基于博士生科研能力培養的“環境微生物圖譜解析”課程教學改革探討

李鵬松 黨 巖 孫德智

(北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083)

近年來，隨著“211”工程“985”工程和“雙一流”建設的推進，我國的高等教育取得了前所未有的巨大發展。據俄羅斯衛星通訊社報道，俄羅斯國立研究大學高等經濟學院統計調查與知識經濟研究所在2018年發布的研究報告顯示，中國已超越美國成為2015-2017年期間科技論文發表數量最多的國家，發表數量占全球發表總數的26.9%[1]。對于這一成就，我國廣大博士研究生群體功不可沒。然而，在全國政協十三屆一次會議上，著名科學家施一公[2]教授指出，有些文章，通俗點叫“垃圾文章”，就是純粹為了發文而發文，這種情況太多了。可見，我國的科研質量還有待提高。

按教育層次劃分，博士研究生是我國人才培養的最高階段。博士研究生是科學研究的主力軍，其科研能力培養不但關系到個人發展，而且關系到國家整體科研實力的增強。博士研究生不但應具有深厚的理論知識，而且還應具有提出問題、分析問題、解決問題和做出創新性成果的科研能力。而課程教學是博士研究生培養過程中的重要環節，也是保證博士研究生培養質量的重要因素之一，因此筆者認為博士階段的課程教學應當以培養學生的科研能力為目的。

近年來，伴隨著基因組學、蛋白質組學和代謝組學的發展，微生物生態學領域相關研究進入了生物組學時代。生態環境工程專業博士研究生的學科背景多為環境科學與工程相關專業，生物學相關基礎知識相對薄弱，因此其在從事生物組學相關科學研究中常常會遇到困難。為了擴充生態環境工程專業博士研究生的知識儲備，“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊為北京林業大學生態環境工程領域博士研究生開設了該課程。該課程主要講授現代微生物生態學研究技術涉及的數據處理與分析方法，尤其是污染物微生物處理系統中的微生態關系和功能解析。“環境微生物圖譜解析”課程教研團隊發現，在該課程教學中還存在的一些不利于學生科研能力提高的問題。因此，筆者對“環境微生物圖譜解析”課程教學進行了改革探索，取得了一定的成效。

一、生態環境工程專業“環境微生物圖譜解析”博士研究生課程教學面臨的問題

(一)忽視課程教學在博士研究生科研能力培養中的關鍵作用

“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊在生態環境工程專業博士研究生課程教學實踐中發現，以往該課程以環境生物技術原理與應用方法的傳授為目的，旨在擴充生態環境工程專業博士研究生的知識儲備，導致學生往往只注重對該課程所學理論知識的驗證，而不知如何將所學的理論知識應用于科學研究。

通過本科和碩士階段的學習，博士研究生已經掌握了較為扎實的專業基礎理論知識，具有明確的學科和專業發展目標。與本科和碩士階段相比，在博士階段教師更加注重培養學生的科研能力，正因為如此，使得教師忽視了在課程教學中對于博士研究生科研能力的培養。對于博士研究生而言，要不要在其培養階段組織課程教學、課程教學環節的作用是什么等問題，學者們的認識并不一致，各國的做法也各不相同。作為高等教育強國的美國在博士研究生培養過程中比較注重課堂教學[3]；我國著名科學家、教育家、國家自然科學基金委員會首任主任唐敖慶[4]教授早在上世紀90年代就指出，我國的博士質量相當于美國的中等水平，與他們的最大差距在課程教學上。當今社會，科學技術飛速發展，知識更新極為迅速，高水平科學研究所需要的日新月異的新理論、新技術和新方法都可以從課程學習中獲取。因此，加強課程建設是培養博士研究生科研能力的重要途徑之一，課程教學對于博士研究生科研能力培養的關鍵作用應該得到充分重視。為了充分發揮課程教學對博士研究生科研能力培養的重要作用，要將培養學生科研能力作為課程教學的首要目的。

(二)課程教學內容與科研脫節

以往“環境微生物圖譜解析”課程在教學內容設置上偏向于對環境微生物領域基本理論知識、經典技術及其應用的介紹，但筆者通過學生反饋了解到，該課程所涉及的理論知識和技術大多與學生的研究方向相關度較低，導致博士研究生在課堂上所學的知識無法在科研實踐中得到應用。出現這種現象的原因在于，受傳統教育理念的影響，高校教師的教學和科研工作往往被割裂為兩項相對獨立的工作，一些教師認為科研就是成果化的科學研究，把教學活動僅局限于教材和課堂上[5]，致使博士研究生的課程在教學內容設置上僅注重學生基礎知識和基本技能的培養，而忽略了科研能力的培養，使課程教學內容與科學研究內容嚴重脫節。因此，筆者基于教師的科研成果和學生的科研方向對“環境微生物圖譜解析”課程教學內容進行了修訂，實現了科研反哺教學。

(三)傳統教學方法不利于博士研究生科研能力的培養

“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊過去采用傳統的教學方法對該課程所要求的知識點進行講解，學生在整個教學過程中處于被動接受知識的狀態。在“環境微生物圖譜解析”課程中涉及到的各種生物組學技術內容對環境生態工程專業學生來說過于抽象，教師采用傳統教學方法講授時教學效果并不理想，學生普遍反映難以深刻理解、掌握該課程內容，在相關數據分析與圖譜解析的過程中會遇到較多困難。可見，傳統的教學方法不利于博士研究生科研能力的培養。

二、基于博士研究生科研能力培養的“環境微生物圖譜解析”課程教學改革的舉措

(一)以培養博士研究生的科研能力作為首要教學目標

“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊首先對該課程教學大綱中的教學目的進行了修訂，在“使博士研究生深入理解環境微生物樣品檢測技術的數據信息在生態環境工程系統過程機制探索中的特定作用，并掌握環境微生物樣品經檢測所獲圖譜的解析方法”的基礎上，添加了“以培養博士研究生的科研能力作為首要目的，……，培養博士研究生分析復雜環境微生態系統的研究能力，使博士研究生能夠將所學內容運用于生態環境工程領域中復雜環境微生物系統的檢測與數據分析工作中”。通過明確該課程以培養博士研究生科研能力作為首要目的，強調了“環境微生物圖譜解析”課程教學對于學生科研能力培養的關鍵作用。

(二)將科研反哺教學的理念落實到課程教學中

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上發表的重要講話指出：“辦好我國高校，辦出世界一流大學，必須牢牢抓住全面提高人才培養能力這個核心點，并以此帶動高校的其他工作。”2012年教育部《關于全面提高高等教育質量的若干意見》指出，促進科研與教學互動，及時把科研成果轉化為教學內容。可見，高校的科研活動應以教學為基礎，以教學內容為起點，服務于教學又蘊含于教學過程之中。科學研究是促進教學質量提升的重要手段，是教師更新知識、補充教學內容的來源，有利于教師學術水平和教學能力的提高。在課程教學中，通過科研反哺教學能夠更有針對性地培養博士研究生的科研能力。

在“環境微生物圖譜解析”課程教學過程中，教學團隊始終堅持科研反哺教學的理念，根據環境科學與工程學院各博士生導師所從事科研的方向和特點，對該課程教學內容進行了修訂。例如，環境科學與工程學院多位博士生導師從事污水或土壤中抗生素抗性基因的分布及動態變化特征相關的研究，其博士研究生對這一方向所涉及到的技術原理、數據分析流程和圖譜解析方法都有迫切的需求。因此，“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊將自身以及環境科學與工程學院博士生導師的最新研究成果以案例的形式展示給學生，并對該案例的“研究目的-技術選擇-實驗設計-實驗操作-數據分析-圖譜解析”進行全流程的詳細講解，以期為博士研究生的科研能力提升提供幫助。在此基礎之上，該課程教學團隊教師還要求博士研究生根據自身未來的研究方向自主開展實驗方案的設計和技術路線的選擇，并讓全體學生參與討論，最后教師給出點評意見。“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊通過將教師在科研一線總結的經驗、取得的成果融入課程教學，實現了科研反哺教學、教學服務科研的良性循環，更有利于培養學生分析問題、解決問題的科研能力。

(三)采用“案例+討論”的教學方法

“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊嘗試將“案例+討論”式教學方法應用于課程的教學實踐中，以加強學生對課程所涉及的環境生物技術的理解。“案例+討論”式教學法指圍繞一定的教育目的，把實際教育過程中真實的情形加以典型化處理，形成學生思考和決斷的案例，并利用獨立研究和小組討論的方式來提高學生分析問題和解決問題能力的一種方法[6]。在“案例+討論”式教學過程中，博士研究生需要對所學知識進行綜合分析，并通過可能的渠道獲取相關信息，對信息進行甄別處理，用于解決所討論的問題[7]。可見，與傳統教學模式相比，“案例+討論”式教學法更加注重博士研究生素質和能力的培養。

另外，“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊基于微生物生態學領域國際頂級期刊上發表的學術論文及自身科研項目所涉及的研究內容，精選出一些典型研究案例應用到該課程教學中。課前，教師將這些典型案例布置給博士研究生進行預習并布置相關思考題。課堂上，學生針對這些案例進行分組討論，并進行小組匯報；教師對各小組的匯報情況進行點評，并對各研究案例中所用到的各種生物組學技術的原理和使用條件進行講解。例如，生態環境工程專業博士研究生的研究課題越來越多地涉及到微生物轉錄組學分析相關內容，目前的轉錄組學分析工作多委托科研服務公司開展，這雖然降低了該技術的應用門檻，但博士研究生在解讀公司給出的技術報告時往往無從下手，導致對研究結果的分析不夠深入。針對這一問題，“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊首先選取了典型的轉錄組學分析技術報告，在課前布置給博士研究生進行預習；其次在課堂上教師針對轉錄組學分析的研究目的、技術原理、實驗設計、實驗流程和結果分析進行講解；最后再給博士研究生布置個性化分析任務，讓學生通過小組討論與實踐理解與掌握該技術。

三、基于博士研究生科研能力培養的“環境微生物圖譜解析”課程教學改革的成效

從整體上看，博士研究生對“環境微生物圖譜解析”課程的學習興趣較為濃厚，尤其是研究方向與微生物生態學相關的學生上課積極性和參與度都較高。

從教學評價結果來看，該課程的綜合評分高達99.6分(滿分100分)，表明博士研究生對該課程的教學滿意度高。在課堂討論與展示環節，學生能夠針對“分子系統及物種組成分析”“熒光標記技術”“功能基因檢測及圖譜分析”和“環境微生物組學分析”等研究主題進行文獻調研，總結歸納出典型的環境微生物圖譜案例，并對這些案例做出深入的解析。

從考試成績看，博士研究生對知識點的掌握程度良好，絕大部分學生通過學習該課程提升了環境微生物圖譜解析能力，與課程設置期望相符合。通過對教學改革前后期末考試所涉及知識點的得分率進行對比，筆者發現本次教學改革后各知識點的得分率均有所提高，見圖1。圖1表明本次教學改革對于培養博士研究生的環境微生物圖譜解析能力具有一定的促進作用。在課程學習過程中以及課程結束以后，一些博士研究生能夠將該課程所學的知識與技能應用到自身的研究中。例如，有位從事厭氧消化體系中微生物胞外電子傳遞相關研究的博士研究生通過在實驗設計、樣本采集、數據收集、處理與解析的過程中自身鉆研并與教學團隊進行討論，完成了深入的數據分析與高質量的基因圖譜繪制，實現了在基因水平和蛋白質水平上對微生物直接種間電子傳遞的深入解析，相關研究成果已被本領域頂級學術期刊接收，得到了同行專家的認可。可見，博士研究生通過“環境微生物圖譜解析”課程學習及課后的科研實踐，其科研能力得到了實質性的鍛煉和提高。

四、“環境微生物圖譜解析”博士研究生課程教學改革的展望

在“環境微生物圖譜解析”課程的教學過程中，教學團隊也發現了一些新的問題，希望在今后的教學過程中進一步改進。

首先，由于博士生研究生各自的研究領域存在差異，對于環境微生物學的掌握程度和水平差異較大，一部分學生覺得教學內容淺顯易懂，另一部分學生覺得聽不懂。因此，在今后的“環境微生物圖譜解析”課程教學過程中需要尋求更合適的案例以使具有不同基礎、不同學科背景的學生能夠更好地掌握教學內容。

其次，在“環境微生物圖譜解析”課程教學的圖譜案例選擇、生物組學技術的前沿性、實用性方面還需要加強。

最后，“環境微生物圖譜解析”課程教學團隊希望在今后的課程教學中融入雙語或全英文授課模式，以提高博士研究生的英文能力，開拓學生的國際化視野，提升國際競爭力。