当前,互联网特别是手机已经逐渐成为我们的基本生活方式,网络也正在成为学生理解社会、获取知识的主要途径,以慕课、翻转课堂等为主要载体的在线教育风生水起[1-5]。基于互联网开展便捷学习并快速获得反馈是当前学生在线学习的主要特征,可在一定程度上解决被动学习的问题。但调研发现,本专业49.0%的学生更喜欢线下教学,仅有17.7%的学生更喜欢线上教学,表明在线学习仍存在一些问题,如信息获取碎片化快餐化,学生缺乏主动积极的自主思考,难以将碎片化的知识片段建构到自己的知识体系,并在生产案例中灵活应用相关知识解决实际生产问题等[6-8],这已经成为影响应用型本科专业毕业生培养质量的首要问题。如何整合线上线下教育资源,激发学生自主学习活力,成为当前课程教学改革重点考虑的问题[9],也是培养学生沟通能力(Communication)、合作能力(Collaboration)、创造力(Creativity)、批判性思维(Critical thinking)的关键。《生物工程分析与检测》作为生物工程专业核心课程,是本专业教学改革的重点,5年来本课程先后开展了省级应用示范课程、省级一流课程及课程思政等课程建设,形成了基于4C的立体教学模式,本文将对该课程改革过程中的一些思路及方法做简要介绍。
1 以产业为导向改革教学内容
我校生物工程专业培养目标是为固态发酵产业培养应用创新人才,在这一框架下,我们针对酒类、调味品、酱腌菜、堆肥、发酵饲料、天然产物利用等六大产业,按照技术逻辑重构了教学章节,如表1所示。同时,分析各产业涉及的国家、行业、企业标准,优选常规、重要或有代表性的检测标准及检测项目,删繁就简,使学生根据产业需求确定自己的学习目标,激发学生“学以致用”的内在积极性。
表1 《生物工程分析与检测》课程教学内容重构情况
Table 1 Reconstruction of the course of Bioengineering Analysis and Detection
改革后章节主要内容原对应章节涉及标准绪论绪论第1章光谱分析1.光谱分析原理2.主要的光谱分析仪器。第1章光谱分析第2章色谱分析1.色谱分析原理2.气相色谱3.液相色谱第2章色谱分析第3章酒类分析检测1.酒度的测定第3章物理分析GB5009.225—20162.糟醅淀粉含量的测定第4章化学成分分析GB5009.9—20163.糟醅水分含量的测定第4章化学成分分析GB5009.3—20164.糟醅还原糖含量的测定第4章化学成分分析GB5009.7—20165.糟醅酸度测定第4章化学成分分析GB5009.239—20166.内标法测定浓香型白酒中己酸乙酯的含量第2章色谱分析GB/T10345—20077.白酒感官风味评价第3章物理分析GB/T33405—2016、GB/T33406—2016、GB/T3340—420168.白酒中塑化剂的检测第6章感官特性分析GB5009.271—20169.白酒大曲糖化酶活力测定第4章化学成分分析GB/T24401—200910.手持糖度计测定果汁含糖量第4章化学成分分析11.利用电子鼻辨析不同风味啤酒第2章色谱分析12.果酒发酵液中酵母数量的测定第3章物理指标分析13.酿酒粮食原料中脂肪含量的测定第4章化学成分分析GB5009.6—201614.粮食原料中农残的快检第5章有害物质检测GB/T5009.199—2003第4章调味品的分析检测1.酱油中大肠杆菌数量测定第8章微生物检测GB4789.3—20162.酱油种曲的蛋白酶活力测定第4章化学成分分析SB/T10317—19993.醋中挥发酸含量测定第4章化学成分分析GB5009.233—20164.《食品安全国家标准食品中氨基酸态氮的测定》第5章有害物质检测GB5009.235—20165.辣椒酱中细菌总数的测定第8章微生物检测GB4789.3—20166.市售酱腌菜中致病菌的检测第8章微生物检测GB4789.4—2016、GB4789.10—2016、GB4789.5—2012第5章酱腌菜的分析检测1.泡菜亚硝酸盐含量的测定第5章有害物质检测GB5009.33—20162.大头菜脆度的测定第3章物理分析3.1株泡菜污染酵母的鉴定第8章微生物检测4.腐乳的蛋白分解率测定第4章化学成分分析GB5009.5—20165.榨菜中铅、铬含量的测定第5章有害物质检测GB31604.9—20166.大头菜的水活度测定第3章物理分析GB5009.238—2016第6章堆肥的分析检测1.土壤中测定Na+、K+离子含量第1章光谱分析GB5009.912—0172.酸性土壤铵态氮、有效磷、速效钾的测定联合浸提-比色法第1章光谱分析NY/T1849—20103.土壤有机质含量测定第1章光谱分析NY/T1121.6—20064.土壤中农药残留的检测第5章有害物质检测GB/T32951—2016第7章发酵饲料的分析检测1.饲料中粗蛋白含量的测定第4章化学成分分析GB/T6432—20182.发酵饲料中粗纤维含量的测定第1章光谱分析GB/T6434—20063.饲料中黄曲霉毒素的检测第4章化学成分分析GB5009.22—20164.发酵饲料中L-乳酸含量的测定第2章色谱分析SN/T2007—20075.麸皮中VB含量的检测第4章化学成分分析GB5009.84-2016、GB5009.154-2016、GB5009.85-2016第8章天然产物的分析检测1.油樟油的提取及成分分析第2章色谱分析GB1886.33—20152.生姜姜黄素含量的测定第2章色谱分析GB1886.76—20153.天麻素含量测定第1章光谱分析DB52/T1118—20164.食用菌风味物质检测第2章色谱分析5.柠檬中Vc含量的检测第4章化学成分分析GB5009.86—2016
同时,紧跟技术发展及产业需求,动态调整课程教学内容。本课程负责人及教学团队依托固态发酵资源利用四川省重点实验室,长期从事固态发酵技术研究及产品研发,在科研项目实施及成果转化过程中,70%以上的学生都有不同程度的参与,期间涉及到的分析检测内容以探究、讨论的方式进入课程教学,不仅可拓展专业课程的深度及广度,培养学生的“4C”能力,也为第一和第二课堂融合提供了很好的途径。
2 线上线下融合的教学平台
整合线上线下资源,搭建了如图1所示的教学平台。设置“线上(20学时)、线下(16学时)、现场(12学时)”3个侧重点各有不同的教学场景,分别对应“理论、技术、应用”3个层次的学习目标,以实现“线上线下现场,自助自主自发”的教学设想,全面培养学生的“4C”能力。其中,课前由教师主导,提供必要的学习资源,引导学生自助学习,课中和课后由学生自主自发学习,教师负责监督、管理、答疑、评价。
图1 《生物工程分析与检测》课程教学思路
Fig.1 Teaching conceptions and segments of Bioengineering Analysis and Detection
2.1 依托教学团队,打造精品慕课
线上课程教学主要通过慕课来实现。在慕课建设过程中,我们将《生物工程分析与检测》课程内容分解、归纳为84个知识点,将其中47个知识点制成内容精炼、节奏适宜、布局合理、音画优美、时长在5～15 min的短视频,同时,录制38个时长在5～45 min的实验操作视频,共同作为本课程的线上慕课教学资源。在慕课制作过程中,首先由专业人士制作精美的多媒体课件模板,然后教师团队成员根据自己的教学科研方向,分别从47个知识点中选择其最熟悉的内容,按照模板的统一风格制作课件,撰写讲稿,录制视频,建设题库资源,再由专业人士经后期剪辑加工而成。采用这种方式,既易于做到形式美观、统一,又可保障教学内容的专业性及覆盖面。目前,该课程慕课已在智慧树平台运行2个学期。
2.2 借助翻转课堂,推动自助学习
一是利用智慧树平台的翻转课辅助教学。课前通过该平台发布教学资源及教学要求,学生自主完成学习任务,课后利用该平台发布作业,与课程教学同步,鼓励学生发起并回答讨论区的问题,要求学生通过“解决一个问题,完成一个任务,获得一点成就”来强化知识的掌握及应用,培养沟通合作能力、创造力及批判性思维。但从图2可以看出,仅有47.9%的学生“愿意花时间和精力参加线上讨论”,有32.3%的学生觉得“线上讨论有用,但是不想花时间参加”,33.3%的学生“只愿意参加自己感兴趣的话题”,8.3%的学生“不想参加,因为老师要求所以参加”,表明学生学习的主动性仍有待提升。后续将进一步强化自主讨论过程的考核,引导学生通过文献阅读、资料分析等拓展讨论的深度及广度。
图2 学生对雨课堂的使用体验
Fig.2 Students’ experience of Rain Classroom
二是利用雨课堂为学生提供“目标管理、信息在线”的全程指导和协助,并在课堂教学中对学生自学教学进行检验,以保障学生自主学习效果。课外,通过QQ群发布学习任务,通过电话或微信个别指导,通过在线文档填报、收集数据,通过微信问卷星小程序开展调研等。疫情期间还根据情况采用雨课堂的直播教学模式,同时实现到校及未到校学生的课程教学。
2.3 改革传统课堂,激活批判思维
从图2可以看出,针对《生物工程分析与检测》的授课方式,选择课堂教学的学生,达62.5%,表明传统课堂教学依然是本课程的主要学习阵地,而雨课堂正是激活传统课堂,实现课堂教学功能从教到学转变的重要手段[10]。
一是利用雨课堂检验学生自学效果促使学生课前自学。调研发现,89.6%的学生最喜欢雨课堂的功能是“可以回看课件”,表明多媒体课件仍是学生主要的学习资源。教师在课前通过雨课堂将多媒体课件发送到学生端,并指定学习智慧树平台上翻转课程的学习资源,将学习主场由课中“跟学”变为课前自学,并提交自学总结,找出自学问题,课堂教学的重点转到对学生自学的监督、检验、评价,教师从主导变为“教练”,随机抽取、展示、点评自学总结,帮助学生解决低层次问题,凝练高层次问题,化繁为简,实行有效输出。如在讲述大曲酯化力测定方法时,先通过讲解国标方法使学生掌握基本流程,然后引导学生思考、分析影响测定结果的因素,如采用己酸乙酯或乙酸乙酯作为底物的差别?进一步理解方法原理,再向学生展示企业的大曲酯化力测定操作指导书,让学生分组讨论,比较该操作指导书与国标的异同,在培养批判性思维的同时,通过思考来内化、建构相应的知识体系。
二是利用雨课堂强化课堂习题课功能。教师发布题目后要求学生课堂内定时完成,并现场给出答案,客观题由雨课堂系统自动给分,主观题由教师给出参考答案及评分点,学生互评给分,最后由教师针对答题情况进行现场讲评。这种方式一方面可通过互评培养学生的沟通能力及批判性思维,另一方面可通过投屏展示优秀作业,促使学生“见贤思齐”,提升作业的价值。调研发现,31.3%的学生希望“平时作业全部通过雨课堂来完成”,61.2%的学生希望“平时作业大部分通过雨课堂来完成”,表明学生对传统课堂向习题课的转变适应良好。
三是利用雨课堂投稿、弹幕、分组等功能组织讨论,实现师生双向交流,培养学生的沟通、合作能力。调研发现46.9%的学生表示“喜欢弹幕和投稿功能”,表明大学生对课堂教学仍有出乎意料的参与度,因此,我们在课前针对每堂课的教学内容,广泛收集产业案例,在课内充分利用弹幕、投稿等功能组织案例解析、讨论,为学生准确生动地呈现课堂内容的核心,同时给予学生适度的课堂压力,调研表明83.3%的学生认为课堂节奏平稳,16.7%的学生认为课堂节奏较快,这种平稳中略快的节奏有利于推动每个人全程主动参与,拒绝滥竽充数、浑水摸鱼。
值得注意的是,仍有9.4%的学生认为“频繁使用手机,会分散课堂注意力”,表明在采用雨课堂授课的情况下,仍需强化教师的课堂组织作用[11],并在课后及时分析雨课堂教学数据,根据学生学习情况有针对性地查漏补缺。
2.4 整合实验实践,推进现场教学
纸上得来终觉浅,《生物工程分析与检测》作为一门实用性很强的学科,我们通过整合实验实践,推进现场教学来培养学生的创造力及批判性思维。
一是通过仿真及现场教学强化直观感受。在线上自学的基础上,通过仿真教学展示色谱等大型精密仪器的结构及使用方法,并以“固态发酵资源与利用四川省重点实验室”等科研平台作为现场教学基地,现场展示或演示包括色谱在内的多种仪器的结构及操作方法,深化学生对常见仪器的认识,初步掌握其操作方法。
二是通过实验印证深化感性认识。同步开展实验教学体系改革,将课程配套实验教学内容按照技术逻辑整合到《生物工程基础实验》、《生物工程综合实验》及《生物工程创新实验》三大实验课程,学生通过“小曲酒”、“腐乳”、“酱腌菜”等综合实验项目的开展,了解相关产业分析检测项目,理解其原理,掌握其应用,形成直观个体感受,建构起基于岗位应用的个人能力体系。
三是通过产业案例具现理论原理。在案例教学单元,收集了大量相关产业分析检测实例作为案例,与企业、检测机构合作拍摄了数十个现场教学视频,同时特邀行业专家进入课堂授课,或者通过抖音或现场连线直播的方式展示产业案例,使教学与生产一线同步,实现真正意义的现场教学。如在“发酵饲料的制备及质量评价”这一实验项目中,除在实验室检测发酵饲料蛋白含量等理化指标外,还联系了当地的养猪场,共同开展发酵饲料的饲喂实验。
四是通过学以致用促进知识内化。针对教学实验、大创项目、学科竞赛等课内外实验教学场景,广泛征集学生在实验过程中遇到的分析检测技术问题,开展方案、方法及结果分析等方面的技术交流和探讨,帮助学生在解决一些实际问题的过程中,将相关理论及技术内化于心,逐渐形成格物致知、知行合一的工程师素质及能力。
3 基于4C教育理论的课程思政教学
在依赖大数据优化管理和依赖AI机器人取代重复劳动的互联网时代,沟通(Communication)、合作(Collaboration)、创造力(Creativity)、批判性思维(Critical thinking)成为学生的核心竞争力,但在专业课程的教学中如何融入上述理念,仍有待探索,《生物工程分析与检测》课程对此作了一些尝试。
3.1 互助学习提升沟通合作能力
对每次课程,课前要求学生自学慕课资源及教师推荐文献,根据教师列出的自学提纲及思维导图,预习完善自学讲义,并凝练自学问题,上课前投屏展示问题或回答其他同学的问题均可增加平时积分。同时,在慕课学习基础上,学生针对本节课知识点凝练一个5 min±10 s的PPT讲稿,在课堂教学中讲解,讲解后其他同学可通过提出补充或质疑赚取平时积分,最后师生采用雨课堂填空题的方式对主讲或主持的效果评分。
3.2 开放式考核培育创造力及批判思维
考核是学生学习的重要动力,对引导学生学习方向及学习积极性有着不可替代的作用[12-13],本课程通过开放式考核培育学生的创造力及批判思维。
一是建立了以自评、互评为主的过程考核积分制。本课程过程考核占总分的50%,全程通过在线文档发布积分情况,学生可随时查看并提出质疑。平时积分包括自学手册完成分、线上线下讨论、作业、半期考试、资源贡献等。自学手册是采用专门编写的关键内容缺失的学生专用讲义,要求学生通过课前预习、课堂教学、课后补遗填空完成课程讲义;学生还可在翻转课程或线上课程图书馆上传文献资料、网络视频等学习资源等赚取资源贡献分,在智慧树平台的讨论区发布讨论题目,引导、组织同学们参与讨论,并对参与讨论的同学给出成绩,教师仅对组织者的组织情况、知识面等评分。值得一提的是,调研发现,59.4%的学生认为需要半期考试,仅有25%的学生认为不需要半期考试,表明学生实际上并不反感考试,前提是考试能够很好地诊断、改进学习中存在的问题,且能够给出一个不至于引起学生“挂科”忧虑的分数。
二是期末方式从闭卷改为开卷,内容从“记诵”、“了解”过渡到灵活运用相关理论解决生产问题。选择题从单选改为不定项,简答题、应用题全部聚焦理解及应用,如从“简介ICMSF取样方案”改为“请根据如下菌落计数结果及国标中的相关规定,判断该产品是否合格”,科研项目、毕业论文、学科竞赛等均可作为考试题目来源,如“药食同源是目前的行业热点,某企业委托我校开发葛根功能面条加工工艺,请你设计实验方案,列举检测指标、检测方法、所用仪器及耗材等”,这些题目没有标准答案,主要考查学生专业思维的深度、广度,同时,为了强调精准思考及表达,明确要求与题目无关的答题内容超过该题答案的1/3则记零分。调研发现,51.0%的学生认为开卷考试更能考出水平,仅有21.9%的学生认为闭卷考试更能考出水平,考试结果也表明开卷考试后,长期在实验室学习、实践能力强的学生占据了分数排行榜,而死记硬背型学生的名次则大幅滑落。
4 教学效果
如图3所示,比较实施立体式教学模式前后2个年级(2019级、2020级)学生能力掌握情况,发现实施立体式教学模式后的2020级学生在多个方面的能力均明显好于2019级,问卷星调研发现,在数据分析、取样及样品预处理等方面认为自己掌握较好的学生超过80%,81.5%的学生有自信胜任固态发酵相关产业分析检测岗位,但仅有38.5%的学生对自己的表达协调能力感到满意,后续可通过第二课堂、学科竞赛等强化这方面的训练。
图3 课程教学改革前后能力培养目标达成情况
Fig.3 Achievement of ability training objectives before
and after the teaching reform of the course
综上,我们认为,针对《生物工程分析与检测》的课程教学,“线上线下现场、自主自助自发”的教学平台可以很好地实现“4C”教学理念。但该模式下,课程呈现给学生的不过是冰山一角,背后还涉及到教学团队运行、教学管理考核、实验室开放运行制度、合作企业等重要支撑,与传统课堂教学相比,基于4C的课程教学要求教学团队具备更好的哲学人文素养,而线上线下融合教学对课程负责人的课程运营能力也提出了更高的要求,这也是当前课程建设的薄弱环节,后续本课程将在这方面持续改进,推动教学团队与课程共同成长。
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