環(huán)境生物技術(shù)教學(xué)實驗設(shè)計案例

摘要：環(huán)境生物技術(shù)是環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科領(lǐng)域的一門重要基礎(chǔ)專業(yè)課程，環(huán)境生物技術(shù)的實驗課程涵蓋了較廣泛的實驗技能。為了提高該實驗課程教學(xué)的有效性和針對性，本文在總結(jié)以往課程教學(xué)以及科研實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以一項自主教學(xué)實驗設(shè)計為范例，探討了使該課程教學(xué)更為生動、有效的教學(xué)模式，為環(huán)境生物技術(shù)教學(xué)實驗的設(shè)計工作提供了參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)境生物技術(shù)；教學(xué)實驗；設(shè)計

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）26-0274-02

環(huán)境生物技術(shù)課程是現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境科學(xué)緊密結(jié)合形成的新興交叉學(xué)科，環(huán)境生物技術(shù)在環(huán)境污染防治、生物資源開發(fā)、可持續(xù)發(fā)展等學(xué)科領(lǐng)域中均具有廣闊的發(fā)展前景[1]。由于其涉及內(nèi)容繁多、實踐性強(qiáng)、發(fā)展迅速，在教學(xué)實踐中，往往會存在以下幾個問題：（1）一些教學(xué)內(nèi)容與環(huán)境微生物學(xué)，水處理工程、生物修復(fù)技術(shù)等課程內(nèi)容重復(fù)，導(dǎo)致教學(xué)重點不夠突出；（2）部分同學(xué)不能有效掌握基本理論，無法正確實踐利用所學(xué)的課本知識，不能將理論與實踐緊密結(jié)合；（3）無法有效跟蹤最新的生物技術(shù)進(jìn)展，導(dǎo)致理論教學(xué)內(nèi)容和實際情況有所脫節(jié)。

為了適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)的新要求，提高環(huán)境生物技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。針對上述問題，筆者從教學(xué)與科研實踐中總結(jié)了若干經(jīng)驗，進(jìn)行了一些思考和嘗試，發(fā)現(xiàn)通過合理的配套實驗教學(xué)，可使學(xué)生在掌握相關(guān)實驗技能的同時，更好地理解環(huán)境生物技術(shù)的理論內(nèi)容。

一、環(huán)境生物技術(shù)實驗的現(xiàn)存問題

目前，環(huán)境生物技術(shù)實驗的教材并不多，2012年劉娜等編寫的《環(huán)境生物技術(shù)實驗》系統(tǒng)地介紹了該領(lǐng)域的基本實驗原理和研究方法，包括基本實驗技術(shù)、綜合實驗技術(shù)、研究性實驗技術(shù)、應(yīng)用實驗技術(shù)及現(xiàn)代分子實驗技術(shù)等[2]。然而受到課時以及實驗條件的影響，在實際的教學(xué)中，有相當(dāng)一部分實驗無法有效開展，如微生物總DNA中的16S rDNA PCR擴(kuò)增技術(shù)。且該教材中的部分內(nèi)容也與環(huán)境微生物實驗相重復(fù)，如細(xì)菌染色技術(shù)與形態(tài)觀察等。由于實驗教學(xué)是環(huán)境生物技術(shù)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，對學(xué)生實踐能力和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)具有關(guān)鍵作用，因此，對實驗課程體系進(jìn)行精心設(shè)計，鉆研改進(jìn)，可有效提高教學(xué)成效[3]。

二、自主設(shè)計實驗案例

筆者根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗、科研背景以及本實驗室的客觀條件，對環(huán)境生物技術(shù)實驗的教學(xué)方法和內(nèi)容做了若干調(diào)整和改善，在教學(xué)模式上取得了一些經(jīng)驗。其中的主要工作就是自主設(shè)計和實施了一項教學(xué)實驗——破碎小球藻細(xì)胞提取生物油脂[4]。在當(dāng)前世界范圍內(nèi)能源加劇消耗的背景下，生物質(zhì)能源如生物柴油等得到了廣泛關(guān)注，以微藻為原料制取生物油脂成為近幾年新興的研究熱點[5]。其中的小球藻在天然水體中分布極為廣泛，生長快速，油脂含量高，非常適合用于提取生物油脂，以生產(chǎn)生物柴油[6，7]。“破碎小球藻細(xì)胞提取生物油脂”這一實驗可向?qū)W生們展示生物柴油生產(chǎn)過程中的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本實驗的主要內(nèi)容詳述如下：

1.小球藻的培養(yǎng)與計數(shù)。實驗所需小球藻可從附近天然水體中分離，也可從藻種庫購買。在培養(yǎng)箱中采用人工照明法培養(yǎng)小球藻，所用培養(yǎng)液為BG11培養(yǎng)基，溫度控制在25℃，光暗周期為12h∶12h。在培養(yǎng)過程中，小球藻隨時間不斷增殖，為了監(jiān)控其生長速度，需每日對小球藻濃度進(jìn)行測定。本教學(xué)實驗采用的小球藻細(xì)胞量測試方法有以下兩種[8]：（1）吸光度法：利用藻細(xì)胞在某一波長處的光吸收值來測定細(xì)胞密度，本實驗使用可見光分光光度計在540nm下測量小球藻混合液的吸光度。（2）細(xì)胞計數(shù)法：將小球藻懸濁液混合均勻，使用細(xì)胞計數(shù)板，又稱血球計數(shù)板，在光學(xué)顯微鏡下對小球藻細(xì)胞進(jìn)行目測計數(shù)，并計算小球藻在懸濁液中的濃度。

根據(jù)每日小球藻細(xì)胞量的檢測結(jié)果，可繪制其生長趨勢圖，觀察總結(jié)其生長曲線，并分析特點。

2.小球藻的破碎。將小球藻培養(yǎng)一個月后，小球藻細(xì)胞數(shù)量可達(dá)到實驗要求，此時可進(jìn)行細(xì)胞破碎操作。本教學(xué)實驗采用超聲波細(xì)胞破碎機(jī)對小球藻進(jìn)行破碎。超聲波法是實驗室常見的破碎微生物細(xì)胞的技術(shù)，在液體介質(zhì)中，超聲波造成的空化效應(yīng)可在氣泡周圍的液體中產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械剪切力，致使細(xì)胞破碎[9]。

超聲破碎的功率與時間可根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)定和改變。在適當(dāng)條件下，小球藻的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜會得到有效破碎。

3.小球藻中生物油脂的提取。小球藻細(xì)胞破碎后，細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物，如脂類、多糖及蛋白質(zhì)都會釋放入周圍水溶液中，此時可進(jìn)行生物油脂的提取。本實驗采取有機(jī)溶劑萃取法進(jìn)行小球藻油脂的提取，具體方法為：以體積比為1∶1的正己烷和乙酸乙酯混合有機(jī)溶劑對小球藻混合液進(jìn)行液-液萃取，萃取后將有機(jī)相置于真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，將有機(jī)溶劑全部揮發(fā)后，所余物質(zhì)即為小球藻油脂。將其稱重，可計算出小球藻的含油率（以提取物占小球藻干重的百分比計算）。

4.實驗注意事項。本實驗周期比較長，步驟較多，同時涉及到了環(huán)境生物技術(shù)中較多的知識點，對學(xué)生的基礎(chǔ)實驗技能有著較高的要求。在學(xué)習(xí)環(huán)境生物技術(shù)實驗之前，需要掌握的課程基礎(chǔ)包括微生物學(xué)，有機(jī)化學(xué)，生物化學(xué)，分析化學(xué)等。在實驗過程中，學(xué)生需要分組合作，并在管理上實行組長負(fù)責(zé)制，教師應(yīng)及時對其提供指導(dǎo)和支持，保證實驗有序順利進(jìn)行。為了提高學(xué)生的思考能力，應(yīng)鼓勵學(xué)生對實驗中遇到的問題進(jìn)行獨立自主的解決，并在課堂上進(jìn)行討論與交流。實驗教學(xué)的最后一環(huán)是實驗報告的書寫，在這一環(huán)中，應(yīng)要求學(xué)生嚴(yán)格按照實驗報告模板進(jìn)行書寫，翔實記載實驗內(nèi)容、實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果、并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，這也是對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)。

三、結(jié)語

作為專業(yè)授課教師，須在教學(xué)實踐中不斷探索，在適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)要求的同時，適應(yīng)實際工作和社會的需求，提高環(huán)境生物技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量。“破碎小球藻細(xì)胞提取生物油脂”這一教學(xué)實驗來自于科研實踐，結(jié)合了環(huán)境生物技術(shù)的課程特點，具有較高的科學(xué)性和綜合性。該實驗涉及到了環(huán)境生物技術(shù)中較多的知識點，對學(xué)生的基礎(chǔ)實驗?zāi)芰τ兄^高的要求。通過對該實驗進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作，學(xué)生們可掌握的技術(shù)要點包括微生物培養(yǎng)，細(xì)胞計數(shù)，細(xì)胞破碎，生物油脂提取等。這些實驗操作與知識點交織結(jié)合，可有效地鍛煉學(xué)生的動手能力，促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)內(nèi)容的記憶和理解，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，端正其學(xué)習(xí)態(tài)度，為未來可能從事的科研以及技術(shù)工作打下良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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