]、Labster平臺[19]、國家虛擬仿真教學項目共享服務平臺[19]等虛擬仿真技術不但提高了學生的微生物學知識、技能和信心等學習成果,還能有效應對COVID-19流行無法線下教學的問題[20]。在本次教改中,也有91%的學生認為虛擬仿真實驗可以促進線上教學。但對于虛擬實驗能否取代線下實驗,84%的學生持否定態度。這些結果表明MLABS虛擬仿真實驗可作為傳統實驗教學的延伸與有益補充,而非替代。阿拉伯海灣大學的一項調查也顯示,51.8%的學生和57.2%的教師認為在線實驗室是線下實驗室的重要補充,線上結合線下的微生物實驗教學模式最受師生們的歡迎[21]。因此,將傳統教學與虛擬仿真技術進行有機結合,可以更好地加深學生對理論知識的理解和掌握[22]。另外,本學校虛擬資源有限,基于MLABS可進行的實驗項目數量還需增加,未來還需針對特定某一項實驗自主設計具有特色的虛擬仿真實驗項目。

自主設計實驗可以讓學生將所學知識點串聯起來,設計成連續的實驗步驟,促使他們對于本課程知識的理解更加具體化和系統化,提高了學生的團隊協作能力、動手操作能力、語言表達能力、書寫論文和報告的能力。本次教學改革實踐顯示,認為該模式可以加深理論理解,提高動手能力的學生達到95%,認為可以增強自主學習能力,培養學習興趣的學生達到94%,認為可以促進同學間合作的學生達到了96%。自主設計實驗環節的增加,使得學生具備初步職業技能,達到預期的學習成果。另外,由于疫情因素,部分學生無法準時到校進行線下實驗,為了不耽誤學生的學習進度,增設微生物與免疫學家庭實驗項目是本教學模式進一步考慮的內容。

本研究中“線上線下,虛實結合”教學模式在微生物與免疫學實驗教學中獲得了較好的效果,值得不斷完善和推廣。當然,微生物與免疫學實驗教學改革是一個長期積累的過程。在今后實施過程中,還需依據學生畢業指標的完成情況,運用OBE理念對該教學模式進行不斷改進和完善,以促進教學水平和教學質量的持續提升。