基于深度学习的高校实验室安全教育课程体系的建构

邴 杰， 宋宏涛， 李 森

（北京师范大学生命科学学院，北京100875）

0 引 言

高校实验室是进行教学实践和科学研究的特殊场所，其安全问题受到社会各界人士的普遍关注。近年来高校实验室事故时有发生，各高校及其管理部门积极采取应对管理措施，确保实验室安全管理和正常运行。然而，鉴于高校实验室的特殊性、实验室环境的复杂性、学生流动性大、人员专业水平不等等特性，为了确保教学和科研的有序运行、减低实验室事故发生、确保师生人身财产安全，高校开展实验室安全教育课程逐渐达成共识，并认为实验室安全教育应该走进课堂，并纳入学业考核指标体系；只有实现实验室安全教育理论化、系统化、内涵化发展，才可有效提升实验室安全教育质量，预防实验室安全事故的发生［1-2］。

为了应对高校实验室安全、提高学生实验室安全意识、增强学生在实验室中的安全管理能力，不同学校、专业和学科需要开发相应的安全教育课程，让学生及其实验人员在进入实验室伊始就具备实验室安全意识和处理实验室安全事故的能力，为学生进入实验室顺利开展科学实验和研究奠定基础。

1 高校实验室安全教育的现状分析

前期文献和调查研究发现，当前高校在实验室安全教育方面的建设逐渐完善，相较于前几年，学校和实验室管理得到高度重视，不同类别高校根据自身特色，基于管理学理论模型开发并建设了实验室安全教育课程［3-4］。但其中仍存在需要增强和完善的方面。

1.1 实验室安全教育被视为常态化教育的边缘内容

学科课程建设中并未将实验室安全教育课程作为必修课程，也没有作为人才培养计划单独列出，经常以讲座或以实验室准入的培训形式开展，有研究调查显示58%的学生每年接受的相关安全教育课程少于4 h，并且随着学生年级的递增其接受安全教育的频率也逐年下降，通常只在入学伊始实施实验室安全教育培训［5］。然而，随着学生年级的增长尤其是以实验为基础的学科，实验教学和科学研究活动从入学一直延续到高年级，仅通过几次简单的讲座和培训活动，根本无法让学生掌握全面的实验室安全知识和安全管理细则，在日常实验中各种违规操作时有发生，无形中增加了安全隐患。因此，在以实验为基础的学科中，需要从学科建设的高度将实验室安全教育课程纳入其正规的课程体系，作为人才培养计划和课程体系的必要环节，并根据学科特征从课程理念、教学目标、内容、教学活动、教学评价等方面进行系统的设计和规划。

1.2 实验室安全教育的课程知识内容表层化

从前期文献研究中发现，当前高校实验室安全教育课程的设计，多利用管理学领域的模型设计，尽管基于管理学领域模型的安全教育课程设计结构上相对比较缜密，对于安全教育课程的整体结构框架的搭建具有一定的实际意义，但是该模式更多的体现是其管理效应，侧重点在实验室的管理和培训，而并没有结合学生认知和学习规律，结合教育学理念构建课程体系，从而造成课程知识内容的表层化。

1.3 实验室安全教育内容知识重知识获取、轻能力发展

在教学内容的选择上侧重于安全知识和管理原则等陈述性知识，比如关注通识性安全知识和特殊专业中相关知识的教育。采用知识形式的设计具有其内在优势，能在有限的课时内包含海量的信息，在广度和宽度上具有相当大的优势，通过学生的短期记忆可以在较短时间内记住这些知识内容，并在安全教育评价中通过实验室准入考试，但是知识的记忆是有时间效度的，通过短期的记忆学生很难将知识消化理解，当在实验室实际操作中遇到紧急情况时，不能将这些短期知识及时调取并应用，这是当前实验室安全教育效果并不显著的重要原因之一。

1.4 实验室安全教育评价体系过于片面

从实验室安全教育评价体系的研究中发现，当前评价方式过于单一，多以总结性评价为主，通过听取专题讲座、培训活动、资料复习等突击准备后参加安全教育考试，即获得实验室准入资格［6］，追踪其根本在于对实验室安全教育的认知还存在着不完善，如前所述，课时的有限性和内容的庞杂性，造成在课程目标设计上过于重视事实性知识目标的设计，而忽视了能力目标和情感态度与价值观目标的设计，在教学内容上重理论轻实践，进而在评价体系上呈现出单一目标的评价，缺少对能力和价值性目标的形成性评价。

2 深度学习实验室安全教育的内涵

鉴于当前高校实验室安全教育课程发展中课程内容的边缘性、知识内容的表层化、重知识获取、轻能力发展等需要完善的问题，将深度学习的理念引入高校实验室安全教育课程体系具有重要价值。

2.1 深度学习的内涵

关于深度学习的研究最早来源于人工神经网络的研究，新时代我国教育教学改革以立德树人为基准，并提出了核心素养作为育人的重要目标，在此背景下各大、中、小学将深度学习的理念应用于课程教学实践［7］。所谓深度学习是指学习者能主动学习内容知识，并批判性的将新知识、新概念整合到原有认知结构中，并能在新情境中运用这些知识做出决策，从而解决问题的学习［8］。从深度学习的发生、维持、促进和支持4个方面可以将深度学习机制具体分为以下4个部分：情境中诱发问题、体验中培养高阶思维、通过实践解决问题、结合在线和虚拟现实的支持模式（见图1）。

图1 深度学习模式图

2.2 深度学习在实验室安全教育中的适用性分析

深度学习在教育教学中的运用多集中在对大概念的学习和单元教学的架构方面，将深度学习与实验室安全教育相结合具有重要的理论和实践意义。主要体现在3个方面：①从学习者的角度，实验室安全教育应该从浅层、机械性学习向深度学习发展，实验室安全和管理中出现的任何问题都是“有或无”，任何的错失都会引起严重的事故和灾害；②从学习环境的角度，深度学习以情境认知理论为基础，需要学习者参与真实情境实践中，在与他人、环境的互动中建构知识体系，实验室具有情境的特质，将学习者置身于实验室真实情境，具备切身体验后才会对其产生深刻的影响；③从深度学习特征上，其强调在真实情境中问题的解决能力，实验室安全与管理建构在实验室特殊环境，利用标准的规范开展和实施实验的过程，强调的是将浅层和简单记忆的知识转化为深层次的程序性知识，并解决问题，从而实现在实验室中开展创造性的工作。

3 基于深度学习的实验室安全教育课程体系的构建

基于深度学习的实验室安全教育课程体系的构建主要围绕深度学习的发生、维持、促进和支持4个方面展开，如图2所示。

图2 基于深度学习的实验室安全教育课程体系构建图

3.1 构建深度学习的实验室安全教育发生机制

深度学习的实验室安全教育发生机制指以实验室安全教育遴选出的核心概念为知识基础，构建能激发学生内在学习动机的主题情境，将实验室安全教育中呈现出来的新概念与学生原有知识体系关联后的深度加工和理解，并通过特定主题情境中的核心问题驱动，促进学生实验室安全知识的深度建构。以“生物安全知识与实验室安全管理”课程为例。①通过筛选确定了共性和特性的两类核心概念，其中共性核心概念中包含4个主要概念：实验室安全隐患与安全管理、实验室突发事故应急管理、实验室安全评价体系和实验室信息安全；特性核心概念包含4个主要概念：动物实验室安全与管理、微生物实验室安全与管理、野外实践与实习安全与管理、工程学实验室安全与管理。每个主要概念又分为若干小知识点，见表1。②根据两类核心概念下的8个主要概念确定5个情境主题，如，共性核心概念下设计的主题情境是“假如你是一名刚回国的PI，现在需要自己搭建一间生物学实验室，请给出你的设计方案并详细概述”。③在具体的主题情境中设计相应的核心问题以实现驱动学生学习的目的（见表1）。

表1 生物学安全教育核心概念-主题情境-核心问题的构建

3.2 基于深度学习实验室安全教育维持机制的建构

深度学习实验室安全教育维持机制指的是在主题情境和核心驱动问题下，确定教学内容，并根据教学内容制定学生主动参与的相关学习活动，从而实现学生高阶思维的发展。其中，教学内容的确定主要依据核心概念中主要概念确定，在教学中教师采用讲授、线上MOOC或混合SPOC等形式将该部分的理论教学内容呈现给学生；学生活动的制定主要依据教学内容和核心问题的解决确定学生主动参与的活动，如组织参观重点实验室后，让学生以小组合作的形式，参与建模、论证、设计一间实验室；按照布鲁姆分类原则认为高阶思维是相对于低阶思维而言的，分为分析、综合、评价、创新、元认知和批判性思维等，这些思维也是深度学习的核心要素［9］。学生在特定的主题情境中，需要解决其中的核心问题，就需要将生物学实验安全教育中的基本概念进行分析综合，并通过比较评价其中的联系，结合已有知识和认知作出创新，在小组合作中通过彼此间的互动、批判、论证并建构出逻辑完整的方案，从而实现将浅层的知识进行深加工，实现迁移应用的深度学习。

3.3 基于深度学习实验室安全教育促进机制的建构

实现实验室安全教育深度学习，其目标的达成是建立在学生的实践参与，以及问题解决能力的外显化过程，所谓实践参与其主旨就是让学生解决问题，这就需要为学生提供问题解决的情境域。所谓情境域指的是为每一位学生提供主动参与的机会，通过提供解决问题支架（规范、方式、方法、步骤、建模流程、CER等），为学生解决问题提供支撑；最后，按照比格斯（Biggers）等提出的预测-过程-结果模式［10］，让学生通过元认知系统和对情境域的评价对学习过程和结果预测分析，在主题情境的核心问题下，利用理论知识和脚手架选择合适的学习方法，最终获得相应的学习结果，学生在主动学习、理解概念、创造性的运用概念并解决问题过程中，深化其对新概念知识的理解。

3.4 基于深度学习实验室安全教育支持机制的建构

深度学习的理念是对传统教学的变革，是随着信息化时代的发展逐渐成熟起来的一种新型教育理念和思路。有别于传统教学，从媒介上而言是对学习环境的再创造，跨越了常态化的课堂教室，属于意义建构性的学习［11］。前期大量研究显示，借助信息网络平台、虚拟仿真技术、实时互联机制有助于深度学习的实现，对于架构深度学习的情境具有显著优势［12］。因此，该课程支持机制主要包括以下3个方面：①素材库1的构建，主要包括围绕主要概念的微课视频（包含自建和大学MOOC平台共享资源）、借助MOOC和SPOC构建混合式实验室安全教育课程体系，按照主要概念梳理知识点并采用微视频、文本资料、脚手架（论证、建模、规范等操作框架与步骤举例）的形式呈现。②素材库2的构建，利用自建、高校共享机制和国外大学公开案例为学生提供不同主题概念下的虚拟仿真实验，让学生在虚拟空间中掌握基础知识。③利用国家实验教学实践平台让学生在真实情境中完成实操训练，从而实现线上线下一体化的网络互联，将资源、任课教师、实验教师、学生进行整合，为学生合作学习、概念的意义建构和深度学习提供了重要保障机制（见图3）。

图3 基于深度学习的实验室安全教育支持系统构建

4 构建基于深度学习的实验室安全教育课程的学生学习评价体系

基于深度学习的实验室安全教育课程的学生学习评价体系的构建主要包括两个方面，终结性评价和过程性评价两种模式。

4.1 基于深度学习的学生学习终结性评价体系的构建

所谓终结性评价主要是对学生每个主题学习结束后，学习任务的完成情况的评价，即对情境任务成果的评价，重在评价学生对实验室安全教育课程中的核心概念的理解，及其迁移应用情况的评价。根据深度学习的概念维度分为3个具体维度（理解整合、分析评价和迁移应用）［13］；根据SOLO分类的认知结构进行简化［14-15］，将前结构划分为水平1，单一结构划分为水平2，多元结构和关联结构划分为水平3，其中水平1和水平2为浅层认知，水平3为深层认知。具体见表2。

表2 深度学习模式下实验室安全教育学生终结性学习评价表

4.2 基于深度学习的学生学习过程性评价体系的构建

过程性评价主要发生在分主题学习过程中的评价，重在促进学生学习活动能按计划开展，教师根据学生在主题活动中的参与度进行分析和评判。根据深度学习模式下实验室安全教育课程的实施过程分为理论课和实践课2个阶段的过程性评价，见图4，其中，理论课中主要对学生的课堂参与度和对概念的理解度展开评价，课程参与度指学生课堂教学中的出勤率、课堂活跃度等；概念理解度指学生对课堂教学中核心概念的建构程度和对主要概念的理解程度，关于核心概念的建构程度可以采用概念图的形式进行评价，而主要概念的理解程度可以通过对学生在小组活动中的具体表现作出评价，具体评价指标可以参考终结性评价指标中第一个维度“理解整合”中的水平划分实施评价。实践课中主要对学生线上课程的参与度、虚拟操作完成度、脚手架的使用度、小组内的合作及分工以及概念的迁移运用实施评价，其中，学生线上课程和虚拟操作的参与度和完成度可以通过如“雨课堂”、平台的后台跟踪其学习时长实施评价；脚手架的使用度主要体现在学生在完成任务的过程中对脚手架如论证模式、建模流程等使用情况进行评判，教师根据学生的学习进度，在适当的阶段给出不同的脚手架，帮助学生完成相关的学习；小组合作及分工的评判标准则根据不同学生的特征和情境学习理论，学习者从边缘的学习者到核心学习者的转变进行阶段性评价［16］，其宗旨是让每一位学生都能实现其水平的跃迁，最终在实验室安全教育的学习中都能成为核心学习者的水平；概念的迁移运用可以具体参考终结性评价指标中第三个维度“迁移应用”实施评价。过程性评价的宗旨一方面促进学生的学习，另一方面帮助教师掌握学生学习的进度，并进一步通过反思改进教学，设计并开发出适合学生深度发展的新任务情境。

图4 深度学习模式下实验室安全教育课程过程性评价建构

5 结 语

近年来，实验室安全管理和运行的规范性和法制化逐渐引起了世界各国的广泛关注，并强调当面临安全性问题时，要避免实验室生搬硬套安全规范，而鼓励不同实验室处理安全性问题时，采用灵活有效的实验方法应对，如2019年世界卫生组织颁发的《实验室生物安全手册（修订版）》中的规定［17］。为了适应时代发展、实验室特征、学生认知发展等的需要，设计的基于深度学习的实验室安全教育教学体系和评价机制，契合了当前国内、外对实验室安全和管理的需求，基于前期的教学实践也发现该课程对学生实验室安全素养的全面发展具有重要作用。