生物工程专业实验教学微课堂探索实践

［摘要］本科实验教学作为提高生物工程专业学生实践能力、科研能力的有效手段，受到越来越多高校的重视，实验教学平台的建设已作为评估教学成果的重要指标。微课堂作为一种新的教学模式普遍用于理论课程的在线教学过程中。而微课堂对于协助实验教学课程也同样具有重要的作用。文章对微课堂与现场实验教学的匹配性、实验教学课程的设计与实施以及微课堂应用于实验教学过程中的成败因素进行了系统的分析，实验实践结果表明，微课堂对于提高实验教学效果、分担实验教师部分职能是有积极作用的。

［关键词］微课堂；生物工程；教学实验

生物工程专业作为一门实践性很强的工科专业，其对实验操作过程有较高的要求。实验操作的规范和标准关系到实验结果的准确和实验操作过程的安全。现代生物工程技术发展迅速，新的实验方法和仪器更新换代，这对实验仪器的标准化操作、实验结果的准确度和精度有了更高的要求。而且，生物工程实验教学课程中使用的都是高精密仪器，价格昂贵，如果没有专业的操作引领很容易损坏实验仪器，从而造成实验资源、时间成本的浪费。因此，实验操作前学习和掌握实验仪器设备的原理和使用方法是非常重要的。而微课堂作为一种新型的在线课堂教学模式正好可以发挥其在实验教学课堂中的理论教学功能。微课堂是一种在线课堂学习模式[1-2]，而在线课堂的便捷性使在校大学生可以方便地通过网络进行观看学习。把微课堂引入实验教学课程中能使学生提前了解本次实验课程的教学内容和相关实验仪器的操作原理和使用说明，从而使学生能够在进入实验室前了解实验课程的理论部分，将现场实验教学课堂完全交给实验实践环节，从而发挥实验教学课堂的最大效率。这种类似于翻转课堂[3-5]的实验教学模式对开展开放实验室教学模式也起到积极的作用。

一、微课堂的含义

“微课”概念最早由美国新墨西哥州圣胡安学院的高级教学设计师David.Penrose于2008年提出[6-7]。Pen⁃rose认为，微型的知识脉冲在相应的作业与讨论的支持下，能够与传统的长时间授课取得相同的效果。Penrose提出建设微课的五个步骤：将课程的核心概念构成微课堂的核心；写出一份15—30秒的介绍和总结，为核心概念提供上下文背景；用麦克风或网络摄像头录制以上内容，最终的节目长度为1—3分钟；设计能够指导学生阅读或探索的课后任务，帮助学生学习课程材料的内容；将教学视频与课程任务上传到课程管理系统。国外的微课教学实践以可汗学院[8]最为出名，可汗学院是由孟加拉裔美国人萨尔曼•可汗在2006年创立的一个非盈利性在线教育平台，包含数学、物理、化学、经济学、历史、生物、天文学、计算机科学等多学科的4000多个教学视频。可汗学院最大的特色和成功之处在于应用微视频和相应的一整套新型组织管理模式，改变传统课程教学体系，使之更适合于特殊的网络课程学习者，从而提高学习者的学习兴趣和学习效率。可汗学院为了适应学习的渐进性将微视频课程从易到难衔接，便于学习者理解和接受，并且还有相应的课后练习[9]。在国内，最早提出“微课”概念并进一步在中小学教学实践中进行推广的是广东省佛山市教育局胡铁生[10-11]，其将“微课”模式推广到中小学校教学实践中。他认为只有那些满足教师与学生需求，并且具有半结构化、动态生成的教学资源才具有活性，才能够提高微课资源的利用效率。微课堂的核心组成内容是课堂教学视频，同时还包括与该教学主题相关的教学设计、PPT课件、教学反思、练习测试和学生反馈、教师评估等环节。根据需要，不同的教学场景可以选择其中的某几个环节。它作为在线课程中的一种具有几点明显的特点。1.微课堂视频时间较短，视频的时长一般为10—15分钟，相对于“慕课”长达40—45分钟的在线课程来说，“微课”显得短小精干[12-13]，根据学生的认知特点和学习规律，在注意力集中的情况下，高效率的学习时长不应超过20分钟，所以微课堂正好符合这一学习特征，避免了长时间学习带来的身心疲劳。2.教学知识点少[14]。相对于传统的课堂教学形式，一节“微课”的知识点只有1—3个。知识点聚集，主题突出，这样更便于学生掌握课程的核心内容，使学生在学习过程中更有成就感。3.视频课程的资源容量小。时长短小的视频容量小，便于上传和下载到电子终端设备进行“碎片化”的学习。4.符合现代快速的学习特点[15]。信息的快速增长让学生习惯于快进的学习方式，“微课”教学模式正好适应于当代学生短时、快速的学习习惯。因为学生更喜欢把长篇的视频分隔成小视频进行学习，把信息进行碎片化管理便于记忆存储。

二、生物工程现场实验教学和微课堂的匹配性分析

生物工程实验教学作为实践性和操作性较强的课程具有相对于一般课堂教学更复杂的教学场景和认知环节。传统实验教学环节分为以下四个部分：1.教师对实验内容的讲解；2.实验仪器操作讲解和示范；3.现场观察和指导学生的实验操作过程；4.实验结果的评定和分析。可见，教师在实验过程中所承担的教学工作是很繁重的。针对教师少而学生多、实验过程操作复杂而学生准备不充分的矛盾，以及如何应对和分担现场实验教学过程中这几个部分的任务，提高课堂的利用效率是实验教师应该思考的问题。教师应该能够合理设计整个实验教学过程，并处理好理论时间和实践时间的分配。比如，在课前，需要调动学生课前认真预习的积极性，做到有的放矢，这样教师就不需要花很多时间详细讲解实验过程了。而“微课”正好可以调动学生学习的积极性，相对于书本上枯燥的文字和图片，教学视频中教师的亲自实践和详细的讲解更形象、更通俗易懂。第1部分和第2部分的教学环节可以通过微课堂让学生提前预习和掌握，而现场实验教学则完全可以实施第3个部分的任务。这样，教师只需要在现场实验教学中纠正学生的实验操作过程，而不需要长时间讲解实验过程。除此之外，微课堂也可以在现场实验过程中分担教师的某些指导任务，比如学生对某个环节的操作感到比较生疏时，在不需要咨询实验教师的情况下通过重复观看微课堂视频就可以弄明白。假如还不明白，可以现场求助教师。这既提高了实验操作过程的时间利用率，分担了教师的教学职能，也培养了学生主动学习和探索的习惯，使实验课程不再过度依赖教师的讲解和帮助，还能培养学生自发学习和思考问题的习惯。

三、微课堂生物工程实验教学的设计与实施

生物工程实验教学的设计和实施是微课堂视频课程融入实验教学课堂的最重要的环节。微课堂和现场教学可以相辅相成，取长补短。一个安排合理的实验教学设计对协调两者之间的关系是至关重要的。如上所说，好的微课堂可以承担第1、第2部分教学环节的任务，这样制作内容完整、重点突出的微课堂视频就很有必要。而将微课堂合理应用到实验教学过程中也是至关重要的，因为如何合理安排微课堂和现场实验教学关系到整个实验教学课程的成败。

（一）微课堂生物工程实验教学设计微课堂作为课前的导学资源类似于翻转课堂教学模式。基于微课堂的导学作用可以安排整个实验教学课堂按照“实验前学生通过微课视频自主预习（第1阶段）—实验中教师指导和纠正学生实验（实验过程再次重复观看微课视频中的某个操作环节）（第2阶段）—实验后的结果讨论和评定（第3阶段）的流程进行（见图1）。微课堂视频学习主要是完成实验教学流程中的第1阶段（实验前）的任务。视频内容主要包括：教师对整个实验课程内容的讲解和对涉及的实验仪器的使用说明这两个方面。首先，实验课程内容讲解应包括以下几方面的内容：实验原理、实验目标、实验操作流程和实验注意事项，可采用的多媒体手段为PPT和动画设计。其次，对实验过程中涉及的仪器设备的结构和使用操作说明可另外单独制作成一个微课，采用情景式的拍摄形式现场对仪器结构和操作过程进行讲解。学生可以实验前在线观看这两类微课堂视频，以及在实验中和实验后再次观看微课堂视频。

（二）微课堂生物工程实验教学的实施实验教学的实施是基于实验教学的设计进行的，它们是制定和执行的关系。通过教学设计我们可以先制作出微课堂视频素材，然后依据实验设计安排微课堂视频到应该使用的场景中。比如，流程图中的第1阶段（实验前）学生可以完全依靠视频课程自主进行学习。而后的实验中也可以通过反复观看微课堂视频学习实验操作中的细节。因此，匹配好微课堂教学和现场教学的时间顺序关系是很重要的。我们可以在实验过程的不同阶段设计和穿插微课堂教学（见图1）。1.实验前的微课堂实验教学前学生主要通过微课堂视频来学习掌握实验课程的全部内容，以及实验仪器的结构和工作过程。因此，在实验课程开始前几天，教师应将即将开始的实验课程的微课堂视频到网上供学生预习，时间延至实验课程结束后关闭，课程期间可以无限制地供学生反复观看学习。2.实验中的微课堂实验过程中的主要教学内容是现场实验操作环节，通过课前的在线学习，学生对整个实验内容和注意事项应该有所了解，那么现场实验教学就是实验操作过程。实验操作过程具有复杂性和不可控性，每个学生都会遇到不同的难题，比如，损坏器皿、弄错数据、操作失误等，这时候就不能完全依靠微课堂视频来解决，而是需要依靠经验丰富的实验教师协助解决了。但是，如果学生对实验过程中的某个操作环节不熟悉或者对仪器的使用不明白的时候，除了咨询实验教师，还可以临时求助微课堂视频，反复观看操作细节。3.实验后的微课堂实验完成后获得的实验数据和报告需在规定时间内上交给实验教师进行成绩评估，评定完成后的结果也应反馈给学生，学生根据成绩和反馈意见对实验过程复审，对某些有误的实验操作步骤和实验数据可以再次通过微课堂视频的学习进行自我评估和修改。通过最后的自我评估环节可以加深学生对整个实验过程的理解、引导学生积极思考和探索实验过程、帮助学生加强实验思维素养能力。通过合理的设计微课堂实验教学和严格执行教学进度安排，预期的微课堂教学的各项指标要优于传统实验教学的各项指标（见表1）。从表中我们可以了解到，由于微课堂视频分担了部分传统实验教学的工作量，使现场操作时间延长，真正发挥了实验教学课堂的实践教学功能。

四、微课堂在生物专业实验教学的成败因素

微课堂教学和现场教学不是独立的两个过程，而是相辅相成、取长补短的一个整体。所以线上的学习和线下的实践应该是相互配合、补充和强化的关系。微课堂和现场实验教学应该在内容、时间和功能地位上相互匹配。

（一）微课堂和现场实验教学内容的匹配性首先，好的微课堂应该和现场实验教学在内容上相匹配，两者不能在非重点内容上多次重复，可以适当在关键知识点上相互强化一下。比如微课堂视频讲解中的实验原理和实验目标、操作流程等内容就无须在现场实验中重复了，而实验的关键操作步骤和注意事项可以重复提醒以强化记忆。其次，在微课堂的制作中，应尽量在内容层次和顺序上和现场实验教学匹配，精确到每个步骤的先后顺序，便于学生的查找。最后，微课堂的讲解内容和书本内容既要保持严密性和一致性，也要突出重点和难点部分内容，引导学生积极深入思考，使学生能很快抓住实验操作过程的核心内容。

（二）微课堂和现场实验教学时间的匹配性微课堂和现场实验教学时间的匹配性是指微课堂视频出现在实验教学设计中的时间顺序。根据实验教学设计流程，我们了解到微课堂应该在流程中的第1阶段（实验前）出现，而后的实验阶段可以根据学生的个人需求碎片化重复观看学习。要注意的是，微课堂的时间不能太长也不能太短。太长了学生观看后会容易遗忘，太短了学生没有充足的时间进行预习。除了在线观看微课堂视频外，纸质的预习报告也是必不可少的，因为视频内容在大脑的保存时间是很短暂的，通过完成预习报告可以加深对实验内容的理解和记忆。

（三）微课堂和现场实验教学地位的匹配性微课堂和现场实验教学的地位及重要性没有孰优孰劣之分，它们各司其职扮演好自己的角色。首先，没有微课堂的学习就不能进行快速高效的实验操作过程。如果依靠传统的预习方式，学生只能从书面上大致了解实验过程而不能详细了解实验仪器的结构、操作原理和流程，而这些工作需要教师花费大量的时间在实验实践课堂上进行讲解。这不仅降低了学习效率还增加了教师的工作量。其次，没有现场实验教学指导环节就不可能解决现场实验环节遇到的突发情况，实验操作就只是纸上谈兵，甚至不能继续进行下去。因此，协调好微课堂教学和现场实验教学的关系可以发挥各自的优势，使实验教学效果达到最大化。

五、结语

目前，将微课堂作为辅助实验教学工具应用到实验教学环境中的案例还不多。随着生物工程实验建设的逐步发展，必定需要更严格和更标准的微课堂实验操作规范。本文首先引入了微课堂的定义，分析了其作为现场实验教学的辅助工具的功能特点，以及微课堂教学和现场实验教学两者之间的匹配性；其次，对微课堂的教学设计和实施提出了一些方法和建议；最后，对开展微课堂教学的成败因素进行了系统的分析，对微课堂实验教学的开展可能会遇到的问题进行了总结。本文是笔者在近十年生物工程本科实验教学工作的一些感悟，可为我国高校实验室的教学改革提供新的教学思路。

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作者：黄冠华 何环 邵菊芳 单位：中国矿业大学化工学院生物工程实验教学中心