基于“PBL+翻转课堂”模式的《天然产物与功能食品》课程教学改革

宋洋波 王进英 张建华

(青海大学农牧学院, 西宁 810016)

进入21世纪,中国高校的 “双一流”建设、新工科建设、金课程建设等都在不断推进。如何培养适应时代发展需要的各类专业人才,是高校学科建设和课程建设的核心内容。2018年,教育部出台了《关于加强农科教结合实施卓越农林人才教育培养计划2.0的意见》,把提高人才培养的质量和整体素质以及为“三农”事业提供更好的服务作为主要的改革方向,将地方特色、工程教育专业认证理念与新工科理念相结合,注重教学理念、教学内容、教学方法的优化与变革,积极探索多元化的教学模式,使我国培养的农林科技人才能发挥更好的作用,得到更大的发展[1]。

随着“健康中国2030”等国家重大战略的实施,《天然产物与功能食品》课程作为以合成生物学为背景的食品专业新兴学科,在食品科学与工程专业的本科教学过程中,需要突破以教师为主导的传统教学模式,尝试新的教学法,加强教与学的有效互动和反馈,从而提升学生的课堂学习效果[2-3]。问题驱使学习(Problem-Based Learning,PBL)与翻转课堂(Flipped Classroom)结合的教学模式在高校课程教学中已被成功应用,我们参考已有的教学实践案例[4-8],尝试建立基于“PBL+翻转课堂”的《天然产物与功能食品》课程教学模式,以期达到如下的教学效果:增进学生对天然产物产品“产业化”的理解,使本专业学生紧密联系工程思维与课程学习预见专业前景;巧妙结合课程知识点与技术,通过提出问题、分析问题和解决问题的模式,培养学生专业领域的逻辑思维能力、技术应用能力与思辨能力;通过学科涉及的具体天然产物设置研究方向,让学生通过收集、学习和处理信息来模拟体验功能性食品的研发过程,围绕具体目标材料与天然产物,利用已有知识基础展开调研和策划,结合食品行业的实际需求,最终获得问题的解决方案。

1 传统与新型教学模式的对比分析

传统教学模式是以教师为中心,将课程内容按照“教师讲授→学生接受”的流程进行教学,教师在授课过程中注重对知识的传授,但忽视了对学生学习兴趣的培养及自主学习能力的提高,因而导致学生的实践能力较弱。此教学模式的特点是,教师讲授的时间相对较长,课堂气氛相对沉闷,学生对知识点的掌握很大程度上取决于教师讲授知识的内容,虽注重“教”和“学”,但往往会忽略了学生对知识的掌握和应用[5]。采用传统教学模式,对于食品科学与工程这类偏重实践的学科难以达到理论与实践相结合的教学效果,更不能让学生今后能将课本知识在从事的专业工作中应用。总之,传统教学模式主要针对高校教学任务而设计,忽略了学生在课堂上的主体地位,由于缺乏学生对知识掌握程度的反馈,也导致教学过程中教师难以了解到学生对知识点的掌握情况。

新型教学模式“PBL+翻转课堂”是让学生根据自身发展需要进行个性化学习,并在课前利用网络资源进行自主学习。此教学模式在激发学生自主学习能力和解决问题能力方面具有较大优势,能有效培养学生主动思考、主动探索、主动实践的兴趣,能更好地培养学生独立思考的能力和团队合作精神[6]。 “PBL+翻转课堂”教学模式将“教学-学习-实践”紧密结合在一起,强调学习与实践的紧密结合,强调对知识的掌握和应用。新型教学模式将知识传授、能力培养和素质教育三者融为一体,对于提高学生的自主学习能力、分析问题与解决问题的能力、团队合作精神以及创新创业能力具有明显优势。同时,此教学模式将“产业化”问题融入课堂,以解决企业急需技术问题为先导,结合课程内容为目标,课程方案设计为手段,充分利用教学资源及企业资源,有望为食品行业培养出贯通“产-学-研”的高素质复合型人才[7-8]

2 新型教学模式应用于课程教学的措施

2.1 优化教学模式,提高学生的学习积极性

我们在《天然产物与功能食品》课程教学中,采用“PBL+翻转课堂”模式实施翻转课堂教学。首先,教师需要设计与课程相关的问题(涉及食品化学和生物合成)作为导入环节,这些前沿科学技术问题具有综合性和复杂性。其次,学生通过课前查阅资料或自主学习对问题进行归纳总结。在课堂上,学生汇报讨论结果和解决方案,并与教师共同研讨。与此同时,采用“一段视频、一场报告及一篇综述”的形式,引导学生自主学习,并通过小组讨论、问题分析提升学生的自主学习能力。教学过程包括课前准备(PPT课件、网络资源、阅读和预习)、课堂学习(讲解和讨论、课后练习与反馈)和课后拓展,并充分利用客户端学习软件、虚拟仿真软件、增强现实技术及互联网平台在不同阶段传递知识和帮助学生内化。这种教学模式实现了“教学-学习-实践”的良性互动,有助于学生综合能力和实践能力的提升。

在具体实施过程中需要注意以下几个方面:(1)导入问题需简单且贴近生活,否则会使学生失去解决问题的兴趣;(2)以小组合作的方式,分配任务且调动成员的主动性和积极性;(3)对知识点内化的问题设计,以课程系统为基石;(4)合理分配课堂学习和各项任务实施的时间。

2.2 梳理知识体系,做到有的放矢

《天然产物与功能食品》课程内容涉及生物学、药用植物学、生态学、生物合成的生源学、植物化学分类学、药剂学、食品化学等相关专业知识,研究对象为各类生物(动物、植物、海洋生物及微生物)的次级代谢产物,具有微观、抽象且复杂的特点。生物体二次代谢产物及内源生理活性物质的提取、分离以及结构、功能、生物合成、化学合成与修饰及其用途等,所涉及的知识脉络多而复杂,学生在学习过程中面对如此厚重而繁琐的课程内容,往往表现出学习动力不足,学习目的不明确,难以掌握知识点,检测设备操作流程与实际应用相脱节等问题。

教师授课过程中涉及专业领域中的知识点、检测设备、设备使用流程及相应的技术原理,由于专业性较强且非日常生活所接触的事物,学生理解不透彻,很难做到灵活运用。在国家教育改革及新农科人才培养等政策的推动下,对于单一课程需全线整合,强调学生掌握单一课程完整知识,同时建立学科与学科之间、课程与课程之间的联系与内容衔接,引导学生形成专业内课程的系统认识和承上启下式学习方法,培养学生运用知识点进行联动,以期毕业后可顺利适应经济有效的工业生产环境并能为生产上提供合理、可行的策略。因此,我们对《天然产物与功能食品》课程内容进行系统整理(图1)。

图1 系统整理后的《天然产物与功能食品》课程内容

2.3 融入“产-学-研”,培养学生的实践能力

教学内容是决定教学效果的关键因素。以融入“产-学-研”的思维为导向,拓展基于“PBL+翻转课堂”模式的教学内容,有利于学生探索功能性食品的市场定位,逐渐形成以研究成果转化为目的的“工业化”思维习惯,逐步夯实专业课基础,从而形成实用性人才的雏形。应根据企业与行业的需求,融合试验流程与工业化生产工艺进行教学,有效地将课程内容与实际生产衔接,培养学生的创新意识及实践能力。将课程知识点蕴藏于PBL设计案例中,加强理论与实践的融会贯通,并结合翻转课堂,引导学生以团队形式完成自主学习。

课程内容向产业化、本地化拓展。青稞、枸杞、沙棘、冬虫夏草等是青海地区特有的绿色生态农产品,可以结合当地食品与药品企业的生产需求,进行天然产物资源利用及功能食品的研究与开发。将目标天然产物的提取、分离及鉴定技术与生产工艺相融合,使学生了解各项相关技术在产业化生产中的应用及需要解决的技术问题,以便在课程学习的过程中同时思考如何进行工艺优化及产业技术改进。以“用黑青稞麸皮提取花色苷”为例,学生通过课前查阅文献资料了解黑青稞的食用及药用价值,同时认识到黑青稞麸皮中的花色苷为具有抗氧化、抗衰老、抗癌、预防心血管疾病等多种药理活性的重要功能性成分;继而通过课程学习与小组协作设计花色苷的提取工艺(酸性乙醇浸提与pH示差法测定含量)、分离纯化(花青素粗提液→树脂预处理→花青素粗提液吸附→洗脱→收集洗脱液)与鉴定(HPLC技术),同时利用DPPH、ABTS自由基清除率及FRAP值确定黑青稞花色苷的抗氧化性。除此之外,还通过当地特色发酵食品——黑青稞甜醅的发酵工艺与产品的功能性,延伸了解到β-葡聚糖(降血糖、降血脂及防治糖尿病)、酚类(清除自由基和增强抗氧化能力)、黄酮(增强抗氧化能力)、膳食纤维(减肥)等其他功能性成分对人体的保健作用,最后根据各物质的特性完成黑青稞甜醅发酵工艺的优化。

2.4 建立多元化考核体系,注重综合评价

传统的考核方式主要以期中与期末考试成绩为主,通过考核学生对理论知识的记忆程度来评定学生的成绩。但《天然产物与功能食品》课程内容涉及到的知识点较多,单一考核方式不能全面地反映学生的学习效果,不能调动学生对知识获取的主动性和积极性。

“PBL+翻转课堂”教学模式将单一考试转变为“论文+报告+视频”的综合能力考核,考核方式更全面,不但达到了重视教学过程的目的,也更符合课程教学改革的目标。课程考核内容主要包括课堂表现(30%)、参与度(40%)和平时成绩(30%)3个部分。其中,由课堂报告呈现的课堂表现(15%)和参与度(20%)均能反映出学生对课程内容的掌握情况以及团队协作能力;平时成绩则由课后文献收集和撰写综述2个部分组成。另外,拍摄实验视频的质量与内容更能展示学生的课堂表现(15%)与参与度(20%),进而体现个人平时对课程内容的学习与理解情况。通过课堂评价、学生自评及团队互评等多元化评价方式,收集参与“PBL+翻转课堂”教学的评价信息,使学生通过主观与客观2个方面了解自身是否具备专业知识的掌握和运用能力,并将课前、课堂及课后评价及时反馈给学生,让他们更好地了解自己对课程内容掌握的动态情况。建立的多元化考核体系,可以客观公正地体现学生对理论知识的理解与掌握情况,更深层地反映其对本门课内容的实际应用能力,从而弥补了单一考试评价模式的不足,因此可以充分调动起学生的学习积极性和增强自主学习的能力,促进培养目标的多重实现。

3 新型教学模式用于课程教学的成效

自2021年以来,随着“PBL+翻转课堂”教学模式在《天然产物与功能食品》课程教学应用过程中的不断改进与深入,学生的学习自主性与团队合作能力被充分调动,较好地培养了学生的科研创新能力,学生的选课率也逐年提升。通过贯通“产-学-研”的思维导向,拓展基于“PBL+翻转课堂”模式的教学内容,显著提升了课程理论教学的效果,主要表现在学生的上课出勤率始终较高,课堂提问人数增多,以及课程考核成绩逐年提升。借助信息化与虚拟仿真等多种方式,实现了课堂内外的互补,建立了知识、能力及综合素质同步提升的课程体系,使得课堂从学校延伸至产业。与课程教学改革前相比,改革后的《天然产物与功能食品》课程教学模式实施效果良好,2022年学生评课成绩为97.8分,对此教学模式认可度较高,教学改革取得了如下所述的成效。

(1)激发了学生参与科学研究的热情。在后续的专业课程教学中,师生之间亦形成良性互动,就专业知识、研究领域以及产业发展开展一系列讨论,在《食品化学》《食品质量安全》《发酵工程原理》等课程的实验及毕业设计阶段,学生能够得心应手地利用课内知识,完整设计实验程序,完成实验内容,进行科学研究,撰写实验报告及论文。

(2)增强了学生的专业基础与学术素养,同时提高了学生对专业知识的研习能力。2019级学生在升学与复试中表现出良好的专业基础素养,竞争力稳固加强,一些学生还顺利进入江南大学、中国海洋大学、西北农林科技大学、瓦赫宁根大学等国内外高校继续深造。2018级进入食品行业从事产品研发、生产管理、质检与科研等工作的学生,企业反馈的评价良好,表现出众。

(3)提升了学生的专业研发竞赛实力。2019级、2020级学生积极参与校内外组织的各类科创项目和创新创业、“互联网+”及虚拟仿真竞赛,并在第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业全国总决赛斩获银奖,在第三届全国食品专业工程实践训练综合能力竞赛中荣获二等奖。

4 小结

“PBL+翻转课堂”教学模式在《天然产物与功能食品》课程中的应用,能够有效地激发学生的学习兴趣,调动他们参与课堂教学实践的积极性和主动性,提高学生自主学习和科研创新的能力。同时,引入翻转课堂等教学模式也能更好地适应社会对复合型人才的需求。然而,在具体实施过程中仍存在一些问题,如教学大班人数过多时如何分组、如何提高学生的学习积极性以及如何设计符合课程特点的案例等,这些问题需要在教学过程中不断总结和探索。首先教师应注重培养学生的团队合作精神,加强师生之间的沟通和交流,激发学生的主观能动性,促进他们主动学习和思考。同时,教师也要不断更新教学内容和教学方法,改变传统教学模式下教师主导而学生被动的情况。总之,“PBL+翻转课堂”教学模式作为一种新型的教学方式,在未来仍有很大的发展空间。高校应以培养创新型人才为目标,不断探索新的教育方式和手段,完善教学模式和内容,才能真正实现培养具有创新精神、实践能力和社会责任感的复合型人才的目标。