农业生物质资源化工程课程交互混合式教学模式探索.pdf

2024 年 6 期农业教育智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture农业生物质资源化工程课程交互混合式教学模式探索张学婷1，夏晨曦1，陈萌萌1，李哲1，李文哲1，2，张全国1*，茹光明1（1.黄河科技学院 现代农业工程研究院，郑州 450000；2.东北农业大学，哈尔滨 150000）农业生物质资源化工程是学生了解与探究农业生物质循环利用技术的启蒙课程，更是培养学生解决实际生物质资源工程技术问题的能力和综合创新能力的专业主干课程，课程教学质量会直接影响学生是否能够将知识技能转化为实际工程实施应用的能力。“问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段”的新工科建设行动路线说明，无论是在“3060”双碳目标还是新工科背景下，寻求更适合学生学习与掌握的农业生物质资源化工程课程内容的教学模式与方法是紧迫且必要的1。1农业生物质资源化工程课程教学现状与思考农业生物质资源化工程课程主要是研究农业废弃生物质资源化技术与理论的一门综合应用型课程，从生物质定义出发到多种生物质资源转化技术（如利用生物质沼气发酵、生物质制氢、生物质气化燃料、生物质液化燃料、生物质燃料乙醇、生物柴油和生物质固体燃料等），这些转化技术涉及到生物方法、化学方法、物理方法，其对应的基础理论跳跃性大，从而导致课程教学过程链条存在“断点”。此外由于在利用这些方法的转化技术成熟度方面也存在较大差异，有些技术还处于起步期或发展期，整体技术产业仍处于实验室阶段或者中试规模，工程技术体系还不够完善；有些技术已经实现规模化、工程化、产业化。因有些技术仍处于实验室阶段或中试规模，受制于这一课程特点，在教学过程中教与学均存在一些难点。1.1课程基础理论跳跃性大尧章节之间缺乏连续性袁课堂教学连贯性差由于不同的生物质资源转化技术之间的知识结构内容均存在较大差异，这导致课程各个章节技术内容衔接不紧密，授课知识内容具有一定的跳跃性，基础理论存在“断档”问题，这在增加教学难度的同时也增加学生接收并掌握知识的难度。此外，课程内容受知识技术时效性的影响，导致教材中所研究的技术理论还处于生物质资源转化技术理论不完善、技术不成熟且相关资源产基金项目：2020 年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目（2020JGLX151）；2020 年黑龙江省“揭榜挂帅”科技攻关项目（2022ZXJ05C01）第一作者简介：张学婷（1996-），女，硕士，讲师。研究方向为废弃物资源化高值利用。*通信作者：张全国（1958-），男，博士，教授。研究方向为废弃物资源化高值利用。摘要：农业生物质资源化工程是以化学、微生物学、能源工程和机械设计等学科知识交织融合与渗透的综合应用型课程，课程围绕生物质高值化利用作展开。针对课程呈现出知识结构复杂、体量大、跨度广和理论知识晦涩难懂等特点，通过对课程及教学过程存在的问题进行分析，基于 OBE-CDIO 理念提出构建交互混合式教学模式对课程的教学内容及教学过程进行改进，满足当今社会快速发展的农业工程专业的人才需求。关键词：生物质资源化；交互混合教学；教学模式；成果导向；教学实践中图分类号院G642文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤06-0150-04Abstract:Agricultural biomass resource engineering is a comprehensive applied course based on chemistry,microbiology,energyengineering,mechanical design and other disciplines,which focuses on the high-value utilization of biomass as the research object.Considering the fact that the curriculum has the characteristics of complex knowledge structure,large volume,wide span andobscure theoretical knowledge,through the analysis of the problems existing in the curriculum and teaching process,and based onthe concept of OBE-CDIO,this paper proposes to construct an interactive hybrid teaching model to improve the teaching contentand teaching process of the course,so as to meet the talent needs of the rapidly developing agricultural engineering specialty intodays society.Keywords:biomass resource utilization;interactive mixed teaching;teaching model;achievement orientation;teaching practiceDOI：10.20028/j.zhnydk.2024.06.035150-2024 年 6 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture农业教育业发展不充分的阶段，且教材未能囊括应用于现代化、智慧化、工业化的前沿生物质资源转化技术，知识内容架构未完善规划，这导致学生所掌握相关技术知识难以满足目前生物质资源技术发展的需求。1.2教学内容繁多袁课堂教学效率有待提高农业生物质资源化工程课程内容共 10 章节，从基本定义到转化技术再到工程应用实例的讲述，意味着教师的教学任务难度大，学生对知识内容的消化理解难度大。目前教学过程中教师大多采用照本宣科、灌输式等以教师为课堂主体的传统教学理念与方式，这无法实现课程教学过程矛盾的化解。此外，课程内容作为学习活动的核心，必须对其进行精简提炼，有的放矢，突出重点，并通过合理得当的教学方式实现在有限课时内将课程内容传授于学生。1.3课程评价方式单一袁不利于课程内容反思改进课程采用传统的较为单一、单向的评价方式，但是这种考核带有明显的应试教育特点，缺乏过程考核、激励考核机制，不能及时跟踪反馈、真实有效评价学生的知识掌握情况，更忽略了对学生的工程思想及综合素质能力进行多元化、立体化的评价。此外课程考核作为教学过程中重要的一环，不仅是检查学生掌握知识或技能的重要手段，还是用于检验教师教学质量的反馈途径，考核评价体系的不完善不利于教师对课程内容进行及时改进。农业生物质资源化工程课程现有的课程教学模式难以满足培养具备全球视野、社会意识及工程设计思维、数字化思维、批判思维的高素质复合型资源工程技术人才的需求。因此如何通过农业生物质资源化工程课程提升学生多维度、多层次、多方面的思维意识，是需要在教学过程中思考的问题。2OBE-CDIO教育理念和混合式教学模式2.1OBE-CDIO 教育理念成果导向（Outcome-Based Education，OBE）教育的核心是以学生为中心的教育模式，将在学习过程中学生的主体表现及学习目标实现程度作为课程教育质量的重要考核指标，并将教学结果反哺课程教学活动2。构思-设计-实现-运作（Conceive-Design-Implement-Operate，CDIO）教育理念是以实际的项目工程案例驱动教学模式为基础，在整个教育设计过程中始终秉承以问题、目标为导向，使学生在工程案例的实践过程中不断累积经验智慧，构建工程体系知识，然后将获取的经验反作用于工程实践3。另外 CDIO 教育理念提出课程内容不仅局限于教材，而是将课程知识扩展到围绕项目实例展开丰富详实且系统化的工程项目技术内容，虽然 CDIO 教育理念在我国已经被研究近 20 年，其虽然已经渗入到各个高校专业人才培养的各个领域并且获得显著成效，但是作为舶来理念在教育过程中的本土化应用仍存在一些问题4。因此在课程教学过程中应用 CDIO 教育理念要紧密联系课程特性，并在理念实施过程进行详细设计并考虑实施效果的评价体系与相关细则的构建。2.2混合式教学模式混合式教学模式是将传统课堂面对面学习体验与在线学习体验进行优化组合，通过采用合理的时间分配、媒体技术、契合的学习资源与相关学习活动形式，提高学生在课程学习过程中的学习体验，实现教学效果优化5-6。在采用混合式模式教学时，教师从传统的教学模式中单一的知识传授者转变为教学活动的布局者与参与者，在教学过程中发挥好总体设计、引导的作用，使得学生在混合式教学模式中可相对灵活地选择适合自己的学习方式，增加主动学习与思考的机会，激发学生作为学习主体的内生动力。3基于OBE-CDIO教育理念的交互混合式教学模式构建以成果为导向的 OBE 理念和以能力培养为主线的CDIO 理念两者相辅相成，且与混合式教学模式在培养学生的目标上具有一致性，因此将 OBE-CDIO 教育理念与混合式教学模式进行有机融合，在以成果导向的基础上强调发挥培养卓越工程科技人才优势与混合式教学模式提高课堂效率的优势，但是在实际的课程教学过程中，如何实现理念与模式的有效融合，培养具备多学科交叉能力、自主学习能力、国际竞争力的综合型工程技术人才，需要对基于 OBE-CDIO 理念的交互混合式教学模式进行深入探讨。以农业工程专业核心课程农业生物质资源化工程课程为例，详细设计了交互混合式教学的总体思路与方案，如图 1 所示，将 OBE-CDIO 教学理念与混合式教学模式有机结合，融合 OBE-CDIO 的混合式课程教学体系设计主要由项目化课程教学内容、混合式教学、混合教学评价三大模块组成，且整个课程模块的实施均在智慧化、信息化的技术支撑下进行。由图 1 可知，课程教学体系架构是以智能信息化技术为依托，以模块化（生物、化学、物理转化技术）、层次化（起步、发展与成熟期技术）的教学内容为基础，通过采用混合式教学模式建立多段式（课前、课上、课后）教学过程，并制定多元化的评价考核体系。151-2024 年 6 期农业教育智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture4基于OBE-CDIO的交互混合式教学的实施举措4.1课程教学内容优化设计融合 OBE-CDIO 教育理念的课程是将实际的教学内容融入到实际工程项目中，并随着项目工程的不断推进，逐步提高学生所掌握的知识与技能。在开展课程教学活动之前，教师通过对课程内容知识的整合分析，根据转化技术所依照的基础理论的共性进行项目模块划分，整个课程的基础理论内容被划分为三大转化技术模块：淤生物转化模块包含沼气发酵、生物制氢及生物乙醇发酵；于化学转化模块包含生物质液化、生物质气化、生物柴油技术；盂物理转化模块则是生物质固体燃料。通过对教学内容的重新梳理与划分设计，最大程度上增加各教学单元内容之间的关联性及教学内容知识的连续性。此外整个课程内容不仅着手于理论知识的讲授，并按照各转化技术的具体工程实例进行项目工程实践教学、知识板块的内容架构，进而根据转化技术的理论研究发展与技术应用程度划分为起步、发展、成熟 3 个层次，在整个课程中根据技术的成熟度合理分配课程时长，突出课程重点内容。课程内容项目模块化与项目实践教学的层次化的课程内容设计实现了由理论到应用、简单到综合的递进关联性，通过不同层次、功能的项目设计实现学生在理论指导下完成项目任务，并在项目实践过程中构建综合的课程知识体系，从而实现学生理论知识运用能力及综合工程素养的不断提升。4.2课程教学方式基于 OBE-CDIO 教育理念指导课程前、课程中、课程后的活动设计，通过发布项目课题方式驱动教学过程的开展。课前准备阶段基于智慧信息化技术在课前通过提供高质量线上学习资源，发布课程教学导入微视频、相关项目案例及项目课题等任务驱动学生进行多途径自主学习，从而实现学生对新知识的预热以及在生物质资源转化技术方面自我知识体系构建。在课中内化阶段，挖掘多媒体教学潜力方面，通过多媒体教学的形象性、直观性、灵活性，把复杂问题简单化，并结合教具模型将课程内容凝练成深入浅出通俗易懂的语言，以提高课堂教学过程的有效传输；教师根据学生课前任务的完成情况及收到的课程内容问题反馈，开展有针对性的、突出课程重点的授课过程。此外为了进一步调动学生课堂的积极性与参与度，在课堂中穿插互动方式（问答接龙、知识竞赛、汇报 PK 和项目课题演讲展示等）实现师生互动、生生互动，尽可能在最大程度上实现将课堂“还”给学生，让学生作为课堂的“主角”，图 1融合 OBE-CDIO 理念的农业生物质资源化工程课程交互混合模式教学设计思路沼气发酵技术生物制氢技术生物乙醇发酵生物质固体燃料生物质液化生物柴油技术生物质气化生物转化技术物理转化技术化学转化技术基础实验操作实验室参观教学工程项目参观教学起步期技术项目发展期技术项目成熟期技术项目课前学习内容知识问题收集项目课题任务划分项目任务讲解项目汇报与评定课后作业任务书整理汇总课前学情分析项目任务导入课上项目任务运行与设计课后项目拓展与检测项目理论教学（知识共性划分子项目）项目实践教学（工程技术成熟度划分）随堂测试线下作业期末考核课前学习课内表现过程性评价结果性评价课程评价体系（多角度、多方面）课程教学模式（混合-多段式教学）融合OBE-CDIO教育理念农业生物质资源化工程课程课程教学内容（CDIO 理念项目化式）152-2024 年 6 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture农业教育实现学生对课程内容的深入理解，增强学生思考问题、解决问题的能力。课后通过信息交流技术展开阶段性测验帮助学生总结；并不断强化学生在完成线上测验、项目任务的过程中遇到问题沟通交流解决问题的能力，并通过课后项目相关文件（如课题项目开题、中期报告、项目总结等）的完善不断提升学生的综合工程素养。4.3多元化课程评价体系课程的教学要求更加注重在课程学习过程中培养学生解决实际问题的能力和创新能力，强调学生在学习过程中的表现，因此课程考核评价不仅要综合知识理论水平测试、课程作业、课堂表现和考勤等方面，还要包含教学过程中的阶段性检测及学生综合能力的评价。根据所采用的模块化、层次化、阶段式课程内容教学方式，整个课程采用以“模块化+阶段化考核”为核心的评价考核方式，形成“教师+学生”“过程+结课”与“线上+线下”的立体化评价方式（图 2）。“过程+结课”评价是将学生的学习过程与学习结果进行整体综合评价，在注重学生学习结果的同时将学习过程表现纳入课程的考核体系，从而形成较为完整的学习链条式课程评价。学生的课程考核成绩的评定包括学生评价（组间、组内评价）和教师评价（小组评价、个人评价）；“线上+线下”评价则是以“过程+考核”为考核设计依据，整个课程评价兼顾课程线上学习、小组汇报展示、分组讨论和期末考试等环节的表现，并对各个知识模块进行相对应的加权赋分，从而建立多个体、多方面、多层次的考核评价体系。此外课程的考核与课程进度紧密结合，对学生的考核覆盖整个课程授课过程，通过动态考核有助于教师及时了解学生的学习情况，发现教学环节中存在的不足，便于对教学方式进行及时调整，从而实现农业生物质资源化工程课程教学质量的不断提升。图 2多元化课程评价体系5结束语根据农业生物质资源化工程的课程特点，结合农业工程专业办学特色对农业生物质资源化工程课程教学过程中存在的问题进行分析，提出将 OBE-CDIO 教育理念有机融入农业生物质资源化工程课程中，分别从教学理念、课程教学内容、教学方法及多元考核方式等方面进行改革探索。在开展教学改革探索过程中取得良好的效果，学生除掌握了生物质资源转化生产方面的基础理论知识与技术外，又培养了学生应用知识解决实际工程问题的能力，这对于强化学生的实践能力、创新能力、综合素质具有重要意义。参考文献院1 林异凤，任家智，徐善智.新工科背景下双语教学课程实践探索以自动控制原理课程为例J.创新创业理论研究与实践，2022，5（3）：44-46.2 谢颖.基于成果导向教育理念的环境工程专业实验课程改革探究J.现代农业研究，2018（8）：141-142.3 孟俊焕.基于 CDIO 工程制图课程教学的改革与实践J.德州学院学报，2012，28（2）：102-106.4 李怀敏，陈秀明.新工科背景下基于 CDIO 的混合教学研究与应用以数据库原理与应用课程为例J.安顺学院学报，2022，24（4）：129-134.5 周蓉，沈维蕾.新工科背景下融合 CDIO-OBE 和翻转课堂的混合教学模式探索以合肥工业大学“设施规划与物流分析”课程为例J.物流技术，2022，41（2）：147-155.6 尹来武，李长城，徐淑杰，等.现代信息技术对高等农业院校教学与学习的影响以基于“QQ 课堂+超星学习通”混合式教学为例J.现代农业研究，2021，27（10）：42-43.课前线上资源学习课前线上基础测试课前线上活动参与小组项目任务成绩小组个人贡献成绩线下作业期末考核项目模块任务设计小组项目模块汇报知识随堂测验课前项目任务导入课内项目模块运行课程考核课后项目拓展评价课程考核检测153-