環境工程微生物學研究型實驗項目開發與實踐

孫　艷, 胡洪營, 陸　韻, 楊宏偉, 左劍惡

(清華大學 環境學院, 北京　100084)

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環境工程微生物學研究型實驗項目開發與實踐

孫艷, 胡洪營, 陸韻, 楊宏偉, 左劍惡

(清華大學 環境學院, 北京100084)

將分子生物學、基因組學和環境工程微生物學相結合,開發研究型實驗教學項目,有利于開闊學生視野、提高學生創新思維和科研能力。實踐表明,通過研究型實驗教學項目的開展和實施,學生不僅掌握了基礎的微生物學實驗研究方法和操作技能,而且掌握了分子生物學、基因組學在環境領域的應用技術,在實驗設計、方案實施、結果分析等方面也得到了全方位的培養和訓練。

環境工程微生物學； 研究型實驗項目； 科研素質

環境工程微生物學是環境科學與工程和生命科學的交叉學科[1],是環境工程、環境科學和給排水工程等專業本科生必修的專業基礎核心課程,其實驗教學是聯系理論和實踐的紐帶,是培養學生實驗技能、實驗思維、創新能力和科學素養的重要環節,具有極強的實踐性和應用性[2-5]。環境工程微生物學實驗教學涉及環境和生物兩個領域,要求學生在有限的學時內掌握專業的實驗技術、操作技能,并具備較強的實驗能力,實驗教學內容安排必須科學合理[6-7]。目前,實驗項目以基礎型和綜合型實驗項目為主導,學生主要學習和掌握微生物的觀察、培養、分離、保藏、復壯、滅菌、無菌操作等基本的微生物學實驗研究方法及環境微生物的應用技術等。隨著分子生物學、基因組學等相關技術不斷滲透到環境工程應用的各個領域[8],僅以基礎型、綜合型實驗項目為主導的實驗課程難以滿足學生的學習需求,也難以使學生熟練掌握現代生物技術在環境工程領域的理論知識和操作技術[9-11]。為了使學生掌握的實驗技能和工程應用保持同步,在基礎型和綜合型實驗項目的基礎上開設了研究型實驗項目,力圖實現學生在熟悉、精通常用微生物實驗基本操作的基礎上,了解、掌握現代生物技術在環境科學與工程領域的實際應用。

1　研究型實驗項目的開發

研究型實驗項目是在學生掌握環境工程微生物學基礎知識和基本實驗技能后開發的研究項目或自主提出的探索性研究課題,主要是訓練學生背景調研、方案設計、系統搭建、數據處理和結果表達等多個環節,開闊學生視野,強化分析問題、解決問題的能力[12]。要求學生在給定的時間內,完成從選題、文獻調研、方案設計、方案實施、結果分析、成果匯報與提交等所有環節的內容。其目的是激發和調動學生的實驗興趣和科研的積極主動性,培養學生獨立自主的科研能力。

2　研究型實驗項目的實踐

研究型實驗項目實施步驟如圖1所示。

圖1　研究型實驗項目實施步驟

2.1實驗方案設計

首先由理論教師指定專題范圍,提出設計原則和要求,并將實驗教學中心的儀器設備介紹給學生,學生需在現有的實驗條件下自主設計實驗方案。

方案設計以小組合作形式進行,采取自由組合分組,每小組4名學生,并選出1人作為組長。每組學生針對專題范圍選題后,根據已掌握的環境工程微生物學理論知識和實驗技術并結合文獻資料調研和現場調查進行實驗方案設計。

實驗方案設計期間,定期安排時間由指導教師和助教幫助學生解決疑難問題,修改實驗方案。同時,教師還會為學生提供方案設計范例,以供學生參考。實驗方案設計完畢后,設立一次討論課,每個實驗小組以答辯形式介紹設計方案的背景、目的、技術路線和方法及預期結果,由理論教師、實驗教師、同學提出問題和建議,對設計方案進行完善,確保實驗的可行性。

2.2實驗方案實施

實驗方案實施前,各小組組長根據實驗內容需求填寫申請表,提交實驗教學中心預約實驗儀器及材料,審核通過后,學生方可進行實驗。

實驗方案實施過程中,實驗教學中心環境工程微生物學實驗室全天開放,以滿足學生實驗要求。實驗教師負責實驗實施全過程的指導及實驗室安全和管理,并督促學生實驗后還原儀器設備、清理實驗室、檢查水電。實驗助教協助指導教師指導學生,并對實驗所用儀器設備進行操作說明,輔助實驗室安全管理工作,保障實驗教學順利進行。

實驗實施過程中涉及的實驗步驟、操作方法及注意事項、試劑的配置、實驗現象、實驗結果等,學生須做詳細的記錄,以便對實驗結果進行合理分析和科學解釋。實驗時間除了部分固定外,其他時間由學生自由掌握,充分尊重學生的要求,達到個性化培養的目的,鍛煉學生的時間管理能力。

實驗實施過程主要是培養學生協同合作、互助互利的團隊精神,培養學生發現、解決問題的科研能力和獨立創新的工作能力。

2.3實驗結果展示及評定

實驗結束后,要求學生撰寫實驗總結報告,內容包括實驗原理、實驗儀器和材料、實驗結果、分析與討論、結論5個部分。同時,實驗總結報告內容須制作成幻燈片,以小組為單位進行總結交流與答辯評定。實驗評定以評分形式進行,由教師、助教和各小組組長從實驗方案的設計、方案的可行性、實驗過程的執行及實驗結果、總結分析等多方面對各小組展示進行打分評價。

3　研究型實驗項目的成效

通過研究型實驗項目的實踐,學生不僅掌握了基礎的微生物學實驗研究方法和操作技能,而且掌握了分子生物學、基因組學在環境領域的應用技術,將單一的微生物學技術系統綜合化,使學生能夠有系統、有深度、有規劃地完成實驗內容,在實驗設計、方案實施、結果分析等方面得到了全方位的培養和訓練。

采用分組形式自主設計實驗方案,有助于學生明確職責、分工協作,形成凝聚力較強的團隊,也有助于保證實驗實施過程中的組織性和紀律性,培養學生的獨立實踐能力和綜合素質。

在基礎型和綜合型實驗的基礎上進行研究型實驗,這種階梯式的實驗課程設置模式使學生不僅掌握了基本的實驗技能,更重要的是激發和調動了實驗興趣和科研熱情,提高了科研素質與能力,增強了師生的溝通和理解。同時學生對環境工程微生物學應用也有了更深入的認識,取得了很好的教學效果。

4　結語

實驗教學是理論聯系實際的最好形式,也是培養學生動手能力、創新思維的重要手段[13]。以加強技能綜合性和科學探究先進性為原則,堅持教學改革和創新,不斷強化綜合型和研究型實驗實踐教學模式,逐步提升實驗教學質量,提高學生的實踐動手能力和創新能力。研究型實驗教學項目的開發與實踐為本科生構建了研究型的實驗教學平臺,為本科生科研素質的培養奠定了基礎,有助于引導和培養學生掌握和綜合運用所學知識解決當前所面臨的復雜環境問題的能力、良好的科研素質以及創新精神。

References)

[1] 胡超珍,張甲耀,陳蘭洲.環境微生物學自主設計性實驗教學探討[J].實驗技術與管理,2008,25(12):146-147.

[2] 李彬,王麗華,李宏.環境工程微生物教學中的設計性實驗[J].中國冶金教育,2011(4):50-51.

[3] 李曉艷.微生物設計性實驗教學中教師擔任角色的探索與實踐[J].沈陽師范大學學報:自然科學版,2015,33(1):121-124.

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[7] 肖谷清,王姣亮,謝丹,等.環境工程專業實驗課研究型教學探討[J].中國電力教育,2013(1):130-131.

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[12] 李小昱,王為,胡波.研究型實驗教學改革的探索與思考[J].實驗室研究與探索,2008,27(6):105-107.

[13] 朱秋華,王素芳,陳永富,等.自主設計實驗教學方法在《生物制藥實驗》中的實踐[J].高校實驗室工作研究,2011(3):3-6.

Developmentandpracticeofresearch-basedexperimentalprojectsinenvironmentalengineeringmicrobiology

SunYan,HuHongying,LuYun,YangHongwei,ZuoJiane

(SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Therelatedexperimentteachinghasstrongpracticalityandapplicability.Combiningmolecularbiology,genomicsandenvironmentalengineeringmicrobiologytodevelopresearch-basedexperimentteachingprojectisbeneficialtowidenstudents’viewandimprovestudents’innovativethinkingandscientificresearchability.Thepracticeinresearch-basedexperimentalteachingshowsthattheprojectcannotonlyhelpstudentsmasterthebasicresearchmethodsandskillsofmicrobiologyexperiment,butalsohelpthemmastertheapplicationtechnologiesofmolecularbiologyandgenomicsusedinenvironmentalfield.Thestudentshavereceivedafullrangeofcultivatingandtrainingfordesigningexperiment,implementingprojectandanalyzingresults.

environmentalengineeringmicrobiology;research-basedexperimentalproject;scientificresearchquality

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.055

2015-12-16

清華大學實驗室創新基金

孫艷(1977—),女,黑龍江牡丹江,博士,工程師,研究方向為環境工程微生物學.

E-mail：sun_yan@tsinghua.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)7-0217-03