環境類專業生物學課程新型教學體系的構建

于彩虹 王建兵 馬妍 王春榮

清華大學環境學院特聘教授曲久輝院士在2020年11月22日的采訪中提到環境學是一門交叉學科，其核心基礎知識包括化學、生物學、地學等。生物學基礎在環境學領域的水、氣、固廢處置、生態修復中均發揮著非常重要的作用[1]。目前在環境及其他工科專業中，生物課程教學中普遍存在4個問題：首先，在有限學時下，如何實現學生完整生物基礎知識體系的構建？其次，在課程內容抽象的前提下，如何提升學生興趣及其自主探究能力？再次，如何實現以學生為中心的差異教學？最后，在工科生物教學中，如何靠攏金課、滿足工程認證理念要求以及全方位實現課程思政？針對4個問題，探索通過頂層設計打通課堂界限，精簡重復內容，穩固基礎并提升內容前沿性，深度備課設計教學，使課程思政貫穿全程，并充分利用現代信息技術和線上教學資源，采用共鳴式智慧教學和以學生為中心的教學理念，運用創新的教學模式和方法從課堂內、外兩個維度構建具有創新性立體化生物基礎課程教學體系，以實現知識、能力、素質和價值的四維課程教學目標。

教學過程中存在的問題

1.課程層面

（1)課時不足

以中國礦業大學為例，生物基礎課程僅開設了《生物化學》、《環境工程微生物學》2門共計64學時理論課程及16學時的實驗課程。按照傳統教材流程講授，存在學時嚴重不足的問題，難以完成環境工程專業生物基礎知識體系的系統構建。

（2)內容抽象

課程內容涉及蛋白質、糖、核酸和脂類4大生物大分子的結構、功能、性質，內容微觀、抽象、不易理解；動態生物化學部分的物質和能量代謝途徑復雜難懂，該方面知識點的學習具有較大的難度。

2.學生層面

（1)認同感弱

專業主干課程學時多、學生投入時間也較多，與專業主干課程相比，同學們主觀上對生物課程不太重視，花時間較少，認同感較弱。

（2)學生差異大

由于高考改革，不同地區學生的生物基礎不同，部分學生高中沒有學過生物或化學，從而出現學習困難，甚至喪失學習興趣的現象，更不用談自主探究學習。另外，學生對生物方面的興趣和投入也存在較大差異。

（3)課堂人數多

幾個班的學生一起上課使得無法開展研討式學習及自主探究學習，而且考勤及學生學習情況難以掌握。

3.時代挑戰

（1)金課的要求

“兩性一度”即高階性、創新性和挑戰度。高階性要求課程教學不是簡單的知識傳授，而是知識、能力、素質的有機融合，從而注重培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維；創新性要求課程內容具有前沿性和時代性，教學形式體現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性；挑戰度需要教師和學生共同投入更多的時間去思考。

（2)工程認證要求

以學生為中心、成果為導向、持續改進的教育理念。成果導向更注重的是學生學到了什么，而不是教師教了什么；側重研究型而非灌輸型教學模式；特別強調個性化的教學，制定不同的教學方案，提供不同的學習機會。這些都要求從灌輸課堂向對話課堂、封閉課堂向開放課堂、知識課堂向能力課堂、重學輕思向學思結合轉變，從重教輕學向教主以學轉變。

（3)課程思政要求

課程思政對于實現知識傳授和價值引領同頻共振具有重要的意義，是落實立德樹人根本任務的重要舉措。學生是實現中華民族復興的中堅力量，把他們的思想教育融合到專業課程領域是非常重要的。

新型教學體系構建思路

針對本課程在教學和學生層面存在的主要問題，本團隊按照金課的要求，將工程認證需求作為教學理念，通過頂層設計打通《生物化學》和《環境工程微生物》兩門課程的界限，重塑課程內容，在保證基礎的同時突出前沿和挑戰性。將課程教學深度融合現代化信息技術，實現課程內外共鳴式智慧教學。重視線下教學資源，運用創新教學模式和方法從課堂內、外兩個維度構建立體化的生物基礎課程創新教學體系，詳細分為以下兩點。

1.重視課堂教學主戰場

通過深度設計課堂教學教案，挖掘課程中的經典案例、著名人物軼事等相關熱點開展課程思政；結合課程特點運用多種創新型的教學手段，如課程教學中探索引導式及科研案例式教學模式，通過“問題導入→啟發思考→共同分析→構建知識體系→知識的運用”培養學生的學習興趣，構建以學生為中心的教育理念[2,3]；將生物知識點與生活實際相關聯，通過提升學習興趣加強學習效果并且加深對生命的理解，通過加強對健康的認識來提升人文素養。這些教學手段一方面提升學生對基礎知識、理論的理解和應用，進一步實現知識培養的目標，另一方面側重培養自主探究、分析和創造的能力，以實現課程的能力和素質目標，通過深度背課并且挖掘課程中的經典案例、人物及歷史背景和時政熱點來實現思政育人。

2.將環境生物基礎教學延伸至課堂外

充分利用網上慕課等線上學習資源來鞏固課堂上的教學內容，彌補課堂教學學時有限的問題[4]。同時與暑期實踐、科研選題競賽、大學生創新實驗及學科競賽等創新育人載體深度融合，為生物基礎好并有濃厚興趣的學生提供環境生物類課題和項目。體現差異性教學，提升學生的創新能力及運用生物基礎原理和技術解決環境工程領域問題的能力，培養具有一定生物基礎知識的環境工程拔尖人才。

黨的十八大報告將“立德樹人”首次確立為教育的根本任務，十九大報告中指出“要全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務”。當前，面對新的國際國內形勢和未來發展的挑戰，大學人才培養更應該重視培養人才的國際化視野，國際交流與合作順應了時代的發展，這一要求也鞭策高校要加大力度，培養有專業素質，同時具備全球視野、創新能力的復合型人才，以服務于國家整體發展需求。也就是說，人才培養，既要有專業素質，又要具有國際視野。

新型教學體系實踐措施

1.授課內容的創新性規劃

針對學時短的問題，從整個學科體系培養人才的高度去看問題，將《生物化學》和《環境微生物》兩門課程內容打通，凝練理順知識點，精簡重復內容，將教學核心放到內容的重點和難點上。如，《生物化學》課程側重生物大分子的組成結構特點及物質和能量的代謝問題；《環境工程微生物》側重微生物的基本形態結構、生理生態特性和微生物學基本原理在環境污染治理中的應用。針對兩門課程的每一章節的內容進行梳理，找出重點和難點內容，在課堂上重點講解，而課程中相對容易的內容簡要講解，由學生借助網上免費的慕課資源進行學習。

創新性和挑戰性主要體現在將課程內容擴展到工程實踐、生活和科研前沿中，讓學生通過了解生物基礎理論如何應用于工程實踐中，進而深化對基礎理論的認識。更重要的是培養學生解決問題的思維方式，提升他們運用本學科的理論來解決實際工程問題的能力。

2.課堂上采用共鳴式智慧教學理念

針對班級人數多，不易開展討論式教學的問題，使用“雨課堂”、“騰訊課堂”等現代化手段進行課前預習、課中互動和課后拓展。在課前針對性預習，用手機掃碼進入課堂，解決考勤費時問題。課堂中實時提問，讓學生發送彈幕回答并活躍氣氛，加強互動；通過隨機點名和實時測試，了解學生對知識點掌握程度，提升課堂學習的交流與效率。在課后通過微信群將課件、習題發給學生，同時通過線上互動為他們答疑解惑，做到聽課不停聯，師生交流隨時在線。同時，充分利用線下資源，可以對基礎差的學生進行補習，也可以拓展基礎好的學生的學習廣度及深度。

3.深度備課，創新課程教案

結合課程的內容深度挖掘課程中的經典案例、人物軼事等相關歷史背景并從社會、國家、職業及個人4個層面強化“立德樹人”內涵，設置課程思政內容。比如在緒論里通過介紹屠呦呦因研發青蒿素獲得諾貝爾獎、我國對新冠疫情的防控等相關實例提升學生的民族自信和對國家制度的認可；在講蛋白質化學內容時通過講授燙發的原理和自身經歷說明知識的儲備對將來走向工作崗位的重要性；在講蛋白質變性時通過介紹吳憲教授在蛋白質變性理論研究中歷時11年發表12篇論文的事跡讓他們認識到堅持及嚴謹治學態度的重要性。同時結合教學目的和要求從板書設計、教學形式與手段進行精心設計，大大提升課堂講授的效率和效果。保證了課堂教學主戰場的高效性和高質量。

4.創新教學形式和教學手段

（1)理論聯系實際設計思路

盡可能將生化中涉及的基礎知識和相關理論放到學生熟悉且具體的現象和事例中。生物化學中的理論與生活接觸緊密，在講授相關內容時，盡可能結合生活中實例，如通過介紹燙發原理形象地講授蛋白質二級結構α螺旋與β折疊的互換；酒精消毒、豆腐制作涉及蛋白質變性問題；重金屬中毒涉及蛋白質等電點的問題等，這些問題不僅激發學生的學習興趣和動力，還提升他們對知識點的理解和掌握，同時增加生活常識和健康理念。

（2)問題探究式的教學模式

按照“問題導入、啟發思考、共同分析、構建知識體系、知識應用”的教學模式，將前面學過的知識進行復習回顧，并和新知識點進行對比分析。這種教學方式可以讓學生跟上教師的思路，更重要的是在教學過程中，以學生為中心，通過自主思考進行知識的歸納總結，讓教師在課堂上盡量扮演引路人的角色。

（3)針對學科經典著名事件進行案例教學

如遺傳物質的發現之旅，通過介紹英國生物學家弗雷德里克·格里菲斯的肺炎鏈球菌轉化實驗、美國微生物學家奧斯瓦爾德·艾弗里、阿爾弗萊德·赫爾希的噬菌體侵染實驗以及沃森和克里克的DNA雙螺旋結構的發現過程，和學生一起分析當時實驗背景、實驗采用方法、實驗過程以及研究者的思路。結合科研項目與課程相關內容，讓他們了解本課程體系對于專業的重要性，提升解決復雜工程問題的能力。

5.構建課堂外的立體化創新教學體系

針對生物基礎好，對生物學科有強烈興趣的學生，將其吸引到暑期實踐、科研選題競賽、大學生創新實驗及學科競賽中，通過參與環境生物方面的課題與項目，達到生物基礎知識學習與創新環節相融合，從而提升學生創新能力、科研素養，實現差異教學[5]，培養具有一定生物基礎知識的環境工程拔尖人才。在此過程中，學生通過運用生物基礎知識來解決環境專業中問題的能力得到提升。以學生為中心落實到課程上就要求圍繞學生發展來設計課堂，將培養目標與課程性質、學生興趣等結合起來，力爭讓每一節課成為學生能力成長的一個臺階。在教學過程中，嘗試改變以往單一的教學模式（如課堂講授)，不斷吸收新的教育教學理念與現代化技術（研究型課程、課題式教學)，實現教學模式的多樣化，同時促進不同課程之間的有效對接、互補，優化課程群建設，最終形成多元化的教學體系，以期促進人才培養質量的真正提高。

效果及推廣應用

通過“立體化生物學基礎課程創新教學體系的構建”，課堂教學主戰場得到加強，體現在學生學習興趣高、課堂互動參與度高等方面。2019年環境工程專業認證專家組組長在進校考查現場聽取了《生物化學》課程，對課堂的教學效果、學生的參與度以及教案的精心準備給予了高度評價。

在課堂外創新育人載體中，近年來環境工程專業每年有接近20%學生參與環境生物有關的暑期實踐、科研選題訓練及大學生創新實驗等實踐項目并了解了指導教師的科研項目。這些課外的創新教學是培養學生創新科學研究思維和實踐動手能力的最佳載體，而各種學科競賽成為展現大學生創新意識和動手能力的優秀舞臺。專業學科競賽激發了學生應用所學生物專業理論知識來解決生產實際中存在問題的挑戰和熱情，獲得了良好成果。

注

本文系2020年度中國礦業大學（北京)本科教育教學改革與研究重點項目“以創新能力培養為核心的環境科學與工程育人體系建設”（課題編號:J20ZD11)和2020年度教育部新工科研究與實踐項目“能源礦業類高校煤炭潔凈利用相關專業多學科交叉復合改造升級探索與實踐”（課題編號:E-KYDZCH20201801)基金資質。