環境工程微生物實驗的自主研究性、開放式教學模式改革實踐

何秋香　崔喜勤　鄭耀通

［摘要］ 依據開放式、研究性教學和學習理念設計了一套環境工程微生物實驗教學內容，即將基本技能訓練、自主選擇實驗項目的設計與實施等各個環節有機地融合在一起，成功構建了一個實驗教學的“開放式、研究性教學和學習”平臺。通過這個平臺，在綜合學科知識及實驗技能、培養學生科研素質、激發學生創新思維等方面效果顯著。

［關鍵詞］ 環境微生物；自主研究性；實驗教學；開放式；教學改革

［中圖分類號］ G642 ［文獻標志碼］ A

［文章編號］ 1008-2549(2016) 11-0075-03

環境工程微生物學實驗對于鞏固理論知識、培養學生運用微生物的技術分析、解決環境問題能力非常重要[1，2]，然而傳統環境微生物學“驗證性”的實驗內容及“程式化”的教學方法，卻極大地抑制了學生的學習興趣和自主創新能力，也無法使學生真正了解實驗的意義及微生物在污染控制中的作用[3]。改革環境工程微生物學的實驗內容，構建新的教學模式已成為環境工程微生物實驗教學改革的首要目標[4]。近年來，我們在環境工程微生物學實驗教學中進行了一系列自主研究性、開放式實驗教學改革方面的有益探索。

一環境工程微生物實驗教學內容與教學方法的現狀

原先我校環境工程微生物學實驗也是采用傳統的實驗教學模式，即課前教師先準備好實驗材料與實驗器材，課中學生按照設定的內容和程序驗證實驗結果，課后再提交實驗報告的模式。這種教學模式將學生局限在有限的時間、空間和知識框架內，使學生過多地關注實驗結果，而不重視實驗過程，難以發揮學生的實驗積極性和主動性。學生雖然也能掌握一定的微生物操作技能，但缺乏對環境工程微生物學理論和技術的融會貫通，缺乏獨立分析與解決問題的能力[5-6]。我校環境科學與工程專業是福建省重點專業，“環境工程微生物學”和“環境生物技術”是該專業兩門重要的專業必修課，配套的環境工程微生物實驗課程能讓學生更好的將理論與實踐相結合，并為適應工作崗位提供保證。我們原先的實驗內容并未突出環境工程與科學應用型人才培養的要求，大多是基礎性實驗和少量的綜合性實驗，且在教學方法上也是采用傳統的微生物實驗教學方法。這種現狀與素質教育的要求格格不入，改革勢在必行，只有改革現有的環境工程微生物實驗教學內容、創新實驗教學方法才能使環境工程微生物實驗的教學質量真正得到提高。二環境工程微生物學實驗教學內容的自主研究性改革自主研究性學習是指在教師指導下，學生自主選題進行研究，并在研究過程中主動地獲取知識、應用知識、解決問題的一種學習活動[7]。實施自主研究性教學改革，既要重新認識教師與學生關系及其教學方式，又要改革教學制度和管理方式[8]。因此，我們在總結實驗教學經驗的基礎上，從實驗教學內容的創新、教學方法和手段的改革等方面，就如何建立科學的、體現專業特色的環境工程微生物學新的實驗教學體系，引導學生發揮主動性和創造性等方面進行了一些探索和嘗試。

（一）環境工程微生物學實驗自主研究性教學模式的組織與實施

1總體設計框架

我們的環境工程微生物實驗課開在三年級上學期，共36學時。為充分調動和激發學生的學習積極性和主動性，我們從2013年開始進行了自主研究性實驗教學模式改革的實踐。首先將實驗內容調整為二個層次即規定內容與自主選擇內容，第一個層次由5次實驗和一次期末操作考核組成，占總成績的50%（其中實驗與考核各占60%和40%）。學生通過完成2個一體化的實驗鏈掌握微生物實驗基本原理、方法和技能，并為開展第二個層次的實驗打下基礎。這2個實驗鏈分別以顯微鏡操作與無菌操作為主線，前者是環境中微生物的檢驗技術，由油鏡使用、微生物簡單與復合染色、形態觀察、直接計數與大小測定等知識點，2個完整的實驗組成；后者則將玻璃器皿包扎與滅菌、培養基配制與滅菌、無菌操作、微生物接種與培養、菌落形態描述等整合為第二個實驗鏈。通過這兩個實驗鏈的完成著重使學生建立無菌概念，強化對微生物的感性認識，掌握微生物研究的基本操作技術。第二個層次是自主設計研究性實驗，讓學生結合各自的興趣，設計一個與環境微生物學有關的實驗方案并完成實驗方案，寫出小論文，這部分內容也占總成績的50%。通過自主研究性實驗的完成使學生獨立創新能力得到提高，為今后從事生產活動與科學研究打下基礎。

2自主研究性實驗內容框架與組成

引導學生根據個人興趣自主選擇實驗內容，但為了避免自主選題的盲目性，我們根據環境工程微生物的現狀及發展趨勢，設置了三個模塊供學生參考：即不同環境中微生物的檢測與分析、功能性微生物的分離和篩選、如何資源化處理廢棄物培養微生物。在微生物檢測模塊，讓學生檢測自己最關心、最感興趣的環境中微生物，諸如對校園不同地點自來水及不同品牌飲用水進行衛生微生物學檢測和評價；對不同宿舍、教室、功能區、食堂與超市、圖書館等不同生活場所空氣中的微生物進行監測，并評價校園環境與微生物的關系；分析校外人口密集的公共場所如公共汽車、醫院、電影院、大型廣場等空氣中微生物存在狀況；不同類型有機廢水生物處理構筑物中的微生物群落構成調查及其與廢水處理效能的相關性分析等。第二個模塊是功能性微生物的分離和篩選實驗，涉及到如何從難降解有機物或重金屬污染的環境中采樣篩選與分離功能性微生物，并對其性能做出初步評價。可供選擇的項目包括：持久性有機污染物（多環芳烴、有機農藥等）降解菌的篩選及性能測定；典型重金屬污染微生物吸附劑的制備及應用；生物表面活性劑產生菌的篩選、制備及性能測試；生物絮凝劑產生菌的篩選及其絮凝條件優化等。而在廢棄物微生物資源化利用方面主要有：環境中纖維素分解菌的分離、純化與應用；利用發酵工業廢水如味精、酒精，食品工業如豆、乳制品廢水等資源化生產有機物或單細胞蛋白等。上述這三個模塊基本涵蓋了環境科學與工程領域的主要研究內容與熱點，作為自主研究性實驗教學內容改革的主要范圍。

3自主研究性實驗模式改革的實施過程與管理

自主研究性實驗教學通過采用學生自行查找資料、自選題目并設計實驗方案(包括研究方法、技術路線、進度安排)、自己準備材料和配制試劑、自己安排與動手實驗并解決實驗中出現的問題、最后提交規范的研究論文等教學過程[9]。為使學生有充足的時間準備與開展實驗研究，我們不僅安排了過半的學時用于自主研究性實驗項目的實施，而且在實驗課還沒有開始前就把實驗教學改革的總體思路告訴學生，并公布選題方向及注意點。要求學生在2周時間內，先以3~4名同學自由組合成一個實驗小組，選出小組長并確定實驗主要內容與題目，教師對匯總的項目進行審核并根據需要作適當調整，并要求小組長負責在3周時間內按規定格式提交科學規范的實驗項目計劃書，包括立項依據(目的和意義、國內外動態、主要參考文獻等)，提出研究方案(目標、主要內容、方法、技術路線、需要解決的關鍵問題、進度安排、預期結果等)，并列出經費預算。提交的計劃書由指導教師根據實驗方案的可行性和實驗室條件等提出補充與修改意見，學生進行修改并在2周時間內形成最終實驗方案。確保能在第 8 周開始自主研究性實驗。全程采用開放式教學，實驗室對學生全面開發，實驗室人員提供儀器、藥品，教會學生使用和維護基本儀器，并與指導教師、研究生助教一起共同負責實驗室安全和學生管理。學生以課題研究小組為單位，根據自己設計的實驗方案，合理安排實驗時間。在實施過程中，要求學生密切注意觀察實驗現象，及時記錄實驗數據，遇到不能解決的問題要及時與指導教師交流。所有實驗小組盡量在第 13~14 周內完成實驗研究，實驗結束后，要求按科學規范的格式分析實驗數據、評價實驗結果并得出結論，最后以小組為單位共享其實驗數據，但每人必須獨立完成實驗結果的分析及論文的撰寫。

（二）自主研究性實驗教學模式改革實施的保障條件

主要通過以下幾個措施確保實驗教學改革的順利實施并達到預期改革效果。

1采用多種教學手段強化基礎性實驗教學效果為實現加強基礎、強化能力、開拓創新性實驗能力的實驗教學改革目標，我們采取了3種教學方法提高基礎性實驗教學質量。首先是執行課前預習制，提前一周向學生預告下次實驗內容，要求學生撰寫預習報告并提交，再在上課時花5~10分鐘提問抽查并記入平時成績；其次是合理利用多媒體手段，使抽象教學概念形象化，使微觀世界宏觀化，將教學中很難表達的內容或能見度小的實驗形象生動直觀地顯現出來；第三是要求每位同學獨立完成實驗并現場評定單次實驗成績，避免出現個別同學在實驗中“袖手旁觀”，沒有積極參與實驗的現象。通過這3種教學措施確保學生能掌握微生物基礎實驗操作技能，并為下步的自主研究性實驗開展打下基礎。

2自主研究性實驗采用開放式教學模式

自主研究性實驗采用教學內容、手段和過程等均以“學生自主，教師為輔”的開放式教學方法。這種開放式主要體現在兩個方面：即學生自主選題并完成實驗，第二是全面開放實驗室。實驗室對學生實行全面開發，學生可隨時開展實驗，實驗員提供儀器、藥品，教會學生使用和維護儀器，學生根據自己的實驗合理安排時間。全面開放實驗室是實施自主研究性實驗教學的前提，于是我們建立了開放型環境工程微生物實驗室平臺，并在實驗室堅持值班制度（由指導教師、實驗員及研究生助教輪流值班），從人力、物力上保障學生的研究性實驗進行。

（三）開放式實驗教學必須重視的幾個問題

實驗室是實施素質教育、培養學生創新能力的重要基地，實驗室對學生開放，是教育改革的重要內容[10]。全面開放實驗室是實現自主研究性實驗教學改革的關鍵，但實驗室開放，給實驗室和實驗教學管理帶來了新的問題，不僅涉及到實驗人員的安排以及設備、場地、低值易耗品等方面的協調問題，而且還增大了實驗室的工作量、實驗材料消耗和儀器設備的磨損率[11]。因此，必須通過有效的措施充分調動實驗室人員和實驗教師參與實驗室開放的積極性，細化實驗室開放的相關制度，確保環境工程微生物實驗室開放的正常有效運轉。

1開放實驗室的安全管理

開放實驗室要制訂細化與更高要求的實驗室管理措施與崗位責任制。微生物類實驗室存在自身的特殊性，除了水、電及有毒、易燃易爆等化學試劑的安全管理外，還涉及到各種微生物，稍有疏忽，會導致人員感染或實驗室污染；各類滅菌設備是微生物實驗室最常用設備，使用率高且危險性大，需要按規定檢測，使用時必須有專人在場；微生物菌種要由專人保管，并建立嚴格的使用登記制度。安全是開放式實驗室需要特別重視的問題，需要把實驗室安全的教育納入日常工作，要經常對實驗人員及學生進行安全教育和安全技能訓練，確保實驗室日常工作、實驗教學安全進行。

2開放實驗室的實驗耗材管理

自主研究性實驗需要學生自行使用各類實驗材料，不僅材料種類繁多，而且在實驗室開放后，學生多、人員雜，學生進行實驗的時間也不統一等。因此，開放實驗室的實驗耗材、玻璃器皿的使用等也需要有明確的制度規范。有毒化學品的管理與使用嚴格依據學校的相關制度執行，常規的實驗藥品也要分類存放，專人管理，要求所有參與自主研究性的學生以小組為單位，專人負責取用實驗耗材，使用后要及時歸位。嚴禁學生未經允許使用其他同學準備的實驗材料如滅菌的玻璃器皿、培養基等，協調使用微生物生化培養箱特別是溫度的控制等。

(四）實驗教學成績考核

實驗教學考核是教學工作的重要組成部分，是檢驗實驗教學改革成效的一種手段[12]。以往環境工程微生物實驗考核內容與形式單一，考核的改革長期滯后，因此建立一套切實可行的實驗教學考核體系勢在必行。對于環境工程微生物實驗的考核，首先明確實驗考核內容包括：使用儀器觀察和研究微生物的技能；常用滅菌器械的使用方法和各種器皿的包扎、棉花塞的制作等技能技巧；采集、培養和處理實驗材料的技能；獨立進行觀察和實驗設計的能力等。其次是改革原有實驗教學考核以實驗報告為主要依據的模式，最終成績由兩部分組成：包括前期個人對于基礎實驗徒手操作考核，及后期每小組自主研究性實驗過程中的表現，以及所提供的由研究計劃書——中期匯報——1篇小論文為主體的綜合考核體系。學生的成績考核貫穿于整個實驗課的課前、課中及課后，特別重視自主研究、開發性實驗實施過程中對學生的考核，這就要求參與開放式實驗管理的實驗室人員、實驗教師、研究生助教要及時了解并記錄學生在實驗過程中的平時表現、操作能力與實驗態度，對表現特別優秀及協調管理水平高的小組長給予適當加分獎勵。三自主研究性、開放式實驗教學改革的效果

從近幾年的實驗教學改革效果看，自主研究性實驗是實驗教學改革、改變傳統教學模式、有效提高實驗教學質量、切實提升人才培養質量的重要舉措，是提高學生實驗技能、綜合素質和創新能力的有效途徑。基礎實驗中的人人“獨立操作”和自主研究性實驗小組人員的“分工明確”，有效地提高了實驗教學質量。通過自主研究性、開放式實驗教學改革的實施，學生對微生物學研究方法和實驗基本操作有了深刻的理解，對微生物學理論知識有了進一步印證，綜合素質得到了有效的提升。總之，研究性、開放式實驗的開展是應用技術型本科高校發展的必然趨勢，它能充分發揮學生學習的主動性、積極性，更能將學生的科研、創新能力淋漓盡致的激發，對于學生將來的工作能力提升起到重要的作用。參考文獻

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