应用反向课程矩阵设计法进行“电类实验室安全教育”课程建设

邓春花，尹 仕，徐慧平，肖 波，胡 玮

（华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

在教育部推行“新工科”建设和“双创”教育模式的大背景下，高校实验室逐渐成为学生学习活动的主阵地，越来越多的本科生在课后走进实验室开展研究与实践活动。实验室大门完全向本科生敞开，给安全管理工作带来了很大挑战，稍有不慎就可能发生安全事故，造成国家财产损失，甚至人员伤亡。实验室安全是研究与实践活动顺利进行的基础，必须建立完善的安全管理机制来保障实验室的安全有序运行。

有专家学者总结了构成实验室安全体系的3 大要素[1-3]，分别是安全管理、安全技术和安全教育。安全管理是指各类规章制度、国家法令法规等；安全技术是保障安全的技术手段，如带有监控或远程操作等功能的智能化管理平台[4]、系统的安全防护措施等；而安全教育是将前2 个要素付诸实现的必要途径。安全教育的对象是进入实验室的“人”，如果不能将规章制度或技术手段传达到“人”，那么无论安全管理还是安全技术都将无从谈起。因此，安全教育是安全管理体系的关键所在。

然而，目前很多高校实验室安全教育环节依然薄弱，往往只是不定期举行讲座、宣传活动或消防演习，未将实验室安全教育纳入课程体系形成常规培训机制。安全教育的目标和知识结构不甚清晰，内容缺乏专业性、针对性、实用性[5-6]。为改变安全教育流于形式的现状，我院开设了“电类实验室安全教育”课程，并将其纳入专业培养计划，根据专业特点对教育目标、教育方式和评价指标进行总体规划，构建系统化、常态化的实验室安全培训体系。本文将对“电类实验室安全教育”课程建设的思路和具体实现方法进行介绍。

1 “电类实验室安全教育”课程框架

实验室安全主要涉及人身安全和设备安全，需要实验室人员严格遵守各项管理制度，掌握与本专业相关的安全知识和安全技能，知道怎样规范使用工具和操作仪器设备，并且具备一定的事故应急处理能力[7]。“电类实验室安全教育”课程的教学内容主要从以上4 个方面展开，采用模块化教学方式，课程内容框架如表1 所示[7-9]。

模块1 的内容是让学生认识和了解实验室，知道实验室的运行机制和管理制度，熟悉实验室环境设施，学习实验室行为规范。模块2 的内容是电气专业的安全知识，让学生从原理上了解电气事故的危害和发生原因，理解并掌握预防电气事故的方法，了解电气相关领域的行业规范和技术标准。模块3 的内容是让学生认识常用的电工工具，并掌握正确的操作方法，学习仪器设备的使用规范和安全操作规程。模块4 的内容是触电事故的应急处理，包括人体触电后的临床表现及判断，触电急救的原则、步骤和方法，并进行操作训练。

表1 “电类实验室安全教育”课程内容框架

从表1 可以看出，本课程涉及的知识面较广，教学目标要求多样化，包括通用准则理解、专业知识学习、操作技能训练等，要保证教学质量，仅采用一种教学模式是不够的，需要针对不同的任务要求和知识特点进行专门的教学设计，最大限度地激发学生学习的主动性。安全教育的目的不是“教”，不能认为将安全规范、技术手段等知识灌输给学生就达到目的了，要让学生切实认识到安全的重要性，主动学习，通过自我教育培养和形成安全习惯[10]。教师在教学过程中应该担当组织者角色，根据教学目标设计相应的教学活动和评价方式，引导和督促学生自主学习。

本课程在进行教学设计时尝试引入了反向课程矩阵设计法。该方法通过编制课程矩阵来进行各教学环节的设计，逻辑严谨，课程框架结构清晰、易于调整和修改，具有很好的可操作性。教学设计旨在将“以学生学习为中心”“以学习效果为中心”的原则贯彻到教学实践中，通过目标驱动来调动学生学习的积极性和主动性，使学生变成教学活动的主体。

2 反向课程矩阵设计法的概念与具体实现

反向课程矩阵设计是课程矩阵和反向设计两个概念的合称。

2.1 课程矩阵

设计一门课程主要是解决学生“学什么”“怎么学”“学得怎么样”的问题。美国的教育工作者经过长期的教学改革探索和实践，总结出编制课程矩阵的方法，如表2 所示。

表2 课程矩阵示例

在表2 中，课程矩阵共有5 列，其中一般目标和具体目标对应了“学什么”，教师教法和学生学法对应“怎么学”，而反馈与评价则对应了“学得怎么样”。这样，设计一门课或一堂课的过程就变成了填表过程，只需在每一个空格里填入设计好的内容，就完成了课程设计，非常清晰明了。如果对其中某一个环节的设计不满意，只需进行局部调整和修改，灵活性很强。同时，课程矩阵也是教学计划书，全面展现了所有的教学安排和教学活动。

2.2 反向设计

反向设计（backward design）是从学习成果导向教育理念（OBE，outcomes-based education）衍生出来的课程设计方法。OBE 的中心思想是一切教育活动都应该围绕学生在学习结束时能够做到什么来组织，因此在进行教学设计时，首先要确定学生必须要做到什么，再考虑怎么检验学生是否做到，然后围绕这个目标来设计教学活动，以确保所期望的学习效果能够最终达成。这个过程与传统的从课程本身出发进行教学设计的顺序是相反的，因而称之为反向设计。

2.3 反向课程矩阵设计法的实现

将课程矩阵与反向设计结合起来，就得到了反向课程矩阵设计法。在使用传统方法设计课程矩阵时，一般是从左至右顺序填写表2 的内容，如果采用反向设计法，填写顺序将有所改变。首先，应确定学生在学习结束时能做到什么，即学习的具体目标，然后设计检验这个目标是否达成的评价方法，再设计学生的学法和教师的教法，最后再总结出课程的一般目标[11]，如表3 所示。

表3 反向课程矩阵设计法示例

在编制课程矩阵时，需要关注以下几点：

（1）区分具体目标和一般目标。一般目标是对学习成果的一般性陈述，类似课程教学大纲里的教学目标，而具体目标是指学生能从事的具体活动，一个一般目标可能对应多个具体目标。在撰写具体目标时，要使用可观测、可检验的行为动词，例如对于学生在学习结束后要掌握的知识或技能，需要使用一些行为动词予以描述，例如“学生能够列举出影响电流对人体伤害程度的因素”“学生能够制定某个设备的操作规程”，其中“列举”和“制定”就是行为动词。在选择行为动词时，可参考布鲁姆教育目标分类学（Bloom's taxonomy of educational objectives）中所列举的6 类行为动词（Bloom's verbs）。

（2）区分学法和教法，以学法为主。在进行课程设计时，要让学生变成课堂的主体，要给他们安排形式多样的活动，使他们在活动中掌握知识和能力，做到“三会”——会说、会做、会教。在确定了“学法”后再来设计对应的“教法”，教法的关键不是“教”，而是给学生提供“脚手架”，帮助他们解决学习中遇到的困难，对于学生能自学的内容就无需教了。

（3）具体目标、评价、学法和教法4 者要对应。评价方式和内容要为具体目标的达成提供证据，而教学活动则要为目标达成提供支撑。例如，某堂课的具体目标是“学生能够进行单人徒手心肺复苏操作”，那么对应的评价方式应该是“学生要进行至少一个周期的心肺复苏操作，流程正确且动作规范”，教学活动可以相应设置为“学生利用模拟人进行心肺复苏操作练习”。如果教学活动只是“教师讲授心肺复苏的操作方法”或者“学生观看心肺复苏的操作视频”，则无法保证具体目标的达成。

3 “电类实验室安全教育”课程矩阵的编制

以下介绍应用反向课程矩阵设计法进行“电类实验室安全教育”课程建设的思路。由于篇幅所限，将详细说明表1 中模块1（电类实验室使用规范）的课程矩阵编制过程，对于其他模块的教学活动与安排仅作简要介绍。

3.1 模块1 的课程矩阵编制

按照表3 中的步骤完成模块1 的课程矩阵编制。

3.1.1 步骤1：确定具体目标

首先应确定希望学生通过模块1 的学习，了解、掌握哪些方面的电类实验室使用规范，以及了解、掌握的程度，并由此确定以下4 个具体目标。

具体目标1：学生能够阐释“电气与电子工程学院实验教学中心准入制”的内容和实施的必要性。

具体目标2：学生能根据各实验室的电气布置示意图，确认实验设备的电源配置情况，定位实验室及实验大楼的紧急出口和消防通道位置，辨识各种消防设施并解释其功能和使用方法。

具体目标 3：学生能够发现实验室存在的安全隐患。

具体目标4：学生能从实验室使用人的角度编写“电气与电子工程学院实验教学中心实验室安全使用手册”。

在描述上述具体目标时，使用了“阐释”“确认”“定位”“辨识”“发现”和“编写”等行为动词，让学生知道具体要做什么，也让教师清楚如何观测学生的学习效果。在编写传统教学大纲时，教学目标的一般写法是“熟悉XXX”“熟练掌握XXX”“了解XXX”，但要做到什么程度才是“熟悉”“熟练掌握”或“了解”，在学生的头脑中是模糊的，他们需要得到更清晰和明确的任务要求，这是目标驱动的关键所在。使用行为动词描述学习目标，是课程矩阵区别于传统教学大纲的一个重要特征。

3.1.2 步骤2：设计评价方式

评价方式要对应具体目标，针对4 个具体目标中的前3 个，要求学生在课堂上进行汇报，而第4 个目标，则要求学生进行口头汇报和书面表达。评价的标准可以用评价量表（rubric）列出，评价量表的第一列是评价的维度，即考查内容，每个维度又包括若干个因子，而每个因子可以按照目标达成度分为3 个等级。教师可以将学生的实际表现与表格中的评价标准进行对照，对学生作出评价。表4 是评价学生课堂汇报情况的评价量表，表5 是评价学生文档（“电气与电子工程学院实验教学中心实验室安全使用手册”）编写情况的评价量表。

表4 “电类实验室使用规范”课堂汇报评价量表

表5 “电类实验室使用规范”文档编写评价量表

运用评价量表的评价方式属于形成性评价（formative assessment），是在教学过程中作出的评价，主要目的不是对学生的学习效果进行终极判定，而是通过评价量表告诉学生学习的目标和标准，使学生能更准确地抓住主题，围绕主题开展自主学习。同时，教师和学生都能获得学习效果的反馈，教师能根据反馈结果适时调整教学计划、改进教学方法，而学生也能根据反馈结果来改进学习[12-13]。评价量表一般在布置预习任务或安排教学活动时就发给学生，让学生预先了解，起到引导和督促的作用。

3.1.3 步骤3：设计学生学法

设计学习方法的关键在于激发学生的学习动机和情绪，使之能更持久、更主动地学习。脑科学与神经科学、认知科学与认知心理学、学习科学与学习心理学等领域的研究成果显示，内容的有用性、学习的真实性、任务的挑战性、环境的社会性和过程的互动性等，都能有效地促进学生主动学习[14-15]，是积极学习方法的要点。基于这5 大要点设计的学生学法有：带着问题进行课前阅读；查阅国内外高校、研究机构实验室的管理制度作为参考；到实验室现场考察；询问实验室管理人员；小组讨论等，学生可根据具体目标选择其中一种或多种方法。

3.1.4 步骤4：设计教师教法

教师教法要跟学生学法相对应。设计教法时主要考虑学生在学习时会遇到什么困难，需要什么帮助，有针对性地设计适当的教学方法帮助学生有效学习，为学生搭建自主学习的“脚手架”，帮助他们完成学习目标。针对步骤3 里已经确定的学习方法设计的教学方法有：给学生提供学习资料、布置预习思考题、课堂组织学生开展小组讨论、回答学生的单独提问、针对共性问题进行集中讲授、评价学生课堂汇报内容和表现等。

3.1.5 步骤5：总结一般目标

模块1 的教学目标是让学生理解实验室管理制度的实际意义，能够跟实验室的具体行为联系起来，最终形成学生自己的安全小贴士，即实验室安全使用手册。总结成一般目标可以简短表述为：学习实验室的安全使用规范。这个目标将通过3.1.1 所述的4 个具体目标来实现。

将以上内容一一对应填写进表格3 中，就得到了“电类实验室安全教育”模块1 的课程矩阵，如表6所示。该矩阵清晰展示了所有的教学活动和具体安排，对于教学如何开展，学生和教师都能一目了然。

表6 “电类实验室安全教育”模块1 课程矩阵

3.2 其他模块的教学活动设计

其他3 个模块的课程矩阵设计同样可按照3.1 所述的5 个步骤进行，此不详述，只对部分内容简述如下。

在模块2 的教学中采用了案例教学法。例如：在讲解触电原因和触电形式时，让学生分成小组去搜集触电事故的案例，并要求他们对案例中的触电原因进行详细分析，说明触电形式及影响触电伤害大小的因素；在讲解电击防护措施时，要求学生查找生活或生产中常用的防护措施，解释其工作原理和适用范围，如果用到特定的防护装置，则要进一步查找实物图片，并详细说明其重要参数的含义和安装、使用方法；在讲解触电事故的应急处理时，采取情景演示方式，让学生设置场景和角色表演不同情境下发生触电事故时，如何帮助触电者脱离电源和开展后续救护工作。为避免学生泛泛而谈，抓不住重点，同样需要设计对应的评价量表来进行必要的引导。

在模块3 讲解电工工具的正确使用时，强调在使用不熟悉的工具前一定要详细了解该工具的使用方法和注意事项，不能存有试试看或用了再说的心理，特别是在使用电烙铁、热风枪和电钻等危险系数高的工具时尤其要注意。还可将一些常用电工工具的使用方法制作成小视频，供学生在使用前查看。在讲解如何选择或正确使用元器件、仪器仪表时，让学生注意其额定参数或测量量程，学习查看产品数据、使用手册和撰写操作规程。强调不论工具还是设备，在使用前都要注意检查其外观和性能，不能使用绝缘层老化或破损的设备。为了让学生熟悉实验操作规程，设计了一个流程表，通过一个小实验来引导学生按顺序完成从接到实验任务到完成实验任务、离开实验室的全部步骤，包括分析电路、选择器件、核算参数、检查设备、连接电路、测量数据、拆除电路和整理实验台等。在学生实操过程中，教师和助教通过巡视对学生的操作情况进行评价，也对不规范的操作行为给予提醒。

模块4 的学习内容是心肺复苏术，要求学生能进行至少一个周期的心肺复苏操作，且符合最新AHA（美国心脏学会）心肺复苏和心血管急救指南规定的操作标准。请校医院医生到课堂上给学生做操作示范和分解动作讲解，并将AHA 标准转换成评价量表，让学生两人一组利用全自动心肺复苏模拟人进行操作练习，在操作过程中相互评价和纠错。最后由校医院医生考核，成绩不达标者要重考，直到达标为止。

4 结语

通过将安全教育课程纳入本科生教学培养体系，使实验室安全培训趋于系统化、常态化，以此来加强学生对安全问题的重视，形成安全意识和安全习惯，提高安全操作技能，保障研究与实践活动的顺利开展和实验室的安全有序运行。

“电类实验室安全教育”课程采用模块化的教学方式，应用反向课程矩阵设计法进行课程建设，通过编制课程矩阵对每个模块的教学目标、教学方法和评价方式进行针对性设计，使课程脉络更清晰，使学生的学习方向更明确、学习的积极性和主动性更强。

本课程从2017 年开始对大一年级新生开设，经过连续不断的迭代设计，课程内容和教学组织日趋完善，教学效果初显，受过系统安全教育的2017 级和2018级学生的安全意识整体高于高年级学生。但因为大一年级新生的专业知识水平较低，能够理解和掌握的专业安全知识与操作技能有限，后续还要根据学生不断上升的知识层级和特殊需求开展持续教育。计划建设安全教育在线MOOC 课程，编写涵盖通识和专业安全知识的教材，再结合反向课程矩阵设计不断提升本专业学生的安全知识和安全技术。