UbD设计在环境微生物学教学中的应用——以微生物特性与功能单元为例

郑耀通

(福建农林大学 资源与环境学院，福建 福州 350002)

环境微生物学是大学环境类工科专业极其重要的专业基础课，其教学效果与后续水污染控制工程、固体废物处理与资源化、环境生物技术等课程直接相关。理解微生物的共有特性及其相互关系是了解微生物功能并善于应用微生物的基础，如何让学生真正理解并掌握微生物的特性与功能，课程的教学设计是关键[1]。传统的教学设计是先关注教学内容再组织已成型的教学活动，最后检验教学效果。这种设计与教学活动的弊端是教师只重视自己的“教”，而不太关注学生的“学”，学生因缺乏学习参与度而使学习效果不够理想[2]。由当代美国教学改革专家Wiggins和McTighe提出的基于理解的逆向课程设计(Understanding By Design，UbD)是一种被证实为极其有效的课程设计方法[3-8]，UbD是一种“以终为始”的翻转教学设计方法，这种逆向设计先从确定学生要达到的学习效果开始，再确定哪些证据能够证明学生确实达到了所期望的效果，最后是编排相关的学习活动及教学过程[4，9-10]。因此，明确预期学习效果、确定合适的评估方法以及设计和实施教学活动是UbD的三个核心阶段。由于目前国内很少有关于微生物学方面的UbD教学设计及其应用的报道，选择环境微生物学课程中的微生物特性及其功能单元进行了UbD逆向教学设计，并在环境工程本科专业创新班的教学中进行了有益尝试，取得了良好的教学效果。

1 确定期望的学习效果

根据UbD模式持久性理解的六个维度[4，10]以及希望学生在教学单元结束后需要掌握的知识与技能，首先确定学生应该熟悉、掌握以及需要持久理解的内容。由于微生物特性及其功能教学单元涉及到的知识点多而分散，如微生物特性包括了微生物结构特点(体积小、比表面积大)、营养特征(吸收多、转化快)、生长特点(生长旺、繁殖快)、遗传特征(适应性强、易变异)、生态特点(种类多、分布广)等，以及由微生物的特性而产生的众多功能与生态意义等知识点，采用传统的聆听式教学法很难让学生真正理解、掌握微生物的特性及其相互关系。利用UbD课程设计法经过认真分析与筛选后，确定本单元三个层次期望的学习效果分别是：应该熟悉“微生物的五大共性”；应当掌握由微生物特性产生的“微生物无处不在、无所不能与无孔不入”等知识；需要深入持久理解“因微生物特性而产生的微生物利与弊，以及“微生物同人类社会与文明的关系”等知识与技能。这样的教学设计使课堂教学更富有层次感，达到了学生持久理解核心教学内容的效果，从而使学生全面了解微生物并最终具备利用有益微生物和控制有害微生物的初步能力。

2 确定能证明学生学习达到效果的证据

如何得知学生已经达到了预期的学习效果,证据是什么，“评估”是这个阶段设计的重点，评估不是一个产生分数的策略，而是依据确定的学习效果显示是否达到的证据，通过这些证据，了解学生是否真正理解了教学内容，是否深入思考过关键问题，是否真正拥有了期望他们应有的技能等。在学习效果证据的收集过程中，对于应当熟悉、掌握的知识内容可以用相对传统的评估方法，如采用观察和问题式对话讨论、测验、论述分析题方式可以很好地评估学习效果；而对于需要深入持久性理解的内容，因较难采用传统的评估方法，设计诸如如何快速筛选具有特殊功能的微生物菌株；用自己亲身经历说明并分享因微生物的共性而产生的微生物利与弊实例；撰写微生物与人类文明进步关系的评估报告等实作性任务，通过在情境环境下搜集的证据，显示学生是否理解了可迁移的关键知识、核心概念与技能。

3 设计和实施教学活动

UbD教学活动设计时需要思考以下问题：学生达到预期的学习效果，需要掌握哪些知识和技能，这些知识和技能可以通过什么途径获得，哪些学习活动及教学过程可以促进学生的理解以及技能的提高等。因此，在实际教学设计中可依据不同的知识向度目标设计不同的学习与教学活动，如对于微生物的大小、繁殖特性等事实知识，可以先让学生自行观看教学影片自主学习；对于一些概念性知识，可通过同学间的讨论与相互论证活动，实现对概念知识原理更深入地理解；对于需要持久性理解的知识，如微生物五大共性之间的关系及意义等，由于体积小比表面积大特性是微生物五大共性的基础，而其他四大共性均由此发展而来且相互关联并呈因果层层递升关系，则还需要设计并采用好的螺旋式或追问探究型的问题教学法才能有好的效果，只有学生连续产生疑问，才能不断拓宽学习的广度与深度；若想要培养学生的后设认知能力，则需要在课程设计中给学生提供反思的机会。

以下是本单元依UbD设计的WHERETO*检验活动列举的主要教学过程：①课前先预习与教学影片的自主学习(观看教师上传班级社区群的微生物科教影片：《微生物世界的七大惊奇》《细菌的繁殖》《微生物的利与弊》《细菌与奇幻的人体国度》《极端环境微生物以及微生物危机：抗生素的滥用》等)(W H)；②上课时先介绍单元最终表现性任务(了解微生物特性和学会利用与控制微生物)(W)；③教师先引入微生物单细胞蛋白——人造肉名词，并提出疑问，微生物为什么能够在极短的时间内生产高蛋白含量的产品，吸引学生注意力并切入正题(H)；④接着提出问题，为什么观察微生物要用显微镜(因个体微小)，然后展示PPT图片，对比不同生物的个体大小区别，以及由此产生的比表面积的巨大差异，突出微生物个体小但比表面积大的特点(E)；⑤比较大肠埃希菌、绿蜂和地鼠等不同比表面积生物消耗营养物质的巨大差异，突出微生物营养物质吸收多、生化转化快的特性，并强调这是微生物能快速生长繁殖并合成大量代谢产物的物质基础(E)；⑥让学生计算假定某种微生物经过××分钟分裂繁殖一代，24 h后大概产生多少个细胞，提问最终能否达到？为什么？(H)；⑦实作任务：让学生设计一个筛选不同特殊功能微生物的实验方案，提出筛选的关键依据，指出微生物变异的现实意义(R E O)；⑧小测试：分别让学生列出微生物发生变异可能产生的对人类社会的利弊并提出对策(H E-2 O)；⑨开展学生分享他们生活中遇到的抗生素使用的有关实例，分析与思考抗生素使用量和种类的变化及可能的趋势，进一步讨论微生物变异的利与弊(R E E-2 O)；⑩提出疑问：日常生活中，可能在哪些环境或条件下，不存在微生物，如何理解微生物无处不在，再提出问题：自然界中哪些极端环境有可能存在微生物，引发学生思考并回答，接着展示：高温火山喷发口、万米高空与海底、低温、强酸强碱、高辐射及荒芜沙漠等环境中发现的微生物真实图片，说明微生物的强大环境适应性(E H R T)；引导学生思考与回答，极端环境微生物存在的生态意义及人类研究与开发极端环境微生物的理论与实际意义？(RE-2)；如何理解如果没有微生物就没有自然界的繁荣与秩序或人类的产生与维持这种说法？这与微生物本身的共性有何联系？(R E-2)；学生们以书面形式进行微生物的功能与应用知识小测验(E-2)；单元结束时，让学生谈谈自己在生活中经历过的因微生物而产生的危害或使生活更美好的例子与感想(E T)。

*WHERETO表示：W-学习目标和预期结果(Where、What)；H-吸引(Hook)与维持兴趣(Hold)；E-具备实作能力(Equip)；R-重新思考与修正(Rethink、Revise)学习；E-评价与反省(Evaluate)；T-因材施教(Tailored)；O-组织学习(Organized)。

4 应用效果分析

好的教学设计是实现良好教学效果的基础。要改变目前大学课程学习中普遍存在的“肤浅性、工具性、应试性，以及学生在课室中保持沉默、推卸责任、逃避学习，或是不仔细学习课程内容，仅凭考前背考试复习资料以应付考试等”称之为“法蒂玛法则”(Fatima′s rules)的教育现象[12-13]，采用主动式学习模式是唯一的途径。

4.1 UbD模式可使学生成绩表现提升

初步应用UbD教学效果显示，无论是纵向还是横向比较，学生的考试成绩都有明显提高。福建农林大学资源与环境学院环境工程专业共有4个自然班，其中1个创新班(约25人)是大二经考试选拨出来可优先保研的班级，过去近5年的环境微生物学考试结果显示，创新班与普通班学生平均成绩分别在74.8～77.2分和70.6～74.7分之间，不及格率分别为3.7%～7.6%、9.8%～14.5%，差异并不十分明显。因以前采用的多是聆听式教学方法且听课人数较多(近百人)，大多数学生成为不需要思考的被动信息接受者，死记硬背和机械答题，不深入思考，不善于融会贯通是两个班学生的共性，一旦考试题目相对灵活，学生就会束手无策。2018至2019学年，创新班学生与普通班学生分别单独上课，并在微生物共性与功能以及微生物的营养与代谢两个教学单元实施了UbD模式教学，在不再向学生发放考前复习材料且试卷相同的情况下，创新班与普通班的考试成绩差别十分明显，普通班学生考试成绩不及格率为27.8%，平均卷面成绩仅为60.4分，而创新班学生卷面成绩全部及格，平均成绩达到72.9分。究其原因，创新班学生在课程开始章节就使用了UbD学习模式，加上小班上课，即使没有使用UbD模式教学的章节也较多地采用了问题式教学方法。从学习过程看，UbD教学模式有效地消除了课堂“法蒂玛”现象，培养了学生勤于思考、善于发现问题并提出问题的能力与积极性，因此UbD模式有助于激发学生的学习积极性和求知欲，使学生由被动学习转向主动学习，促进知识的理解与深化。相反，普通班学生在课堂上明显存在“法蒂玛”现象，普通存在死记硬背，知其然而不知其所以然的问题，考后大多内容很快就会忘记，虽然普通班中也有成绩较好的学生，但对知识的理解很肤浅，不理解事实性知识背后的原理是什么以及如何在真实情境中加以应用的问题同样存在。从学习效果看教学效果，与创新班学生相比相对灵活或难点的考试成绩的差异巨大，这是普通班成绩较差的原因，也正是两种不同教学模式教学效果差异的具体体现。

4.2 实现以学生为中心的教学模式，提高学习留存率

以往常见的教学方法存在一些明显弊病：教育止于识记，不求甚解；课程设计以教师的教为中心，缺乏明确目标，为了考试而教学。UbD教学设计框架的优势在于其对拓宽学生知识面和技能的应用范围、提高学生对学习效果留存率的关注度。UbD法教学不仅能使学生学得更好，将知识和技能应用到不同情境和真实生活中，还能将其长久保存在自己的知识和技能库里。事实上，教学的考试分数并非教育最终目的，而让学生理解、长久牢记核心教学内容，并在此基础上得到应用才是课堂教学的目的，通过UbD教学法使学生对有关教学内容得到了深入持久的理解与运用，是实现素质教育的有效途径，达到了提高学生综合能力的目的。

4.3 其他

教学方式改变之前，学生上课不做笔记甚至不带笔和笔记本的现象几乎是常态，UbD模式教学中，老师要求做笔记、提问题的规定，使学生逐渐养成了上课随时记笔记的习惯并产生了见贤思齐效应；通过上课过程中，采取问题-回答-问题的形式，学生自学与提问的能力无形中得到了提升，提出的问题深度渐增；另外，因课堂上师生互动较过去频繁，增进了彼此间的感情，有利于教学与育人；相比聆听式教学模式，学生喜欢UbD教学方式，满意度有所提高。 总之，教师教学创新的源头应来自于课程设计的创新，用好的课程设计帮助学生更好的理解课程内容，改变学生的思考模式，提高逻辑思维能力，对课程内容有新见解是教书育人的目的。用UbD教学模式课程设计是主动学习与理解意义学习的有效模式，可以促使教师改变原有的教学思维，实现以教师为中心的教学理念，到以学生为中心的教育理念的典范转移，这对于21世纪学生就业能力养成，不啻为学校教师极具参考价值的教学设计良方。