多元教學策略提高學生的創新能力與綜合素質

劉月敏 肖淑敏 趙連梅

摘 ?要：在環境生物學課程一系列的教學改革和實踐過程中，實施了知識體系模塊化，教學目標差異化、層次化，教學手段多樣化，課程考核重過程等多元教學策略，使學生的學習狀態發生了明顯改變，學習效率及質量獲得了較顯著的提高，基本實現了提高學生創新能力和綜合素質的工作設想，對同行工作具有一定借鑒意義。

關鍵詞：多元教學策略;創新能力;綜合素質;教學改革

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0150-05

Abstract： In the series of teaching reform and practice of Environmental Biology course， the multiple teaching strategies， including modularizing the knowledge system， different teaching objectives， different levels of teaching methods， diversified teaching methods， and consideration of course assessment process， have been implemented. The practice shows that the students' learning status has changed significantly， and the learning efficiency and quality have been significantly improved. It has basically achieved the work goal of improving students' innovative ability and comprehensive quality， and it is worth learning for peers.

Keywords： multiple teaching strategies; innovative ability; comprehensive quality; teaching reform

教育部在《關于實施高等學校本科教學質量與教學改革工程的意見》中指出，培養學生的創新能力和綜合素質已成為目前我國高等教育改革的核心問題和根本性的指導思想[1]。但是無論什么樣的教育觀念、教育思想、教育理論和培養目標，最終都必須借助教學才能實現[2]。而教學策略無論對教學理論研究的深化，還是對教學實踐的變革都有重要價值[3]。廣義的教學策略既包括教的策略又包括學的策略，而狹義的教學策略則專指教的策略，屬于教學設計的有機組成部分，即在特定教學情境中為完成教學目標和適應學生認知需要而制定的教學程序計劃和采取的教學實施措施[4]。

環境生物學是面向環境類本科專業開設的專業基礎課，包括理論和實驗兩部分內容，具有極強的實踐性和應用性。通過本課程的學習，可以培養學生科學、嚴謹的學習態度;獨立操作、創新能力是培養發現問題、分析問題、解決問題的思維方式的重要環節。因此，如何通過環境生物學課程的教學提高學生的創新能力和綜合素質，是本課程組近年來一直思考的問題，并進行了系列教學改革和實踐，如實驗設計[5]，以問題為基礎的學習（Problem-based learning）綜合性實驗[6]，錄制理論課的微課、實驗課程的視頻進行在線學習，雙語教學等。通過知識體系模塊化，教學目標差異化、層次化，教學手段多樣化，課程考核重過程等多元教學策略提高學生的綜合素質和創新能力，取得了不錯的效果，希望能給同行起借鑒作用。

一、環境生物學課程性質及現狀

目前，我校環境生物學課程面向排水科學與工程、環境工程和環境科學等專業三年級學生開設，屬專業基礎類必修課，總學時為48學時，其中理論32學時，實驗16學時。每年需要開設10余個平行班。

二、環境生物學課程多元教學策略設計及實施

環境生物學系列教學改革過程中采取了一系列的教學手段和教學措施，依據多元教學策略設計和實施（圖1）：課程知識模塊化;教學目標差異化、層次化;教學手段多樣化;課程考核重過程。

環境生物學涉及大量微生物學、生物化學和分子生物學等知識，環境應用部分又有環境工程等課程的內容，導致其內容多，跨度大，知識點繁雜、抽象。在教學改革過程中，通過整合、優化教學內容，嘗試將理論教學與實驗教學整體有機結合，架構模塊化的課程知識體系。

在實際教學過程中，依據霍華德·加德納（Howard Gardner）的多元智能理論[7]（The theory of multiple intelligences），考慮到教學對象個體差異及多樣性的客觀需求，采用差異化、層次化教學目標。

教學手段多樣化：建立教學班微信群，提前將錄制好的微課視頻及網絡視頻等教學資源發到微信群，并設計好相關問題，讓學生帶著問題進入課堂。節約出課內學時，進而引進案例教學和雙語教學等，逐步推進翻轉課堂。

課程考核時注重學習過程的質量控制與考評，理論課考核除有筆試成績外，還充分考慮到了學生在微信群中的發言頻率與質量，查閱文獻的質量，課堂發言情況。實驗課考核時綜合考慮提交的實驗報告質量、實驗操作能力、團隊協作能力、實驗室安全與衛生意識、發現和解決問題能力等情況。

（一）課程知識體系：模塊化

由于環境生物學知識點多、雜、亂，學生掌握知識點很不方便。將課程知識體系模塊化后，使知識更有條理、學生更易掌握。

1. 理論教學模塊化

依據課程組及同行[8]多年的教學經驗，將理論教學分為微生物學基礎知識模塊、微生物學應用知識模塊及環境應用知識三大模塊（圖2）。并且針對我校不同專業的背景特點，適當調整課程內容和課時分配，突出重點難點，做到內容少而精。其中，微生物學基礎知識模塊包括：（1）緒論;（2）病毒;（3）原核微生物;（4）真核微生物;（5）微生物的生理。本部分內容著重講解微生物的基本形態結構、功能、生理生化特性等基礎知識，同時穿插介紹學科發展史，是深入學習本課程的基石。

微生物學應用模塊知識包括：（1）微生物的生長繁殖與生存因子;（2）微生物的遺傳變異;（3）微生物的生態3個章節。本部分是微生物學基礎知識的延伸與應用。

環境應用模塊知識包括：（1）微生物在物質循環中的作用;（2）水環境污染控制與治理的生態工程及微生物學原理;（3）污（廢）水深度處理和微污染水源水預處理中的微生物學原理;（4）有機固體廢物與廢氣的微生物處理及其微生物群落;（5）微生物學新技術在環境工程中的應用。主要是介紹生物學（主要是微生物學）在環境工程中的應用[9]。

每一個大的模塊下的知識點又細分為小的知識模塊，小的知識模塊之間又層層遞進，使學生了解知識點之間的相互關聯。如介紹微生物的生理一章時，首先闡明學習本章知識的主要目的是闡明微生物生命活動的機理，而在生命活動中最重要的兩大活動為攝取營養和獲得能量，這兩者又相輔相成，相互聯系。在詳細介紹時依據圖3所示模塊順序一一介紹，并讓同學們知道酶全程參與上述所有的生命活動過程。

2. 實驗教學模塊化

與理論教學內容相對應，整合、優化實驗教學，將實驗內容重新歸類，設置基礎知識實驗、應用基礎實驗、PBL（以問題為基礎的學習）綜合性實驗[5]、實驗設計[6]四個層層遞進的知識模塊（圖2）（詳見“實驗教學層次化”內容）。

（二）教學目標：差異化、層次化

環境生物學課程是“專業基礎課”，針對不同專業人才培養方案和對環境生物學知識需求的差異，設置不同的教學目標，并且根據學生的基礎和興趣不同，采取了層次化教學。

1. 理論教學差異化、層次化

環境生物學課程目前面向我校給排水科學與工程、環境工程和環境科學三個專業的本科生開設，不同專業對環境生物學的知識要求不同。因此，本課題組針對不同專業實行差異化教學。如給排水科學與工程專業的同學主要側重于環境生物學在其專業領域的應用，在學習過程中，沒有諸如“生物化學”等鋪墊課程，所以重點內容為環境生物學的基本原理，即如何應用于給水排水、對微生物能量代謝等復雜的基礎知識要求相對較低。環境科學和環境工程專業分別側重于發現和解決環境問題，而且有“生物化學”的知識作鋪墊，所以將講授重點放在環境生物學的基本原理部分。對環境科學和環境工程專業基礎較好，有前沿知識需求的同學，逐步推進雙語教學。

2. 實驗教學層次化

環境生物學實驗教學分為基礎知識實驗、應用基礎實驗、PBL實驗和綜合性實驗設計幾個層次（圖4）。

基礎知識實驗包括顯微鏡的使用、微生物的形態觀察、微生物的計數、大小測定等，通過這些基礎性實驗規范基礎實驗操作。并通過顯微鏡讓學生直觀認識繽紛多樣的微生物世界，提升學習興趣，加深對相關理論知識的理解和認識。

應用基礎實驗包括培養基制備與滅菌、活性污泥法污水處理過程中細菌菌落總數的測定等。應用基礎實驗將基礎知識實驗綜合，培養學生的基本技能，為后續PBL綜合實驗和實驗設計打下良好的基礎。

PBL綜合實驗是在學生完成基礎實驗和應用基礎實驗且具備基本的操作技能后進行的實驗。由教師提前給學生布置任務，學生提前查閱相關資料。教師根據教學內容與教學目標以及實驗條件，設計出符合課程要求的實際問題，并根據問題設計微課，設置知識點細化情境及相應教學視頻的制作。學生依據教師布置的學習任務和問題，根據自己的時間安排自學，并自主連續幾天完成系列的小實驗。教師直接指導學生進行實驗操作，強調觀察和記錄實驗現象，提出問題引導學生思考;學生提交實驗結果與討論、完成鞏固練習和反饋問題等。其目的是培養學生的綜合運用能力和實驗設計能力，加強知識的深廣度，與實際應用接軌[5]。

環境生物學實驗設計是在以實驗課的基礎上，獨立設置的選修課程。學生通過自主查閱資料、自行設計、動手完成一個設計性實驗，并撰寫提交實驗設計說明書，激發其探索創新精神。通過實驗設計，不僅豐富了環境生物學的實驗教學內容，提高實驗教學的質量，并且提升了學生的綜合素質和創新能力[6]。

在實驗教學之外，課程組教師結合自己的科研方向和科研項目，依托學校開展的各種課外實驗實訓項目如：大學生“挑戰杯”項目、大學生“創新項目”和各種專業技能大賽，開放實驗室，鼓勵學生參與環境生物學相關的科研活動;同時，依托校內外實踐基地，構建大學生創業平臺，為學生綜合素質的提高和社會競爭力的提升提供各種鍛煉機會。

（三）教學手段：多樣化

1. 適當引入案例教學

環境生物學是一門實踐性很強的課程，在教學過程中結合現實的環境問題，選擇恰當的專業案例作為補充和印證，加入理論教學中，對于調動學生的學習積極性，增加學生的學習興趣，有很大的幫助作用。

如在介紹真核微生物時，將酵母菌作為一個小的知識模塊。在學習這個知識模塊之前，讓學生帶著以下幾個問題預習：

（1）酵母菌被稱為天才的面包師和釀酒師，為什么？其生理基礎是什么？

（2）氧化型酵母用于石油脫蠟的現狀如何？其生理基礎是什么？

（3）發酵型酵母用于工業廢水處理的優勢是什么？單細胞蛋白的生產和應用現狀如何？發酵型酵母用于環境工程的生理基礎是什么？

（4）氧化型酵母和發酵型酵母的營養類型和代謝途徑有何異同？

（5）假絲酵母形成的基礎是什么？

（6）酵母菌的細胞結構特點是什么？

（7）酵母菌與細菌的菌落特征有何異同？

在上課時，分小組對以上問題逐一討論，教師在恰當的時機對學生的意見進行歸納總結。通過濃縮概括案例中蘊含的基本原理和知識點將本章的重要知識點提煉出來。讓學生在這“一放一收”之中領會去蕪存菁的知識提取過程[10]，讓學生對基本原理更加了解和深化。由此不僅能使學生將本次課的內容與已經學過的知識聯系起來，而且能激發學習興趣、培養活躍的科學思維，取得更好的學習效果。

2. 適度雙語教學

環境生物學屬于環境科學與工程和生物技術的交叉領域，無論是環境科學與工程，還是生物技術都屬于國際化程度較高的專業知識，在發達國家學科較成熟，在國內處于新興狀態[11]。為了把國際上學科前沿發展的精華與專業知識引入教學視野，使學生在知識儲備上與國際接軌，課程組不但購買了國內優秀的環境生物學相關教材外，還引進了優秀的英文原版教材，如Pepper， Ian L.主編的《Environmental Microbiology（Third Edition）》， Eugene L. Madsen主編的《Environmental Microbiology： From Genomes to Biogeochemistry》等，建立了較完善的教材庫。并且根據我校學生的知識結構，在理論授課時逐步推進雙語教學，如在對2015級環境工程專業學生授課時，原核微生物一章中，課件中以英文為主，專業詞匯或較復雜的語句配以中文翻譯或者用直觀的圖片幫助學生理解與記憶。授課講解時，英文所占比例盡量把控在30%以上，具體根據課堂上學生的反饋做適當的調節。

3. 合理利用微信、微課、網絡等，實現翻轉課堂

由于學時有限，課堂上教師大多只能講授主要的知識點，但與環境生物學相關的課堂拓展知識不能詳細講授，而這部分知識恰恰最能激發學生的學習興趣。因此，部分學生不能全面了解環境生物學的內容，逐漸失去學習耐心。

針對這種狀況，教師建立班級微信交流群，提前將相關的微課視頻和課前測試題上傳到微信群中，供學生課前預習。測試題多為基礎的認知型題目，主要用于測試學生對微課視頻中知識點的掌握情況，方便教師根據學生自學效果安排本章節的課堂教學進度和內容。學生帶著問題進入課堂，由教師主導課程的開展，創設問題情境，引導學生自學解答問題，并增加討論課、學生交流課等提高學生的課堂參與度。課后布置延伸課堂知識的小專題，學生查閱資料并制作文檔以便于課堂交流學習與過程考核。同時給學生提供自主學習的網站，以便其有針對性地碎片化學習。

這樣，不僅能節省學生的課上時間，還能夠細化講授很多知識點，提高學生的學習興趣。并且教師可以在課上根據實際情況變化教學形式，如PBL，案例教學，討論式教學等等。使學生的注意力始終能集中在課堂上。

（四）課程考核：重過程

為了能更客觀、準確地評價學生的學習情況，課程考核時將考慮學生在學習過程中的表現，增加學生自主性學習部分的分值權重，課程總評成績也由考試成績占80%，平時成績占20%，調整為考試成績占70%，平時成績占30%。平時成績主要包括：課堂參與度、自主學習情況、實驗技能三部分，每一部分所占比重及體現形式詳見圖5。以此追蹤、了解學生的學習過程，鼓勵學生積極思考、勇于實踐，使其能享受學習過程中探索與發現的樂趣。

三、教學改革效果及展望

本課程組采取多元教學策略對環境生物學課程進行了綜合改革探索，基本實現了提高學生創新能力和綜合素質的工作設想。改革后的課程受到學生的普遍認可與喜愛，教學效果良好。

（1）學生學習積極性高漲。學生的學習狀態明顯改變，課堂上主動提出問題，有時甚至會引發激烈的辯論。借助于網絡平臺和微信學習交流群，師生溝通更是不受時間和空間限制，話題的延展性更強，有些平時不太愛表達的同學在微信群中反而展示出博學多才的一面，老師也深感吃驚。

（2）學習的持續性增強。由于環境生物學的實踐性很強，很多學生步入工作崗位后才意識到很多實際問題需要借助環境生物學的技術手段解決，此時他們便通過網絡及微信在老師的幫助下解決工作中遇到的實際問題，將學校教育延伸到生產實踐中，無形中也使學生對母校的依戀和歸屬感增強。

（3）學生的實踐能力和創新性增強。由于層次化實驗教學，不僅使學生對環境生物學實驗有更深層次的認識，還讓初入社會的他們面對工作崗位時不是畏首畏尾。很多畢業生跟老師反饋，正是由于有實驗設計的基礎，他們在從事相關工作時才知道如何找到合適的思路并一步步腳踏實地的實施。大多數考研的同學反饋在復試過程中，當被老師問到與實驗相關的問題時，由于有過實驗設計的經歷，他們都會表現得信心十足。另外，由于有實驗設計做基礎，學生參加校外科研實訓的積極性空前高漲。近三年學生先后主持、參與各項科研訓練項目10多項，其中獲獎3項。

盡管環境生物學課程的系列教學改革取得了初步成果，但在課程的教學實踐中還面臨很多問題，如試題庫不是很完善;網絡教學、雙語教學只是處于嘗試階段，還需進一步深化。課程組以后將繼續努力，積極拓寬、增強與同行的交流及學習，努力使教學更富生機與活力。

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