環境工程微生物學實驗開放式教學模式研究與應用

孫 艷, 胡洪營, 陸 韻, 楊宏偉, 徐 必, 任韻如

(清華大學 環境學院, 北京 100084)

實驗是學習科學的根本基礎,是研究科學的重要環節,是檢驗科學的有效方法,也是理論指導實踐的根本依據,在自然科學研究中占據重要地位[1-2]。實驗教學能夠幫助理解理論課程中較難理解和抽象的科學問題,有利于加深和鞏固理論知識學習,對于學生實踐能力、研究能力和創新能力等綜合素質訓練起到不可或缺的作用[3-5]。

環境工程微生物學是一門實踐性和應用性均較強的學科,實驗教學是其課程教學的重要組成部分[6-9]。基于培養應用型、研究型、復合型的優秀人才,促進學生知識、能力、素質的綜合發展,近3年,在環境工程微生物學實驗課程中開展了以“學生為主,教師為輔”的開放式實驗教學模式,目的是給予學生更加開闊的思維空間,激發學生主動思考,促進學生自主創新,使學生在自由探索和自主研究的實驗實踐環境中受到培養和歷練,成為實踐能力強、綜合素質高、專業能力精的高素質拔尖人才。

1 開放式實驗教學特征與優勢

開放式實驗教學與傳統的實驗教學相比,其最突出的特點就是自由、靈活、主動[10-11]。開放式實驗教學的宗旨是以學生為主體,要求培養人才應尊重學生個性化發展,使學生由被動轉變為主動,由封閉轉變為開放,承認差異、因材施教,體現了一種個性化、現代化、先進的實驗教學模式。

開放式實驗教學的開放性主要體現在學生的思維開放和實驗室的全面開放2個方面[12]。學生根據自己的興趣自主選題,查閱資料、設計和制訂實驗方案、驗證實驗的可行性、完成實驗并給出結論。實驗過程中涉及的實驗前準備、實驗中操作及實驗后分析均由學生自主完成。實驗室對學生實行全天開放,學生根據實驗內容合理可以利用課余時間開展實驗工作,學生實驗所用儀器、藥品及耗材由實驗室提供,實驗負責教師和助教須事先對學生進行藥品使用安全培訓,教會學生使用和維護儀器。

開放式實驗教學克服了傳統實驗教學的注入式、單一化、模式化等缺點,改進了實驗教學方式方法,在學生的創新意識、創新思維、實踐能力的培養和創新能力的形成等方面起到了促進和提高的作用,使每個學生的潛能得以發揮和施展[13-14]。開放式教學模式有利于學生自主學習、主動參與、獨立工作,有利于培養學生實驗研究、解決問題、團結協作能力,有利于提高學生專業技能和綜合素質。同時,開放式實驗教學模式對師資建設和實驗隊伍素質提高也起到了積極的促進作用。

2 開放式實驗項目設計與實施

2.1 實驗方案的設計

開放式實驗項目具有綜合性、研究性、探索性、實踐性、開放性和多樣性等特點,實驗內容安排需要豐富新穎,能夠激發學生對實驗的興趣,提高學生對實驗的積極性[15]。實驗方案設計是進行科學實驗的核心環節,要求學生根據教師提供的實驗內容范圍、方案要求以及實驗材料種類，自行設計實驗方案、制定實驗方法和操作步驟。

實驗方案設計按照以下幾步完成:

(1) 實驗方案的初步設計。學生根據實驗內容及設計要求,充分發揮主動權,在所學的理論知識與實驗技術的基礎上,結合查閱和收集相關資料,選擇適用的儀器設備和試劑耗材；設計合理的實驗方案、操作步驟和記錄表格等,完成實驗方案初步設計。該過程完全由學生自主獨立完成,充分體現了學生的主體作用。

(2) 實驗方案的審閱。學生初步設計的實驗方案,經教師審閱后,指出方案中存在的問題和修改意見,由學生修改、完善后再經教師進行審閱,此過程反復多次進行,直到學生設計的實驗方案滿足實驗要求。該過程教師不宜對學生設計的實驗方案過多干涉,以鼓勵和調動學生的實驗熱情和積極性。

(3) 實驗方案的討論和確定。根據學生設計的實驗方案中存在的共性和個性問題,有針對性地集中進行討論和解答,要求學生發揮集體智慧,對實驗方案進行最終完善和確定。該過程培養了學生的獨立思考和創造思維,也保證了學生自主完成實驗方案的客觀性。

實驗方案設計流程如圖1所示。

圖1 實驗方案設計流程圖

2.2 實驗項目的實施

在開放式實驗項目實施過程中,實驗室面向學生全天開放,但為了避免實驗室容量不足和儀器使用周轉不開等問題,要求學生結合自己的學習計劃和實驗內容安排預約,確定具體實驗操作時間和儀器使用時間。在正式實驗項目開始之前,學生需要根據確定的實驗方案進行實驗準備工作。在教師及助教的指導下,學生對其使用的儀器、設備進行操作學習并熟練使用。實驗使用的材料、工具和試劑需要按照實驗方案的要求提前準備充分。在實驗準備工作中,要求學生學會合理選用實驗材料、工具,科學計算實驗試劑用量,避免低效和浪費現象。

實驗準備工作完成后,正式進入實驗項目實施階段。實驗實施過程要求學生以實驗小組(通常每小組成員為3～5人)為單位獨立協作完成實驗操作、現象記錄、數據分析及結果討論等實驗內容。在實驗過程中,同一內容允許反復多次實驗,直至獲得滿意結果為止。

實驗結束后,要求學生撰寫實驗總結報告,并以小組為單位進行總結交流與報告展示。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、可行性、實驗執行情況,以及實驗數據和結論分析等多方面進行打分評價。

實驗項目實施流程如圖2所示。

圖2 實驗項目實施流程圖

2.3 實驗項目的效果

通過開放式實驗項目的實踐,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。

具體實效主要體現在以下幾個方面:

(1) 學生通過文獻調研和現場調查國內外相關技術及學科前沿動態,掌握了關于微生物學、分子生物學及環境工程微生物學等相關的基礎理論知識和現代生物技術,培養了學生獨立創新的科學研究能力。

(2) 在實驗方案設計和實驗實施過程中突出了學生的主體地位,激發了學生的求知欲望和科研熱情,增強了學生獨立思考和分析解決問題的能力,提高了學生的工程意識和科學素養。

(3) 通過開放式實驗項目的開展,調節了學生學習時空,為學生提供了更自由寬廣的空間,有利于學生安排自己的業余時間。

(4) 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,培養了學生獨立實踐能力和綜合素質。

開放式實驗教學模式和實驗項目的開展,不僅使學生掌握了基本的實驗技能,更重要的是激發和調動了學生的實驗興趣和科研熱情,既提高了學生的科研素質與能力,又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,將所學的知識融會貫通到環境科學與工程學科領域,進而研究解決工程實際問題,取得了良好的教學效果。

3 結語

開放式實驗教學模式是實驗教學改革的必然要求和發展方向,堅持“以人為本”的教育理念,開展“以學生為主體”的教學模式,在實驗時間、實驗內容、實驗人員和實驗資源利用等方面高度體現了教學的實踐性、應用性和綜合性。

開放式實驗教學模式以學生為中心,突出學生的主體地位[16],學生根據自己的興趣自主選題、查閱資料、設計和制訂實驗方案、驗證實驗的可行性、完成實驗并給出結論。實驗過程中涉及的實驗前準備、實驗中操作及實驗后分析均由學生自主完成。同時,實驗室對學生實行全天開放,學生根據實驗內容可以合理利用課余時間開展實驗工作。

開放式實驗項目的實施更加注重實驗實踐環節,學生在背景調研、方案設計、數據處理結果表達和報告展示等多個環節都得到了訓練和提高,同時學生開闊了視野,提高了創新意識,強化了分析問題、解決問題的能力。