基于“特色教材+課程云平臺+移動交互端+虛擬仿真模塊”四位一體的內涵式《微生物與免疫學》課程混合教學研究①

謝 暉 陳雪利 陳 丹 曾 琦 詹勇華 沈曉敏 徐欣怡 梁繼民

(西安電子科技大學，生命科學技術學院,西安710126)

當今“互聯網+”的背景下，混合式教學形式多樣，呈現出蓬勃的發展態勢，“互聯網+”教育也讓社會各界重新聚焦于混合式教學。可以這樣說，混合式教學經過20余年的發展，不論是研究者、教學實踐者，還是政府和教育機構，對其已基本達成了共識即混合式教學將成為未來教育的“新常態”[1]。

近年來，不斷涌現出的信息化教學技術及方法種類繁多，各大高校利用混合信息化教學手段開展本科教育的經典案例層出不窮。但是需要強調的一點是，“互聯網+”背景下的信息化手段僅僅是一種工具和方法，切實提高教育教學質量，內涵式引導本科生提高創新思維、科研意識、知識轉化實踐等應用能力才是高等教育的最終落腳點。我們近年來一直從事《微生物與免疫學》課程信息化、個性化混合教學研究[2,3]，通過三年的本科生持續課程培養研究及分析，初步建立起一套能夠廣泛適用于當今“互聯網+”背景下的、基于“特色教材+課程云平臺+移動交互端+虛擬仿真模塊”四位一體的內涵式《微生物與免疫學》課程混合式現代教育技術教學體系(圖1)。現就該課程開展可行性、體系內容、內涵式混合教學實際應用、取得成效等問題逐一展開分析。

1 《微生物與免疫學》課程內涵式混合式教學模式理論依據

1.1課程情況及面臨問題 《微生物與免疫學》課程是我校生物技術和生物醫學工程兩個本科專業的必修核心課程；該課程在第三學年的第一學期與《微生物與免疫學》實驗課同步開設，學時數為48學時。近年來在各大高校大力提倡“把自主權和時間還給學生”的前提下，學校各類必修課程學時數大幅縮減。我們負責的《微生物與免疫學》課程從2012年最初的64學時縮減到2016年的48學時；想要將整本教材的內容利用不到40學時(除去考核、考試、節假日因素影響)的時間全部灌輸給學生，難度極大，效果不佳。或者是未經過深入調研基礎擅自刪減、跳過部分章節進行講解，勢必會割裂學生建成《微生物與免疫學》課程知識構架的體系化過程。因此，如何在有限的課時內，更好地使學生全面、高校掌握課程相關理論知識及應用拓展，就成為了當代高校課堂中存在的廣泛問題。

1.2成熟的理論依據 本課程的混合式教學開展，主要依托的理論基礎是經典的建構主義理論。該理論強調主體在認知過程中的主動建構功能，認為任何知識的獲取都不是依賴于傳授，而是認知主體通過學習環境對認知內容進行有意義的建構所獲得。在此基礎上，自主學習理論也進一步提出，自主學習是一種可以通過后天培養的能力，表現在確定學習目標、確定內容進度、選擇方法技巧、監控學習過程、評估學習效果等方面[4]。因此，我們結合當前工科院校《微生物與免疫學》課程教學的特點，在前期進行的信息化混合式教學改革探索的基礎上，將《微生物與免疫學》課程自主學習的能力進一步歸納為6個方面：①前期準備——了解目的要求(基于特色教材、云平臺)；②確立學習目標及計劃(基于云平臺)；③根據個體差異使用相應策略(基于云平臺、移動學習平臺)；④教師檢查策略運用效果(基于云平臺、移動學習平臺、虛擬仿真學習平臺)；⑤微生物與免疫學學習精細化監控(基于云平臺、移動學習平臺、虛擬仿真學習平臺)；⑥學習結果評價及反饋(基于云平臺、移動學習平臺、虛擬仿真學習平臺)。上述理論也為本研究提供了重要的理論依據(圖2)。

圖1 內涵式《微生物與免疫學》課程混合式教學體系Fig.1 Connotative mixed teaching system of Microbiology and Immunology

2 《微生物與免疫學》課程內涵式混合式教學四位一體的課程體系支撐及應用

2.1以“新工科”背景下的特色課程教材為輔助 任何一門課程的順利實施均離不開一本配套教材的輔助。由于我們所在西安電子科技大學為工科院校，相對于其他綜合院校生命科學技術學院的本科生培養存在一定差異。工科生的思維體系始終和應用接軌，單純選擇市面上主流《微生物與免疫學》教材，由于知識內容過多且過于偏重理論，同時部分知識點和學生之前學習的分子生物學、細胞生物學、生物化學等課程知識重疊，記憶性內容龐雜，絕大多數情況下容易被工科學生所輕視(工科生一般重實踐輕理論)。因此，我們團隊根據工科院校本科生特點，針對性編寫并出版了《現代工科微生物學教程》，該教程重點體現在微生物生長與控制、微生物遺傳與育種、微生物生態、免疫與免疫技術、微生物制藥、微生物發酵工程以及微生物在其他工程領域的應用等，極具工科院校應用性特色[5]。比如在“微生物系統進化”章節中引入系統發育樹構建的科研拓展，同時結合學生的工科特色培養體系(計算機編程、計算機算法等課程)，加入編程算法，自主優化大數據背景下的序列比對分析過程(圖 3)。

圖2 《微生物與免疫學》課程自主學習的能力歸納Fig.2 Induction of autonomous learning ability in Micro-biology and Immunology

2.2以交互式視頻課程學習平臺為基礎 近年來，在線課程的興起在很大程度上助推著在線學習的快速發展，使在線教育成為一種越來越普遍的學習方式。但是單純整合視頻至網站的常規方式很難真正意義上提高學習者的學習效率。因此，我們基于遠程學習相關的3種不同類型的交互，即學生-學生交互、學生-教師交互以及學生-內容交互的基本理論[6]，建設了交互式視頻課程學習平臺。我們以這一分類框架為基礎，結合當前在線開放課程中交互的特性以及交互設計的應用現狀可以將在線開放課程中的交互分為3類即人-人交互、學生-內容交互、學生-界面交互。

人-人交互包括學生-學生交互以及學生-教師的交互，即在線開放課程學習過程中學生之間或學生與教師就教學內容及其相關問題進行的交流,如在線實時交流聊天室、彈幕、論壇、郵件等方式的交流。學生-內容交互是學生與各種學習材料，如文本、音頻、視頻、圖形和圖像之間的交互，包括測試題、文獻、網站等。學生-界面交互是學生與系統界面之間的交互，主要指通過操縱工具或按鈕來達到某種目的，方法便捷、界面友好、上手方便。在交互內容完善的基礎上，我們團隊錄制了全套《微生物與免疫學》視頻課程內容，一套以章節形式錄制，方便學生系統性學習相關知識點內容；一套以當下流行的微課/慕課形式錄制，全部為小知識點視頻，方便學生碎片化時間學習及重難點針對性學習。基于此多維度學習平臺，一方面可以激發學生線上自主學習熱情、提高線上學習效率，同時在有限的課時內，教師可以針對重難點問題進行講解，一般性問題可安排學生開展多維度交互式線上學習(圖4)。進一步以此確立學生作為認知主體和知識意義主動建構者的地位，實現“以學生為中心”的有效教學[7]。

圖3 《現代工科微生物學教程》系統進化算法優化拓展節選[5]Fig.3 Extended selection of systematic evolutionary algorithms in modern engineering microbio-logy course[5]

2.3以“雨課堂”移動學習平臺為教學手段 鑒于互聯網和信息技術的快速發展，涌現出了大量優秀的網絡學習平臺工具，其中“雨課堂”是近幾年各大高校實施教學改革的主要工具手段[8-10]。在課堂上可以發揮師生之間的實時溝通、反饋等一系列功能，也便于教師充分利用過往的《微生物與免疫學》課件資料開展教學。例如利用“雨課堂”在線測試功能在實驗室與學生進行實時互動測試和討論。具體來說，在講解細菌革蘭氏染色原理后，直接推送主觀問題：簡述革蘭氏染色機制，或客觀選擇題：以下哪個選項為革蘭氏染色正確步驟(選項略)。使學生能夠及時鞏固關鍵實驗操作步驟。教師通過課堂內學生回答問題的正確率，決定后續實驗內容的推進速度和學習形式(圖5)。測試結束后還可以得到測試分析結果，包括得分統計和各題得分率，通過大數據分析讓教師方便地了解學生掌握情況，在授課中做到有的放矢，提高學生實驗課程專注度。利用“雨課堂”的平臺實時交互功能，在課前、課中、課后全面做到和每一位學生互動交流，激發其學習的熱情和興趣。

圖4 交互式視頻課程學習平臺為基礎的學生自主學習網絡體系(課前、課后)Fig.4 Interactive video course learning platform-based student autonomous learning network system (before and after class)

2.4以理論結合實踐的虛擬仿真實驗為拓展 《微生物與免疫學》課程本身屬于實驗性學科，配有《微生物與免疫學》實驗課程，但是受到諸如實驗場地、教學成本、實驗動物倫理以及學生的實驗操作能力不足等因素限制。尤其是在理論教學中，很多應用型知識點受到上述因素限制無法直接開展。為了鞏固學生關鍵理論知識點的深入理解和實際應用，我們通過計算機系統、3D沉浸式虛擬仿真設備向學生提供自主式、交互式、開放式的虛擬實驗環境[11]，希望能夠基于虛擬仿真教學體系，讓學生預習和熟悉微生物與免疫學相關實驗操作，或是能夠充分學習實驗課堂上不便和無法開展的實驗操作，提高理論教學的直觀性和效率。

圖5 課程中移動平臺的合理使用及對策Fig.5 Reasonable use and counter measure of mobile platform in course

圖6 病原微生物(沙門氏菌)的分子鑒定虛擬仿真實驗節選Fig.6 Selection of virtural simulation experiment for molecular identification of Pathogenic Microorganisms

例如，在教材第十章“免疫學基礎”中，涉及到病原微生物鑒定重點學習內容。由于病原微生物沙門氏菌培養鑒定過程較為復雜(如涉及培養基種類多)，實驗周期較長，耗材成本較高，依托已有實驗課程很難開設實體實驗。本校及多數高校教學實驗室均無法達到要求，實體實驗同時也存在一定的致病風險性。因此，在知識點學習結束之后，在移動學習平臺端給學生推送“病原微生物沙門氏菌鑒定”虛擬仿真模塊(圖6)，學生通過線上操作，獨立完成所有病原微生物培養、檢測、鑒定操作流程，同時后臺系統也會詳細記錄學生的操作過程并進行評價。這樣學生就能夠通過實踐操作更好地結合理論內容把握核心知識點的學習和深度理解，以便達到較好的學習效果。同時結合線上交互式學習平臺視頻課程，真正意義上做到理論聯系實踐的應用和拓展。進一步滿足了學生基礎學習、拓展學習、應用需求等多方面要求。當然，本著虛實結合、能實不虛的原則，同樣在實體實驗課程中配合我們構建的“金字塔式”(圖7)微生物實體實驗課程體系輔助理論教學，將四維度混合交互式學習落到了深處和實處[12]。目前已構建的重要虛擬模塊對應的特色教材章節知識點如表1所示。

圖7 《微生物免疫學》實體實驗課程體系的“金字塔”模式構架Fig.7 Pyramid model framework of entity experiment course system

表1 虛擬仿真模塊與章節知識點關系匯總

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

序號虛擬模塊名稱對應教材章節模塊目的1P3實驗場景虛擬仿真什么是微生物切實了解科研級微生物實驗室構架2細菌內含物結構測定微生物結構功能大型分析儀器設備的使用操作3高壓滅菌器使用微生物的營養常用設備原理技術掌握4生物安全柜使用病毒學基礎大型設備原理技術掌握5微生物的分類鑒定微生物進化分類現代化微生物鑒定應用6病原微生物檢測免疫學基礎醫學微生物理論實踐轉化應用7青霉素發酵虛擬仿真發酵工程概論工程應用型微生物應用實操訓練

3 基于四位一體的內涵式《微生物與免疫學》課程混合式教學改革成果

3.1基于統計學顯著性差異的學生成績的結果量化分析 通過四位一體的內涵式《微生物與免疫學》課程混合式教學，經歷兩屆學生的試點改革和一屆學生的全面運行三年時間；教師們普遍認為教材-視頻-平臺-虛擬的混合交互式教學，有利于深度開展教學及研究，促進了教學由“定性分析”向“精準定量分析”轉變。學生普遍反映合適的教材、交互的學習、移動的參與、全面的實踐更加有助于自己的個性化學習，極大提升了學習興趣和學習效果。我們利用方差分析中“One Way Anovo”方法，通過兩年數據的組間顯著性差異分析，隨后匯總分析2015～2017年兩年度試點班學生的《微生物與免疫學》課程總出勤率、教學過程參與度、平時成績優秀率、課程考核及格率、課程考核優秀率、課程考核平均分等指標 (圖 8)。結果顯示，試點班兩年期間各項數據均值平穩，不存在顯著差異(兩年的成績平均分差異在5%以內的置信區間)。相對于正常教學班各項指標，均出現不同程度地顯著性提升(P<0.05)。也體現了該體系穩定的人才培養質量過程(試點班兩年期間授課、考核均由我團隊實施、評分，因此分數標準體系穩定，不存在教師個體誤差)。

在這里需要說明的一點，目前對混合信息化教學中存在著一些不同的看法，認為混合式教學試點班期末成績有時和常規教學班期末成績間的差異沒有顯著性統計學意義(認為能力水平的內在提升可能無法直接體現在考試成績上)。我們認為，出現上述現象的原因一方面是由于運用混合式教學研究的課程多為文科性質，本身在內容上與理工科課程存在較大差異；另一方面是由于我們在課堂內容和形式創新的基礎上，進一步創新性采用了四位一體的多維度內涵教學模式所帶來的較好效果所致的，因此，部分人認為的混合信息教學改革對學生成績提高有限和本文中信息化教改取得的成績并不矛盾。

圖8 基于大數據學生各項成績的結果量化分析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“學生-方法”、“學生-效果”、“課前-課后”多維度問卷調查分析 為保證《微生物與免疫學》課程教學內涵式改革實施的效果并了解學生的真實感受，團隊分別在2017～2018年度(全面運行年度)《微生物與免疫學》教學過程首次課程結束后和全部課程結束時進行了兩次問卷調查(設計開始階段調查問卷的主要目的是為了與結束階段的調查進行對比，排除學生因課堂形式巨大改變的新鮮感帶來的主觀好評，確保問卷結果的可靠性)，以及時了解學生對于教學方法改革的意見和建議，問卷發放回收率為100%(77/77)。

其中圖9A有效問卷77份(100%)，圖 9B 有效問卷 75份(97.4%)。圖9A為本次教學改革體系“課前-課后”教學方法問卷調查結果總體分析，圖9B 為本次教學改革體系“課前-課后”教學效果的問卷調查結果總體分析，從調查結果看，學生總體反映良好。可以看出，在第一次調查時學生就普遍認為采用四位一體的混合式教學是一個很大的改進，學生認可度很高。學期課程結束后，在新模式學習的新鮮感過后的第二次問卷調查時，學生的滿意程度有進一步明顯地提高。這也真正意義上說明學生在整個學習過程中確實深刻體會到了課程改革給自身帶來的實踐能力的全方位提升。

圖9 基于教學方法(A)及教學效果(B)改革的精細化問卷調查分析結果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.

圖10 《微生物與免疫學》課程內涵式混合教學模式總覽Fig.10 An overview of connotative mixed teaching model of Microbiology and Immunology

3 討論

近年來，隨著大數據和互聯網的飛速發展，教育信息化對高等教育的影響也逐步深入，要求根據學生個性特點，合理利用互聯網教學平臺，能夠利用最少的教師資源達到最大程度的教學效果，最終完成“翻轉課堂”目的[12]。本文團隊將四位一體內涵式混合教學模式融入《微生物與免疫學》課程教學并取得了良好的教學效果，全面提升了師生之間的互動，實現了實驗教學由基于經驗驅動向基于精細化、個性化學習和大數據匯總分析的轉型[13]。今后我們將進一步學習、參考國內外經典信息化混合教學理論成果，逐步完善并將此課程體系和建設模式(圖 10)在全國高校并跨學科推廣，努力提高生命科學領域以及其它學科領域的人才培養質量。