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混合式教学在生物工程分析课程中的应用

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  • 更新时间2022-07-28
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摘    要:

针对生物工程分析课程的特点以及学生在学习过程中存在的问题,以学生的毕业要求为出发点,从学生的学习需求、教学设计、教学评价等几个方面,初步在生物工程分析课程教学和实验中应用混合式教学方法进行尝试,旨在提高生物工程专业分析课程教学质量,以期为生物工程领域培养更多具有自主研发能力的创新型人才。课程教学方法的改进以及评价考核方式的改变对于提高学生自主学习能力、培养科学思维和提升学习效果方面均起到良好的促进作用。


关键词:生物工程分析;混合式教学;教学质量;



1 引言

现代生物工程的科学研究逐渐转向了更为精确定量的学科研究领域,在现代生物工程产业不断发展的过程中,其产业发展中的质量控制、监测、标准化等计量测试的要求越来越高[1]。因此检测分析技术在生物工程中具有非常重要的作用。生物工程分析是我校生物工程专业必修的一门专业基础课程,随着分析化学和仪器科学的发展,课程内容也日新月异,更新较快,涉及仪器种类繁多,而且连贯性较弱,知识点较散。学生在学习过程中有较大的困难,传统的教学效果也不令人满意,主要表现在:学科交叉多,课程内容多,涉及的学科包括分析化学、无机化学、有机化学、生物工艺学、物理学、电子学、电磁学、光学、计算机科学等,而且随着科学技术的进一步发展,新型仪器也不断涌现,进而使更多的学科融入现代仪器分析的课程中。生物工程分析的分析方法和仪器设备发展更新速度较快,教材中编写的分析方法和实验室现有仪器设备与先进水平存在一定差距,难以满足实际工作岗位的需要。


针对这些情况,需要根据我校的生物工程专业的特点和培养方案的要求,在教学中做一些探索使教学内容和实验模块更加具有实用性、先进性,取得更好的教学效果。当前,信息通信技术已经在很大程度上改变了高校教学的环境和条件,线上教学和线下教学相结合的混合式教学模式,结合了传统学习方式和数字化学习方式的优势,正在各高校快速的推行和发展。2017新媒体联盟中国高等教育技术展望——地平线区域报告指出,近年来许多大学都在教学中应用了混合式教学方法,教学互动效果好,学生的成绩与传统课堂相比有明显提升。


2 混合式教学在生物工程分析课程中的应用

2.1 采用雨课堂开展理论课的混合式教学

雨课堂为教学过程提供数据化、智能化的信息支持,能让学生与老师实现课前课中课后互动,通过数据采集分析,指导教学过程持续改进。雨课堂授课PPT和讲课音频都能保存在雨课堂云端,方便随时回看。但学生不能语音,只能使用弹幕交流。疫情期间,因老师和学生不能在线下上课,为了促进师生交流,同时采用嵌套腾讯会议的方式上课,腾讯会议能提供实时共享屏幕,双向多通道的语音视频传输功能,为师生交流提供更多便利,而且服务器稳定,比用雨课堂直播更有保障。因此疫情期间,采用雨课堂和腾讯会议结合的方式能更有效地促进课堂互动,达到提高教学效果的目的。在学生返校后,则采用雨课堂平台在教室与学生面对面进行混合式教学。


在开始授课前利用线上平台向学生推送本课程的教学大纲和教学日历,让学生对课程的内容及课程设置的目的、意义、任务和要求及进程安排有一个总体的认识和了解。在课前向学生发送简短的预习的课件或视频,提出相关的问题,促使学生思考并查找资料解答问题。比如在讲到糖的测定,会先给学生发糖的概述的预习PPT,简要介绍糖的分类、性质和测定方法,并提出问题,诸如哪些糖具有还原性?水果中的糖含量可以如何测定?发酵液中的糖含量如何测定?血糖测定仪的原理是怎样的?等等,以此激发学生对即将学习的内容的兴趣并在寻找问题的答案过程中建立初步的认知。


授课过程中,在完成某个知识点的讲授后,利用雨课堂发布习题,根据答题情况,及时掌握学生学习效果,并进行查漏补缺,针对性地调整教学方法和节奏。另外,教师应尽量多与学生互动交流,鼓励学生积极发言,认真聆听学生的想法,在讨论分析中达成对知识的理解和掌握。课后,学生可以利用雨课堂存放的PPT及音频资料,持续性地学习进一步巩固学习效果。另外也可以发布课后思考题,比如现在是否有水果糖含量测定的无损伤分析法?原理是什么?你认为最快速最准确的测糖方法是哪一种?发酵液中糖含量的测定能否实现在线检测?诸如此类问题,引导学生进一步探索课程大纲要求之外的学科前沿知识或实践运用知识。


2.2 合理利用图像、视频资料有效提升授课效果

因为生物工程分析课程是一门实践性很强的学科,涉及样品类型种类繁多、检验方法五花八门、检验原理复杂多变,教材上基本都是文字叙述,使学生在认识和理解上存在很大的困难。搜集整理大量与授课内容相关联的影音视频资料以形成对文字内容强有力的支撑,在组织教学过程中加以合理应用,能有效地加深学生的记忆,提升理解能力,增强认识水平。图片做为配图,穿插在ppt中作为对文字的辅助说明,可以较好地提升学生的学习热情,起到事半功倍的教学效果。涉及操作技术及复杂的检测原理,比如取样技术及大型仪器的检验原理,会以动画的形式向大家展示,深入浅出说明相关的检测原理。涉及实验操作尤其是一些先进的自动化程度高、集成度高的仪器的使用则播放下载的网络视频或拍摄的视频让大家观摩学习,对具体的实验操作技能形成感性认识,缩短对贵重仪器的距离感,缓解对大型仪器的畏难情绪。


2.3 构建合理教学体系,增强学生实践动手能力

随着近些年生物技术产业的蓬勃发展,分析检测技术也应不断更新完善,以满足自动化、智能化和多元化发展的需要。因此我们对课程教学大纲进行了调整,加大了仪器分析的比重,在原有的仪器分析内容即分光光度法、液相色谱、气相色谱、原子吸收光谱、荧光吸收光谱等基础上,增加了等离子体质谱分析、离子色谱分析、红外光谱分析等内容,以应对现代生物技术检测因微量、高效、即时的需要而越来越多地依赖于仪器分析的状况。另外为了增强工科学生的操作技能,将实验课时由16课时调整至48课时,增加了双乙酰测定、酱油中氨基氮测定、抗生素效价测定及利用高效液相色谱法检测发酵液中氨基酸等实验内容,增加综合性和设计性实验比例,以提高学生的实验操作技能。


2.4 虚拟仿真教学在实验中的应用

在面对贵重仪器数量不足的问题时,原来多是由教师演示完成,学生很少有亲自动手实操的机会,也因此很难达到教学要求。因此在实验教学中,我们在网络平台开展了利用高效液相色谱检测样品中氨基酸的实验仿真项目,使学生在虚拟场景中进行仿真实验和操作,自主设计实验,解析实验原理和熟悉实验步骤,从而调动学生的学习积极性,提高实验参与度,在实验过程中培养操作能力,提高实验水平。本次虚拟仿真实验在生物工程专业2018级学生中开展,共有31位学生参与,老师在实验开始前结合理论课的知识,通过课件和拍摄的短视频给大家讲解实验原理及仪器的结构组成、操作步骤,并带学生到真实的仪器前让学生进一步认识仪器组成和构造,观摩样品处理到进样及程序设置和数据分析全过程。线下线上结合进行的混合式教学,更有利于学生形成更为真实全面的直观体验,加深学习印象。另外我们也给予学生充分的演练时间,让学生逐步熟悉仿真软件的原理和操作,反复登录平台进行练习,直至获得自己满意的分数。仿真教学完成后,通过统计,学生平均学习时长187.6分钟,耗时500分钟以上者2人,100~200分钟者11人,50~100分钟者6人,0~50分钟者12人。实验成绩由系统直接导出,班级平均成绩95.8,其中18位学生获得100分,占比58%;90~100分者6人,占比19.3%;80~90分者4人,占比12.9%;70~80分者2人,占比6.5%;<60分者1人,占比3.3%。因为学生是第一次进行虚拟仿真实验,对平台实验场景和基本的操作较为陌生,本次实验是通过学生自己的笔记本电脑登录云平台完成,除了课堂的讲解和实验过程的观摩,让学生利用课余时间根据各自的情况完成实验,可以反复操作演练,因此将近有一半以上的同学获得了满分,成绩并非正态分布。如果让学生在上课前自主预习提前熟悉平台操作,在课上限时独立完成实验,当堂导出成绩应该更能反映学生掌握知识和操作的真实水平。


2.5 实验课尝试采用翻转课堂的教学方法,以提高学生的自主学习能力

学生在实验教学环节存在的主要问题是机械按照老师给予的实验方案和步骤,按部就班的完成实验,实验出现问题也缺乏思考,依靠老师予以解决。实验完成后,印象不深刻,很快淡忘,遇到分析检测问题仍然毫无思路和方法。因此,在实验教学中,借鉴以问题为导向的PBL教学方法中以学生为中心的教学理念进行翻转课堂的尝试[2]。由老师提出要检测的指标,发布任务给学生同时提供PPT或视频等学习资料。由学生组成小组经过讨论自主决定要检测的样品并设计样品处理和检测方案,提前提交给老师,由老师审核其可行性并准备实验材料和药品。在开始做实验之前,由学生制作PPT讲解实验原理和步骤并解答由老师和其他同学提出的问题。老师针对检测基本原理和操作制作测试题,通过雨课堂发布给大家,通过测试结果考察同学们对实验原理和操作的掌握情况,测试合格才能正式进行实验操作。通过学生和老师主导地位的变换而形成的翻转课堂的教学方法,能激发学生做实验的热情,变被动为主动,投入更多精力到实验中,训练培养发现问题、解决问题的能力,既发挥教师在教学过程中的引导、启发、反馈和管理等主导作用,也体现学生作为学习主体的主动性、积极性、个性化和创造性。我们在本学期的实验课,样品中总糖和还原糖的测定实验中,进行了翻转课堂的尝试,学生积极性很高,自主选择了样品并设计了实验方案。课后问卷调查显示,95%以上的同学认为翻转课堂能够提高学生自主学习能力,对于理解和掌握实验内容有帮助。


2.6 考核方式的改变

在实行混合式教学方式后,生物工程分析课程的考核方式由原来的期末考试成绩占70%,平时作业及考勤占30%的评分方式,改变为期末考试成绩占50%,平时成绩占50%,其中平时成绩主要由学生在雨课堂学习过程形成的大数据提供,包括考勤、老师发布的课件、作业浏览完成情况,也包括学生与老师的各种互动记录。这种注重过程的考核方式,更有助于学生保持持续的学习动力,有助于更全面地概括和评价学生的学习情况。


3 结语

“互联网+”时代下,本科教学模式正因信息技术的快速发展发生着变革,作为高校教师也应转变思想,与时俱进。在生物工程分析课程中进行的混合式教学方法有利于教学效果的提高,今后也将继续对生物工程分析课程和实验的教学内容、教学模式、教学手段和考核评价体系等做进一步的探索和实践,以期建立一个科学的、切实可行的混合式教学模式,从而提高生物工程分析课程教学和实验质量和水平。


参考文献


[1] 谢本祥.生物工程中检测技术的需求和发展趋势[J].科技经刊,2019,27(15):163-164.

[2] 周忠信,陈庆,林艺雄,等. PBL教学模式的研究进展和现实意义[J].医学与哲学,2007,28(8):72-74.