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基于“OBE+ADDIE”的生物工程专业微生物学实验课程教学改革的探索与应用论文

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  关键词:生物工程;微生物学实验;OBE理念;ADDIE教学模型;教学改革

  新工科理念要求以产业需求为导向,以培养跨学科、综合素养高、创新能力强、面向未来,以及能适应并引领产业发展的新人才为目标[1]。在国家高度重视和加快推进生物医药产业发展的背景下,高等中医药院校的生物工程专业应运而生。其将传统中医药与现代生物工程相融合,旨在培养一批兼具中医药背景和生命科学研究技术的高层次人才。微生物学实验是生物工程专业的基础实践课程,实用性较强,且具有独特的实验方法和技术,故在生物工程乃至生命科学领域占据着重要地位。北京中医药大学生命科学学院免疫与微生物学教研室尝试以OBE教育理念为指导,结合ADDIE教学模型,开展生物工程专业微生物学实验课程与实践教学体系改革,从学生的学习需求和实践目标出发,设计多模块实践内容,并结合多样化教学方法,开发多元教学资源,将形成性评价贯穿于教学全过程,立足专业特色提升学生的课堂参与积极性、自主学习能力以及应用实践能力,从而提高课程教学质量与效果。

基于“OBE+ADDIE”的生物工程专业微生物学实验课程教学改革的探索与应用论文

  1微生物学实验课程教学理念的形成

  1.1实验教学中存在的问题

  生物工程微生物学实验作为微生物学课程的实践环节,面向生物工程专业的学生开设,课程设置在大二第二学期,以确保学生全面掌握微生物学技能为目标。传统的微生物学实验教学以验证性实验为主,即在教师讲解完实验原理和方法后,学生进行示范操作。然而,常规模式并不符合“注重实践、提倡创新”的新工科人才培养目标,且无法有效培养学生的科研思维和创新思维,无法提高学生对科学实验和未知探索的兴趣和积极性[2-3]。因此,如何从学生的学习需求出发,激发其学习兴趣,提高学生的科研创新能力及动手能力,是微生物学实验课程教学改革需要考虑的问题。

  1.2 OBE理念与ADDIE模型融合贯通

  成果导向教育(Outcome based education,OBE)兴起于上世纪80年代的美国。该教育理念打破了传统课堂教学以教师为中心的教学模式,强调以学生为中心,以学习效果为考核内容,从教学内容、教学方法等方面入手,重视学生对所学知识的掌握与理解,真正实现教与学的有效融合[4]。我国新工科人才培养模式是在OBE、CDIO(Conceive,Design,Implement,Operate,即构思—设计—实现—运作)工程教育、卓越工程师培养等基础上,对高等工程教育改革进行逐步探索而形成的[1]。因此,OBE认证标准是新工科建设过程中一个强有力的抓手[5]。

  ADDIE教学模型于20世纪70年代首次被提出,是一套系统性研究教育、教学、培训的模型[6-7],由分析(Analyze)、设计(Design)、开发(Develop)、实施(Implement)和评价(Evaluate)等5个环节组合而成。其中,“评价”要素能渗透至整个实施过程中,实现整体与局部的相互影响、相互制约。

  OBE理念与ADDIE模型均强调以学习者为中心的教学理念,前者是对教学实施的理论指导;后者则是具体教学实施的细化引领。因此,针对中医药院校生物工程新专业的专业必修课和人才培养目标,可对微生物学实验课程体系进行整理优化,在OBE理念的指导下,梳理知识框架和模块化内容,并且借助ADDIE教学模型,具体设计、执行模块化教学内容。具体而言,首先,分析学生的学习实践技能需求,注重理论知识点与实践技能的关联性,并考虑如何帮助学生提升科研能力;第二,确定模块化教学方案,根据学生学习阶段的发展规律和技能需求,有针对性地设置实践课程中的项目化实验内容;第三,为教学内容开发多元化学习素材和进阶性学习任务,包括视频教学资源、线上教学资源、开放性思考题集,以及探索性实验设计等;第四,多元化教学的具体实施应包括问题导向学习、互动式教学、小组合作教学、虚拟仿真教学等教学方式,以满足不同时期线上线下的混合教学需求;第五,将形成性评价渗透到其他4个环节中,以不断修正教学实施,最终构建起以学生学习需求为导向、符合实践教学要求的教学内容框架(见图1)。

  2“OBE+ADDIE”教学模式建立与实践

  2.1构建基于“OBE+ADDIE”相结合的教学设计

  在OBE理念的指导下,以专业培养目标中的实践技能学习要求为导向,经过两轮教学改革,形成了“基础模块和高阶模块构成的双模块实验教学模式”。在有限的课堂教学中循序渐进地执行,不仅有助于让学生深入地掌握微生物学技术,还可以让其体会到交叉学科技术在微生物分类、鉴定以及生理遗传等研究中的重要作用。同时,在高阶模块实践中,学生可在实验设计、实验操作以及数据分析等过程中得到全面锻炼。

  微生物学实验课程的“双模块”具体内容包括基础模块和高阶模块(见图2)。对于基础模块,其被分为4个必做内容,共12学时。该模块为验证性实验,结合问题导向学习、互动式教学方式,旨在培养学生使其掌握微生物学基本操作流程及相关实验仪器的操作方法,为综合性实验的开展奠定基础。对于高阶模块,目前共包含4个可选子项目,共6学时。该模块以小组合作的形式展开,以学生为主体,教师在实践过程中提供实验指导和协助,旨在培养学生的科学实验能力和问题分析解决能力,同时激发其学习兴趣和科研思维。

  2.2基于“OBE+ADDIE”相结合的教学实践过程

  按照“OBE+ADDIE”教学模型,教师需根据生物工程新专业的教学培养方案和学生的实际调研情况完成“微生物学实验”的前期学情分析、教学方案设计、实验前期准备等工作,且其具体教学实践思路以对比研究法和调查研究法为主(见图3)[8]。以本教研室编写的生物工程专业的微生物学实验课程教学大纲为指导,筛选出知识层次相近的两个班级作为对照组和实验组。实验组采用“OBE+ADDIE”教学模型;对照组采用传统教学法,且两个班级由相同的教师进行授课。

  具体研究方法如下:将我校2020级生物工程班级设置为对照教学班,以微生物培养、染色、无菌接种、计数、大小测定等传统实验内容为主(共15学时),并增加一个3学时的大肠杆菌质粒转化虚拟仿真实验,以满足疫情期间线上课程的教学需求;教学方式以教师讲授和示教为主,考核方式以实验报告为主。将2021级生物工程专业班级设置为实验教学班,在课程设置上优化基础模块实验内容,并删除微生物计数、大小测定等传统内容,同时优化探究性实验素材库,以增加高阶模块的实验课时(见图2);同时,需要在教学过程中注重教学方法的多样性,以体现ADDIE模型中设计与实施过程的紧密关联。课前通过视频、PPT等学习资源让学生提前预习实验内容;课中改变传统教学方式,教师不再一味重复实验过程,而是将重点放在讨论学生在实验操作和实验中可能遇到的问题上,同时设置互动环节,抛出开放性问题,让学生积极参与交流和思考,提高学生的自主学习能力和课堂参与度。进入高阶模块,主要以小组合作的方式开展。以“校园环境中土壤真菌的分离培养与鉴定”教学为例。首先,学生自由分组后,各小组自主查阅文献资料,了解土壤真菌与土壤肥力、药用植物生长等情况,进而选择取材地点,制定研究方案。其次,各小组自行准备培养基,并选择合适的分离纯化方法,对所采集的土壤样本进行菌种分离培养,以获得纯菌株。在此过程中,学生分工合作,共同解决问题,以提高实验完成率和质量;同时,每个小组因取材不同可获得不同的纯培养菌株,从而取得多样化的研究结果。再次,各小组完成对已获取的纯培养真菌菌株形态学和rDNA-ITS序列的鉴定。在此过程中,学生不仅可以深刻体会到微生物学技术与分子生物学、生物信息学在菌种鉴定中的重要作用,还可以通过NCBI、DNAMAN等软件掌握核酸序列对比等分析方法,展现了课程的高阶性。最后,以规范撰写科技论文代替传统的实验报告,要求学生根据自身的实验结果独立自主地进行分析总结,以考察其分析问题、解决问题、总结归纳等多项能力。通过课程学习,部分同学对微生物学相关研究产生了浓厚的兴趣,并已加入了科研团队。其通过分离培养粪便中的厌氧微生物,开展肠道微生物与炎症性肠病及益生菌开发等相关研究工作,为今后申报创新项目课题和毕业设计奠定了基础。

  微生物学实验课程在实验前、实验中、实验后,分别通过微信群以问卷调查、思考题的形式对学生展开了调查研究,实现了闭环式教学[9-10]。实验前,了解学生的现有知识水平和技能掌握需求;实验中,追踪实验各阶段学生群体的学习效果、实践能力及其遇到的问题等;实验后,总结学生在执行过程中的收获,并对课程内容提出改进建议等。

  2.3线上教学资源的开发

  受经济下行等客观实情的影响,实验课打破了只能线下开展的固定思维,积极筹划多套方案,以从容应对各种突发情况,保障实践教学的高效有序进行。考虑到线上教学与实践教学对立的现实局面,一方面,教师团队搜集整理实验视频资料,并邀请在校研究生录制相关仪器的操作视频,以构建数字资源库,满足线上教学及线下课前预习的需求,使学生形成对实验内容的感观认知;另一方面,教师团队创新开发了虚拟仿真系统,以保证疫情期间学生在线上仍可完成相关实验操作,加深实验理解;同时,也能保障教师可随时在线答疑和回复,将学生的实践课程学习受经济下行的影响降到最低。如教师团队结合虚拟仿真系统中的实验模块,在实践中为2020级生物工程班(对照班)引入了大肠杆菌质粒转化实验,引导其在线完成实验操作,以闯关模式完成对应环节的思考题,加深学生对实验的理解。学生对该模式及综合实验内容表现出了较高的兴趣,并提出了提高综合性实验比例的要求,为今后教改的顺利推进奠定了基础。

  3“OBE+ADDIE”教学模式的评价

  微生物学实验课程基于“OBE+ADDIE”教学模式,在教学各个环节中充分考虑学生的学习需求及技能目标要求,并突出以学生为中心的教学理念,使教师不再单纯地扮演传授者的角色,而是集“传授+辅助+监督”功能于一身;同时学生也不仅仅作为学习者,更是教学实践的探究者。在“OBE+ADDIE”教学模式下,实践课程更注重过程与结果的结合,以最大限度地展示学习过程,并实时修正教学实践,构建多元化评价体系,包括实验操作能力、实验结果、实验报告、开放性思考题、综合性科技论文,以及期末考试涉及的实验相关试题等。除此之外,课堂实践中还加入了结课后的问卷调查和师生互评等环节。

  在“双模块”教学模式下的课程实施后,对学生进行了匿名调查,结果显示,相较于传统授课模式,对课程内容感兴趣学生的占比上升至96.30%。其中,有74.07%的学生认为学习激发了其科研兴趣;70.37%的学生认为该模式增强了其运用所学知识进行实验分析和解决问题的能力;92.59%的学生认为科技论文撰写对其有帮助,主要体现在培养了其科研思维、为今后的科研工作奠定了写作基础、锻炼了文献查阅能力和问题解决能力等,并且有学生认为从实验设计、实施到撰写成文这一过程的参与感非常强;51.85%的学生认为该模式教学对其毕业后找工作或考研有所帮助。同时,也对学生感兴趣的微生物学相关项目展开了调研。研究发现,排名前三的项目分别为乳酸菌发酵制作酸奶及其分离纯化,食品、药品等产品中微生物的检查、计数及鉴定,营养缺陷型突变株的诱变、筛选与鉴定。这一发现有助于进一步扩充高阶模块的项目内容。

  在师生互评环节,教师发现实验组班级的学生能够积极查阅资料,并参与开放性思考问题的讨论,且提问次数明显增多。同时,该组学生撰写的综合性试验科技报告格式较为规范,并能根据结果适当引用文献加以分析,给出自身的见解。成绩统计显示,72.41%的学生实验课成绩能达到90分以上。学生评教分数为97.16,表明学生认为教师的讲解重点突出,思路清晰;同时,学生还提出希望增加综合性实验的课时占比。调研显示,有11.11%的学生认为学习效果非常好,55.56%的学生认为学习效果很好。这一结果说明,“OBE+ADDIE”教学模式不仅能提升学生对微生物学实验的兴趣,提高学生自主学习的积极性,也对其科研素养的培养具有积极的助推作用。

  4教学模式优化后解决的问题及展望

  基于“OBE+ADDIE”相结合的微生物学实验“双模块”教学模式,其从学生的学习需求和技能目标要求出发,借助多元化资源平台,以提升课程内容的高阶性和挑战度。通过教学改革,学生在课堂中进行实验操作和分析讨论的占比显著提高,弱化了教师单向传授灌输的被动学习方式,高效提升了学生的实践操作能力。多样化教学方法的运用,全方位调动了学生的学习主动性,提高了学生的教学参与度和学习兴趣,有助于发挥学生的主观能动性,培养其自主设计能力和创新精神。此外,通过参与团队协作、实验操作、数据分析、报告撰写等环节,学生可以锻炼自身的沟通协作能力、分析解决问题的能力以及批判性思维等,进而提升自身的综合素养[11]。因此,微生物学实验教学改革对于中医药院校生物工程专业实践创新型人才的培养具有积极的推动作用。

  然而需要注意的是,微生物学实验教学改革仍存在一些不足,体现在以下几方面:第一,受课时限制,综合性试验占比较低;第二,在分组进行综合性试验时,个别学生的参与度不足;第三,与中医药相结合的实验项目素材偏少。因此,在今后的教学实践中,仍需继续探索线上线下混合的教学模式,提升教学效率;同时,通过细化团队协作职责,调动每位学生积极参与。此外,还要加强与其他课程如免疫学、发酵工程、中医药类等专业课教师之间的沟通与合作,在了解学情的基础上,从微生物与免疫、微生物与发酵、微生物与中药质检等多个方面入手开展实践教学工作[12],以不断促进课程教学模式创新,改善教学质量,培养具备中医药知识背景的高素质、复合型新工科人才。

  参考文献

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  [11]郭晋.探索OBE教学理念的生物医学传感器通识课教学[J].生物学杂志,2023,40(4):119-122.

  [12]陈万浩,任秀秀,曾茜,等.中药学专业微生物学教学课程设计探索[J].微生物学杂志,2023,43(3):121-128.

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