基于“特色教材+课程云平台+移动交互端+虚拟仿真模块”四位一体的内涵式《微生物与免疫学》课程混合教学研究①

谢 晖 陈雪利 陈 丹 曾 琦 詹勇华 沈晓敏 徐欣怡 梁继民

(西安电子科技大学，生命科学技术学院,西安710126)

当今“互联网+”的背景下，混合式教学形式多样，呈现出蓬勃的发展态势，“互联网+”教育也让社会各界重新聚焦于混合式教学。可以这样说，混合式教学经过20余年的发展，不论是研究者、教学实践者，还是政府和教育机构，对其已基本达成了共识即混合式教学将成为未来教育的“新常态”[1]。

近年来，不断涌现出的信息化教学技术及方法种类繁多，各大高校利用混合信息化教学手段开展本科教育的经典案例层出不穷。但是需要强调的一点是，“互联网+”背景下的信息化手段仅仅是一种工具和方法，切实提高教育教学质量，内涵式引导本科生提高创新思维、科研意识、知识转化实践等应用能力才是高等教育的最终落脚点。我们近年来一直从事《微生物与免疫学》课程信息化、个性化混合教学研究[2,3]，通过三年的本科生持续课程培养研究及分析，初步建立起一套能够广泛适用于当今“互联网+”背景下的、基于“特色教材+课程云平台+移动交互端+虚拟仿真模块”四位一体的内涵式《微生物与免疫学》课程混合式现代教育技术教学体系(图1)。现就该课程开展可行性、体系内容、内涵式混合教学实际应用、取得成效等问题逐一展开分析。

1 《微生物与免疫学》课程内涵式混合式教学模式理论依据

1.1课程情况及面临问题 《微生物与免疫学》课程是我校生物技术和生物医学工程两个本科专业的必修核心课程；该课程在第三学年的第一学期与《微生物与免疫学》实验课同步开设，学时数为48学时。近年来在各大高校大力提倡“把自主权和时间还给学生”的前提下，学校各类必修课程学时数大幅缩减。我们负责的《微生物与免疫学》课程从2012年最初的64学时缩减到2016年的48学时；想要将整本教材的内容利用不到40学时(除去考核、考试、节假日因素影响)的时间全部灌输给学生，难度极大，效果不佳。或者是未经过深入调研基础擅自删减、跳过部分章节进行讲解，势必会割裂学生建成《微生物与免疫学》课程知识构架的体系化过程。因此，如何在有限的课时内，更好地使学生全面、高校掌握课程相关理论知识及应用拓展，就成为了当代高校课堂中存在的广泛问题。

1.2成熟的理论依据 本课程的混合式教学开展，主要依托的理论基础是经典的建构主义理论。该理论强调主体在认知过程中的主动建构功能，认为任何知识的获取都不是依赖于传授，而是认知主体通过学习环境对认知内容进行有意义的建构所获得。在此基础上，自主学习理论也进一步提出，自主学习是一种可以通过后天培养的能力，表现在确定学习目标、确定内容进度、选择方法技巧、监控学习过程、评估学习效果等方面[4]。因此，我们结合当前工科院校《微生物与免疫学》课程教学的特点，在前期进行的信息化混合式教学改革探索的基础上，将《微生物与免疫学》课程自主学习的能力进一步归纳为6个方面：①前期准备——了解目的要求(基于特色教材、云平台)；②确立学习目标及计划(基于云平台)；③根据个体差异使用相应策略(基于云平台、移动学习平台)；④教师检查策略运用效果(基于云平台、移动学习平台、虚拟仿真学习平台)；⑤微生物与免疫学学习精细化监控(基于云平台、移动学习平台、虚拟仿真学习平台)；⑥学习结果评价及反馈(基于云平台、移动学习平台、虚拟仿真学习平台)。上述理论也为本研究提供了重要的理论依据(图2)。

图1 内涵式《微生物与免疫学》课程混合式教学体系Fig.1 Connotative mixed teaching system of Microbiology and Immunology

2 《微生物与免疫学》课程内涵式混合式教学四位一体的课程体系支撑及应用

2.1以“新工科”背景下的特色课程教材为辅助 任何一门课程的顺利实施均离不开一本配套教材的辅助。由于我们所在西安电子科技大学为工科院校，相对于其他综合院校生命科学技术学院的本科生培养存在一定差异。工科生的思维体系始终和应用接轨，单纯选择市面上主流《微生物与免疫学》教材，由于知识内容过多且过于偏重理论，同时部分知识点和学生之前学习的分子生物学、细胞生物学、生物化学等课程知识重叠，记忆性内容庞杂，绝大多数情况下容易被工科学生所轻视(工科生一般重实践轻理论)。因此，我们团队根据工科院校本科生特点，针对性编写并出版了《现代工科微生物学教程》，该教程重点体现在微生物生长与控制、微生物遗传与育种、微生物生态、免疫与免疫技术、微生物制药、微生物发酵工程以及微生物在其他工程领域的应用等，极具工科院校应用性特色[5]。比如在“微生物系统进化”章节中引入系统发育树构建的科研拓展，同时结合学生的工科特色培养体系(计算机编程、计算机算法等课程)，加入编程算法，自主优化大数据背景下的序列比对分析过程(图 3)。

图2 《微生物与免疫学》课程自主学习的能力归纳Fig.2 Induction of autonomous learning ability in Micro-biology and Immunology

2.2以交互式视频课程学习平台为基础 近年来，在线课程的兴起在很大程度上助推着在线学习的快速发展，使在线教育成为一种越来越普遍的学习方式。但是单纯整合视频至网站的常规方式很难真正意义上提高学习者的学习效率。因此，我们基于远程学习相关的3种不同类型的交互，即学生-学生交互、学生-教师交互以及学生-内容交互的基本理论[6]，建设了交互式视频课程学习平台。我们以这一分类框架为基础，结合当前在线开放课程中交互的特性以及交互设计的应用现状可以将在线开放课程中的交互分为3类即人-人交互、学生-内容交互、学生-界面交互。

人-人交互包括学生-学生交互以及学生-教师的交互，即在线开放课程学习过程中学生之间或学生与教师就教学内容及其相关问题进行的交流,如在线实时交流聊天室、弹幕、论坛、邮件等方式的交流。学生-内容交互是学生与各种学习材料，如文本、音频、视频、图形和图像之间的交互，包括测试题、文献、网站等。学生-界面交互是学生与系统界面之间的交互，主要指通过操纵工具或按钮来达到某种目的，方法便捷、界面友好、上手方便。在交互内容完善的基础上，我们团队录制了全套《微生物与免疫学》视频课程内容，一套以章节形式录制，方便学生系统性学习相关知识点内容；一套以当下流行的微课/慕课形式录制，全部为小知识点视频，方便学生碎片化时间学习及重难点针对性学习。基于此多维度学习平台，一方面可以激发学生线上自主学习热情、提高线上学习效率，同时在有限的课时内，教师可以针对重难点问题进行讲解，一般性问题可安排学生开展多维度交互式线上学习(图4)。进一步以此确立学生作为认知主体和知识意义主动建构者的地位，实现“以学生为中心”的有效教学[7]。

图3 《现代工科微生物学教程》系统进化算法优化拓展节选[5]Fig.3 Extended selection of systematic evolutionary algorithms in modern engineering microbio-logy course[5]

2.3以“雨课堂”移动学习平台为教学手段 鉴于互联网和信息技术的快速发展，涌现出了大量优秀的网络学习平台工具，其中“雨课堂”是近几年各大高校实施教学改革的主要工具手段[8-10]。在课堂上可以发挥师生之间的实时沟通、反馈等一系列功能，也便于教师充分利用过往的《微生物与免疫学》课件资料开展教学。例如利用“雨课堂”在线测试功能在实验室与学生进行实时互动测试和讨论。具体来说，在讲解细菌革兰氏染色原理后，直接推送主观问题：简述革兰氏染色机制，或客观选择题：以下哪个选项为革兰氏染色正确步骤(选项略)。使学生能够及时巩固关键实验操作步骤。教师通过课堂内学生回答问题的正确率，决定后续实验内容的推进速度和学习形式(图5)。测试结束后还可以得到测试分析结果，包括得分统计和各题得分率，通过大数据分析让教师方便地了解学生掌握情况，在授课中做到有的放矢，提高学生实验课程专注度。利用“雨课堂”的平台实时交互功能，在课前、课中、课后全面做到和每一位学生互动交流，激发其学习的热情和兴趣。

图4 交互式视频课程学习平台为基础的学生自主学习网络体系(课前、课后)Fig.4 Interactive video course learning platform-based student autonomous learning network system (before and after class)

2.4以理论结合实践的虚拟仿真实验为拓展 《微生物与免疫学》课程本身属于实验性学科，配有《微生物与免疫学》实验课程，但是受到诸如实验场地、教学成本、实验动物伦理以及学生的实验操作能力不足等因素限制。尤其是在理论教学中，很多应用型知识点受到上述因素限制无法直接开展。为了巩固学生关键理论知识点的深入理解和实际应用，我们通过计算机系统、3D沉浸式虚拟仿真设备向学生提供自主式、交互式、开放式的虚拟实验环境[11]，希望能够基于虚拟仿真教学体系，让学生预习和熟悉微生物与免疫学相关实验操作，或是能够充分学习实验课堂上不便和无法开展的实验操作，提高理论教学的直观性和效率。

图5 课程中移动平台的合理使用及对策Fig.5 Reasonable use and counter measure of mobile platform in course

图6 病原微生物(沙门氏菌)的分子鉴定虚拟仿真实验节选Fig.6 Selection of virtural simulation experiment for molecular identification of Pathogenic Microorganisms

例如，在教材第十章“免疫学基础”中，涉及到病原微生物鉴定重点学习内容。由于病原微生物沙门氏菌培养鉴定过程较为复杂(如涉及培养基种类多)，实验周期较长，耗材成本较高，依托已有实验课程很难开设实体实验。本校及多数高校教学实验室均无法达到要求，实体实验同时也存在一定的致病风险性。因此，在知识点学习结束之后，在移动学习平台端给学生推送“病原微生物沙门氏菌鉴定”虚拟仿真模块(图6)，学生通过线上操作，独立完成所有病原微生物培养、检测、鉴定操作流程，同时后台系统也会详细记录学生的操作过程并进行评价。这样学生就能够通过实践操作更好地结合理论内容把握核心知识点的学习和深度理解，以便达到较好的学习效果。同时结合线上交互式学习平台视频课程，真正意义上做到理论联系实践的应用和拓展。进一步满足了学生基础学习、拓展学习、应用需求等多方面要求。当然，本着虚实结合、能实不虚的原则，同样在实体实验课程中配合我们构建的“金字塔式”(图7)微生物实体实验课程体系辅助理论教学，将四维度混合交互式学习落到了深处和实处[12]。目前已构建的重要虚拟模块对应的特色教材章节知识点如表1所示。

图7 《微生物免疫学》实体实验课程体系的“金字塔”模式构架Fig.7 Pyramid model framework of entity experiment course system

表1 虚拟仿真模块与章节知识点关系汇总

Tab.1 Summary of relations between virtual simulation module and chapter knowledge points

序号虚拟模块名称对应教材章节模块目的1P3实验场景虚拟仿真什么是微生物切实了解科研级微生物实验室构架2细菌内含物结构测定微生物结构功能大型分析仪器设备的使用操作3高压灭菌器使用微生物的营养常用设备原理技术掌握4生物安全柜使用病毒学基础大型设备原理技术掌握5微生物的分类鉴定微生物进化分类现代化微生物鉴定应用6病原微生物检测免疫学基础医学微生物理论实践转化应用7青霉素发酵虚拟仿真发酵工程概论工程应用型微生物应用实操训练

3 基于四位一体的内涵式《微生物与免疫学》课程混合式教学改革成果

3.1基于统计学显著性差异的学生成绩的结果量化分析 通过四位一体的内涵式《微生物与免疫学》课程混合式教学，经历两届学生的试点改革和一届学生的全面运行三年时间；教师们普遍认为教材-视频-平台-虚拟的混合交互式教学，有利于深度开展教学及研究，促进了教学由“定性分析”向“精准定量分析”转变。学生普遍反映合适的教材、交互的学习、移动的参与、全面的实践更加有助于自己的个性化学习，极大提升了学习兴趣和学习效果。我们利用方差分析中“One Way Anovo”方法，通过两年数据的组间显著性差异分析，随后汇总分析2015～2017年两年度试点班学生的《微生物与免疫学》课程总出勤率、教学过程参与度、平时成绩优秀率、课程考核及格率、课程考核优秀率、课程考核平均分等指标 (图 8)。结果显示，试点班两年期间各项数据均值平稳，不存在显著差异(两年的成绩平均分差异在5%以内的置信区间)。相对于正常教学班各项指标，均出现不同程度地显著性提升(P<0.05)。也体现了该体系稳定的人才培养质量过程(试点班两年期间授课、考核均由我团队实施、评分，因此分数标准体系稳定，不存在教师个体误差)。

在这里需要说明的一点，目前对混合信息化教学中存在着一些不同的看法，认为混合式教学试点班期末成绩有时和常规教学班期末成绩间的差异没有显著性统计学意义(认为能力水平的内在提升可能无法直接体现在考试成绩上)。我们认为，出现上述现象的原因一方面是由于运用混合式教学研究的课程多为文科性质，本身在内容上与理工科课程存在较大差异；另一方面是由于我们在课堂内容和形式创新的基础上，进一步创新性采用了四位一体的多维度内涵教学模式所带来的较好效果所致的，因此，部分人认为的混合信息教学改革对学生成绩提高有限和本文中信息化教改取得的成绩并不矛盾。

图8 基于大数据学生各项成绩的结果量化分析Fig.8 Quantitative analysis of students′achievement bas-ed on big dataNote: *.P< 0.05,it proves that there is a significant difference in the statistical results between the regular class and the pilot class；***.P<0.001,it proves that there is a most significant difference in the statistical results between the regular class and the pilot class.

3.2基于“学生-方法”、“学生-效果”、“课前-课后”多维度问卷调查分析 为保证《微生物与免疫学》课程教学内涵式改革实施的效果并了解学生的真实感受，团队分别在2017～2018年度(全面运行年度)《微生物与免疫学》教学过程首次课程结束后和全部课程结束时进行了两次问卷调查(设计开始阶段调查问卷的主要目的是为了与结束阶段的调查进行对比，排除学生因课堂形式巨大改变的新鲜感带来的主观好评，确保问卷结果的可靠性)，以及时了解学生对于教学方法改革的意见和建议，问卷发放回收率为100%(77/77)。

其中图9A有效问卷77份(100%)，图 9B 有效问卷 75份(97.4%)。图9A为本次教学改革体系“课前-课后”教学方法问卷调查结果总体分析，图9B 为本次教学改革体系“课前-课后”教学效果的问卷调查结果总体分析，从调查结果看，学生总体反映良好。可以看出，在第一次调查时学生就普遍认为采用四位一体的混合式教学是一个很大的改进，学生认可度很高。学期课程结束后，在新模式学习的新鲜感过后的第二次问卷调查时，学生的满意程度有进一步明显地提高。这也真正意义上说明学生在整个学习过程中确实深刻体会到了课程改革给自身带来的实践能力的全方位提升。

图9 基于教学方法(A)及教学效果(B)改革的精细化问卷调查分析结果Fig.9 Fine questionnaire survey and analysis based on reform of teaching method (A) and teaching effect (B)Note: In abscissa,A.Totally agree；B.Agree；C.Unclear；D.Disagree；E.Totally disagree.′Front′.A survey after a new method of teaching;′Post′.A survey after the completion of the whole semester′s teaching progress.

图10 《微生物与免疫学》课程内涵式混合教学模式总览Fig.10 An overview of connotative mixed teaching model of Microbiology and Immunology

3 讨论

近年来，随着大数据和互联网的飞速发展，教育信息化对高等教育的影响也逐步深入，要求根据学生个性特点，合理利用互联网教学平台，能够利用最少的教师资源达到最大程度的教学效果，最终完成“翻转课堂”目的[12]。本文团队将四位一体内涵式混合教学模式融入《微生物与免疫学》课程教学并取得了良好的教学效果，全面提升了师生之间的互动，实现了实验教学由基于经验驱动向基于精细化、个性化学习和大数据汇总分析的转型[13]。今后我们将进一步学习、参考国内外经典信息化混合教学理论成果，逐步完善并将此课程体系和建设模式(图 10)在全国高校并跨学科推广，努力提高生命科学领域以及其它学科领域的人才培养质量。