生物工程专业核心工程基础课线上线下混合式教学的研究与实践——以“化工原理”课程为例

涂志英，田毅红，刘呈雄，杨 潇，龚大春

(三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌 443000)

生物工程专业的核心基础课程包括“化工原理”“微生物学”“分子生物学”和“生物化学”等课程，其中“化工原理”是一门紧密联系生物加工生产实际的核心工程基础课。课程以典型的单元操作为主要内容，以传递过程和研究方法论为主线，研究解决生物技术产业过程中的实际单元操作问题。它不同于理学专业的基础学科，仅以理想的模型为研究对象，采用严密的数学分析或推导，而是针对真实、复杂的生产实际，除了少数简单问题可采用数学解析法，大多数情况需要依靠理论指导下的实验研究法和数学模型法来解决[1]。因此化工原理是化学和生物学理论知识过渡到生物加工生产实际的桥梁，是培养学生应用专业理论知识解决工程实际问题能力的重要课程[2]。

作为生物工程专业的核心工程基础课程，“化工原理”一般具有知识点多、理论性强、计算量大和学习难度大等特点。但由于课时之限，许多知识点仅能浅尝辄止，学生往往感觉内容枯燥、理解困难，始终笼罩着“难学”情绪；其次，传统的面对面线下教学方式，学生的主体作用得不到发挥，即便使用了一些现代化的教学设备和手段，学生的学习主动性和教学效果仍然难以得到有效提高；其三，传统的课堂教学缺乏教学效果的及时反馈，教师往往不知道学生听懂多少，教学持续改进难于精准发力。为了解决上述问题，在生物产业人才培养上取得突破，打牢生物工程专业学生在本科阶段的工程基础，提高学生运用工程观念分析和解决工程实际问题的能力，引入翻转课堂[3-7]、线上线下混合式[8-12]等新教学模式已势在必行。

1 线上线下混合式教学模式概述

1.1 线上线下混合式教学的内涵

在“互联网+”背景下，网络技术的发展为学生提供了广泛、便捷的学习资源，课堂教学不再是学生的唯一选择。以慕课(MOOC)为代表的线上教学资源对传统教学模式提出了巨大挑战，使教师的身份由资源的提供者逐渐转变为学生学习的组织者和引导者，也为“线上+线下”[13-15]这种更符合认知规律的混合式教学模式奠定了良好的基础。

线上教学是指利用国家精品在线课程资源(国家认可的高质量的教学视频——中国大学MOOC、智慧课堂等)进行教学的一种方式，也就是把高水平教师请进课堂。此外，学生还可以通过各种各样的学习网站、渠道查阅自己所需要的学习资源，在一些学习论坛上互相讨论完成线上学习目标，满足学生深层次的学习需求，提升学生学习兴趣。这种线上学习的时间大部分由自己灵活掌握，可以利用大量碎片化时间用于线上学习。线下教学是指教师通过学生线上自主学习的反馈有针对性地开展导学、授课、辅导答疑的线下教学方式，充分结合本校学生基础和特点开展教学，达到因材施教的目的。在当下“互联网+”和“大数据”背景下，这种混合式教学模式为解决传统授课模式的弊端指明了方向，可以实现信息化教学模式和传统教学模式的有机融合，不仅顺应了时代要求，也必将成为未来教学的“新常态”[16-17]。

1.2 线上线下混合教学应用于“化工原理”教学拟解决的问题

传统的“化工原理”教学模式是对教材中所涉及的单元操作原理、数学描述及计算进行课堂讲授，讲授结束后由老师布置作业来巩固所学知识。这种传统方式存在以下不足：①课程教学进度无法顾及所有学生。授课进度一般以中等左右成绩学生为基准进行，很难顾及所有学生，接受能力较弱的学生不能及时跟进教师的授课进度，使得学生作业抄袭现象严重，学生“难学，怕学”情绪加剧。②学生提前学习和课后学习实施难度大。“化工原理”课程与生产实践结合紧密，但由于传统授课时间的限制，只能通过播放短片视频以加深学生的理解，而复杂一些的生产异常现象如液泛、淹塔、干燥等视频没有足够的时间在课堂播放，一定程度上限制了理论学习与实践的结合，教学形式不够生动，课下自学时间难于有效利用。③考评学生的方式过于单一。传统教学缺少对平时学习态度和学习效果的科学评价方式，该课程的考核以期末考试为主，所以学生很容易忽视日常学习过程，压抑了学生学习的主动性和创造性。

1.3 “化工原理”线上线下混合式教学的新模式构建

学堂在线与清华大学在线教育办公室共同研发的辅助教学雨课堂系统，是基于PowerPoint软件和微信的教学平台，可实现课程资源推送与共享、师生互动、在线作业、在线批改、在线统计等功能[18]。将线上线下混合教学模式引入“化工原理”教学，线上采用北京化工大学丁忠伟老师团队或南京工业大学居沈贵教学团队的中国大学MOOC视频，线下采用雨课堂系统，构建“化工原理”线上线下混合式教学新模式，将使“化工原理”教学中存在的“难学、评价单一”等问题在很大程度上得到改善。

具体模式如下：①课前导学。教师把预习课件和启发性的问题发布到线上雨课堂云端，进行科学导学。学生通过慕课等在线课程自由、自主地完成规定内容的学习，并在规定时间内完成和上传发布的预习作业。这种任务式的导学方式，突破了时间和空间的限制，有助于学生提前做好充分预习，基础稍差的同学可以在课前自己多用时间，反复观看线上视频和做训练理解题，极大锻炼了学生的自学能力。②自学效果评价与难点问题重构。根据各种互动题目完成好坏，雨课堂可以自动记录，老师在授课前下载相关数据进行线上教学难点重构，摸清学生难学的内容，指导课堂教学，提高授课的针对性。③根据学生线上学习难点问题，设计授课新方案。根据线上学习的测试结果对章节的重难点进行重新梳理和总结，设计知识难点讨论、生产案例分析、习题解答等多种授课形式，加深对线上学习知识的理解与应用，提高学生在学习过程中的参与度和学习兴趣，更加突出“学生为中心，问题导向”的工程教育新理念。④课中授课突出重点、难点。课中根据课前每位同学留下的记录，在新教案指导下，侧重突破难点问题，对普遍存在的问题重点讲，重点练，个性化问题单独辅导，提高课堂学习效率。⑤课后答疑、交流互动。在线资源始终开放，雨课堂交流互动方便，指导评价痕迹自动生成。学生可以反复播放观看线上视频和老师的教学课件(PPT)，通过和老师同学互动有效解决学习过程中存在的系列问题。⑥课程考核在线记录。根据线上自主学习和线下课堂表现，雨课堂系统自动生成形成性评价数据，减轻老师的数据统计负担，使考核从传统的“结果评价为主”向“过程形成评价+结果评价”转变，细化且量化了平时学习的效果，更好地激发学生的学习自觉性，使考核更加公平、合理。教师也可以根据在线互动情况，有的放矢地帮扶困难学生，为进一步完善教学方法打基础。

2 线上线下+雨课堂混合教学模式的实践

以“化工原理”课程中“固体干燥”单元操作为例，对线上线下混合教学新模式的实践进行剖析说明，其授课对象为生物工程专业的学生。首先从总体对教学内容、教学目标、活动设计及评价进行教学过程宏观设计，共12学时，4个小节。具体内容见表1。

表1 “固体干燥”教学过程设计

2.1 线上教学资源选择

中国大学MOOC关于“化工原理”的教学资源非常多。根据本校学生基础以及教师授课风格，我们向生物工程专业学生推荐了北京化工大学丁忠伟老师团队和南京工业大学居沈贵教学团队的“化工原理”线上资源。每个学生下载APP，每天学习15 min左右慕课视频，以一个完整知识点的讲解为单元。课前面向全体学生说明学习方式、考核方式，所有学生的测试题及时通过雨课堂发布，通过雨课堂平台检验学生预习情况，所有数据在线记录，指导老师及时下载雨课堂自动记录的相关数据进行分析并反馈，保证授课、评价的时效性。

2.2 线上开放课程导学

实施“四步导学”的教学模式：①提出导学问题，授课老师布置线下自学题；②学生在明确自学任务的前提下，观看MOOC线上老师授课录像；③学生线下完成预习作业，并通过雨课堂上传；④线上评价自学效果，及时反馈给学生。老师线上批改，学生根据批改结果，自我分析自学效果，持续改进。教师通过统计错题情况了解学生学习的难点和重点，并形成有针对性的教学策略。

为了不使学生产生畏学心理，导学以思考题为主，重点是理解概念和原理。如“常见物料的去湿方法有哪些？”“什么是对流干燥？”。干燥的4个小节均设计了导学思考题，导学题见图1。导学题通过雨课堂的班级群发布，并在雨课堂中上传含慕课视频链接的PPT课件，供学生按照教学进度在线观看，自主学习固体干燥的知识点。重点、难点处可以反复观看，如“湿空气的性质”、“湿度图的应用”等，雨课堂可对每位同学的观看时间进行记录。线上学习完成后，对预习题作答并上传至雨课堂。老师通过预习作业批改检测线上自学效果并汇总分析。比如概述部分设计了7道题，湿空气性质设计20道题，学生线上自学的学习效果如图2所示。概述部分(总参与数37人)有25人得分在60～70分(总分60分)；10人得分在51～60分；2人得分在45～51分，还有5人未参与。学生自主学习的难点是对“对流干燥”定义的理解。“湿空气性质”的学习效果明显提升(参与人数38人)，有30人得分在60～70分(总分70分)，51～60分4人，但随着知识难度增大，也有2名少数民族同学没有跟上。

图1 干燥概述和湿空气性质章节的导学题

图2 干燥概述和湿空气性质章节的线上学习效果形成性评价

2.3 线下课堂讲解

线下教学仍是该课程教学的主要形式。根据线上的效果评价，对线下课程从以下3个部分进行设计：预习情况总结；重点、难点突破方案设计；课堂互动与讨论教案设计。上课时结合雨课堂的自动排序功能对导学完成较好的学生给予表扬，对完成不好的同学进行鞭策，并根据雨课堂平台提供的数据分析了解学生的自主预习情况，对知识点进行梳理，并针对预习测试结果总结出本节的重点和难点；然后进入重难点的理论讲授，并穿插实时答题；最后教师全程参与课堂讨论。例如通过预习测试发现，学生对“相对湿度”与“露点”的有关试题正确率较低。“湿空气性质”的正确理解是计算干燥质量衡算和热量衡算的前提，为加强这两个定义的认知，从回顾“饱和蒸气压”的定义开始引入，随后以提问方式让学生思考“影响饱和蒸气压”的因素，然后展开描述“液态水的饱和蒸汽压与其温度”是有唯一对应关系。理论讲解完成后，接着让学生思考几个生活实例：解释“春天衣服不易晾干，而冬天衣服容易晾干的原因是……？”“天气预报中报道的空气湿度用百分之几表示，而不是湿度的单位，为什么？”“为何春季易出现回潮现象？”“干燥相同的物料，北方地区的产品更具市场竞争力？”[19]。通过引入这些生活常识，拉近了理论和实际的距离，增加学生学习兴趣，不仅深刻理解了“相对湿度”和“露点温度”的意义，也达到了学以致用的目的。

2.4 课后巩固

“化工原理”涉及大量的工程计算，课后作业是巩固课堂学习的重要部分。作业内容应根据教学目标和课程内容进行设计，达到课后消化课堂内容、实现课程目标、提升学生学习效果的目的。教师利用雨课堂平台发布作业，要求学生限时完成，设定分值进行评价。此外，针对一些教学内容，适时发布关于理论知识在生物工程生产中应用的国内外研究实例，以拓宽学生视野。如学习完“干燥”一章后，在班级群上传文献《流化床型式在酵母干燥中的对比分析》[20]。此文献涉及“干燥曲线”“干燥速率曲线”“临界含水量”等基本知识，也探讨了教材简要介绍的流化干燥器的结构型式，并根据高活性酵母的技术要求对干燥器进行了选型。要求学生阅读文献后分组讨论，每组提交一篇小论文分析影响干燥过程经济性的主要因素。这样不仅让学生对学习内容进行了总结，还可以拓宽他们的知识面，更有助于学生建立生产过程节能减排意识。每完成一章内容，线上发布一次调查问卷，及时总结线上线下教学模式实施中的成效及问题，不断提升教学效果。

3 线上线下混合教学模式的评价与实施效果

课程的考核评价体系建立是教学中的重要环节，是教学计划开展、教学内容实施、培养目标实现的有力保障。混合式教学模式的评价分为线上评价、线下评价和期末考试3个部分。线上评价包括两方面，一是线上学习过程评价，即学生在线学习PPT的时间、讨论参与度、学习笔记等；二是线上学习效果评价，即预习测试成绩、课后拓展训练的上交材料等，包含了整个线上学习的过程。线上评价数据全部来源于雨课堂的自动记录数据库。线下评价包括两个方面：一是课堂表现评价，以出勤率、课堂活跃度(弹幕互动数据)、课堂互动答题成绩为依据；二是课堂学习效果评价，以课堂互动测试的正确率作为考核评价依据。这种考核方式易于量化，容易把控，成绩更客观。线上评价成绩与线下评价成绩的总和占总评成绩的40%，期末考试成绩占总评成绩的60%。

基于雨课堂的“线上线下”相结合的考核与评价机制，更加注重学习过程的时效性评价，使线上学习的时长、线下课堂的参与度、课后拓展的活跃程度等指标贯通于考核与评估的全过程，可衡量、可评价，比传统的“线上线下”更加科学公正，成为评价结果的重要组成部分。较好地防止了教师考试放水，学生“平时不努力，临时抱佛脚”的现象，激发了学生学习的动力。

2020年春季本课程开始使用线上线下混合教学模式，为了进一步评价此教学模式的教学效果，与2018年和2019年春季的试卷成绩进行了比较。期末考试为闭卷形式，比较结果相对客观，具体结果见图3。由图3可以看出，虽然使用新教学模式后不及格率没有明显下降，但优秀率远高于2018年的统计结果，比2019年稍有提高。不及格的原因是部分同学的学习自觉性不够，没有按照要求线上预习，不适应新的教学模式，导致线下跟不上教学的进度。

图3 线上线下混合课程使用前后数据对比

4 结论

以在线开放课程为依托，以学生为中心，以学生的自主学习为基础，基于雨课堂平台的线上线下混合式教学模式，不仅是网络信息技术在大学课程中的应用，更是成果导向OBE(outcome based education)教学理念的实践。本教学新模式在生物工程专业“生物化学”和“微生物学”等核心基础课程上的推广应用也得到较好的评价。实践表明，线上线下混合式教学+雨课堂的混合教学模式下，学生的自主学习意识、课堂参与度以及学习效果相比之前均有较大提升，过程评价考核方式也更加透明合理。但目前“化工原理”“微生物学”“生物化学”课程方面在雨课堂平台收集的慕课视频偏少，插入网络视频也不太方便，需要两个不同资源库进行整合对接。教师还需在视频的选择与制作上投入更多精力。此外，不少同学对一些难度较大的知识点采用线上自主学习的效果不佳，需要优秀的个性化视频教材与之配套。教师在丰富教学设计与教学手段的同时，需要在进一步提高学生学习主动性方面不断地反思与持续改进。