強調動手能力訓練的在線實驗課程設計與思考
——以“環境微生物與實驗”全英文課程為例

蔡偉偉，李冬梅，賈方旭，李新洋，姚 宏

北京交通大學環境學院，北京 100044

環境工程作為一門以問題為導向的學科，始終圍繞環境問題，以工程技術與原理為手段，主張在不引發二次污染的原則下解決問題。微生物學是環境工程學科非常重要的理論基礎課程，解決很多環境問題均需依賴微生物的代謝活動，比較典型的包括污水生化處理、有機固廢好氧堆肥/厭氧消化等。因此，“環境工程微生物學”是環境專業的必修課程[1-4]。

“環境工程微生物學”的教學實踐以微生物學的相關理論為主，同時還包括大量實驗教學。實驗教學能夠很好地培養學生的動手能力以及解決問題時的邏輯思維能力。隨著線上教學以及各種網絡課程的普及與發展，線上平臺能夠更好地擴展優質師資與課程資源，為學生提供更為開闊的學習視野。但由于實驗課程涉及場地、器材、耗材等一系列專業教具，使得實現線上教學存在困難[5-7,1]。因此，積極開發適合于線上教學體系的環境微生物實驗課程，一方面有利于讓更多學生享受更好的教學資源，另一方面也能夠促使學生學會將理論學習與日常生活融會貫通，更好地理解環境問題來源于生活以及解決問題需要從理論回歸生活的道理。

1 課程目的

“環境微生物與實驗”是環境工程專業的重要基礎課程。本課程可以使學生掌握微生物學的基礎理論知識以及污染物生物控制技術的相關微生物學原理，培養學生利用微生物學原理分析并解決環境科學和工程研究中機理問題的能力，并為學生學習專業課程及開展科研工作打下良好、扎實的基礎。

本課程是北京交通大學威海校區的全英文課程。北京交通大學威海校區的環境科學與工程專業是由北京交通大學與英國蘭卡斯特大學合作共辦的，教學體系融合了中英雙方的教學特色，在課程內容和授課方式上均促進了中西方的相互借鑒。北京交通大學威海校區的目標是培養高素質、創新型的國際化專業人才，是北京交通大學與海外著名高校合作辦學的先驅基地。環境科學與工程專業是北京交通大學環境工程專業與蘭卡斯特大學環境科學專業優勢互補的產物。其中，“環境微生物與實驗”的教學內容既是北京交通大學環境工程專業重要的理論支撐，又是蘭卡斯特大學環境科學專業研究地球生物化學循環的重要組成部分。而其中的實驗教學部分則是學生動手實踐、將理論應用實踐的關鍵環節。因此，“環境微生物與實驗”中的實驗課程是培養學生動手實踐能力的關鍵部分。

2 案例——微生物培養基的制作與接種實驗

2.1 案例實驗設計的流程

如圖1 所示，實驗室操作流程主要包括確認實驗目的、進行實驗操作和考察學生實驗結果。而轉為在線教育后，實驗課程中的部分實驗無法在實驗室完成，因此需要對原有流程改進設計，使其符合進行居家實驗的現實需求。對實驗課程的改進并沒有利用模擬軟件進行模擬實驗，而是將實驗室操作的實驗進行重新設計之后讓學生能夠利用身邊的條件進行居家操作。

圖1 實驗設計思路及方案

2.2 案例實驗目的

在“環境微生物與實驗”的課程學習中，培養基制備操作及微生物接種是兩項基本操作，也是后期進行微生物相關研究的重要方法。在實驗課程中，學生能夠通過動手操作來加深對微生物分離培養的認識，學會利用營養物質制備簡單的廣譜性微生物固體培養基，同時，還能夠將主動采集周圍環境中的微生物接種到配制好的固體培養基上。該實驗課程能夠打開學生認識微生物的大門，后續的微生物實驗也可以建立在此基礎上，進而進一步強化學生對微生物研究過程的理解和認識。

實驗目的調整：實驗目的建立在課程的設置與安排上，結合課程大綱及課程內容，在線教育并不會改變課程大綱及授課內容（實驗內容），因此沒有對實驗目的進行調整。而且，后期課程的設計和改進都是為了實現原有教學目的而進行的。

2.3 案例實驗設計改進

在培養學生環境保護意識與社會責任感的同時，突出鍛煉與提升其創新思維，尤其對于環境專業的大一新生來說，更應該強化其在建設美麗中國、實現綠水青山的國家戰略中承擔的責任與義務，提升其作為環保事業排頭兵的使命感，以此來厚植學生的家國情懷、加強學生的個人素養。

2.4 案例實驗方法

2.4.1 專業器材替代方案設計

考慮到實驗器材獲取的難易程度，教師在講解實驗時仍以實驗室的專業器材為主，在講解居家實驗方案時則進行替換。例如，加熱過程中使用的電爐可以轉為家用燃氣灶或家用蠟燭，也可以讓學生根據情況自行選擇可替代的器材。教師要重點讓學生明白操作器材的主要作用及注意事項，以及在選擇替代品時判斷替代品有效性及優缺點的方式方法。除了利用燃氣灶代替實驗室用具，家用煮鍋也可以替代燒杯加熱溶解培養基。對于培養基配置前對器材滅菌這一環節，教師需要告知學生如果沒有特別合適的替代方案，可以忽略該過程，但是需要考慮不滅菌會存在什么樣的風險，引發學生主動思考。若放棄滅菌，則在微生物接種過程中可以選擇干凈的棉簽進行接種，同時考慮到家庭環境不適合培養純菌，教師可以鼓勵學生嘗試將門把手、地板等地作為微生物的來源。但是這可能會導致培養基很難形成菌落。

2.4.2 實驗耗材的家用替代方案

考慮到居家條件的限制，實驗耗材的選擇也要盡可能滿足日常容易購買的現實需求。例如，瓊脂可以用果凍等含有瓊脂的食品代替，蛋白則可以用牛奶等高蛋白食物來替代。但是教師需要向學生強調這些替代性食品不具備唯一性，學生可以根據食物成分表來判斷是否合適，并且需要考慮其可能帶來的后果，比如牛奶加熱后會變性，可能導致最終做出的培養基不透明。

2.4.3 風險控制

在培養基配制實驗中，考慮到實驗室和居家的區別，如何避免安全隱患是最重要也是最關鍵的一步。在本案例實驗的實施過程中，首先，要加強對學生安全意識的培訓，強調在家用使用燃氣灶、蠟燭等帶有明火的設備時，需要盡可能與家長溝通，并且最好有家長監督，同時要保證學生遠程視頻，以便于教師可以隨時觀察學生的操作情況。其次，在實驗流程上盡可能規避風險較大的操作步驟，比如，在滅菌步驟中，盡管家中的高壓鍋等設備能夠起到與實驗室滅菌鍋類似的效果，但是學生單獨使用高壓鍋等設備仍存在安全隱患。因此可以省略該步驟。同時，教師可以結合理論與視頻教學，讓學生了解到該步驟的主要作用及原理。最后，在居家操作時，實驗中涉及危化品的步驟同樣需要省略，并且在實驗設計之初就應該進行步驟流程的無害化設計。

2.4.4 評估與評價

學生需要提交實驗報告，并且需要提供視頻以展示自己動手制作的過程。根據實驗報告及視頻，教師能夠對學生進行更為全面的考核。相比線下實驗課程，教師能夠提供更詳細且更具針對性的評估成績。

3 結語

實際操作后證明，本案例具備一定的可行性，但還存在諸多問題，其中主要問題是由于各種器材及原材料需要用替代品導致實驗效果不理想，而這也是最難設計的環節。除此之外，如果只考慮到學生對實驗基本原理的學習和基礎動手操作的鍛煉，那么這種線上教學模式基本能夠完成任務，并且學生參與的積極性更高。綜上所述，這種線上實驗的形式一定程度上引起了大家對新教學模式的思考，比如這種模式對學生積極性的調動是否可以在未來的線下實驗教學中繼續保持，對此，教師可以要求學生在實驗課上完成實驗之后，在家里進行重復性替代性實驗，以加深他們對實驗原理的理解及應用。