新工科背景下信息化實驗教學改革探索

摘 要 為適應新工科背景下實驗教學的高速發展，從課程建設和信息化教學兩方面對生物分離工程實驗課程進行改革。應用泛雅網絡教學平臺建設網絡課程，引導學生課前完成線上預習，豐富教學模式，激發學生學習興趣。整合虛擬技術資源輔助實驗課程教學，拓展實驗教學的廣度及深度，增強實驗教學實際效果。以小組任務為載體拓展課外學習空間，結合優質慕課資源進行在線教育，學生利用碎片化時間完成自我提升。通過信息化實驗教學增強生物分離工程實驗課程教學效果，為推動高校教育現代化發展提供參考。

關鍵詞 生物工程；生物分離工程實驗；信息化實驗教學；虛擬仿真；慕課；微課；網絡教學平臺

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）17-0-03

0 引言

生物工程在引領未來經濟社會發展中的戰略地位不斷提高，在解決人類發展面臨的資源、環境和健康等重大問題方面展現出巨大潛力，因此需要建立完善的生物工程領域應用型人才培養體系。生物分離工程實驗是面向生物工程專業開設的專業必修課程，是現代生物分離技術和生物學相互結合而發展起來的一門新型技術學科，對培養生物工程綜合應用型人才具有重要意義。生物分離工程實驗教學內容綜合了生物分離領域中的各種物質分離技術和研究方法，主要培養學生的實踐能力和創新能力，提高其綜合素質，為將來的科研工作打下堅實基礎。目前，該實驗課程已經在各個高校廣泛開設。

1 傳統實驗教學的局限性

傳統的實驗教學模式往往以教師為中心，課上教師講授實驗過程并指導學生進行實驗操作，課下學生按時書寫實驗報告并提交。實驗課程內容有限，教學模式單一，雖然具有一定的教學成效，但是隨著時代發展和教學改革的進行，傳統實驗教學模式的局限性逐漸凸顯。

1）實驗課前學生參與度低，預習時使用的參考資源有限，不能全面理解實驗內容；教師講授課時有限，學生難以在短時間內掌握所學知識，實驗操作過程中容易出錯，影響實驗結果。

2）實驗課后學生以完成實驗報告為主，課外練習空間小，對知識的掌握程度低。

3）教學手段單一，無法滿足現階段多樣化的信息化學習需求，難以激發和維持學生的學習興趣。

4）教學內容局限于教材內容，上課時間和空間有限，學生課上所學所練均為最基礎和安全的實驗內容，無法系統學習與課程相關的其他實驗操作，對于本領域內的先進儀器使用較少，如酶純化儀和超臨界流體制備儀器等科研工作中常用的儀器。

同時，生物分離工程實驗內容安排相對固定，現代生物技術迅猛發展，一系列重要進展和重大突破被廣泛應用于各行各業，很多先進技術和實驗操作不能及時加入課程當中，造成學生的知識面相對較窄。

隨著我國科技水平和綜合國力的大幅提升，生物工程領域發展迅速，傳統的以教師為中心的線下實驗課程教學模式已經無法滿足學生學習和綜合素質培養的要求，單一的實驗教學模式授課效果達不到現階段高等教育要求的“兩性一度”，建設具有創新性、高階性、挑戰度的新型實驗課程授課模式迫在眉睫[1]。

2 信息化實驗教學改革

為了解決目前高校生物工程專業生物分離工程實驗教學中的上述瓶頸問題，課題組著重于將單一的傳統實驗室教學模式進行優化，充分利用現代信息化教學手段支持和優化生物分離工程實驗課程，增加信息化教學方式的比重，使其發展成為以學生為中心的新型現代信息化教學模式。

2.1 網絡教學平臺建設課程，學生課前線上學習

本研究以當前生物分離工程實驗教學的現狀為出發點，充分利用泛雅網絡教學平臺，構建線上課程并引入實驗教學，豐富教學模式，激發學生學習興趣，提高學習積極性和實驗課程的參與程度，促進教育的信息化。針對生物分離工程實驗課程三個綜合性實驗分別建立網絡微課和標準實驗操作視頻，具體內容如下。

1）微課建設。微課是以教學視頻為主要載體，記錄教師在課堂教學過程中針對實驗過程開展的簡短教學活動。生物工程專業的生物分離工程實驗有許多前期實驗材料由教師操作獲得，有些實驗過程較復雜，課上講解不能完整全面地展示實驗過程，學生理解起來較困難。因此，可以將前期實驗過程制作成微課，復雜的實驗過程以視頻形式呈現，讓學生在實驗課前通過反復觀看視頻掌握基本實驗流程，增強實驗課程學習效果。

2）標準實驗操作視頻。標準實驗操作視頻主要內容是實驗課程中的基礎實驗操作過程或實驗儀器操作方法，由教師或學生錄制并制作成視頻，上傳至網絡教學平臺供學生學習使用。生物分離工程實驗課程開設學期是第六學期，學生前期實驗基礎較弱，對新開設實驗內容不了解，對實驗儀器較陌生，實驗操作過程中容易出現基礎性錯誤。標準實驗操作視頻涵蓋實驗過程中所有的基礎實驗操作和實驗儀器操作方法，學生課前通過觀看可以掌握基本實驗操作技能，避免出現基礎錯誤；同時能規范實驗操作方法，提高實踐能力。

授課教師于課前一周發布實驗課預習任務，要求學生按時完成課程任務點的學習；針對課程內容，在網絡教學平臺發布習題測驗和話題討論，組織學生通過網絡教學平臺分組完成任務。教師及時登錄網絡教學平臺查看學生完成情況，根據預習結果合理調整授課內容，整理課前線上預習綜合成績計入課程考核。新型的信息化學習模式和富有挑戰度的話題討論可以迅速激發學生的學習興趣，培養學生的創新精神。通過課前預習，學生可以在很大程度上掌握該次實驗課的授課內容，教師可以節約課堂講授時間，加強學生實驗操作技能的培養，提高學生動手能力和科學研究能力。

2.2 整合虛擬仿真技術資源，輔助實驗課程教學

傳統的“教師演示—學生練習—教師指導”教學模式存在很多問題，例如：實驗儀器、設備、實驗室空間不足，所涉及領域屬于宏觀或微觀，現實條件沒有合適案例進行演示；有些實驗需要高成本、低可操作性的物理演示系統，學生親手實踐的機會少。傳統課堂教學的局限性會影響學生學習的積極性[2]。

本課程針對傳統實驗課堂學時有限和實驗設備不足等局限性，結合虛擬仿真技術最新產品及模式特點，對線上虛擬仿真資源進行整合，提供更多實驗環境，擴大學生知識面，拓展學生學習時間和空間。課外虛擬仿真實驗資源整合主要包括以下內容。

1）生物工程虛擬仿真軟件整合：將生物工程虛擬仿真軟件和生物化學虛擬仿真軟件中有關各種生物活性物質的分離、純化和精制技術部分進行排序與調整。

2）制藥工程虛擬仿真軟件整合：使用與生物分離工程相關的阿司匹林工藝3D仿真軟件、原料藥工廠生產仿真實訓軟件。

3）食品工業虛擬仿真軟件整合，包括葡萄酒工藝仿真軟件、豆奶粉工藝虛擬仿真軟件、液相色譜儀仿真軟件。

4）虛擬仿真軟件操作視頻：對于不能實現在線操作的虛擬仿真軟件，通過網絡搜索和查詢，收集相關軟件操作視頻供學生觀看。

針對不能在實驗室進行的項目，提供虛擬技術資源。每次實驗課程授課過程中，給學生預留足夠時間進行虛擬仿真操作練習，更大程度地拓展實驗教學的廣度及深度，增強實驗教學實際效果。采用專業的仿真軟件，結合網絡教學資源，構建的虛擬仿真實驗教學平臺可以降低實驗教學成本，豐富教學內容，打破教學時間和空間限制，創造安全有效的學習環境，大幅度地增強教學效果。

2.3 拓展課外練習空間，教師與學生課下云互動

傳統實驗教學課時有限，教師和學生在課后缺乏有效互動，課后任務為單一的實驗報告撰寫，學生完成任務過程中大多參考實驗講義，缺乏主觀能動性和創新性。因為教學時間和空間有限，學生無法對實驗內容進行深入思考，在實際的科研工作中難以做到學以致用，實踐能力差[3]。

為了使學生更好地掌握所學知識，本研究根據實驗課程內容和特點在泛雅網絡教學平臺建立案例庫、試題庫和小組任務庫，拓展學生的課后學習空間，豐富課后練習內容。讓學生進行探索性學習，對知識點的深度、廣度、難度加以研究，提高學生分析問題的能力，進一步加深對知識的理解。學生課后登錄網絡課程觀看案例，完成相關試題的測驗后，以小組為單位領取小組任務，組內成員相互合作查閱文獻或者進行課外實驗，共同完成任務。小組任務庫中的任務分為高階任務和普通任務，各小組可以根據自己的實際情況合理選擇，保證不同基礎的學生分別得到合理的鍛煉。學生完成小組任務后需將結果上傳至網絡教學平臺，教師及時批閱反饋，學生根據教師的意見進行總結和完善，進一步加深對知識的理解和掌握。學生完成任務過程中如果遇到不懂的問題，可以在網絡教學平臺上進行提問，問題可以通過不同的方式進行解答。

1）學生提問，教師回答。針對學生在任務完成過程中提出的問題，教師可以適當引導學生理清思路，通過拓展思維和探索性學習，讓學生自行尋找答案，真正做到學中思、思中學，提高知識應用能力。對于難度較高的問題，教師可以給出參考答案，引導學生認真分析、舉一反三。

2）學生提問，學生回答。對于學生提出的創新性較強的問題，教師會將問題轉化為話題討論發布在網絡教學平臺，組織學生進行討論，綜合分析后將最終答案發布于教學平臺，培養學生分析問題和解決問題的能力。

3）拋出問題，多人回答。教師課后在網絡教學平臺發布與實驗課程內容相關的開放性問題，組織學生復習實驗內容并查閱資料，分析總結可能的答案上傳至網絡教學平臺。開放性試題沒有標準答案，學生可以發散思維、暢所欲言，只要回答合理即可得分，培養學生文獻檢索和自主學習的能力[4]。

以小組任務為載體拓展學生的課后練習時間和空間，以學生為中心將理論和實踐相結合，充分發揮學生的主觀能動性，培養學生的創新意識和實踐能力。教師承擔引導者工作，學生自主完成課后任務，教師和學生課后云互動，激發學生的學習興趣，極大地增強教學效果。

2.4 慕課助力在線教育，碎片化時間提升自我

現代信息技術的快速發展，極大地推動了我國教育技術的改革和創新，以學生為中心的教育思想和理念得到落實。慕課資源的出現，推動傳統教學體系和方法進行全面革新，豐富了教學資源，讓教學過程充滿了動態性和多元化，激發了學生的學習興趣，切實增強了學生的學習效果[5]。

傳統實驗課程授課時間和課容量有限，學生課后學習主要集中在復習實驗內容和撰寫實驗報告，學習內容較單一。學生在學習過程中只能接收本課程教師的教學內容，學習效果受教師的影響較大，無法接觸其他高校的類似課程，學習面較窄。慕課是通過大規模在線教育形成“共享名師和優課”模式的課程，課程以短視頻和交互式練習方式授課，依托網絡實現師生互動交流，使在線學生有上課感。同類課程有多所高校在慕課平臺建立優質網課，如南京工業大學建設的生物分離工程課程和四川大學建設的制藥分離工程課程就與生物分離工程實驗課程內容相關，學生可以利用課余時間選擇相應的課程進行自主學習。課后線上學習階段，學生可以根據自己的時間合理安排上課時間，利用慕課平臺和全國高校教學名師互動交流，利用碎片化的時間完成知識的學習。通過學習不同高校的課程內容，進一步加深學生對知識點的理解，幫助學生把理論知識和實驗過程有機結合，提高學生的知識應用能力，保證實驗教學高質高效地完成。

3 結束語

生物分離工程實驗課程是生物分離工程理論課程的重要補充，課程的教學效果直接影響生物工程專業人才的培養。本研究將信息化技術引入課程教學，利用泛雅網絡教學平臺建立生物分離工程實驗網絡課程，幫助學生課前完成課程內容的預習工作；整合虛擬資源進一步豐富課程內容，實現教學信息從信息源到學習者之間智能化的傳遞；建立課程資源庫、任務庫，教師與學生課后云互動，提高學生學習效率；篩選優質慕課資源助力實驗教學，拓展學生學習時間和空間，進一步增強學習效果。隨著課程的進行，課程資源會不斷改進和完善，為推動我國高校教育現代化和信息化發展作出貢獻。

4 參考文獻

[1] 張穎，王鋰韞，李衛錦.分子生物學實驗課程建設與教學改革探索[J].中國教育技術裝備，2023（2）：136-138.

[2] 李瀾，王吉.高等學校虛擬仿真實驗教學現狀及趨勢研究[J].中國教育技術裝備，2022（19）：18-21，25.

[3] 李誠誠.超星學習通和釘釘線上教學環境與案例教學法融合的教學模式構建[J].中國教育技術裝備，2022（20）：47-50.

[4] 謝春麗，范東溟，馬振江.問題引導式BOPPPS教學法在工科專業課程中的應用實踐[J].中國教育技術裝備，2023（6）：104-107.

[5] 郝正君.高校“慕課+翻轉課堂”教學模式構建研究[J].淮南職業技術學院學報，2023，23（2）：70-72.

*項目來源：齊魯理工學院校級教研項目“新工科背景下虛擬仿真技術輔助《生物分離工程實驗》教學”（項目編號：JG202026）。

作者簡介：張俊嬌，通信作者，講師；高曉娟，副教授；鹿小詩、張亞男、王靖婷，講師。