基于虚拟仿真和“三阶+三化+三思”的生物工程下游技术异步SPOC多元交互混合式教学

廖洁丹 龚权 盖作启 李建军 张旭

摘 要：根据“生物工程下游技术”课程特点、学情分析和教学痛点，提出以“立德树人”为核心，围绕以学生为中心构建基于虚拟仿真和“三阶+三化+三思”的异步SPOC多元交互混合式教学。以目标多元、注重过程为原则，借助信息化技术开展过程性评价。实践表明，该混合式教学改革实现“新工科”背景下专业课的知识传授和能力培养。虚拟仿真实践教学和PBL小组合作，有效提升学生的综合素质，实现了家国情怀、科技兴国、工匠精神等价值引领。

关键词：生物工程下游技术;虚拟仿真;異步SPOC;混合式教学

“生物工程下游技术”是生物技术、生物工程专业大四学生的核心专业课，主要以目标产物的分离纯化、目标产物的分析检测为主线，阐述发酵液预处理、初步分离、精制和成品制备等分离纯化的方法和手段，让学生掌握并能合理设计目标产品的分离与纯化流程。发现问题、分析问题、根据目标产品特性设计产物的分离纯化方案，是下游加工产品生命周期中最关键和最困难的问题。本课程综合性和实践性很强，既要注重对学生创新思维和实践能力的提升，又考虑将家国情怀、科技兴国、工匠精神等元素融于课堂教学。如何让学习者在知识、能力、人格、价值培养中获得提升，需要从课程资源重构、教学模式、教学设计和课程考核等方面考虑。

一、“生物工程下游技术”课程建课历程

“生物工程下游技术”课程建设16年间，师资队伍逐步壮大，课程体系日趋完善，教学水平显著提升，教学资源不断优化。课程根据国家教育部对高等院校人才培养要求、地方院校人才培养定位、专业课程建设目标等方面，设定四个课程建设期，并针对每个时期的教学痛点提出对应教学策略和课程教改目标。

第一阶段是初级建设期（2006—2010年），完成初步建课和多媒体教学。此阶段主要到兄弟院校同课程进修，制作多媒体课件、编制教学大纲、电子教案、生产流程图、设备结构和流程Flash等教学资源。第二阶段是院级课程建设期（2010—2014年），主要完成课程资源库、试题库等，教学方法侧重案例式教学、师生互动讨论、学生汇报等。汇集典型工艺流程Flash、生产案例、学生PPT和汇报视频、课堂相片为网络教学平台资源建设做准备。第三阶段是省、校级精品课程建设期（2014—2018年），围绕“以学生为中心”的课程教改和创新人才培养，通过网络教学平台建设、开发虚拟仿真软件拓展实践教学和课程考核改革为主。本阶段网络教学平台构建获批广东省级质量工程建设项目，平台采用师生共建、以建促改、以建促学的方式，将多种教学形式结合，促进学生对专业知识的主动获取知识和自我学习的能力。围绕我校理工科转型发展和“应用型”人才培养目标，秉承“虚实结合、相互补充、能实不虚”的建设原则，建设生物工程下游技术虚拟仿真实验教学资源开发，实现校企平台建设、产教融合、实验教学团队管理培训和完善实践教学管理体制。第四阶段是省级一流课程建设期（2018—至今），围绕课程思政建设、信息化教学设计、突出创新创业训练、虚拟仿真实践教学和过程性考核等方面教改。本阶段注重挖掘专业育人元素，创新教学内容使之体现多学科融合、产学教融合、跨专业能力融合;积极运用互联网、人工智能、虚拟现实等现代信息技术融入教学设计、教学方法、教学内容和教学评价。

二、生物工程下游技术教学痛点及改革目标

“生物工程下游技术”课程贯穿了上游、中游和下游多门课程知识，从产品发酵液的预处理、初步提取、精制纯化到成品制备技术的综合应用，需要学生对前期所学知识进行融会贯通，在生产实际中能够根据提取产物的特点设计行之有效的提取方案。

（一）教学痛点

“生物工程下游技术”课程内容较为抽象，知识点碎片多;部分分离纯化仪器昂贵，课程的实践性较强，但未能提供仪器让学生实际操作;以教师为中心的课堂教学忽视信息化手段应用，缺乏对学生实时学习过程干预，普遍存在学生学习主动性不高、学习能力差异化较大的现象;学生的专业稳定性较差，责任感与使命感不足等。同时，课程内容涉及工程伦理、工匠精神、生态文明等价值目标，单纯讲授灌输会降低学生对课程的认可度。

（二）改革目标

课程紧紧围绕“立德树人、精于实践、勇于创新、敢于创业的高素质应用型人才”的目标，突出“敬业精神、工匠精神和责任意识”的培养，为国家和地方经济发展培养生物技术和生物工程领域具实践能力、创新精神和家国情怀的高素质应用型人才。

按照一流金课的建设标准，以“立德树人”为核心，将“知识探索、能力培养、人格养成、价值塑造”等方面纳入人才培养方案，教学大纲凸显思政育人，重构课程教学内容，重塑课程教学目标。一是知识探索。要求学生能重述产品的提取、分离及纯化基本原理，区分不同物质特性来选择合适的分离纯化技术;围绕上、中、下游拓展跨学科知识，强化核心知识与科技前沿对接，紧扣生态文明建设需求培养清洁生产意识。二是能力培养。学生能区分不同目标分离物的特征，分析分离纯化影响的因素，设计产品分离纯化方案并评价其可行性;混合式教学加强学生自主学习、深度学习能力，培养批判性思维;虚拟仿真实践培养学生勇于探索的创新精神、善于解决复杂问题的实践能力。三是人格养成。课堂教学教授物质分离纯化等方法，潜移默化让学生感悟分离过程中家国情怀、工匠精神和生态文明等元素;通过团队合作、同伴学习和技能实践，培养学生养成完善人格;虚拟仿真实践教学注重学思结合、知行统一。四是价值塑造。强化学生工程伦理，培养学生精益求精的大国工匠精神;培养文化自信、民族自豪感，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当等。

三、生物工程下游技术异步SPOC多元交互混合式教学

“生物工程下游技术”课程建设始终坚持学校“育人为本、质量立校、特色办学”以及“教学是立校之本，科研是强校之路，人才是发展关键”的办学理念，以满足地方所需人才培养为根本任务，立足地方，面向基层，培养基础扎实、精于实践、勇于创新、敢于创业的高素质工程技术人才。

（一）课程内容与资源建设

基于“生物工程下游技术”课程混合式教学实践的基础，选用中国大学MOOC平台国家精品在线开放课程，结合我校生物技术、生物工程专业的人才培养方案、课程目标及学情分析，对不同优质源课程的教学取长补短，借鉴异步SPOC建立在线教学平台，构建优学院和“雨课堂”教学平台的教学资源。优学院线上资源包括：10个教学单元（教案、PPT、慕课22个、单元测试125道）。课外资源包括往届学生优秀作品、视频资源库（67个视频和Flash）、自拍慕课2知识点（22min）、课外拓展资源文档（65篇），线上慕课视频时长209min。线上学习资源包括：课前指导性资源（教学大纲、教學计划、教案、章节讲义、慕课视频）、内容性资源（多媒体教学课件、企业生产、新闻案例库资源、教学微视频、阶段性测验、课后拓展知识、虚拟仿真教学平台青蒿素的超临界流体萃取和HPLC鉴定）和生成性资源（优学院、长江雨课堂对学生的课前参与度、课堂实时互动、随堂测验、课后作业及讨论区的活跃度的数据统计）。

（二）“三阶+三化+三思”的异步SPOC混合式教学

混合式教学是借助信息网络技术将数字化在线教学与面授课堂教学相结合，突出“以学生为中心”的教学理念，充分发挥学生学习的主动性和创造性思维。三阶段即“渐进分段设定教学目标、教学设计、学教评价”，三模式化即“课程思政融入式、PBL教学互动式、线上线下混合式”，三反思即“过程性评价反思、同伴学习反思、团队合作反思”。SPOC（Small Private Online Course，小规模限制性在线课程）的线上学习，分为同步SPOC、异步SPOC和独立SPOC，其中异步SPOC在因材施教方面具有明显的优势，因此，异步SPOC形式开展线上线下混合式教学的相关研究也不断呈现[1-2]。本课程根据OBE教育模式，课堂采用借助长江雨课堂和PBL相结合的直播教学，“三阶+三化+三思”的异步SPOC混合式教学模式主要由首课教学设计、课前预习、课中学习和课后复习几部分构成。

首课的教学设计：在开课前一周学生分组（4～5人/组），提交团队信息（组名/组员长/组员名单/学习口号）;个人介绍（相片/个人生源地/兴趣爱好/对课程的期待），教学设计中明确课程学习目标，通过案例教学、场景模拟、游戏观摩将课程价值引领与BOPPPS、PBL和OBE等教学方法融入课堂。

课前环节：教师通过长江雨课堂发送课前预习任务单。学生课前完成慕课、课前测试、阅读拓展资料，针对预习提出难点和疑问。通过生产案例、新闻、专题等阅读将价值引领融于其中。优学院平台记录学生在线预习数据及时掌握学生对新知识预习难点掌握深浅度、微信群和组长沟通课前任务安排和课中学生回答问题准备情况。

课中环节：利用长江雨课堂直播和互动功能，课中前5min学生发送投稿或个人分享，总结上节课重难点或个人预习、课中教师教授和课中测试等环节促进学生学习反思。教师课堂采用BOPPPS、启发式教学、案例教学法、PBL、小组讨论等教学方法，鼓励学生参与课堂互动、分享或针对新闻时事发表个人见解。课堂教学关注工程伦理、人文思维、人文知识、人文能力等培养，知识传授由课前的低阶转向课中的高阶层次，课堂充分调动学生学习热情，提高学生综合能力、深度学习能力、激发学生学习兴趣。

课后环节：布置课后作业、思考题和完成优学院平台的单元测试，精准记录学生课后学习数据。通过优学院讨论区发布主题讨论，师生共同参与进行交流，讨论帖是在理解章节知识点基础上结合工程伦理、生态文明等价值引领方面设计的开放性话题。针对课堂讨论、课后测试以及案例教学中未能掌握解决的问题，学生课后与小组成员及教师共同讨论研究，知识和能力提升逐步转向高阶层面。

PBL小组学习形式，学生以问题式创建项目组织框架，对分离纯化设备参数设定等工程问题进行分析，在问题制定中确定项目目标与方法，在项目过程中不断发现问题并解决问题，跨学科的新旧知识迭代推动学生专业知识体系梳理，最终形成期末项目报告和小组汇报。教学目标由初级认知转向设计、实施和评价产品分离纯化设计的合理性和可行性。PBL小组合作“任务驱动型”自学、课中“学习反馈分享”和课后总结反思;期末小组答辩的自评互评、同伴学习、反思报告等环节，形成学习态度、学习能力和学习效果等过程性和综合性评价模式。

（四）过程性评价与总结性评价相结合

以目标多元、注重过程为原则，从单一性评价转变为多元化评价，提高形成性评价项目类别及分数、期末小组汇报、期末考试综合题的高阶性，体现课程的挑战度。课程考核是期末闭卷（40%）和平时成绩（60%）。平时成绩中体现专业知识与能力素质考核为重点，兼顾岗位技能、团队精神、职业素质等多方面的细化。将学习态度、学习能力和学习效果评定一部分交付学生自评和互评，并建立对教师或者其他同学的评价反馈机制，形成学习态度、学习能力和学习效果的综合评价模式。

四、生物工程下游技术课程教改成效

《生物工程下游技术》课程以MOOC慕课本地化重构，搭建了异步SPOC在线教学平台，学生通过手机APP完成线上学习，案例工具模式容易复制、辐射覆盖面广，该案例获得2021年广东省本科高校在线开放课程优秀案例一等奖。课程教改中重视教学内容的迭代更新和教学目标阶段性建设，课程自2014年后获得省级教改立项3项、校级教改3项，课程获2019年校级教学成果一等奖，同时也得到省内兄弟院校同行专家给予书面的高度评价。

在对2017级、2018级生物工程专业教改建设的问卷调查和师生访谈中证明，90%以上学生认同成效显著，学生教学评价逐年递增。教师团队连续5年获“教学优秀奖”“教学质量评估奖”，多人次获省级、市级和校级教学奖励。2018—2020年学生发表论文104篇，参与省级以上科技、文化竞赛获奖94项。学生分析解决问题、批判性学习和团队协作能力提高明显，进一步培养了学生工匠精神、爱国情怀和社会服务责任与担当。

“生物工程下游技术”课程坚持“以人为本、德育为先、能力为重、全面发展”的原则，注重对学生的基本素养、专业知识和技能训练，注重基本科研素质和创新实践能力的培养。课程教学目标明确，教学内容系统全面，教学资源丰富多样，重学习过程的参与性和交互性，注重形成性评价和过程性评价相结合。基于“互联网+”的生物工程下游技术课程异步SPOC教学实现了课前—课中—课后各教学环节在时间和空间分配的转变，在知识传授、能力培养、人格养成和价值引领都起到了较好的效果，该教学模式值得推广和借鉴。

参考文献：

[1]朱方霞.基于MOOC的概率论与数理统计异步SPOC教学模式研究——以滁州学院为例[J].菏泽学院学报，2021，43（05）：105-109.

[2]张烈平，梁勇，张声岚，等.异步SPOC和雨课堂的数字电子技术课程混合式教学模式研究与实践[J].高教学刊，2021，7（16）：92-95.

基金项目：2021年佛山科学技术学院质量工程项目;2021年佛山科学技术学院课程思政建设改革项目;2020年佛山科学技术学院课程思政项目;2019年广东省本科高校高等教育教学改革项目;2019年教育部高教司产学合作协同育人项目（项目编号：201902051013）;2018年佛山科学技术学院质量工程项目

作者简介：廖洁丹（1979— ），女，汉族，广东潮州人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：兽医微生物学与免疫学、兽药残留检测。