基于OBE理念的“微生物学与免疫学实验课”虚实结合教学改革探索与实践

冯华炜, 刘 彬, 刘 宇, 刘宏生

(辽宁大学 药学院, 辽宁 沈阳 110036)

成果导向教育(Outcome-based education,OBE)由William G. Spady于1994年提出[1],强调以学生为中心,注重能力的获得,旨在将教育的重点放在学生的“学”而非教师的“教”[2-3]。OBE教学过程重视学生的学习目标和学习过程,注重培养学生将学术知识转化为解决实际问题的能力[4-6]。OBE模式下的课程设计,本质是课程计划的“反向设计”,是从社会需求开始,由需求决定培养目标,再由培养目标决定毕业要求,再由毕业要求决定课程体系[7]。该模式可以最大程度地保证教育目标与结果的一致性,从而使学生具备步入社会后所需要的知识、能力和素质,满足社会对高素质、应用型人才的需求。微生物学与免疫学实验是辽宁大学针对制药工程专业本科生开设的一门实践性课程,旨在帮助学生实现微生物学与免疫学理论认识的提升,培养学生运用理论解决实际问题的基本能力、创造能力和实践能力。2022年是新冠肺炎疫情常态化防控的第3年,为继续保证“停课不停学”[8],辽宁大学积极组织师生进行线上教学。针对微生物与免疫学实验课操作要点多、规范性要求强等特点,基于OBE理论指导,转变传统的课堂教学模式,建立“线上线下、虚实结合”的混合教学模式,契合后疫情时代的需求[9-10]。

1 基于OBE理念的线上线下、虚实结合实验课模型

辽宁大学制药工程专业的培养目标是培养能在制药及其相关领域的生产企业、科研院所、设计院和管理部门等单位从事药品开发、工艺和工程设计、生产技术质量管理和药品经营管理等工作的具有较高素质和创新能力的应用型人才。因此,本课程改革以“学”为中心,建立基于OBE理念的虚实结合实验课模型(图1)。模型共分为四部分:预期学习目标、学习过程(反向设计、生成课程学习资源)、实验考评和学习成果。预期学习目标以真实问题为导向确定预期学习目标,如何取得学习成果,如何保障取得学习成果,取得什么样成果等问题[11]。学习过程在线上理论讲解和演示实验视频教学的基础上,引入虚拟仿真实验模拟实体实验的场景、仪器设备、操作流程,达到与实体实验基本一致的实验现象和实验结果[12]。最后根据疫情控制情况开展线下(课堂)实验教学,并以团队协作完成项目的形式进行学习成果检验。这种教学模式很好地解决了微生物学与免疫学专业实验学环节中的共性及个性问题,激发学习热情,培养学生的自主学习能力和工程实践能力,提升就业竞争力。

图1 基于OBE理念的虚实结合实验课模型Fig.1 The model of the experimental course based on the concept of OBE

1.1 预期学习目标

OBE要求规划者确定学生在其当前专业领域所必需的技能,建立毕业后所需的知识和能力,并据此设计教学目标和任务[13]。针对制药工程专业学生毕业后面临的工作需求和承担的工作内容,辽宁大学微生物学与免疫学实验课程的实验项目主要围绕微生物学和免疫学实验展开,分为基础部分和应用部分(表1)。基础部分包括微生物实验室安全与防护、直接凝集反应实验、培养基的配置与灭菌、微生物染色技术、微生物的分离和纯化、抗生素抑菌性考察、紫外线杀菌效果考察等内容。应用部分加入《中国药典》中微生物安全性检查的重要内容,包括环境及食品中微生物的检测、大肠埃希菌的分离和检测、金黄色葡萄球菌的测定。课程内容由易到难、由浅入深,不断加深学生对微生物学科理论知识理解,使学生掌握微生物的基本特性,培养无菌观念、生物安全意识,成熟应用微生物研究的主要方法与技术,培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。基于预期学习成果达成情况,持续加强社会跟踪关注,根据学生反馈和社会需求,不断改进和创新课程设计,继续优化预期学习成果。

表1 微生物学与免疫学实验课程内容与教学目标Table 1 Contents and teaching objectives of the experimental course of microbiology and immunology

1.2 学习过程

鉴于OBE教学理念的最终目的是培养学生具备与专业需求相匹配的综合素质能力,因此本实验课程放弃了传统“灌输式”单一教学模式,针对课程教学过程的非预期性和不确定性因素,采用“线上线下、虚实结合”型学习方式,通过建立雨课堂、腾讯会议、大规模在线实验室(MLABS)等线上教学平台,实时调整线上课堂与传统课堂的结合方式,满足学生差异化学习的需要,从而获得更好的教育教学效果。

1.2.1 课前学生低结构化自主学习 教师在课前通过雨课堂将课时安排、实验教学日历和教学大纲公告发送学生,学生可以了解每项实验的基本信息,如实验原理、所需器材、实验过程、注意事项等内容。为了保证能够进行基本的教学,教师将应知应会内容制作成简单的预习作业及思考题上传于MLABS平台。学生开展课前的低结构化自主学习,通过MLABS平台的闯关模式进行虚拟实验,熟悉实验目的、原理、所需器材及操作过程,完成预习作业。在线上和线下课堂,教师采取过程考核方式,2人为1组,考察学生的自主学习效果。

1.2.2 课中教师协助学生开展高结构化学习 ①线上教学。教师依据疫情严重情况,采取线上线下融合式教学方式进行授课。线上教学采用雨课堂+腾讯会议方式直播授课,通过询问学生实验原理、关键步骤、异常结果产生原因等关键性问题进行过程考核以检查学生自学效果,并对实验原理、操作步骤和注意事项进行深入讲解[14]。针对学生不能亲自动手进行实验操作的问题,教师可以播放实验操作的录制视频,通过视频重点讲解实验的操作要点及规范性。教师授课时,遇到重点内容随时进行课堂提问,学生可以用腾讯会议语音和批注、雨课堂弹幕等方式与教师进行互动探讨。针对重点问题,教师可以设置雨课堂红包对学生的回答予以鼓励,不仅可以增加学生对重点知识的记忆,还可以活跃课堂气氛,避免线上无法眼神肢体接触带来的缺陷。线上实验课结束后,学生可再次进入MLABS系统进行虚拟实验,以便更好地熟悉线下实验过程。②虚拟仿真教学。基于MLABS的虚拟实验平台弥补了线下实验时间不够、实验场地和实验器材不足的问题(图2)。例如MLABS平台中“牛肉中大肠埃希菌检测”的3D虚拟实验缩短了从增菌-纯化-染色-PCR仪鉴定的实验时间,解决了药学院无法提供二级生物实验室和PCR仪的问题。此外,学生还可以根据自身的情况,对关键步骤反复操练,达到“不了解-熟练-精熟-技能”的状态,为线下实验打下基础。虚拟实验结束后,教师和学生进行讨论和研究,进一步总结虚拟实验存在的问题,展示实验的操作要点和要求。例如正确的平板划线分离操作:首先在酒精灯外焰烧红接种环灭菌;之后左手拿无菌平皿,用拇指和食指控制皿盖,其余手指控制皿底,开口角小于30°打开皿盖;右手持接种环于平皿内连续划线,划线不能相交、漏交、错交,划线角度要合适,力度要均匀,不能划破琼脂、线的边缘应划至培养皿的内缘,每划完一区,都应灼烧接种环,后一区要求与前一区首尾相连,但不得与其他区域搭在一起。而在MLABS虚拟仿真实验中该过程很简单,只需点击接种环至培养皿中即可完成实验(图3)。学生对于接种环在火焰上烧多久、烧到什么程度才可以灭菌,划线时用多大的力,胳膊和手处于多大角度才能使划线不相交、漏交及划破琼脂等问题仍然无法准确掌握。因此还需要基于线下实验进一步规范学生的操作能力,让学生具有触觉、视觉感知,形成肌肉记忆,进而有效提高实验教学效果。③线下教学。在实验条件允许时,本着加强基础实验、提高动手能力的原则,教师对实验内容进行梳理和整合,形成内容相互衔接关联的基础实验群,进行线下实验。例如可将“光学显微镜使用与微生物观察”“培养基的配置灭菌”“微生物分离和纯化”“微生物染色技术”汇集为“环境及食品中微生物的检测”一个实验进行连贯性操作,将涉及光学显微镜使用、灭菌、细菌染色、培养基制备、分装、平面、斜面划线等进行统一考核。课堂上实时播放教师录制好的实验操作视频以供学生参考,教师在实验台间来回走动,观看各组实验的情况,并指导学生通过回忆虚拟学习内容锻炼其在实际操作中应具有的精确度和分寸感,提高处理实验突发问题和分析实验误差的能力[14]。为了让每个学生都参与进来,线下实验要求每个小组成员展示不同的实验结果,例如,用不同倍数物镜观察细菌,这样小组中每个成员会画出不同形状大小的细菌。

图2 基于MLABS的虚拟仿真实验平台Fig.2 Virtual simulation experiment platform based on MLABS

图3 基于MLABS的平板划线虚拟仿真实验Fig.3 Virtual simulation experiment of plate streaking based on MLABS

1.2.3 课后学生低结构化深入探究 学生针对课前和课中的学习进行总结,根据实验记录,每人独立撰写实验报告。实验报告按规范模板填写,实验原理不能过简、关键的试剂与设备不能缺失、重要的操作步骤或实验条件不能省略,对实验结果要有结论与探讨等,这样一节实验课下来不仅提高学生动手能力也培养了他们书写论文的综合能力[14]。同时设置雨课堂线上讨论区,供学生深入学习与研讨,使学生的知识理解、认知结构升华到更高的水平,有效拓展其科研创新思维。

1.3 实验考评

OBE重视学生的学习过程和是否达到预期目标。因此本课程会对学生的各个学习过程进行考评。线上线下每项实验结束后,教师根据实验报告、预习情况、MLABS评分、课堂提问、线下实验操作、课后作业,参考学生的自评、小组互评并及学生出勤率,给与学生评分。其中,实验操作占40分(MLABS 15分、线下实验室操作25分),实验报告20分,课前预习15分,课堂提问15分,卫生、纪律及出勤等占10分。总成绩占本门课程的60%(图4)。

图4 微生物与免疫学实验课程考评规则Fig.4 Evaluation rules for microbiology and immunology experiment course

1.4 学习成果

课程采取自主设计实验进一步检验学生的学习能力是否达到预期学习成果,并对实验教学效果进行评估。自主设计实验在保证学生安全性、可行性的基础上,引导学生关注现实需求问题,自主设计实验,进行已有知识框架的拓展[15]。例如,水产养殖抗生素禁用已成为全球问题,如何筛选一些安全可降解的中草药作为替抗药物进行抑菌;牙龈感染经常发生,清洁口腔对牙龈斑有何影响。基于这些问题,学生可以选择“中草药的抗菌作用研究”与“口腔牙菌斑的研究”作为自主实验的题目(表2)。也可以利用前期实验分离的环境微生物进行培养皿艺术画创作,在了解不同种微生物的颜色、形态及其生活条件、生长周期的基础上,培养学生的审美能力,提高学生的团队协作能力。

表2 微生物与免疫学自主探究实验案例Table 2 Experimental cases of self-exploration in the course of microbiology and immunology

自主设计实验前,学生需以小组为单位,按照“自主选题-方案设计-开展研究-结果分析-总结报告”的思路自主设计并实施实验项目,并提前一周向教师提交实验方案,师生共同探讨实验可行性后开展实验。学生在实验完成后撰写标准学术论文并以PPT形式进行汇报,论文内容包括题目、署名、关键词、摘要、引言、实验方法与材料、结果分析、讨论、结论和参考文献。教师考评时,实验操作占30%,主要考评学生是否积极参与、实验操作是否规范;论文占40%,考评如选题是否合理、实施方案是否科学、实验数据是否可信、结论是否正确等。PPT汇报占30%,考评学生的表达能力。自主实验成绩占本课程的40%。

2 教改效果评价

全部实验结束后,通过腾讯会议的投票功能,向本学期授课的2019级、2020级的80名制药工程专业学生征求“线上线下,虚拟教学”效果评价,共发放问卷80份,回收70份有效问卷。从调查结果看(表3),学生对线上线下、虚拟教学总体满意(95%);认为MLABS虚拟仿真实验教学促进线上教学(91%);认为课程加深理论理解,提高动手能力(95%);增强自主学习能力,培养学习兴趣(94%);促进同学间合作(96%),但对于虚拟仿真实验取代线下实际操作支持度不高(84%不支持)。这一结果说明单一的虚拟实验仍然不能完全替代实际操作,只有真正的虚实结合才能提高学生的动手能力,全面培养学生的自主学习能力和创新思维。

表3 学生对微生物与免疫学实验课程的反馈Table 3 Student feedback on microbiology and immunology laboratory courses

3 总 结

OBE将教学的重点从教师转移到学习者,弥合了学位课程与行业要求之间的差距,在全球高等教育领域广受欢迎[16]。为满足我国对研究型和应用型药学专业人才的需求,本研究将OBE教育理念贯穿于整个教学活动,制定支撑专业培养要求的课程目标,构建“线上线下,虚实结合”教学模式,使得教师的主导作用和学生的主体地位在教学过程中都得到了良好的体现,学生对该教学模式的总体满意度达到95%。依托雨课堂平台和线下课堂开展实验教学,发挥了MLABS虚拟仿真实验和线下实验各自优势和长处,突破了传统实验教学的时空限制,有效解决了教学实验条件不足、学生学习积极性不高、学习过程监管困难等问题。

MLABS虚拟仿真实验为学生提供了一个身心安全的学习环境和重复学习的机会[17]。已有研究表明,采用VUMIETM、Storyline 360平台[18]、Labster平台[19]、国家虚拟仿真教学项目共享服务平台[19]等虚拟仿真技术不但提高了学生的微生物学知识、技能和信心等学习成果,还能有效应对COVID-19流行无法线下教学的问题[20]。在本次教改中,也有91%的学生认为虚拟仿真实验可以促进线上教学。但对于虚拟实验能否取代线下实验,84%的学生持否定态度。这些结果表明MLABS虚拟仿真实验可作为传统实验教学的延伸与有益补充,而非替代。阿拉伯海湾大学的一项调查也显示,51.8%的学生和57.2%的教师认为在线实验室是线下实验室的重要补充,线上结合线下的微生物实验教学模式最受师生们的欢迎[21]。因此,将传统教学与虚拟仿真技术进行有机结合,可以更好地加深学生对理论知识的理解和掌握[22]。另外,本学校虚拟资源有限,基于MLABS可进行的实验项目数量还需增加,未来还需针对特定某一项实验自主设计具有特色的虚拟仿真实验项目。

自主设计实验可以让学生将所学知识点串联起来,设计成连续的实验步骤,促使他们对于本课程知识的理解更加具体化和系统化,提高了学生的团队协作能力、动手操作能力、语言表达能力、书写论文和报告的能力。本次教学改革实践显示,认为该模式可以加深理论理解,提高动手能力的学生达到95%,认为可以增强自主学习能力,培养学习兴趣的学生达到94%,认为可以促进同学间合作的学生达到了96%。自主设计实验环节的增加,使得学生具备初步职业技能,达到预期的学习成果。另外,由于疫情因素,部分学生无法准时到校进行线下实验,为了不耽误学生的学习进度,增设微生物与免疫学家庭实验项目是本教学模式进一步考虑的内容。

本研究中“线上线下,虚实结合”教学模式在微生物与免疫学实验教学中获得了较好的效果,值得不断完善和推广。当然,微生物与免疫学实验教学改革是一个长期积累的过程。在今后实施过程中,还需依据学生毕业指标的完成情况,运用OBE理念对该教学模式进行不断改进和完善,以促进教学水平和教学质量的持续提升。