應用反向課程矩陣設計法進行“電類實驗室安全教育”課程建設

鄧春花，尹 仕，徐慧平，肖 波，胡 瑋

（華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

在教育部推行“新工科”建設和“雙創(chuàng)”教育模式的大背景下，高校實驗室逐漸成為學生學習活動的主陣地，越來越多的本科生在課后走進實驗室開展研究與實踐活動。實驗室大門完全向本科生敞開，給安全管理工作帶來了很大挑戰(zhàn)，稍有不慎就可能發(fā)生安全事故，造成國家財產損失，甚至人員傷亡。實驗室安全是研究與實踐活動順利進行的基礎，必須建立完善的安全管理機制來保障實驗室的安全有序運行。

有專家學者總結了構成實驗室安全體系的3 大要素[1-3]，分別是安全管理、安全技術和安全教育。安全管理是指各類規(guī)章制度、國家法令法規(guī)等；安全技術是保障安全的技術手段，如帶有監(jiān)控或遠程操作等功能的智能化管理平臺[4]、系統(tǒng)的安全防護措施等；而安全教育是將前2 個要素付諸實現的必要途徑。安全教育的對象是進入實驗室的“人”，如果不能將規(guī)章制度或技術手段傳達到“人”，那么無論安全管理還是安全技術都將無從談起。因此，安全教育是安全管理體系的關鍵所在。

然而，目前很多高校實驗室安全教育環(huán)節(jié)依然薄弱，往往只是不定期舉行講座、宣傳活動或消防演習，未將實驗室安全教育納入課程體系形成常規(guī)培訓機制。安全教育的目標和知識結構不甚清晰，內容缺乏專業(yè)性、針對性、實用性[5-6]。為改變安全教育流于形式的現狀，我院開設了“電類實驗室安全教育”課程，并將其納入專業(yè)培養(yǎng)計劃，根據專業(yè)特點對教育目標、教育方式和評價指標進行總體規(guī)劃，構建系統(tǒng)化、常態(tài)化的實驗室安全培訓體系。本文將對“電類實驗室安全教育”課程建設的思路和具體實現方法進行介紹。

1 “電類實驗室安全教育”課程框架

實驗室安全主要涉及人身安全和設備安全，需要實驗室人員嚴格遵守各項管理制度，掌握與本專業(yè)相關的安全知識和安全技能，知道怎樣規(guī)范使用工具和操作儀器設備，并且具備一定的事故應急處理能力[7]?！半婎悓嶒炇野踩逃闭n程的教學內容主要從以上4 個方面展開，采用模塊化教學方式，課程內容框架如表1 所示[7-9]。

模塊1 的內容是讓學生認識和了解實驗室，知道實驗室的運行機制和管理制度，熟悉實驗室環(huán)境設施，學習實驗室行為規(guī)范。模塊2 的內容是電氣專業(yè)的安全知識，讓學生從原理上了解電氣事故的危害和發(fā)生原因，理解并掌握預防電氣事故的方法，了解電氣相關領域的行業(yè)規(guī)范和技術標準。模塊3 的內容是讓學生認識常用的電工工具，并掌握正確的操作方法，學習儀器設備的使用規(guī)范和安全操作規(guī)程。模塊4 的內容是觸電事故的應急處理，包括人體觸電后的臨床表現及判斷，觸電急救的原則、步驟和方法，并進行操作訓練。

表1 “電類實驗室安全教育”課程內容框架

從表1 可以看出，本課程涉及的知識面較廣，教學目標要求多樣化，包括通用準則理解、專業(yè)知識學習、操作技能訓練等，要保證教學質量，僅采用一種教學模式是不夠的，需要針對不同的任務要求和知識特點進行專門的教學設計，最大限度地激發(fā)學生學習的主動性。安全教育的目的不是“教”，不能認為將安全規(guī)范、技術手段等知識灌輸給學生就達到目的了，要讓學生切實認識到安全的重要性，主動學習，通過自我教育培養(yǎng)和形成安全習慣[10]。教師在教學過程中應該擔當組織者角色，根據教學目標設計相應的教學活動和評價方式，引導和督促學生自主學習。

本課程在進行教學設計時嘗試引入了反向課程矩陣設計法。該方法通過編制課程矩陣來進行各教學環(huán)節(jié)的設計，邏輯嚴謹，課程框架結構清晰、易于調整和修改，具有很好的可操作性。教學設計旨在將“以學生學習為中心”“以學習效果為中心”的原則貫徹到教學實踐中，通過目標驅動來調動學生學習的積極性和主動性，使學生變成教學活動的主體。

2 反向課程矩陣設計法的概念與具體實現

反向課程矩陣設計是課程矩陣和反向設計兩個概念的合稱。

2.1 課程矩陣

設計一門課程主要是解決學生“學什么”“怎么學”“學得怎么樣”的問題。美國的教育工作者經過長期的教學改革探索和實踐，總結出編制課程矩陣的方法，如表2 所示。

表2 課程矩陣示例

在表2 中，課程矩陣共有5 列，其中一般目標和具體目標對應了“學什么”，教師教法和學生學法對應“怎么學”，而反饋與評價則對應了“學得怎么樣”。這樣，設計一門課或一堂課的過程就變成了填表過程，只需在每一個空格里填入設計好的內容，就完成了課程設計，非常清晰明了。如果對其中某一個環(huán)節(jié)的設計不滿意，只需進行局部調整和修改，靈活性很強。同時，課程矩陣也是教學計劃書，全面展現了所有的教學安排和教學活動。

2.2 反向設計

反向設計（backward design）是從學習成果導向教育理念（OBE，outcomes-based education）衍生出來的課程設計方法。OBE 的中心思想是一切教育活動都應該圍繞學生在學習結束時能夠做到什么來組織，因此在進行教學設計時，首先要確定學生必須要做到什么，再考慮怎么檢驗學生是否做到，然后圍繞這個目標來設計教學活動，以確保所期望的學習效果能夠最終達成。這個過程與傳統(tǒng)的從課程本身出發(fā)進行教學設計的順序是相反的，因而稱之為反向設計。

2.3 反向課程矩陣設計法的實現

將課程矩陣與反向設計結合起來，就得到了反向課程矩陣設計法。在使用傳統(tǒng)方法設計課程矩陣時，一般是從左至右順序填寫表2 的內容，如果采用反向設計法，填寫順序將有所改變。首先，應確定學生在學習結束時能做到什么，即學習的具體目標，然后設計檢驗這個目標是否達成的評價方法，再設計學生的學法和教師的教法，最后再總結出課程的一般目標[11]，如表3 所示。

表3 反向課程矩陣設計法示例

在編制課程矩陣時，需要關注以下幾點：

（1）區(qū)分具體目標和一般目標。一般目標是對學習成果的一般性陳述，類似課程教學大綱里的教學目標，而具體目標是指學生能從事的具體活動，一個一般目標可能對應多個具體目標。在撰寫具體目標時，要使用可觀測、可檢驗的行為動詞，例如對于學生在學習結束后要掌握的知識或技能，需要使用一些行為動詞予以描述，例如“學生能夠列舉出影響電流對人體傷害程度的因素”“學生能夠制定某個設備的操作規(guī)程”，其中“列舉”和“制定”就是行為動詞。在選擇行為動詞時，可參考布魯姆教育目標分類學（Bloom's taxonomy of educational objectives）中所列舉的6 類行為動詞（Bloom's verbs）。

（2）區(qū)分學法和教法，以學法為主。在進行課程設計時，要讓學生變成課堂的主體，要給他們安排形式多樣的活動，使他們在活動中掌握知識和能力，做到“三會”——會說、會做、會教。在確定了“學法”后再來設計對應的“教法”，教法的關鍵不是“教”，而是給學生提供“腳手架”，幫助他們解決學習中遇到的困難，對于學生能自學的內容就無需教了。

（3）具體目標、評價、學法和教法4 者要對應。評價方式和內容要為具體目標的達成提供證據，而教學活動則要為目標達成提供支撐。例如，某堂課的具體目標是“學生能夠進行單人徒手心肺復蘇操作”，那么對應的評價方式應該是“學生要進行至少一個周期的心肺復蘇操作，流程正確且動作規(guī)范”，教學活動可以相應設置為“學生利用模擬人進行心肺復蘇操作練習”。如果教學活動只是“教師講授心肺復蘇的操作方法”或者“學生觀看心肺復蘇的操作視頻”，則無法保證具體目標的達成。

3 “電類實驗室安全教育”課程矩陣的編制

以下介紹應用反向課程矩陣設計法進行“電類實驗室安全教育”課程建設的思路。由于篇幅所限，將詳細說明表1 中模塊1（電類實驗室使用規(guī)范）的課程矩陣編制過程，對于其他模塊的教學活動與安排僅作簡要介紹。

3.1 模塊1 的課程矩陣編制

按照表3 中的步驟完成模塊1 的課程矩陣編制。

3.1.1 步驟1：確定具體目標

首先應確定希望學生通過模塊1 的學習，了解、掌握哪些方面的電類實驗室使用規(guī)范，以及了解、掌握的程度，并由此確定以下4 個具體目標。

具體目標1：學生能夠闡釋“電氣與電子工程學院實驗教學中心準入制”的內容和實施的必要性。

具體目標2：學生能根據各實驗室的電氣布置示意圖，確認實驗設備的電源配置情況，定位實驗室及實驗大樓的緊急出口和消防通道位置，辨識各種消防設施并解釋其功能和使用方法。

具體目標 3：學生能夠發(fā)現實驗室存在的安全隱患。

具體目標4：學生能從實驗室使用人的角度編寫“電氣與電子工程學院實驗教學中心實驗室安全使用手冊”。

在描述上述具體目標時，使用了“闡釋”“確認”“定位”“辨識”“發(fā)現”和“編寫”等行為動詞，讓學生知道具體要做什么，也讓教師清楚如何觀測學生的學習效果。在編寫傳統(tǒng)教學大綱時，教學目標的一般寫法是“熟悉XXX”“熟練掌握XXX”“了解XXX”，但要做到什么程度才是“熟悉”“熟練掌握”或“了解”，在學生的頭腦中是模糊的，他們需要得到更清晰和明確的任務要求，這是目標驅動的關鍵所在。使用行為動詞描述學習目標，是課程矩陣區(qū)別于傳統(tǒng)教學大綱的一個重要特征。

3.1.2 步驟2：設計評價方式

評價方式要對應具體目標，針對4 個具體目標中的前3 個，要求學生在課堂上進行匯報，而第4 個目標，則要求學生進行口頭匯報和書面表達。評價的標準可以用評價量表（rubric）列出，評價量表的第一列是評價的維度，即考查內容，每個維度又包括若干個因子，而每個因子可以按照目標達成度分為3 個等級。教師可以將學生的實際表現與表格中的評價標準進行對照，對學生作出評價。表4 是評價學生課堂匯報情況的評價量表，表5 是評價學生文檔（“電氣與電子工程學院實驗教學中心實驗室安全使用手冊”）編寫情況的評價量表。

表4 “電類實驗室使用規(guī)范”課堂匯報評價量表

表5 “電類實驗室使用規(guī)范”文檔編寫評價量表

運用評價量表的評價方式屬于形成性評價（formative assessment），是在教學過程中作出的評價，主要目的不是對學生的學習效果進行終極判定，而是通過評價量表告訴學生學習的目標和標準，使學生能更準確地抓住主題，圍繞主題開展自主學習。同時，教師和學生都能獲得學習效果的反饋，教師能根據反饋結果適時調整教學計劃、改進教學方法，而學生也能根據反饋結果來改進學習[12-13]。評價量表一般在布置預習任務或安排教學活動時就發(fā)給學生，讓學生預先了解，起到引導和督促的作用。

3.1.3 步驟3：設計學生學法

設計學習方法的關鍵在于激發(fā)學生的學習動機和情緒，使之能更持久、更主動地學習。腦科學與神經科學、認知科學與認知心理學、學習科學與學習心理學等領域的研究成果顯示，內容的有用性、學習的真實性、任務的挑戰(zhàn)性、環(huán)境的社會性和過程的互動性等，都能有效地促進學生主動學習[14-15]，是積極學習方法的要點?；谶@5 大要點設計的學生學法有：帶著問題進行課前閱讀；查閱國內外高校、研究機構實驗室的管理制度作為參考；到實驗室現場考察；詢問實驗室管理人員；小組討論等，學生可根據具體目標選擇其中一種或多種方法。

3.1.4 步驟4：設計教師教法

教師教法要跟學生學法相對應。設計教法時主要考慮學生在學習時會遇到什么困難，需要什么幫助，有針對性地設計適當的教學方法幫助學生有效學習，為學生搭建自主學習的“腳手架”，幫助他們完成學習目標。針對步驟3 里已經確定的學習方法設計的教學方法有：給學生提供學習資料、布置預習思考題、課堂組織學生開展小組討論、回答學生的單獨提問、針對共性問題進行集中講授、評價學生課堂匯報內容和表現等。

3.1.5 步驟5：總結一般目標

模塊1 的教學目標是讓學生理解實驗室管理制度的實際意義，能夠跟實驗室的具體行為聯(lián)系起來，最終形成學生自己的安全小貼士，即實驗室安全使用手冊?？偨Y成一般目標可以簡短表述為：學習實驗室的安全使用規(guī)范。這個目標將通過3.1.1 所述的4 個具體目標來實現。

將以上內容一一對應填寫進表格3 中，就得到了“電類實驗室安全教育”模塊1 的課程矩陣，如表6所示。該矩陣清晰展示了所有的教學活動和具體安排，對于教學如何開展，學生和教師都能一目了然。

表6 “電類實驗室安全教育”模塊1 課程矩陣

3.2 其他模塊的教學活動設計

其他3 個模塊的課程矩陣設計同樣可按照3.1 所述的5 個步驟進行，此不詳述，只對部分內容簡述如下。

在模塊2 的教學中采用了案例教學法。例如：在講解觸電原因和觸電形式時，讓學生分成小組去搜集觸電事故的案例，并要求他們對案例中的觸電原因進行詳細分析，說明觸電形式及影響觸電傷害大小的因素；在講解電擊防護措施時，要求學生查找生活或生產中常用的防護措施，解釋其工作原理和適用范圍，如果用到特定的防護裝置，則要進一步查找實物圖片，并詳細說明其重要參數的含義和安裝、使用方法；在講解觸電事故的應急處理時，采取情景演示方式，讓學生設置場景和角色表演不同情境下發(fā)生觸電事故時，如何幫助觸電者脫離電源和開展后續(xù)救護工作。為避免學生泛泛而談，抓不住重點，同樣需要設計對應的評價量表來進行必要的引導。

在模塊3 講解電工工具的正確使用時，強調在使用不熟悉的工具前一定要詳細了解該工具的使用方法和注意事項，不能存有試試看或用了再說的心理，特別是在使用電烙鐵、熱風槍和電鉆等危險系數高的工具時尤其要注意。還可將一些常用電工工具的使用方法制作成小視頻，供學生在使用前查看。在講解如何選擇或正確使用元器件、儀器儀表時，讓學生注意其額定參數或測量量程，學習查看產品數據、使用手冊和撰寫操作規(guī)程。強調不論工具還是設備，在使用前都要注意檢查其外觀和性能，不能使用絕緣層老化或破損的設備。為了讓學生熟悉實驗操作規(guī)程，設計了一個流程表，通過一個小實驗來引導學生按順序完成從接到實驗任務到完成實驗任務、離開實驗室的全部步驟，包括分析電路、選擇器件、核算參數、檢查設備、連接電路、測量數據、拆除電路和整理實驗臺等。在學生實操過程中，教師和助教通過巡視對學生的操作情況進行評價，也對不規(guī)范的操作行為給予提醒。

模塊4 的學習內容是心肺復蘇術，要求學生能進行至少一個周期的心肺復蘇操作，且符合最新AHA（美國心臟學會）心肺復蘇和心血管急救指南規(guī)定的操作標準。請校醫(yī)院醫(yī)生到課堂上給學生做操作示范和分解動作講解，并將AHA 標準轉換成評價量表，讓學生兩人一組利用全自動心肺復蘇模擬人進行操作練習，在操作過程中相互評價和糾錯。最后由校醫(yī)院醫(yī)生考核，成績不達標者要重考，直到達標為止。

4 結語

通過將安全教育課程納入本科生教學培養(yǎng)體系，使實驗室安全培訓趨于系統(tǒng)化、常態(tài)化，以此來加強學生對安全問題的重視，形成安全意識和安全習慣，提高安全操作技能，保障研究與實踐活動的順利開展和實驗室的安全有序運行。

“電類實驗室安全教育”課程采用模塊化的教學方式，應用反向課程矩陣設計法進行課程建設，通過編制課程矩陣對每個模塊的教學目標、教學方法和評價方式進行針對性設計，使課程脈絡更清晰，使學生的學習方向更明確、學習的積極性和主動性更強。

本課程從2017 年開始對大一年級新生開設，經過連續(xù)不斷的迭代設計，課程內容和教學組織日趨完善，教學效果初顯，受過系統(tǒng)安全教育的2017 級和2018級學生的安全意識整體高于高年級學生。但因為大一年級新生的專業(yè)知識水平較低，能夠理解和掌握的專業(yè)安全知識與操作技能有限，后續(xù)還要根據學生不斷上升的知識層級和特殊需求開展持續(xù)教育。計劃建設安全教育在線MOOC 課程，編寫涵蓋通識和專業(yè)安全知識的教材，再結合反向課程矩陣設計不斷提升本專業(yè)學生的安全知識和安全技術。