基于OBE理念的“微生物学实验”改革探索

黄海婵, 孙东昌

(浙江工业大学 生物工程学院, 浙江 杭州 310014)

传统的微生物学实验,注重理论知识的验证和巩固,综合型、设计型实验相对较少,影响了学生开展实验的主动性和积极性,削弱了学生的实践动手能力、综合运用知识能力和创新思维的培养和提高[1]。为改变这种现状,我校结合教学实际,将OBE(outcomes-based education)理念贯穿于微生物学实验教学过程各个环节,进行了教学策略和内容的调整、教学方法和手段的优化整合以及评价方式的改进[2-4]。

1 调整教学策略,进行有针对性的教学

1.1 构建项目式微生物学实验

OBE理念要求从预期成果出发,反向推导各类专业课程为满足目标达成而需要的知识、能力和素质要求,将课程的设置放在专业人才培养的预期成果导向之下[5]。根据能解决复杂工程问题的专业毕业要求,我校在原有微生物学实验内容的基础上,通过调整实验顺序,将分散的验证型、操作型实验进行重新设计和整合,串联成为以“功能微生物筛选与鉴定”为主线的应用研究型实验项目[6]。

学生从实验材料的准备开始,通过样品的采集、功能微生物的筛选、观察、鉴定,最后完成一个功能产品的开发,其中将培养基的配制及灭菌、功能微生物的分离纯化、微生物的形态学观察、活性物质的测定、微生物鉴定等各个微生物研究常用的方法和技能有机合理地穿插至整个实验中(见图1)。每个实验内容独立,但又有较好的拓展性、延续性和应用性。它们系统地、有机地联系在一起,组成一个环环相扣的大实验,实验与实验之间相互联系、相互影响,前一个实验是后一个实验的准备,后一个实验是前一个实验的延续,解决了原有各实验之间自成体系、相互脱节的情况,克服了实验内容划分过细、知识面过窄,只单纯进行实验训练技能的弊端,培养学生的创新意识和创新能力,做好实验教学和科学研究的衔接。

图1 项目式微生物学实验设置情况

在教学过程中,学生不仅需要进行一系列细致的准备工作,如所需各类培养基的用量计算和配制、玻璃器皿的洗涤、包扎和灭菌等, 还需要对实验结果进行观察、分析、数据处理。实验中要求学生认真观察、积极思索,在锻炼技能的同时培养严谨认真的科学态度,不仅保留了对实验技能强化训练的优势,还让学生更深刻领会到微生物实验技术是一个连续的、系统的知识体系,训练学生具有综合运用理论和技术手段设计实验并进行实施的能力,同时还要求能够考虑到经济、环境、安全、健康、法律等制约因素。

1.2 实验设置具有专业针对性

不同专业的学生所学知识背景不同,其实验教学目标和培养目标也不同。微生物学实验在进行项目式教学的同时,针对不同的专业及其毕业指标要求点,遵循OBE理念,“反向设计”了学生感兴趣的、符合专业发展方向的、科学实用的实验项目,激发了学生的学习兴趣,提高其专业学习热情[7]。

比如:针对生物工程专业学生,设置了“土壤中淀粉酶产生菌的筛选与鉴定”实验项目,要求学生从土壤中筛选能产生具有特定功能酶(比如淀粉酶)的微生物,并对其进行分离纯化、酶活性检测和菌种鉴定；针对食品工程专业,设置“微生物源食品防腐剂产生菌的筛选与鉴定”实验项目,要求以大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌为腐败指示菌,从土壤中进行分离并进行活性检测和菌种鉴定；针对环境工程专业,设置“活性淤泥中降解微生物的分离、鉴定与特性研究”实验项目,要求学生从活性淤泥中筛选获得具有一定降解能力的微生物,并对其进行分离纯化、鉴定及降解特性研究,还增加了“活性淤泥及其生物相的观察”等教学内容；生物制药专业设置了“抗菌物质产生菌的筛选与鉴定”实验项目,以黑曲霉、青霉为筛选指示菌,筛选具有抗真菌活性微生物,并增加了“抗生素的生物效价测定”等教学内容。针对来自不同国家的国际生,根据留学生基础薄弱、语言沟通不畅、实践操作能力弱等特点,适当地降低教学难度。不同专业选取的实验项目,其实验路线、实验原理与技能既有共同点,又不完全相同,在兼顾到体现不同专业特色的同时,实验又有很好的可操作性,能满足各专业毕业要求的指标点。

1.3 撰写科技论文

项目式微生物学实验中保留传统实验教学的优势,要求每个实验都需课前预习、课后实验总结、撰写实验报告,扎扎实实地抓具体项目的质量。在完成整个项目式研究之后,学生需要将所有实验现象和结果进行整理,撰写一份“功能微生物筛选与鉴定”的科技小论文。论文除了要求按论文格式书写,还需要形成本实验研究的成果与观点、应用前景以及社会、经济效益预测,并提出进一步研究的设想。在这样一条有延续、有应用、有归纳总结的学习下,“内化于心”,学生体验到创新的艰辛与乐趣,锻炼了学生的论文撰写能力,学会了分析问题、解决问题的思想和方法,为高年级阶段综合实验和课外科技活动的开展奠定了良好的基础。

2 优化教学方法,开展个性化教学

2.1 增加设计性元素

在进行项目式探究教学的同时,保留了原有的显微镜验证型实验。验证型实验作为一种重要的实验类型,无论在科学研究中还是科学教育中都是不可或缺的,其作用也是任何其他类型的实验所无法替代的。但仅仅停留在“验证”的层面上不符合专业培养的要求,经过重新调整,要求学生在完成验证实验后,增加设计性元素[8-9]。比如在“细菌的革兰氏染色”实验中,教师要求学生在完成验证实验的同时,设计实验深入探讨革兰氏染色结果的影响因素,学生设计了“乙醇脱色时间对革兰氏染色的影响”以及“染色液染色时间和乙醇脱色时间的不同配比实验”,探讨最佳配比方案。学生课前选题,通过文献查阅,自己设计个性化方案,拟定实验因素和水平,并进行分工实施,最后拍照保存实验结果、记录实验数据,进行结果对比和分析。刚接触专业的学生此时还缺少活跃的设计思维能力和应有的专业素养,凭借个人难以完成高难度设计性实验,故而教师布置的设计性环节要求难度适宜、可操作性强,使学生在课堂上能较为容易实施。

同时学生还需根据“功能微生物的筛选”中获得的功能微生物的菌落特征进行种类区分,并进一步进行染色与观察,深入开展其形态结构(形状、大小、排列方式)、细胞特殊构造(荚膜、鞭毛、芽孢等)及染色特性的研究和讨论。这个过程要求学生对所学知识融会贯通、活学活用,不断优化实验条件、调整实验方案,解决较为复杂的工程问题,为今后的科学研究奠定基础。

2.2 “互联网+翻转课堂”

实验教学本身就是一个教学相长的过程,课堂不是教师一个人的舞台,实验课堂尤其如是,必须让学生积极主动地参与进来,使得教学成为教师与学生之间相互对应、有效沟通的过程。基于印刷术的传统教学模式,课堂知识容量较小,师生双向互动方式单一、途径少,师生间缺少多样化、多层次的互动交流,学生学习主动性未得到充分的发挥。

微生物学实验采用“互联网+翻转课堂”的模式,针对具体实验、具体教学进行具有个性化的设计,调动教师、学生的主观能动性,整合各类优质资源,发挥互联网的优势,让互联网和实验教学深度融合、碎片学习和系统学习有机结合,突出学生在教学中的主体地位,切实培养学生综合素质。课前,教师设计教学方案,收集、整理教学资料,录制教学微视频,将知识碎片化,并在网络教学平台上进行发布,替代教师的课堂讲解和演示。学生使用电脑、移动设备阅读电子文档,观看视频、听“课”等,利用碎片化时间进行课前学习,查阅需要的材料、与同学讨论、向老师提问,并通过完成测验题检验预习效果。课中,教师设定实验任务,有针对性地答疑，学生利用课堂内的宝贵时间,更自主、更专注的进行基于项目的主动实践,并和教师、同学互动交流,获得更深层次的理解。课后,学生互相交流学习心得并自我评价。通过这种碎片化学习与系统学习的有机融合,课外完成知识传授,课堂内进行知识内化,使得学习更加灵活、主动和有趣,学生参与度更强。

3 多样化的教学手段,课内课外协同发展

随着“互联网+教育”的跨界融合,传统的黑板、教具、幻灯片转变为如今的多媒体技术、视频技术,甚至是网络技术,引领新时代的教育变革。基于互联网的各种教学手段和教育资源,包括网络教学系统、慕课、微课、虚拟仿真实验等极大地补充了实验教学,是提高教学质量、推进公平教育的重要手段,也促进和推动了以OBE为导向的工程人才培养。

3.1 网络教学系统

我校的浙江省生物基础实验教学示范中心建设有教学网站“生物基础实验教学中心”,是“互联网+翻转课堂”教学模式实施和学生学习的主要平台。教师在系统中发布教学内容和教学资源,学生可以进行实验预习、实验报告和科技论文的递交等教学活动,同时还可以进行网上教学、实验技术交流、网上选课和教学效果反馈。学生可在课前、课后任何时间,在校园网上的任何一个终端上进行自学、预习和复习实验的有关内容,提前了解实验的要求、步骤和注意事项。通过实验教学课件、教学视频、技能微视频、虚拟实验等教学资源进行课外学习,大大增加了教学的灵活性和机动性,让有限的课堂在课外无限延伸。除此之外,网络教学系统还具有实验室管理和门禁预约、仪器设备预约和管理、实验课程管理等功能。

3.2 虚拟仿真实验

虚拟仿真实验是利用虚拟现实或实物仿真技术创建、重塑或还原实验教学场景的信息化或模拟式教学工具和手段。利用信息化的重要技术,构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象,对一些微生物学研究中重要的、经典的实验或者是内容抽象、过程复杂、在实验课堂教学中难以实现的实验进行模拟仿真,并将仿真软件上传到教学系统上,学生可以远程开展虚拟实验。虽然虚拟实验过程不具有真实性,但信息技术的文字、声音、图像、动画效果能让学生有身临其境的感受,提高学生学习兴趣。我校微生物学教研组开发了“细菌的革兰氏染色”“5L发酵罐中微生物的发酵生产”“利用Biolog自动微生物鉴定系统进行微生物的分类鉴定”等虚拟实验项目[10],实验室环境、实验仪器、实验材料与用品等素材均来源于真实实验,学生通过模拟完成整个实验,可多次重复,大大提高了真实实验操作的规范性、实验结果的准确性以及实验教学效率,达到了以虚补实、以虚代实、虚实结合的目的。

4 完善评价方式,实现多方位考核

OBE理念要求对学生学习能做出有效的产出性评估,教学和评估能相辅相成,以学生的发展为本,关注学生内在的感受、体验、主体性及潜能的发掘[11]。不仅仅是对结果进行评价,还需强调过程的评价,通过对学生学习过程中各方面的发展做出的评价,引导教学进程正确并完善地进行。我们对学生评价体系进行了改进,将过程评价纳入评价体系,增加了实践学习过程的“学习诊断”,即教师在教学中全面了解和掌握学生实验的整体情况,并对学生的实验过程、实验质量和实验结果做出及时、客观、公正的指导和评价。同时根据实验目标和教学内容设计了5个考核单元——“显微技术”“无菌接种技术”“分离纯化技术”“微生物染色技术”“玻璃器皿的包扎”,在实验过程中及时评价与反馈,学生根据教师评价及时进行修正和改进。成绩评定方法也做出相应的调整,总评成绩包括学习诊断(30%)+10份实验报告(30%)+科技论文(20%)+期末操作考试(20%),比较全面地反映了学生表现和学生的综合素质。

5 结语

为适应工程教育的需要,以OBE为导向的教学理念贯穿并渗透于微生物学实验教学全过程,学生在完成课程后能懂得运用所学的知识、技能进行复杂的工程问题研究,培养了学生解决复杂工程问题的素养和能力,使实验教学从过去的“获取知识”向“探究知识”转变,从“以教师为中心,以教学为中心”向“以学生为中心,以学习为中心”转变,由单纯验证性实验向具有设计性、专业针对性的综合实验项目转变[12]。经过多年改革实践,取得了一定的成效,为工程人才的培养起到一定的推进作用,我校环境工程、制药工程、生物工程专业先后通过了工程教育认证。