基于創新能力培養的環境微生物學實驗教學改革

0 引言

隨著我國經濟的發展和產業的轉型升級，培養具有實踐能力、創造能力和創新精神的高素質人才，已成為當前高等教育的重要任務[1]。促進主動學習、鼓勵動手實踐和引導科學研究是培養大學生創新能力的保障[2]。

環境微生物學實驗作為環境工程專業的核心實踐課程，可以幫助學生掌握、鞏固微生物學基礎知識，應用微生物技術解決實際問題，培養他們的創新思維和實踐能力。該課程涉及的研究手段和技術已被廣泛應用于環境污染治理和環境生態修復等各個領域，并不斷發揮其關鍵作用，為提高工程治理效果和環境微生物的研究奠定堅實基礎，也成為認識和解決環境問題的重要武器[3]。但由于條件限制，不少地方院校在實際教學方面仍存在許多不足，如傳統實驗項目與行業需求脫節，無法有效培養學生的創新思維和解決實際問題的能力；現有教學模式仍以灌輸為主，難以激發學生的學習興趣，已經不適應新時期人才培養的要求和時代發展的需要。

因此，本文以廣東石油化工學院國家級一流建設專業和通過中國工程教育認證的環境工程專業為例，積極探索環境微生物學實驗教學模式改革，旨在幫助學生真正理解環境微生物在環境污染治理和修復中的重要功能，更好地培養學生的創新思維和實踐能力，同時，為地方院校培養石油化工行業污染治理、生態修復等方面的工程技術人才提供參考，為推動區域綠色石油化工產業高質量發展作出貢獻。

1環境微生物學實驗教學存在的主要問題

1.1實驗教學體系設計不合理

目前，一些地方高校的環境微生物學實驗內容主要以驗證性實驗為主，綜合性、設計性實驗項目較少，實驗內容重復，實驗學時不足，導致教師和學生對實驗教學重視程度不夠，實驗課程有時流于形式，不利于學生操作能力、創新實踐能力和學習興趣的提高。例如，廣東石油化工學院環境工程專業原環境微生物學實驗課程為20學時，其中驗證性項目占 80% ，綜合性項目占 20% ，缺乏設計性實驗項目，無法滿足專業認證背景下環境微生物學實驗教學要求，學生很難體會環境微生物在環境污染控制、環境治理和環境生態修復中的作用。另外，原有教學內容與學科前沿技術結合甚少，學生無法通過課程學習理解掌握最新研究技術手段，不能有效激發學生的學習主動性和創造性[4]。

1.2教學方式單一

環境微生物學實驗傳統教學方式以教師講解演示、學生機械操作為主。實驗材料和試劑藥品由實驗員課前準備，學生沒有參與過實驗準備過程這種教學方式會導致一些自覺性差的學生課前不預習，不清楚實驗原理、步驟和注意事項等，無法很好地分析討論所得到的實驗結果，理論與實踐脫節，不利于培養學生分析和解決問題的能力。

1.3考核方式不科學

原有實驗教學考核方式一般以出勤和實驗報告組成，缺乏過程性評價，忽視對學生實驗操作技能和綜合能力的考核。由于班級人數和分組較多，教師在課上無法兼顧到每一位學生，導致部分學生沒有認真開展實驗或者沒有得到實驗結果，甚至出現極個別學生抄襲別人的實驗報告反而得到較高分數的情況[5]。因此，僅靠出勤情況和實驗報告來評定學生成績，并不能反映學生的知識掌握情況和實際教學效果[6]

2環境微生物學實驗教學改革

實驗教學是本科人才培養課程教學體系中的重要一環，在培養學生創新精神和實踐能力方面發揮著重要作用，也是高校實現應用創新型人才培養目標的主要途徑[7]。

2.1優化實驗教學內容

教學內容改革是教學改革的重點[8]。完整的實驗教學體系是保證實驗教學質量的基礎，但原有的實驗教學體系難以滿足以培養學生創新思維和實踐能力為導向的教學改革需要。因此，本研究將環境微生物學實驗內容調整為基礎性、綜合性和設計性三大模塊，依據“以基礎知識和基本技能為基礎、以創新實踐能力培養為核心、實驗內容與科研前沿相結合為重點”的原則，構建以“基礎一綜合一創新設計”為主線的多層次、開放式實驗教學體系[9]。

1）基礎性模塊包括培養基的配制、無菌操作、微生物接種與培養、細菌革蘭氏染色和顯微鏡使用觀察等內容。這些內容安排在實驗教學前期，要求每位學生課前預習指導書和線上預先發布的操作視頻，課上在實驗指導教師操作講解演示后，單獨操作完成相應的實驗環節，掌握最基本的微生物實驗技術。

2）綜合性模塊要求學生在掌握基礎性實驗后，結合生活中的真實案例開展實驗，如開展自來水中大腸桿菌群的檢測、細菌菌落總數的測定等來源于環境污染治理過程中的現實問題。學生自行查閱文獻或利用學校環境資源等方式，通過分組合作，自主選擇合適且實驗室能滿足的實驗條件，教師提供線上和線下指導。該模塊可安排在教學時間或課余時間，讓學生自主靈活開展實驗。

3）設計性模塊是培養學生創新實踐能力和科研能力的核心。該模塊需要教師根據教學團隊研究的相關課題和當前熱點問題，設置一些具有可操作性、難度適中的自主性研究專題供學生選擇。學生自行組成 3～4 人的小組，確定研究主題后，通過查閱文獻資料設計研究方案。實驗指導教師審核各組設計方案是否具有可行性，然后學生利用課余時間獨立開展實驗、完成研究性實驗報告并進行匯報展示。該模塊不僅可以培養學生的團隊合作精神和時間管理能力，讓學生成為實驗教學的主人，還能夠充分調動學生的積極性，提高他們的創新實踐能力和動手能力。

2.2改進實驗教學方法和教學手段

教學是教與學雙向互動的過程。信息技術的發展使線上教學成為傳統教學模式的有效補充[10]。近年來，全國各高校紛紛探索線上線下混合式實驗教學新模式，包括理論原理講解與實驗視頻教學演示相結合、線上教學與線下實驗操作相結合、線下教學與虛擬仿真實驗平臺相結合等。教師課前利用學習通或雨課堂等平臺發布相關內容和學習資料，將晦澀難懂的知識轉化成生動形象的動畫和視頻，提高學生對實驗內容的感性認識。教師在線上實時與學生交流答疑，通過平臺數據反饋了解學生的學習情況和建議等，使學生在進入實驗室前對實驗相關知識原理、操作過程和注意事項有較為清晰的認識。同時，本課程教學團隊還利用實驗室虛擬仿真平臺，通過“以虛補實、以虛促實”彌補了因昂貴精密儀器稀缺或某些致病性微生物存在安全隱患而導致的相關實驗難以實施的缺憾。此外，在教學過程中，教師針對不同環節、不同學生采取有針對性的教學方法和手段，如項目式、同伴教學式、小組協作式、目標問題導向式等，堅持以學生為中心，豐富實驗教學形式，推動傳統實驗教學從識記、被動理解向探究、創新轉變，培養學生的辯證思維和科學素養。

2.3建立開放實驗室

為充分發揮學生的學習自主性和能動性，保證每個學生都能順利開展并完成實驗項目，本課程教學團隊建立本科生開放實驗室。制定實驗室安全準入制度，對學生進行安全環保培訓、實驗室安全考試和實驗項目風險評估，學生獲得安全準入證書后方可預約進行實驗操作，從而保障實驗能夠安全開展。同時，制定開放實驗室安全管理制度、儀器設備管理制度、化學品管理使用制度等管理體系。

借助開放實驗室，可使實驗教學突破教材文本、教學時間和教學空間的限制，將實驗內容、方法技術與當前環境污染治理現狀有機結合，使實驗教學不再是刻板的重復與驗證模式，而是師生關系融洽、氣氛活躍、和諧平等、充滿探究活力的教學新生態，以自由開放的教學方式引導學生開展自主創新訓練，讓他們有機會自己去發現、探索、思考，從而更全面地訓練創新思維，提升實踐動手能力。例如，根據學校石化特色，有學生設計了某石化公司石油烴降解菌分離篩選課題。借助開放實驗室，學生通過團隊合作最終分離篩選出若干株高效石油烴降解菌，并深入研究了其最適培養條件。學生還以此課題為基礎完成畢業論文，并取得較好的研究結果。這種全開放式、研究式的實驗教學模式，使師生角色發生改變，更加凸顯學生在實驗教學中的主體性地位，使每位學生都有動手操作的機會，從知識接受者轉化為知識探索者，真正成為實驗各個過程的主體。這種實驗教學模式極大地激發了學生自主學習和探究學習的積極性，提高了他們的科研素養和創新能力。

2.4改革實驗教學考核模式

實驗課程考核是檢驗學生實踐動手能力和綜合素質的重要指標。一套科學合理的實驗考核模式不僅能使學生端正學習態度，獲得良好的實驗教學效果，還能激發學生的實驗積極性和學習興趣[]。本實驗課程構建了過程性與總結性、線上與線下相結合的全過程多元評價方式，由課前預習（ 10% ）、課堂表現（ 30% ）、設計性實驗（ 20% ）、實驗報告C 20% ）和期末考評（ 20% ）五部分組成，最終成績按百分制給分，60分為及格。

1）課前預習。對于沒有微生物背景的環境工程專業學生，課前預習是保證實驗教學效果的重要手段。但以往的預習方式主要要求學生寫預習報告，大部分學生只是將實驗內容機械地抄寫一遍，不僅預習效果差，還加重學生負擔影響學生的學習熱情。因此，本課程借助學習通和虛擬仿真軟件等在線平臺，提前一周將學習內容上傳至平臺，學生課前可通過電腦端或手機端進行自主學習、測試并提交答案，完成預習。

2）課堂表現。該部分考核包括學習態度和實驗操作技能兩方面，環境微生物實驗所必備的基本操作技能，如無菌操作技術、顯微鏡觀察技術、革蘭氏染色技術等無法通過實驗報告直接評判學生是否能規范操作并熟練掌握。通過課堂操作技能和過程性考核，不僅可以及時糾錯、端正學習態度，還可以杜絕少部分學生不愿動手、懶于思考總結、抄襲別人實驗結果等不良現象。

3）設計性實驗。主要從方案設計的合理性與創新性、實驗操作技能的規范熟練程度、分析解決問題能力和團隊合作能力、實驗結果的分析總結和個人貢獻度等方面進行綜合評分。該部分注重對學生的自主性和創造性的考核，引導學生體驗、質疑、反思、探究、創新。

4）實驗報告。主要對學生實驗結果進行評價，是考查學生分析和解決問題能力的重要標準。

5）期末考評。包括現場實驗操作考核和理論考試兩部分。現場實驗操作考核是在所有實驗項目結束后，由學生現場抽取某個實驗操作項目，教師觀察學生操作后現場評分；理論考試要求學生在規定時間內單獨完成涉及實驗原理、現象分析等內容的理論試題。

新的考核評價方法加強了實驗操作過程性考查，對學生提出了清晰明確的要求，提高了學生動手實踐操作的積極性和主動性，能夠更好地達成教學目標，提高實驗教學效果。

2.5融合科研項目和實踐基地

高質量的科研工作永遠是提高教學水平的助推劑，將科研與實驗教學有機結合是提高教學質量的有效途徑之一，高等院校在實驗教學中越來越重視將科研內容轉化為教學資源[12]。將不同類型的科研項目融入環境微生物實驗教學，有利于提高學生的科研創新能力和培養理論與實踐兼備的應用型人才，更好地為區域綠色石油化工環保產業高質量發展服務。學校在實驗教學過程中，利用課程團隊教師和學院教師承擔的各類科研項目，通過雙向選擇主動吸收學生參與項目研究，并指導學生組團申報全國大學生創新創業大賽和中國國際“互聯網 +^，，， 大學生創新創業大賽等各種學生大賽項目，將科研資源和比賽項目轉化為實驗教學資源，激發學生對科學研究的熱情，提升學生創新能力和專業技能，提高其自主學習能力和分析、解決實際環境問題的能力，從而達到“科研反哺教學、以賽促學”的效果。教師在指導學生過程中，須不斷學習，努力拓展自身專業領域技術，達到“以研促教、教促成長”的良好效果。例如，學生開展的“微生物菌群ZY1對磷酸三甲苯酯三種同分異構體的降解及分子機制研究”“好氧反硝化菌的分離純化及其脫氮性能探究”創新設計模塊就是來源于課程教學團隊教師的國家自然科學基金項目和學生立項的國家級創新創業訓練項目。

另外，利用教學實踐基地組織學生去本市污水處理廠、煉油廠、垃圾填埋場、環境監測部門等單位現場了解、學習微生物在污水處理、固體廢物處理和環境監測過程中的重要作用。同時，學生可以現場采樣并自主開展綜合性和設計性實驗，有效培養自主探索、分析、研究、解決復雜環境工程問題的能力。

3結束語

經過不斷探索和實踐，環境微生物學實驗教學的效果明顯提升，學生的創新實踐能力和團隊合作能力也顯著提高。但在教學改革過程中也遇到了一些問題，如學校對開放實驗室使用作出明確要求，學生開展實驗必須有教師全程在場，導致實驗指導教師和實驗室管理員的工作量大大增加，且學生實驗所需耗材也增加不少。未來，在教學實踐中仍需不斷探索優化，持續改進，切實貫徹以學生為中心的理念，爭取學校相關部門和其他有關方面的大力支持，使環境微生物實驗教學更契合國家級一流專業建設要求和環境工程專業認證標準的人才培養目標，為新時代改革發展培養具有學習能力、實踐能力、創新能力和主動適應社會需要的應用型環保產業創新人才。

4參考文獻

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