基于“PBL+翻轉課堂”模式的《天然產物與功能食品》課程教學改革

宋洋波 王進英 張建華

(青海大學農牧學院, 西寧 810016)

進入21世紀,中國高校的 “雙一流”建設、新工科建設、金課程建設等都在不斷推進。如何培養適應時代發展需要的各類專業人才,是高校學科建設和課程建設的核心內容。2018年,教育部出臺了《關于加強農科教結合實施卓越農林人才教育培養計劃2.0的意見》,把提高人才培養的質量和整體素質以及為“三農”事業提供更好的服務作為主要的改革方向,將地方特色、工程教育專業認證理念與新工科理念相結合,注重教學理念、教學內容、教學方法的優化與變革,積極探索多元化的教學模式,使我國培養的農林科技人才能發揮更好的作用,得到更大的發展[1]。

隨著“健康中國2030”等國家重大戰略的實施,《天然產物與功能食品》課程作為以合成生物學為背景的食品專業新興學科,在食品科學與工程專業的本科教學過程中,需要突破以教師為主導的傳統教學模式,嘗試新的教學法,加強教與學的有效互動和反饋,從而提升學生的課堂學習效果[2-3]。問題驅使學習(Problem-Based Learning,PBL)與翻轉課堂(Flipped Classroom)結合的教學模式在高校課程教學中已被成功應用,我們參考已有的教學實踐案例[4-8],嘗試建立基于“PBL+翻轉課堂”的《天然產物與功能食品》課程教學模式,以期達到如下的教學效果:增進學生對天然產物產品“產業化”的理解,使本專業學生緊密聯系工程思維與課程學習預見專業前景;巧妙結合課程知識點與技術,通過提出問題、分析問題和解決問題的模式,培養學生專業領域的邏輯思維能力、技術應用能力與思辨能力;通過學科涉及的具體天然產物設置研究方向,讓學生通過收集、學習和處理信息來模擬體驗功能性食品的研發過程,圍繞具體目標材料與天然產物,利用已有知識基礎展開調研和策劃,結合食品行業的實際需求,最終獲得問題的解決方案。

1 傳統與新型教學模式的對比分析

傳統教學模式是以教師為中心,將課程內容按照“教師講授→學生接受”的流程進行教學,教師在授課過程中注重對知識的傳授,但忽視了對學生學習興趣的培養及自主學習能力的提高,因而導致學生的實踐能力較弱。此教學模式的特點是,教師講授的時間相對較長,課堂氣氛相對沉悶,學生對知識點的掌握很大程度上取決于教師講授知識的內容,雖注重“教”和“學”,但往往會忽略了學生對知識的掌握和應用[5]。采用傳統教學模式,對于食品科學與工程這類偏重實踐的學科難以達到理論與實踐相結合的教學效果,更不能讓學生今后能將課本知識在從事的專業工作中應用?？傊?傳統教學模式主要針對高校教學任務而設計,忽略了學生在課堂上的主體地位,由于缺乏學生對知識掌握程度的反饋,也導致教學過程中教師難以了解到學生對知識點的掌握情況。

新型教學模式“PBL+翻轉課堂”是讓學生根據自身發展需要進行個性化學習,并在課前利用網絡資源進行自主學習。此教學模式在激發學生自主學習能力和解決問題能力方面具有較大優勢,能有效培養學生主動思考、主動探索、主動實踐的興趣,能更好地培養學生獨立思考的能力和團隊合作精神[6]。 “PBL+翻轉課堂”教學模式將“教學-學習-實踐”緊密結合在一起,強調學習與實踐的緊密結合,強調對知識的掌握和應用。新型教學模式將知識傳授、能力培養和素質教育三者融為一體,對于提高學生的自主學習能力、分析問題與解決問題的能力、團隊合作精神以及創新創業能力具有明顯優勢。同時,此教學模式將“產業化”問題融入課堂,以解決企業急需技術問題為先導,結合課程內容為目標,課程方案設計為手段,充分利用教學資源及企業資源,有望為食品行業培養出貫通“產-學-研”的高素質復合型人才[7-8]

2 新型教學模式應用于課程教學的措施

2.1 優化教學模式,提高學生的學習積極性

我們在《天然產物與功能食品》課程教學中,采用“PBL+翻轉課堂”模式實施翻轉課堂教學。首先,教師需要設計與課程相關的問題(涉及食品化學和生物合成)作為導入環節,這些前沿科學技術問題具有綜合性和復雜性。其次,學生通過課前查閱資料或自主學習對問題進行歸納總結。在課堂上,學生匯報討論結果和解決方案,并與教師共同研討。與此同時,采用“一段視頻、一場報告及一篇綜述”的形式,引導學生自主學習,并通過小組討論、問題分析提升學生的自主學習能力。教學過程包括課前準備(PPT課件、網絡資源、閱讀和預習)、課堂學習(講解和討論、課后練習與反饋)和課后拓展,并充分利用客戶端學習軟件、虛擬仿真軟件、增強現實技術及互聯網平臺在不同階段傳遞知識和幫助學生內化。這種教學模式實現了“教學-學習-實踐”的良性互動,有助于學生綜合能力和實踐能力的提升。

在具體實施過程中需要注意以下幾個方面:(1)導入問題需簡單且貼近生活,否則會使學生失去解決問題的興趣;(2)以小組合作的方式,分配任務且調動成員的主動性和積極性;(3)對知識點內化的問題設計,以課程系統為基石;(4)合理分配課堂學習和各項任務實施的時間。

2.2 梳理知識體系,做到有的放矢

《天然產物與功能食品》課程內容涉及生物學、藥用植物學、生態學、生物合成的生源學、植物化學分類學、藥劑學、食品化學等相關專業知識,研究對象為各類生物(動物、植物、海洋生物及微生物)的次級代謝產物,具有微觀、抽象且復雜的特點。生物體二次代謝產物及內源生理活性物質的提取、分離以及結構、功能、生物合成、化學合成與修飾及其用途等,所涉及的知識脈絡多而復雜,學生在學習過程中面對如此厚重而繁瑣的課程內容,往往表現出學習動力不足,學習目的不明確,難以掌握知識點,檢測設備操作流程與實際應用相脫節等問題。

教師授課過程中涉及專業領域中的知識點、檢測設備、設備使用流程及相應的技術原理,由于專業性較強且非日常生活所接觸的事物,學生理解不透徹,很難做到靈活運用。在國家教育改革及新農科人才培養等政策的推動下,對于單一課程需全線整合,強調學生掌握單一課程完整知識,同時建立學科與學科之間、課程與課程之間的聯系與內容銜接,引導學生形成專業內課程的系統認識和承上啟下式學習方法,培養學生運用知識點進行聯動,以期畢業后可順利適應經濟有效的工業生產環境并能為生產上提供合理、可行的策略。因此,我們對《天然產物與功能食品》課程內容進行系統整理(圖1)。

圖1 系統整理后的《天然產物與功能食品》課程內容

2.3 融入“產-學-研”,培養學生的實踐能力

教學內容是決定教學效果的關鍵因素。以融入“產-學-研”的思維為導向,拓展基于“PBL+翻轉課堂”模式的教學內容,有利于學生探索功能性食品的市場定位,逐漸形成以研究成果轉化為目的的“工業化”思維習慣,逐步夯實專業課基礎,從而形成實用性人才的雛形。應根據企業與行業的需求,融合試驗流程與工業化生產工藝進行教學,有效地將課程內容與實際生產銜接,培養學生的創新意識及實踐能力。將課程知識點蘊藏于PBL設計案例中,加強理論與實踐的融會貫通,并結合翻轉課堂,引導學生以團隊形式完成自主學習。

課程內容向產業化、本地化拓展。青稞、枸杞、沙棘、冬蟲夏草等是青海地區特有的綠色生態農產品,可以結合當地食品與藥品企業的生產需求,進行天然產物資源利用及功能食品的研究與開發。將目標天然產物的提取、分離及鑒定技術與生產工藝相融合,使學生了解各項相關技術在產業化生產中的應用及需要解決的技術問題,以便在課程學習的過程中同時思考如何進行工藝優化及產業技術改進。以“用黑青稞麩皮提取花色苷”為例,學生通過課前查閱文獻資料了解黑青稞的食用及藥用價值,同時認識到黑青稞麩皮中的花色苷為具有抗氧化、抗衰老、抗癌、預防心血管疾病等多種藥理活性的重要功能性成分;繼而通過課程學習與小組協作設計花色苷的提取工藝(酸性乙醇浸提與pH示差法測定含量)、分離純化(花青素粗提液→樹脂預處理→花青素粗提液吸附→洗脫→收集洗脫液)與鑒定(HPLC技術),同時利用DPPH、ABTS自由基清除率及FRAP值確定黑青稞花色苷的抗氧化性。除此之外,還通過當地特色發酵食品——黑青稞甜醅的發酵工藝與產品的功能性,延伸了解到β-葡聚糖(降血糖、降血脂及防治糖尿病)、酚類(清除自由基和增強抗氧化能力)、黃酮(增強抗氧化能力)、膳食纖維(減肥)等其他功能性成分對人體的保健作用,最后根據各物質的特性完成黑青稞甜醅發酵工藝的優化。

2.4 建立多元化考核體系,注重綜合評價

傳統的考核方式主要以期中與期末考試成績為主,通過考核學生對理論知識的記憶程度來評定學生的成績。但《天然產物與功能食品》課程內容涉及到的知識點較多,單一考核方式不能全面地反映學生的學習效果,不能調動學生對知識獲取的主動性和積極性。

“PBL+翻轉課堂”教學模式將單一考試轉變為“論文+報告+視頻”的綜合能力考核,考核方式更全面,不但達到了重視教學過程的目的,也更符合課程教學改革的目標。課程考核內容主要包括課堂表現(30%)、參與度(40%)和平時成績(30%)3個部分。其中,由課堂報告呈現的課堂表現(15%)和參與度(20%)均能反映出學生對課程內容的掌握情況以及團隊協作能力;平時成績則由課后文獻收集和撰寫綜述2個部分組成。另外,拍攝實驗視頻的質量與內容更能展示學生的課堂表現(15%)與參與度(20%),進而體現個人平時對課程內容的學習與理解情況。通過課堂評價、學生自評及團隊互評等多元化評價方式,收集參與“PBL+翻轉課堂”教學的評價信息,使學生通過主觀與客觀2個方面了解自身是否具備專業知識的掌握和運用能力,并將課前、課堂及課后評價及時反饋給學生,讓他們更好地了解自己對課程內容掌握的動態情況。建立的多元化考核體系,可以客觀公正地體現學生對理論知識的理解與掌握情況,更深層地反映其對本門課內容的實際應用能力,從而彌補了單一考試評價模式的不足,因此可以充分調動起學生的學習積極性和增強自主學習的能力,促進培養目標的多重實現。

3 新型教學模式用于課程教學的成效

自2021年以來,隨著“PBL+翻轉課堂”教學模式在《天然產物與功能食品》課程教學應用過程中的不斷改進與深入,學生的學習自主性與團隊合作能力被充分調動,較好地培養了學生的科研創新能力,學生的選課率也逐年提升。通過貫通“產-學-研”的思維導向,拓展基于“PBL+翻轉課堂”模式的教學內容,顯著提升了課程理論教學的效果,主要表現在學生的上課出勤率始終較高,課堂提問人數增多,以及課程考核成績逐年提升。借助信息化與虛擬仿真等多種方式,實現了課堂內外的互補,建立了知識、能力及綜合素質同步提升的課程體系,使得課堂從學校延伸至產業。與課程教學改革前相比,改革后的《天然產物與功能食品》課程教學模式實施效果良好,2022年學生評課成績為97.8分,對此教學模式認可度較高,教學改革取得了如下所述的成效。

(1)激發了學生參與科學研究的熱情。在后續的專業課程教學中,師生之間亦形成良性互動,就專業知識、研究領域以及產業發展開展一系列討論,在《食品化學》《食品質量安全》《發酵工程原理》等課程的實驗及畢業設計階段,學生能夠得心應手地利用課內知識,完整設計實驗程序,完成實驗內容,進行科學研究,撰寫實驗報告及論文。

(2)增強了學生的專業基礎與學術素養,同時提高了學生對專業知識的研習能力。2019級學生在升學與復試中表現出良好的專業基礎素養,競爭力穩固加強,一些學生還順利進入江南大學、中國海洋大學、西北農林科技大學、瓦赫寧根大學等國內外高校繼續深造。2018級進入食品行業從事產品研發、生產管理、質檢與科研等工作的學生,企業反饋的評價良好,表現出眾。

(3)提升了學生的專業研發競賽實力。2019級、2020級學生積極參與校內外組織的各類科創項目和創新創業、“互聯網+”及虛擬仿真競賽,并在第七屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業全國總決賽斬獲銀獎,在第三屆全國食品專業工程實踐訓練綜合能力競賽中榮獲二等獎。

4 小結

“PBL+翻轉課堂”教學模式在《天然產物與功能食品》課程中的應用,能夠有效地激發學生的學習興趣,調動他們參與課堂教學實踐的積極性和主動性,提高學生自主學習和科研創新的能力。同時,引入翻轉課堂等教學模式也能更好地適應社會對復合型人才的需求。然而,在具體實施過程中仍存在一些問題,如教學大班人數過多時如何分組、如何提高學生的學習積極性以及如何設計符合課程特點的案例等,這些問題需要在教學過程中不斷總結和探索。首先教師應注重培養學生的團隊合作精神,加強師生之間的溝通和交流,激發學生的主觀能動性,促進他們主動學習和思考。同時,教師也要不斷更新教學內容和教學方法,改變傳統教學模式下教師主導而學生被動的情況?？傊?“PBL+翻轉課堂”教學模式作為一種新型的教學方式,在未來仍有很大的發展空間。高校應以培養創新型人才為目標,不斷探索新的教育方式和手段,完善教學模式和內容,才能真正實現培養具有創新精神、實踐能力和社會責任感的復合型人才的目標。