“新工科”背景下《環(huán)境微生物學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐

李菁，徐玲玲，申圓圓，馮航

（西安文理學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 西安）

一 引言

環(huán)境生態(tài)工程專(zhuān)業(yè)重點(diǎn)培養(yǎng)具有環(huán)境學(xué)與生態(tài)學(xué)基本理論以及環(huán)境污染治理與修復(fù)、生態(tài)環(huán)境工程設(shè)計(jì)、生態(tài)環(huán)境檢測(cè)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)等專(zhuān)業(yè)技能的應(yīng)用型人才[1]。《環(huán)境微生物學(xué)》是環(huán)境污染治理與微生物學(xué)相結(jié)合的一門(mén)交叉學(xué)科，作為專(zhuān)業(yè)核心課程，可為后續(xù)系列專(zhuān)業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。環(huán)境微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)作為《環(huán)境微生物學(xué)》課程中重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，與理論課程教學(xué)相輔相成。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是幫助學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的窗口，不僅可以使學(xué)生掌握微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作技能和實(shí)驗(yàn)方法，還有助于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)環(huán)境微生物的研究興趣和科學(xué)思維，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力[2]。

二 改革前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的環(huán)境微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要以實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)訓(xùn)練和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，不同實(shí)驗(yàn)彼此之間關(guān)系較為獨(dú)立松散，缺乏系統(tǒng)性和連貫性，不利于學(xué)生對(duì)所開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)有一個(gè)全局性的理解和認(rèn)識(shí)[3]。原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置沒(méi)有凸顯出“環(huán)境”相關(guān)的專(zhuān)業(yè)特色。每個(gè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)分配均等，由于不同實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜程度和所用時(shí)間不同，有些實(shí)驗(yàn)學(xué)生很快就可以完成，而有些實(shí)驗(yàn)學(xué)生普遍在課時(shí)內(nèi)無(wú)法完成，時(shí)間拖延影響到后面的排課。實(shí)驗(yàn)課上只要按照實(shí)驗(yàn)操作流程做下來(lái)就可得到預(yù)期結(jié)果，對(duì)學(xué)生而言缺乏挑戰(zhàn)性，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

原有的環(huán)境微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程授課形式固化，教師講授實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，然后由學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在過(guò)程中教師予以技術(shù)指導(dǎo)，課后學(xué)生完成并上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在這種授課形式下，學(xué)生只能單純地學(xué)到幾項(xiàng)基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并沒(méi)有給學(xué)生提供思考和創(chuàng)新的空間，不利于學(xué)生科學(xué)思維的養(yǎng)成和研究能力的培養(yǎng)。導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上缺乏學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容印象不深。

改革前實(shí)驗(yàn)課程考核形式單一，僅憑實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫(xiě)作質(zhì)量進(jìn)行打分，最后將每次實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)計(jì)算平均值作為實(shí)驗(yàn)課的最終成績(jī)，缺乏實(shí)驗(yàn)過(guò)程性考核。基于這種成績(jī)?cè)u(píng)定形式，很多學(xué)生不再重視實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果單一且可預(yù)期，實(shí)驗(yàn)報(bào)告相互抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)成績(jī)無(wú)法客觀全面地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)技能水平，有失公平。

基于上述環(huán)境微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題，亟需進(jìn)行課程教學(xué)改革來(lái)打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的困境，根據(jù)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)及社會(huì)需求，構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)建新的教學(xué)模式和成績(jī)?cè)u(píng)定體系，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，使學(xué)生的綜合能力得到鍛煉和提高。

三 實(shí)驗(yàn)課程改革方案及措施

（一）結(jié)合專(zhuān)業(yè)特色，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

在不改變實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上，把原有的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了部分刪減，并對(duì)原本相對(duì)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重組，將課程實(shí)驗(yàn)分為三大模塊：1.微生物實(shí)驗(yàn)安全及操作技術(shù)；2.微生物觀察及特征測(cè)定；3.環(huán)境微生物檢測(cè)。各模塊所含實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)類(lèi)型及所占學(xué)時(shí)數(shù)如表1所示。其中模塊1重在幫助學(xué)生建立實(shí)驗(yàn)室安全意識(shí)、培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作技能；模塊2在實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上對(duì)微生物的形態(tài)、數(shù)量生化特征等進(jìn)行觀察，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主；模塊3為綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生靈活應(yīng)用前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K所學(xué)習(xí)和掌握的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，分別對(duì)土壤、空氣和水三種環(huán)境介質(zhì)以及日常生活環(huán)境中的微生物進(jìn)行檢測(cè)，包括微生物的數(shù)量、種類(lèi)、性質(zhì)、分布等方面。模塊3的實(shí)驗(yàn)學(xué)生以小組形式進(jìn)行，圍繞校園內(nèi)及校園周邊環(huán)境，由學(xué)生自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案及采樣實(shí)施，最終以小組研究報(bào)告的形式呈現(xiàn)。

表1 《環(huán)境微生物學(xué)》模塊化實(shí)驗(yàn)設(shè)置

（二）教學(xué)手段融合，豐富授課形式

限于課堂學(xué)時(shí)，為了增加學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作、師生互動(dòng)及思考討論環(huán)節(jié)的時(shí)長(zhǎng)占比，需相應(yīng)縮減教師在課堂上的講授時(shí)間。為此教師團(tuán)隊(duì)在超星泛雅網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)（手機(jī)端對(duì)應(yīng)“學(xué)習(xí)通APP”）建設(shè)了《環(huán)境微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)》網(wǎng)絡(luò)課程，將實(shí)驗(yàn)課程PPT、實(shí)驗(yàn)教材電子版、實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示視頻及相關(guān)拓展閱讀參考文獻(xiàn)等資料均上傳課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)作為線(xiàn)上學(xué)習(xí)資源，并建立作業(yè)習(xí)題庫(kù)及留言討論板[4]。改革后的實(shí)驗(yàn)課充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)課前向?qū)W生布置預(yù)習(xí)任務(wù)的形式，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生通過(guò)線(xiàn)上自學(xué)的方式提前熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)用品、操作步驟及注意事項(xiàng)等內(nèi)容。教師在課上通過(guò)提問(wèn)、抽查等形式來(lái)檢查預(yù)習(xí)效果及預(yù)習(xí)報(bào)告的完成情況。即使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力得到發(fā)揮，又節(jié)省了課堂講授時(shí)間，教師只需強(qiáng)調(diào)、演示操作重點(diǎn)，講授操作難點(diǎn)即可[5]。

對(duì)于觀察類(lèi)實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生用手機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行拍照記錄，尤其是針對(duì)微生物形態(tài)特征的顯微觀察，并上傳至網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)討論區(qū)，實(shí)現(xiàn)結(jié)果共享。一方面有助于在學(xué)生之間構(gòu)建實(shí)驗(yàn)結(jié)果交流討論的橋梁，另一方面便于教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)分。課上待全部完成實(shí)驗(yàn)操作后，由教師對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作情況進(jìn)行總結(jié)，并布置開(kāi)放性思考題讓學(xué)生交流討論，以達(dá)到啟迪思維、拓寬思路的教學(xué)目的。

（三）加強(qiáng)過(guò)程性考核，綜合評(píng)定課程成績(jī)

改變以往僅憑實(shí)驗(yàn)報(bào)告打分的單一成績(jī)?cè)u(píng)定形式，提高過(guò)程性考核成績(jī)占比，并對(duì)各成績(jī)組成部分進(jìn)行細(xì)化打分。改革后實(shí)驗(yàn)課程總評(píng)成績(jī)組成如圖1所示。優(yōu)化后的成績(jī)?cè)u(píng)定體系共由7部分構(gòu)成，涵蓋課前、課中和課后三個(gè)階段的各個(gè)環(huán)節(jié)，從課前預(yù)習(xí)完成度、課上考勤、實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的認(rèn)真度及專(zhuān)業(yè)度、對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的思考和表達(dá)、實(shí)驗(yàn)完成后臺(tái)面的整潔度以及課后要完成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和網(wǎng)絡(luò)課程作業(yè)習(xí)題等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面系統(tǒng)的考核打分。這種成績(jī)綜合評(píng)定形式能客觀全面地體現(xiàn)出每位學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、操作技術(shù)以及思維能力，有效杜絕投機(jī)取巧和渾水摸魚(yú)現(xiàn)象。

圖1 《環(huán)境微生物學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程考核成績(jī)組成及占比

四 實(shí)驗(yàn)課程改革成效

（一）突出專(zhuān)業(yè)特色，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)課程體系更加完善，實(shí)驗(yàn)之間邏輯關(guān)系更加清晰，根據(jù)課程設(shè)置順序?qū)訉舆f進(jìn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與專(zhuān)業(yè)聯(lián)系更加緊密，充分體現(xiàn)出“環(huán)境生態(tài)工程”的專(zhuān)業(yè)特色。學(xué)生利用前期所學(xué)的微生物學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能對(duì)環(huán)境中的微生物進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)土壤、空氣、水體中的微生物進(jìn)行分離、計(jì)數(shù)、純化、鏡檢等過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)環(huán)境微生物的分布、種類(lèi)、數(shù)量、特征等方面的認(rèn)識(shí)和理解。綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例顯著增加，使學(xué)生分析、解決問(wèn)題及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到有效鍛煉，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)新能力得到了培養(yǎng)和提高。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出極大的興趣，各小組前期積極進(jìn)行文獻(xiàn)查閱、討論和制定實(shí)驗(yàn)方案，過(guò)程中團(tuán)隊(duì)成員間相互協(xié)作開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，后期撰寫(xiě)完成研究報(bào)告，組間以PPT形式進(jìn)行研究項(xiàng)目成果分享。通過(guò)“生活中的微生物檢測(cè)”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可以生動(dòng)直觀地體會(huì)到“微生物無(wú)處不在”“人類(lèi)與微生物共存”等理念，也有助于提高學(xué)生的健康衛(wèi)生意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生注意個(gè)人清潔、保持生活環(huán)境衛(wèi)生等良好的生活習(xí)慣。

（二）學(xué)習(xí)自主性提高，課堂氣氛活躍

改革后的《環(huán)境微生物學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程，減少了課上教師的講授時(shí)間，增設(shè)了學(xué)生課前自學(xué)任務(wù)，并將預(yù)習(xí)報(bào)告完成情況作為考核成績(jī)的組成部分。優(yōu)化后的授課形式改變了傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)來(lái)達(dá)到理解實(shí)驗(yàn)原理、熟悉實(shí)驗(yàn)步驟的目標(biāo)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。在實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后增加總結(jié)和討論環(huán)節(jié)，由教師提出一個(gè)與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考、討論并表達(dá)自己的觀點(diǎn)。例如，在“培養(yǎng)基的配制技術(shù)”課上向?qū)W生拋出一個(gè)問(wèn)題：如果需要培養(yǎng)一種在深海中分離得到的未知微生物并對(duì)其開(kāi)展研究，如果現(xiàn)有參考資料中的培養(yǎng)基配方都不適用，你該怎樣針對(duì)這種微生物研發(fā)一種新的培養(yǎng)基？圍繞這一問(wèn)題學(xué)生深入思考、熱烈討論后積極發(fā)言，最后由教師提煉總結(jié)，引出設(shè)計(jì)培養(yǎng)基的原則和方法，包括生態(tài)模擬、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，不僅使學(xué)生思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力得到鍛煉，還使學(xué)生學(xué)到的知識(shí)內(nèi)容得以延伸和拓展。

（三）綜合能力提高，實(shí)踐成果顯著

自《環(huán)境微生物學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革以來(lái)，經(jīng)過(guò)三年的實(shí)踐成效顯著。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度有了明顯改觀。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求自主學(xué)生查閱文獻(xiàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，鍛煉了學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺(tái)搜索和閱讀研究相關(guān)科技文獻(xiàn)的能力，同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究思維。綜合性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生把微生物學(xué)基本實(shí)驗(yàn)操作技能貫穿起來(lái)反復(fù)運(yùn)用，經(jīng)過(guò)反復(fù)練習(xí)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能越來(lái)越規(guī)范、熟練。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生思考問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力均有所提升，養(yǎng)成了良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，實(shí)驗(yàn)操作技能和科技論文的閱讀和寫(xiě)作能力均得到鍛煉和強(qiáng)化，綜合素質(zhì)顯著提高。圍繞“環(huán)境微生物”選題，本專(zhuān)業(yè)學(xué)生報(bào)名參加學(xué)科競(jìng)賽及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的積極性顯著提升，近三年來(lái)獲得國(guó)家級(jí)和省級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目立項(xiàng)10余項(xiàng)，并多次獲得大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)。

（四）課程受到學(xué)生認(rèn)可和好評(píng)

改革后環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課程無(wú)論在“學(xué)生評(píng)教”還是“教師評(píng)學(xué)”環(huán)節(jié)中的綜合得分相比改革前均顯著提升。每學(xué)期期末通過(guò)線(xiàn)上調(diào)查問(wèn)卷和學(xué)生座談的形式了解到學(xué)生普遍對(duì)改革后的教學(xué)形式表示接受和認(rèn)可，85%以上的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容完全可以通過(guò)自學(xué)看懂，可以多留出時(shí)間用于實(shí)驗(yàn)操作。超過(guò)90%的學(xué)生喜歡以小組形式完成的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為同學(xué)間一起查閱文獻(xiàn)、討論實(shí)驗(yàn)方案，遇到問(wèn)題共同商議解決的過(guò)程很有趣，既鍛煉了團(tuán)隊(duì)內(nèi)溝通、協(xié)作的能力，最后一起完成研究報(bào)告和PPT匯報(bào)很有成就感，初步體驗(yàn)到了做科研的感覺(jué)。超過(guò)70%的學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)對(duì)微生物產(chǎn)生了濃厚的興趣，希望能有機(jī)會(huì)參與到本院教師相關(guān)科研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，提升自己的科研能力和綜合素質(zhì)，為將來(lái)工作或進(jìn)入研究生深造打下良好基礎(chǔ)。

五 總結(jié)與展望

經(jīng)過(guò)三年實(shí)踐，《環(huán)境微生物學(xué)》實(shí)驗(yàn)課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和成績(jī)?cè)u(píng)定模式等方面進(jìn)行全面的優(yōu)化改革，取得了良好的教學(xué)效果，在培養(yǎng)學(xué)生掌握實(shí)踐操作技能的基礎(chǔ)上，更加注重學(xué)生創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、文獻(xiàn)查閱和論文寫(xiě)作等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。然而在課程改革實(shí)踐過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，例如開(kāi)展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，且由于各組實(shí)驗(yàn)方案不同導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作時(shí)長(zhǎng)不統(tǒng)一，在實(shí)驗(yàn)室的協(xié)調(diào)與管理上較為混亂；學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力和研究報(bào)告的寫(xiě)作水平普遍有待提高等。總之，《環(huán)境微生物學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革雖已取得階段性成效，我們將在實(shí)踐中不斷探索、反思，不斷優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式，改善實(shí)驗(yàn)條件，逐步開(kāi)設(shè)前沿性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)，為環(huán)境領(lǐng)域培養(yǎng)高素質(zhì)專(zhuān)業(yè)人才。