基于OBE理念与“互联网+”的地方高校实验智慧教学模式探究

郑会勤, 张永强

(河南财政金融学院 环境经济学院,河南 郑州 450046)

0 引言

成果导向教育(outcome based education,OBE) 理念认为教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后取得学习成果(learning outcomes)[1]。它强调在教育教学过程中,教师要始终思考4个问题:本课程让学生取得的学习成果是什么,为什么要让学生取得这样的学习成果,如何有效地帮助学生取得这些学习成果,如何检验学生已经取得了这些学习成果。 “互联网+”技术就是把信息新技术、互联网平台与传统行业相融合,引领各行业的快速发展,创造出新的行业生态[2-3]。 随着“互联网+”与教育融合不断地深入,构建个性化、智能化、数字化的学习方式,已成为当前教育变革的一项新举措。本文将“互联网+”与传统的“基础化学实验”教学深度融合,将OBE教育理念充分运用到实验教学的各个环节,建立基于OBE理念与“互联网+”技术的高校化学实验智慧教学模式,以取得更好的实验教学效果[4]。

1 地方高校实验课程存在的问题

当前,一些地方高校和新晋本科院校把较多的精力放在扩大学校规模、提升就业率方面,对实验室建设,比如化学实验室建设投入不足,使得实验仪器落后、设备陈旧等问题普遍存在。具体来说,地方高校化学实验课程或多或少存在以下不足:①实验室存在安全隐患;②教学模式相对单一,课程资源较少,学习途径有限;③师生沟通不畅,课前课后学生遇到问题无法及时与教师沟通,不能充分解决;④实验课教学评价较为单一,无法充分调动学生实验课程学习的积极性与参与性;⑤实验与实践结合不足,学生学以致用的能力不够,创新能力不足。上述不足制约了地方高校化学实验教学的发展,影响了实验课程的教学效果。对于以化学实验为基础的学科(如化学、环境科学、环境工程)而言,没有良好的实验课程教学和学习模式作支撑,很难培养学生良好的实验素养,也很难培养学生独立思考以及科学探究精神,更无法让其进行创新性科学研究,这不利于高校实现培养“创新、创业”型人才的目标[5]。因此,实验课程教育教学改革势在必行。

2 OBE理念和“互联网+”技术在高校“基础化学实验”教学中的应用

OBE理念需要回答的4个问题可以总结为“WWHH”,即培养学生取得什么(What,W)学习成果,为什么(Why,W)让学生取得这样的成果,怎样(How,H)帮助其取得这样的学习成果和如何(How,H)检验学生是否已经取得了这样的成果。图1是本文的具体研究内容的思维导图。

图1 OBE理念与“互联网+”技术在“基础化学实验”教学中的应用

由图1可知,课程要“培养什么”和“为什么培养”,其实就是让教师在课前认真思考:学生学完本课程后要达到怎样的学习目标,以及达到这些学习目标对学生以后的发展有何意义;明确了课程的目标和意义后,教师在课程的实施过程中要将主要精力放在帮助学生达成学习目标上;如何检验是否达成了上述学习目标,就是成果检验的问题。本文采用多种方法帮助学生达成学习目标,同时为科学客观地评价和检验是否达成了学习目标,设计了课程量化评价方案及实验与实践相结合的方法进行检验,以上教学设计在我校的“基础化学实验”教学中应用后,取得了良好的教学效果。

2.1 想让学生取得什么样的学习成果(What, W)

本文以“基础化学实验”为例对该问题进行说明。“基础化学实验”属于环境科学专业和环境工程专业培养方案中的学科基础课模块,要为后续专业课的学习奠定基础。因此,本课程在OBE理念的教学实践中,希望学生获得的学习成果主要有以下几个方面:①培养学生的安全意识,掌握“基础化学实验”基本操作实验技能;②培养学生实事求是的科学态度及科学思维方法;③培养学生理论联系实际、学以致用能力和创新能力等。

2.2 为什么让学生取得这样的学习成果(Why, W)

根据我校环境科学专业的培养方案和“基础化学实验”教学大纲,学生在学完该课程后,应具备下列能力:①基本的实验技能,包括实验基本原理的掌握和常用仪器的操作方法;②基本的数据收集和分析能力,包括设计实验、收集、处理、分析与解释数据,通过信息综合得到科学合理的结论;③分析问题和解决问题的能力,能运用化学的基本原理和方法对实验过程中出现的问题进行综合分析和研究,并提出解决问题的方法和建议;③理论联系实际的能力及科学的思维方法和创新能力,能将所学理论知识和实验技能相结合,解决实际问题,并能进行不断改进和创新。学生顺利地取得上述学习成果,对于后续专业核心课程的学习至关重要。这些学习成果提供了必要的知识和技能基础,为学生在更高层次的学习中打下坚实的基础。同时,这些成果也是培养方案中所设定的培养目标的一部分,通过达成这些目标,学生能够在毕业时具备一定的专业素养和能力,实现学有所成的目标。这就要求教师针对学生的学习需求,充分利用“互联网+”技术和资源,获取教学反馈大数据等,并做出创新的教学设计,合理安排教学内容,尽可能对传统的教学模式进行改革和优化。

2.3 如何有效地帮助学生取得这些学习成果(How, H)

2.3.1 实行实验室安全准入制度

为提高实验的安全性,我校的“基础化学实验”采用 “线上+线下”结合的实验室安全准入模式。通过“互联网+”技术与一些常用的APP(如学习通、雨课堂、小鹅通等),建立“化学实验室安全准入考试系统”,学生可通过智能手机、平板电脑、台式机等终端设备的客户端程序自主学习实验室安全教育视频,然后在“线上”练习并自主考试。考试合格者才可进入化学实验室进行“线下”实验操作,成绩不合格者必须继续考试,直到成绩合格方可进入实验室进行“线下”实验操作。

2.3.2 推行虚拟仿真实验

“基础化学实验”中常常涉及一些有毒、有害的实验或实验仪器不够的实验,这类实验我校采用虚拟仿真实验操作。如“基础化学实验”中“氯气的制备及性质实验”,采用“仿真化学实验室”软件完成[6],并获得了较为理想的教学效果[7];一些涉及大中型仪器的实验只能演示,为了提高学生的实验参与度,尝试采用Flash软件模拟实际实验操作,也获得了较为理想的教学效果[8]。除了利用可以安装在PC机及手机上的小型软件进行虚拟操作外,我们也充分利用开放型的虚拟实验平台,如国家虚拟仿真实验教学课程共享平台,选取合适的实验进行虚拟实验操作。受近3年特殊情况的影响,学生不能正常入校学习,很多实验无法开展,为了尽量不影响学生的课程进度,根据实验的特点,将一部分实验替换为类似的虚拟仿真实验。在“基础化学实验”的综合设计实验中,选取了国家虚拟仿真实验教学课程共享平台上的“磷酸铁锂新能源材料的合成与表征”,替代原教学大纲中的“三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的合成”这一综合实验,学生在自己手机上注册后,点开“我要实验”一步一步地进行虚拟实验操作,实验完毕后,按照要求写出实验报告,也获得了较为理想的实验效果。

总体来说,虚拟仿真实验具有下述优点:①激发学习兴趣和提高实验参与度:通过虚拟仿真实验,学生可以在模拟的实验环境中进行操作和观察,激发他们的学习兴趣,增加实验的参与度;②培养独立思考的能力:学生在模拟实验中需要应用理论知识和实验技巧,分析和解释实验结果,培养了他们的独立思考能力和科学素养;③提高学习效果:通过该虚拟仿真实验,学生可以在课前通过虚拟实验进行预习,提前了解实验步骤和现象,提高了他们的预习效果;④解决实验条件不足的问题:对于一些实验条件受限的学校,虚拟仿真实验提供了一种解决方案,学生可以通过虚拟实验获得实验学习的体验和效果,尽可能地补充实验条件不足所带来的缺陷;⑤节约成本和环境友好:虚拟仿真实验不需要大量的实验设备和试剂,因此可以节约实验成本,还可以减少环境污染,促进实验教学的绿色化和可持续发展;⑥远程教学和教学改革:虚拟仿真实验可以用于远程教学,特别是在学生无法到校上课时,可以通过虚拟实验完成实验教学任务。这种线上辅助实验教学模式丰富了教学方法,提高了实验教学的质量,并为高校实验教学改革提供了新途径。

脊柱缩短截骨术是近年来发展起来的一种新方法［4，19］，不仅可获得良好的侧凸矫正率，同时通过截骨缩短脊柱长度，理论上减小脊髓或马尾的张力；但在矫形过程中，仍然可能牵拉脊髓，使受到骨性纵隔的切割；为避免相关并发症，有学者提出了在一期切除骨性纵隔的基础上同时行截骨矫形术。然而，此方法具有手术难度大、技术要求高、手术时间长、出血量大、神经并发症多等缺陷，并且仍需同时处理骨性纵隔，存在相关神经外科手术并发症。

2.3.3 “线上+线下” 混合教学

自建了“基础化学实验”网络学习平台,通过“线上+线下”相结合的智慧教学模式,尽可能减少化学实验中潜在的诸如水、电、火、强酸、强碱、玻璃仪器、有毒有害气体吸入、“三废”排放等各种潜在的实验室安全问题。图2是自建的“基础化学实验”学习平台,依托学习通APP。

图2 自建的“基础化学实验”学习平台

由图2可知,该实验教学平台包含了本门实验课所含所有实验的预习思考题、实验视频资源、实验教案、实验课件、测试题、拓展阅读及其他资源。学生在课前可以根据老师发放的实验题目、实验思考题有针对性地观看实验视频资源和实验教案、实验课件等学习资料,写好预习报告;实验课上(课中)带着预习中不太懂的问题集中听老师讲解,然后根据预习的结果和老师讲解的方法步骤进行具体的实验操作,真实地记录实验现象,准确地记录实验数据;课后进行数据分析、实验反思和问题总结,及时写好实验报告,完成线上测试题,巩固当次实验的要点和涉及的理论知识;同时可以根据老师提供的线上拓展资料,结合中国知网、万方数据库等数据库资料,积极开展延伸学习。

除了自建平台,我校环境经济学院也充分利用中国大学慕课平台的精品课程,积极推广基于“互联网+”的“线上+线下”结合的高校化学实验智慧教学模式,体现转型中的高校化学实验的教学特点——重基础更重能力,突出面向河南省地方经济建设和社会发展培养高素质应用型人才的特色,积极推进素质教育,着力培养学生动手实践能力和创新精神,培养适应我省经济发展需要的环境科学及化学相关专业的从业人员。

2.3.4 建立“多渠道、多角度、深层次”的沟通模式

为了帮助学生解决学习过程中遇到的问题,通过手机、平板电脑等各种移动客户端,建立教师与学生、学生与学生的终端连接,建立“多渠道、多角度、深层次”的“师生互动、生生互动”模式,利用这种“云沟通,云互动”达到“学生学习为主,教师指导为辅”“教学中学习,学习中进步”的教学相长目的,最大限度地激发了学生的学习积极性、主动性,开发其“创新性、创造性”思维模式,实现课堂“永不下线”。在每学期开始,教师都会将任课班级的学生名单导入学习通,建立学习通群;同时,建立课程学习微信群,方便学生、老师在线沟通。有的学生性格腼腆,不敢与老师面对面沟通,他们会通过学习通群或微信群、QQ群发送问题,课程教师都会及时解答,并鼓励同学多提问题,提好问题。这种“多渠道、多角度、深层次”的沟通模式,大大提高了学生学习的参与度,激发了学生主动探究问题的热情,也促使学生更深层次地探究实验现象背后蕴含的科学道理,对学生科学思维模式和思维方法的建立具有很大的促进作用。

2.4 如何检验学生是否取得了这些学习成果(How, H)

对于如何检验学生是否取得了这些学习成果这一问题,主要通过以下途径达成:①通过量化方式评价基础实验的学习结果;②通过各类项目参赛结果反馈学生的学习情况,以赛促学、赛教结合、综合评价;③加强对学生创新能力的培养,积极引导学生进行实验方法和实验仪器的改进。

2.4.1 建立量化的实验课堂评价体系

表1 实验课学习成果评价表Tab.1 Evaluation form for learning achievement of experiment course

(1)

其中,n指实验的个数,自评总分、互评总分、师评总分分别指单次实验的各分项的总分,满分均为100分。根据表1的评价结果,将各项成绩代入(1)式,得出实验课的总评成绩。

这种评价模式将实验课课前、课中和课后涉及的问题进行量化,任何一个环节不完善都会影响本次实验的成绩;同时,为了得到更合理的统计数据,采用自评、互评和师评“三方评价”加权的方式(即自评25%、互评25%、师评50%),得到一次实验课的成绩,然后多次实验课成绩求和再求平均值,如计算优秀率,按如下标准进行界定,即分数在[90,100]为优秀, [80,90)为良好,[70,80)为中等,[60,70)为及格,小于60为不及格。这种评价方式避免了乱评误评,评价结果相对科学。实行该评价模式以来,我院学生明显在实验的各个环节都更加注意细节,激发了学生主动学习的热情,同时培养了学生严谨科学的实验态度,对课程目标的达成具有至关重要的意义。

2.4.2 将实验与实践相结合,引领学生关注社会热点问题

本文结合环境科学的专业特点,将实验理论与实践相结合,充分利用中国知网、万方数据库和其他 “线上”资源,引领学生关注并研究社会热点问题,实现“理论指导实践,实践发展理论”的创新实验教学模式。实现“线上”学习调研、“线下”分析测试,最后总结归纳,提出对策建议,实现 “在实践中探索、在探索中进步”的教学目的。

鼓励学生利用所学的专业知识和实验技能,参与各级各类社会调查、社会实践活动,各类创新、创业竞赛等赛事及暑期社会实践、适合本专业的各级各类研学、研讨活动等。2020年,我校环境经济学院组织学生调研“河南省农村饮用水安全问题及解决方案”,其中4名大二本科生参与调查河南省南阳市农村饮用水安全问题,通过实地考察、现场采访、查阅文献资料、查阅官方网站和公众号公布的官方数据等多种方式,结合我校的实验条件进行了部分地区的取样检测,探究了南阳市近5年主要河流、水库、地下水等水资源的水质状况及辖区内12个县区目前尚存的农村饮用水安全问题,并提出了切实可行的解决方案[9]。这4名本科生参加第十五届“挑战杯”大学生课外学术活动,获得河南省一等奖。通过上述实验、实践活动,学生能主动将知识学以致用,独立思考问题和解决问题的能力得到了锻炼,创新实践能力、团队合作能力也大幅提升。

2.4.3 改进实验方法和实验仪器

在实验教学过程中,结合课题组的科研方向尝试改进实验方法,如在 “光催化清洁能源氢气的制备”实验中,为提高析氢效率,教师查阅了大量的资料,不断尝试改进实验方法和实验仪器,获得了较好的析氢效果,目前正在申请改进方法的发明专利。除了改进实验方法,教师也注意实验仪器的改进和改装,比如在进行 “光催化降解废水中的有机污染物”时,结合项目组成员的研究成果,改进了一种光催化材料的涂覆装置,并申请了实用新型专利[10]。真正做到理论与实验、实践相结合,“理论指导实验、实践,实验、实践修正理论”。上述实验的改进对于培养学生的创新实践能力有极其重要的意义。

3 结论

本文以OBE教育理念和“互联网+” 技术为基础,构建了基于OBE理念的“互联网+”的“线上+线下”高校实验智慧教学模式。以“基础化学实验”为例,详细阐述了OBE理念下让学生获得什么学习成果,为什么要获得这样的成果,通过怎样的方式获得这样的成果及如何检验教学成果的达成度等“WWHH”问题。结合我校的实际情况,通过自建教学平台,结合中国MOOC及国家仿真实验平台等公共资源,实行实验室安全准入制度、虚拟仿真实验、“线上+线下”混合教学,建立“多渠道、多角度、深层次”的沟通等方法,建立量化的实验课程评价体系,实验与实践相结合,引领学生关注社会热点问题、改进实验方法和实验仪器等途径,多维度评价实验课程学习目标的达成度,并收集多方面的教学效果的情况反馈,持续改进实验课教学。这种教学实验课程改革方法,为地方高校实验课教学改革提供了实践依据。