基于虛擬仿真和“三階+三化+三思”的生物工程下游技術異步SPOC多元交互混合式教學

廖潔丹 龔權 蓋作啟 李建軍 張旭

摘?要：根據“生物工程下游技術”課程特點、學情分析和教學痛點，提出以“立德樹人”為核心，圍繞以學生為中心構建基于虛擬仿真和“三階+三化+三思”的異步SPOC多元交互混合式教學。以目標多元、注重過程為原則，借助信息化技術開展過程性評價。實踐表明，該混合式教學改革實現“新工科”背景下專業課的知識傳授和能力培養。虛擬仿真實踐教學和PBL小組合作，有效提升學生的綜合素質，實現了家國情懷、科技興國、工匠精神等價值引領。

關鍵詞：生物工程下游技術;虛擬仿真;異步SPOC;混合式教學

“生物工程下游技術”是生物技術、生物工程專業大四學生的核心專業課，主要以目標產物的分離純化、目標產物的分析檢測為主線，闡述發酵液預處理、初步分離、精制和成品制備等分離純化的方法和手段，讓學生掌握并能合理設計目標產品的分離與純化流程。發現問題、分析問題、根據目標產品特性設計產物的分離純化方案，是下游加工產品生命周期中最關鍵和最困難的問題。本課程綜合性和實踐性很強，既要注重對學生創新思維和實踐能力的提升，又考慮將家國情懷、科技興國、工匠精神等元素融于課堂教學。如何讓學習者在知識、能力、人格、價值培養中獲得提升，需要從課程資源重構、教學模式、教學設計和課程考核等方面考慮。

一、“生物工程下游技術”課程建課歷程

“生物工程下游技術”課程建設16年間，師資隊伍逐步壯大，課程體系日趨完善，教學水平顯著提升，教學資源不斷優化。課程根據國家教育部對高等院校人才培養要求、地方院校人才培養定位、專業課程建設目標等方面，設定四個課程建設期，并針對每個時期的教學痛點提出對應教學策略和課程教改目標。

第一階段是初級建設期（2006—2010年），完成初步建課和多媒體教學。此階段主要到兄弟院校同課程進修，制作多媒體課件、編制教學大綱、電子教案、生產流程圖、設備結構和流程Flash等教學資源。第二階段是院級課程建設期（2010—2014年），主要完成課程資源庫、試題庫等，教學方法側重案例式教學、師生互動討論、學生匯報等。匯集典型工藝流程Flash、生產案例、學生PPT和匯報視頻、課堂相片為網絡教學平臺資源建設做準備。第三階段是省、校級精品課程建設期（2014—2018年），圍繞“以學生為中心”的課程教改和創新人才培養，通過網絡教學平臺建設、開發虛擬仿真軟件拓展實踐教學和課程考核改革為主。本階段網絡教學平臺構建獲批廣東省級質量工程建設項目，平臺采用師生共建、以建促改、以建促學的方式，將多種教學形式結合，促進學生對專業知識的主動獲取知識和自我學習的能力。圍繞我校理工科轉型發展和“應用型”人才培養目標，秉承“虛實結合、相互補充、能實不虛”的建設原則，建設生物工程下游技術虛擬仿真實驗教學資源開發，實現校企平臺建設、產教融合、實驗教學團隊管理培訓和完善實踐教學管理體制。第四階段是省級一流課程建設期（2018—至今），圍繞課程思政建設、信息化教學設計、突出創新創業訓練、虛擬仿真實踐教學和過程性考核等方面教改。本階段注重挖掘專業育人元素，創新教學內容使之體現多學科融合、產學教融合、跨專業能力融合;積極運用互聯網、人工智能、虛擬現實等現代信息技術融入教學設計、教學方法、教學內容和教學評價。

二、生物工程下游技術教學痛點及改革目標

“生物工程下游技術”課程貫穿了上游、中游和下游多門課程知識，從產品發酵液的預處理、初步提取、精制純化到成品制備技術的綜合應用，需要學生對前期所學知識進行融會貫通，在生產實際中能夠根據提取產物的特點設計行之有效的提取方案。

（一）教學痛點

“生物工程下游技術”課程內容較為抽象，知識點碎片多;部分分離純化儀器昂貴，課程的實踐性較強，但未能提供儀器讓學生實際操作;以教師為中心的課堂教學忽視信息化手段應用，缺乏對學生實時學習過程干預，普遍存在學生學習主動性不高、學習能力差異化較大的現象;學生的專業穩定性較差，責任感與使命感不足等。同時，課程內容涉及工程倫理、工匠精神、生態文明等價值目標，單純講授灌輸會降低學生對課程的認可度。

（二）改革目標

課程緊緊圍繞“立德樹人、精于實踐、勇于創新、敢于創業的高素質應用型人才”的目標，突出“敬業精神、工匠精神和責任意識”的培養，為國家和地方經濟發展培養生物技術和生物工程領域具實踐能力、創新精神和家國情懷的高素質應用型人才。

按照一流金課的建設標準，以“立德樹人”為核心，將“知識探索、能力培養、人格養成、價值塑造”等方面納入人才培養方案，教學大綱凸顯思政育人，重構課程教學內容，重塑課程教學目標。一是知識探索。要求學生能重述產品的提取、分離及純化基本原理，區分不同物質特性來選擇合適的分離純化技術;圍繞上、中、下游拓展跨學科知識，強化核心知識與科技前沿對接，緊扣生態文明建設需求培養清潔生產意識。二是能力培養。學生能區分不同目標分離物的特征，分析分離純化影響的因素，設計產品分離純化方案并評價其可行性;混合式教學加強學生自主學習、深度學習能力，培養批判性思維;虛擬仿真實踐培養學生勇于探索的創新精神、善于解決復雜問題的實踐能力。三是人格養成。課堂教學教授物質分離純化等方法，潛移默化讓學生感悟分離過程中家國情懷、工匠精神和生態文明等元素;通過團隊合作、同伴學習和技能實踐，培養學生養成完善人格;虛擬仿真實踐教學注重學思結合、知行統一。四是價值塑造。強化學生工程倫理，培養學生精益求精的大國工匠精神;培養文化自信、民族自豪感，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當等。

三、生物工程下游技術異步SPOC多元交互混合式教學

“生物工程下游技術”課程建設始終堅持學校“育人為本、質量立校、特色辦學”以及“教學是立校之本，科研是強校之路，人才是發展關鍵”的辦學理念，以滿足地方所需人才培養為根本任務，立足地方，面向基層，培養基礎扎實、精于實踐、勇于創新、敢于創業的高素質工程技術人才。

（一）課程內容與資源建設

基于“生物工程下游技術”課程混合式教學實踐的基礎，選用中國大學MOOC平臺國家精品在線開放課程，結合我校生物技術、生物工程專業的人才培養方案、課程目標及學情分析，對不同優質源課程的教學取長補短，借鑒異步SPOC建立在線教學平臺，構建優學院和“雨課堂”教學平臺的教學資源。優學院線上資源包括：10個教學單元（教案、PPT、慕課22個、單元測試125道）。課外資源包括往屆學生優秀作品、視頻資源庫（67個視頻和Flash）、自拍慕課2知識點（22min）、課外拓展資源文檔（65篇），線上慕課視頻時長209min。線上學習資源包括：課前指導性資源（教學大綱、教學計劃、教案、章節講義、慕課視頻）、內容性資源（多媒體教學課件、企業生產、新聞案例庫資源、教學微視頻、階段性測驗、課后拓展知識、虛擬仿真教學平臺青蒿素的超臨界流體萃取和HPLC鑒定）和生成性資源（優學院、長江雨課堂對學生的課前參與度、課堂實時互動、隨堂測驗、課后作業及討論區的活躍度的數據統計）。

（二）“三階+三化+三思”的異步SPOC混合式教學

混合式教學是借助信息網絡技術將數字化在線教學與面授課堂教學相結合，突出“以學生為中心”的教學理念，充分發揮學生學習的主動性和創造性思維。三階段即“漸進分段設定教學目標、教學設計、學教評價”，三模式化即“課程思政融入式、PBL教學互動式、線上線下混合式”，三反思即“過程性評價反思、同伴學習反思、團隊合作反思”。SPOC（Small Private Online Course，小規模限制性在線課程）的線上學習，分為同步SPOC、異步SPOC和獨立SPOC，其中異步SPOC在因材施教方面具有明顯的優勢，因此，異步SPOC形式開展線上線下混合式教學的相關研究也不斷呈現[1-2]。本課程根據OBE教育模式，課堂采用借助長江雨課堂和PBL相結合的直播教學，“三階+三化+三思”的異步SPOC混合式教學模式主要由首課教學設計、課前預習、課中學習和課后復習幾部分構成。

首課的教學設計：在開課前一周學生分組（4～5人/組），提交團隊信息（組名/組員長/組員名單/學習口號）;個人介紹（相片/個人生源地/興趣愛好/對課程的期待），教學設計中明確課程學習目標，通過案例教學、場景模擬、游戲觀摩將課程價值引領與BOPPPS、PBL和OBE等教學方法融入課堂。

課前環節：教師通過長江雨課堂發送課前預習任務單。學生課前完成慕課、課前測試、閱讀拓展資料，針對預習提出難點和疑問。通過生產案例、新聞、專題等閱讀將價值引領融于其中。優學院平臺記錄學生在線預習數據及時掌握學生對新知識預習難點掌握深淺度、微信群和組長溝通課前任務安排和課中學生回答問題準備情況。

課中環節：利用長江雨課堂直播和互動功能，課中前5min學生發送投稿或個人分享，總結上節課重難點或個人預習、課中教師教授和課中測試等環節促進學生學習反思。教師課堂采用BOPPPS、啟發式教學、案例教學法、PBL、小組討論等教學方法，鼓勵學生參與課堂互動、分享或針對新聞時事發表個人見解。課堂教學關注工程倫理、人文思維、人文知識、人文能力等培養，知識傳授由課前的低階轉向課中的高階層次，課堂充分調動學生學習熱情，提高學生綜合能力、深度學習能力、激發學生學習興趣。

課后環節：布置課后作業、思考題和完成優學院平臺的單元測試，精準記錄學生課后學習數據。通過優學院討論區發布主題討論，師生共同參與進行交流，討論帖是在理解章節知識點基礎上結合工程倫理、生態文明等價值引領方面設計的開放性話題。針對課堂討論、課后測試以及案例教學中未能掌握解決的問題，學生課后與小組成員及教師共同討論研究，知識和能力提升逐步轉向高階層面。

PBL小組學習形式，學生以問題式創建項目組織框架，對分離純化設備參數設定等工程問題進行分析，在問題制定中確定項目目標與方法，在項目過程中不斷發現問題并解決問題，跨學科的新舊知識迭代推動學生專業知識體系梳理，最終形成期末項目報告和小組匯報。教學目標由初級認知轉向設計、實施和評價產品分離純化設計的合理性和可行性。PBL小組合作“任務驅動型”自學、課中“學習反饋分享”和課后總結反思;期末小組答辯的自評互評、同伴學習、反思報告等環節，形成學習態度、學習能力和學習效果等過程性和綜合性評價模式。

（四）過程性評價與總結性評價相結合

以目標多元、注重過程為原則，從單一性評價轉變為多元化評價，提高形成性評價項目類別及分數、期末小組匯報、期末考試綜合題的高階性，體現課程的挑戰度。課程考核是期末閉卷（40%）和平時成績（60%）。平時成績中體現專業知識與能力素質考核為重點，兼顧崗位技能、團隊精神、職業素質等多方面的細化。將學習態度、學習能力和學習效果評定一部分交付學生自評和互評，并建立對教師或者其他同學的評價反饋機制，形成學習態度、學習能力和學習效果的綜合評價模式。

四、生物工程下游技術課程教改成效

《生物工程下游技術》課程以MOOC慕課本地化重構，搭建了異步SPOC在線教學平臺，學生通過手機APP完成線上學習，案例工具模式容易復制、輻射覆蓋面廣，該案例獲得2021年廣東省本科高校在線開放課程優秀案例一等獎。課程教改中重視教學內容的迭代更新和教學目標階段性建設，課程自2014年后獲得省級教改立項3項、校級教改3項，課程獲2019年校級教學成果一等獎，同時也得到省內兄弟院校同行專家給予書面的高度評價。

在對2017級、2018級生物工程專業教改建設的問卷調查和師生訪談中證明，90%以上學生認同成效顯著，學生教學評價逐年遞增。教師團隊連續5年獲“教學優秀獎”“教學質量評估獎”，多人次獲省級、市級和校級教學獎勵。2018—2020年學生發表論文104篇，參與省級以上科技、文化競賽獲獎94項。學生分析解決問題、批判性學習和團隊協作能力提高明顯，進一步培養了學生工匠精神、愛國情懷和社會服務責任與擔當。

“生物工程下游技術”課程堅持“以人為本、德育為先、能力為重、全面發展”的原則，注重對學生的基本素養、專業知識和技能訓練，注重基本科研素質和創新實踐能力的培養。課程教學目標明確，教學內容系統全面，教學資源豐富多樣，重學習過程的參與性和交互性，注重形成性評價和過程性評價相結合。基于“互聯網+”的生物工程下游技術課程異步SPOC教學實現了課前—課中—課后各教學環節在時間和空間分配的轉變，在知識傳授、能力培養、人格養成和價值引領都起到了較好的效果，該教學模式值得推廣和借鑒。

參考文獻：

[1]朱方霞.基于MOOC的概率論與數理統計異步SPOC教學模式研究——以滁州學院為例[J].菏澤學院學報，2021，43（05）：105-109.

[2]張烈平，梁勇，張聲嵐，等.異步SPOC和雨課堂的數字電子技術課程混合式教學模式研究與實踐[J].高教學刊，2021，7（16）：92-95.

基金項目：2021年佛山科學技術學院質量工程項目;2021年佛山科學技術學院課程思政建設改革項目;2020年佛山科學技術學院課程思政項目;2019年廣東省本科高校高等教育教學改革項目;2019年教育部高教司產學合作協同育人項目（項目編號：201902051013）;2018年佛山科學技術學院質量工程項目

作者簡介：廖潔丹（1979—?），女，漢族，廣東潮州人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：獸醫微生物學與免疫學、獸藥殘留檢測。