“環(huán)境工程微生物學”課程教學的幾個重要問題

程 翔 孫德智

（北京林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，北京 100083）

“環(huán)境工程微生物學”是我國高等學校環(huán)境工程專業(yè)核心課程之一，該課程的理論與實踐內(nèi)容十分豐富。隨著全球范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境問題日益表現(xiàn)出的普遍性、嚴重性和復雜性，環(huán)境科學與工程領域的新理論和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，包括微生物學在內(nèi)的生命科學也發(fā)展迅速，尤其在分子水平上的研究更是取得了豐碩的成果。這就要求“環(huán)境工程微生物學”課程的知識內(nèi)容和理論體系必須隨之拓展和更新，對課程教學的任務、內(nèi)容和方式不斷進行調(diào)整和改革，以適應社會的需求。

北京林業(yè)大學“環(huán)境工程微生物學”課程被列為環(huán)境工程專業(yè)必修課和專業(yè)基礎課，總計48學時，其中理論課32學時、實驗課16學時。在有限的學時內(nèi)，如何使專業(yè)學生較全面地掌握環(huán)境工程微生物學的基礎理論體系、核心知識內(nèi)容和基本實驗技術(shù)，培養(yǎng)學生觀察和分析事物的能力、利用微生物學理論知識解決環(huán)境問題的能力和創(chuàng)新能力，是本課程的中心任務?；诖耍P者對該課程近幾年的教學情況和成果進行了綜合分析，對問題和經(jīng)驗進行了總結(jié)和研究。

一、課程的定位

“環(huán)境工程微生物學”在整個環(huán)境工程專業(yè)的課程體系中是一門非常重要的專業(yè)基礎課。它既包括基礎微生物學的知識內(nèi)容（微生物的分類、形態(tài)結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)、代謝、生長繁殖、生態(tài)、遺傳和變異等），還包括微生物在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)和環(huán)境污染控制中的作用原理（微生物在元素循環(huán)中的作用、微生物對污染物質(zhì)的降解和轉(zhuǎn)化等）以及微生物新技術(shù)在環(huán)境工程中的應用等方面的內(nèi)容［1］。因此，環(huán)境工程微生物學不等同于環(huán)境中的普通微生物學，也不是環(huán)境污染的生物處理工程。“環(huán)境工程微生物學”是在學生不具備微生物學的基礎理論知識的背景下，通過介紹與環(huán)境科學與工程領域相關(guān)的微生物學基礎知識理論和實驗技術(shù)，為后續(xù)的水、空氣、固體廢棄物污染控制工程以及污染環(huán)境的生態(tài)修復等專業(yè)主干課程提供知識儲備和理論基礎。這就是“環(huán)境工程微生物學”課程學習的目的和任務。這一點對于“環(huán)境工程微生物學”課程教師的教學和學生的學習都非常重要，它決定了整個課程的邏輯結(jié)構(gòu)、重點內(nèi)容和教學方式。也就是說，“環(huán)境工程微生物學”的教與學，必須突出環(huán)境污染治理和生態(tài)環(huán)境保護的主題，將微生物學的知識理論和環(huán)境領域的工程實踐緊密結(jié)合，才能取得良好的教學效果。

二、教學內(nèi)容的設置

目前，各個學校編寫了不少環(huán)境微生物學的教材。其中，周群英和王士芬編著的《環(huán)境工程微生物學（第三版）》為廣大高校的環(huán)境科學與工程專業(yè)所采用，它基本可以滿足一般工科類院校的教學要求。但是，在使用的同時，各學校還應根據(jù)自身的專業(yè)特色，對其中各章節(jié)的內(nèi)容進行取舍，并針對各自的專業(yè)適當增加內(nèi)容，比如土壤微生物、海洋微生物等，以體現(xiàn)學科的優(yōu)勢研究領域。

在“環(huán)境工程微生物學”的教學過程中，把握好基礎微生物學和微生物在污染控制中的作用兩部分的關(guān)系十分重要。前者是后者的理論基礎，后者則是前者的工程應用，重點則是環(huán)境工程實踐中的微生物學原理。如果對微生物的結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)、代謝等內(nèi)容介紹過多，課程容易演變?yōu)榧毎飳W、微生物生理學或生物化學等；而對污染控制的具體工藝過程涉及過多，又容易重復污染控制工程的課程內(nèi)容。因此，在課程教學時，應合理安排這兩部分的比例。另一方面，“環(huán)境工程微生物學”的教學還應處理好與其他相關(guān)課程的相互關(guān)系。北京林業(yè)大學開設的“植物學”“環(huán)境生物學”等課程與“環(huán)境工程微生物學”之間存在一定的聯(lián)系，3門課程在如細胞結(jié)構(gòu)、生理代謝、遺傳變異等知識內(nèi)容上均有一定的論述，但課程核心和重點內(nèi)容各不相同。在講解“環(huán)境工程微生物學”時，應注重強調(diào)微生物細胞、生理、遺傳方面的獨特性，并對這些特性在環(huán)境工程領域的應用展開詳細介紹。也就是說，在教學過程中需要注意知識單元的邏輯銜接，注重課程體系的統(tǒng)一性，要明確課程的側(cè)重點，避免重復。

基于當前環(huán)境科學與工程學科的飛速發(fā)展，“環(huán)境工程微生物學”的課程教學還應緊密結(jié)合當前環(huán)境污染控制和生態(tài)修復相關(guān)領域的新進展，而不能只停留在傳統(tǒng)污染處理工藝的微生物學原理上。教師通過對最新污染控制工程理論和技術(shù)的微生物學原理進行解析，可以激發(fā)學生學習的興趣、專業(yè)的熱情，樹立投身環(huán)境保護事業(yè)的志向，課程的教學效果也會隨之提高。例如，在廢水生物處理的微生物學原理部分，筆者介紹了這幾年比較受關(guān)注的利用好氧顆粒污泥處理高負荷、強毒性有機廢水的新工藝，解析了活性污泥微生物胞外聚合物在好氧顆粒污泥形成中的作用以及生物處理系統(tǒng)由于污泥濃度大幅增加而帶來的高效性，來強調(diào)通過利用微生物的生理生化特性進行廢水處理技術(shù)的革新。學生對這些新內(nèi)容的反饋很活躍，也引發(fā)了很多討論。

三、教學方法的改革和創(chuàng)新

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代社會的快速信息化，傳統(tǒng)的、單一的灌輸式教學方法難以取得滿意的教學效果，也無法滿足當前創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求。大學課堂的教學必須與時俱進，應借助多媒體、網(wǎng)絡以及最新的科研成果和成功的工程實例，來豐富教學的內(nèi)容和形式，提高教學效率和效果［2］。

（一）合理使用多媒體課件

根據(jù)實驗心理學的原理，對于同樣的信息，圖像比文字容易被信息接受者所記憶，這就是所謂的“圖象優(yōu)勢定律”［3］。在傳授以敘述性為主的知識內(nèi)容時，合理使用形象思維方法，可以幫助學生提高記憶力；而信息的幾何形狀、色彩、字符對形象思維的建立起著相當大的作用。環(huán)境工程微生物學的研究對象是肉眼看不見的微小生物，在教學中通過展現(xiàn)大量生動形象的微生物照片，可以使學生容易認識和區(qū)分種類繁多的微生物，印象深刻，易于激發(fā)學習興趣。例如，在比較G＋和G-細菌的結(jié)構(gòu)時，通過對細胞圖片的詳細講解可以清楚地說明二者的區(qū)別：G-細胞由胞外到胞內(nèi)依次為外膜、細胞壁、周質(zhì)空間及原生質(zhì)膜，而G＋則為細胞壁、原生質(zhì)膜；同時，G-細菌的細胞壁上僅有一層很薄的肽聚糖，但脂肪層較厚，相反G＋細菌的細胞壁含有多層肽聚糖，而脂肪卻相對較少。這樣，學生對G＋和G-細菌細胞壁差別的認識就會十分深刻，為此后順利開展革蘭氏染色實驗提供了理論基礎。在介紹微生物代謝、遺傳等較為抽象的知識內(nèi)容時，教師可以合理采用示意圖、動畫等形式來進行講解，將有效提高學生對知識的理解和掌握水平。例如，在微生物的遺傳和變異一章中，筆者采用Flash動畫演示了微生物遺傳的經(jīng)典轉(zhuǎn)化實驗即肺炎鏈雙球菌感染小白鼠實驗，使原本抽象難懂的概念和理論變?yōu)樯鷦拥漠嬅?，教學效果明顯改善。事實上，國內(nèi)外一些著名高校、環(huán)境微生物實驗室的網(wǎng)站上和國外優(yōu)秀原版微生物教材中有許多高質(zhì)量的微生物圖片、教學課件和研究成果，教師可以將其作為本課程的教學素材來加以使用，豐富教學內(nèi)容，開闊學生視野。

（二）充分利用科研成果和工程實例

大學階段的人才培養(yǎng)正日益與科學技術(shù)和社會生產(chǎn)的發(fā)展緊密聯(lián)系，這就要求“環(huán)境工程微生物學”的教學要注重結(jié)合科學研究和工程實踐，不斷地加入新的科研成果和工程實例來說明課程的基本知識和基礎理論。同時教師也不能脫離科學研究和工程實踐而單純地搞教學工作。只有長期參加科研實踐的教師，才能使自已的教學內(nèi)容更加具有前沿性、獨創(chuàng)性和啟發(fā)性，在豐富自己的教學內(nèi)容的同時加深學生對知識的理解；也只有將教學與工程實踐有機結(jié)合起來，才能更有效地激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力［4］。例如，筆者在教學過程中選取了微生物燃料電池研究中最新發(fā)現(xiàn)的細菌鞭毛充當“納米導線”的現(xiàn)象作為背景材料，展開討論，分析了細胞鞭毛的電子傳遞功能在物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量代謝中發(fā)揮的作用。這個例子在介紹微生物學知識的同時，很好地詮釋了如何恰當?shù)乩梦⑸锏奶匦詠斫鉀Q環(huán)境問題和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。又如，通過介紹實際工程項目——煤氣廢水生物處理系統(tǒng)中活性污泥的馴化過程，說明了微生物遺傳和變異的特性對于有毒有害工業(yè)廢水處理的重要意義。

（三）改變傳統(tǒng)教學模式

在當前大學教學中，課時的有限性與知識的增長性之間的矛盾日益突出，“環(huán)境工程微生物學”這門新興的交叉學科尤為如此。所以，教師在授課時，應更加注重所介紹內(nèi)容的質(zhì)和量，將多而雜的信息進行疏理與歸納，并以更加靈活的方式傳達給學生。這就要求教師在教學模式上進行變革，改變以往單一的注入式教學方法，采用多種方法有機結(jié)合的教學模式，將教師的主導作用和學生的主體地位相結(jié)合，從而在傳授知識的同時提高學生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

研究表明，提問、引入和討論等啟發(fā)式教學方法比起傳統(tǒng)的注入式教學模式更為吸引人，更能收到事半功倍的效果。一方面，啟發(fā)式教學可以促進師生之間的互動，活躍課堂氣氛，激發(fā)學生濃厚的學習興趣；另一方面，啟發(fā)式教學可以培養(yǎng)學生將書本知識應用于實際的思考和分析等綜合能力?？傮w來講，一些基礎性知識的教學，可以以教師講解為主，但講解的內(nèi)容要少而精，留一部分內(nèi)容讓學生自己去消化吸收。對于理解性的知識內(nèi)容，教師要啟發(fā)學生積極思考，有些問題要引而不發(fā)，導而不講，讓學生自己通過分析和總結(jié)來深化認識。此外，還應注意到高年級本科學生已經(jīng)具有一定的自學能力，對于一些比較淺顯的、多門環(huán)境類課程反復涉及的章節(jié)內(nèi)容或非核心知識單元，完全可以安排由學生自學來完成。例如，在講解微生物在氮素循環(huán)中的作用時，筆者詳細介紹了硝化作用、反硝化作用等生化反應過程及其影響因素，所以在講解廢水微生物的脫氮原理時，采取了“學生自學為主，教師組織討論和總結(jié)”的教學方式。這種教學方式既節(jié)省了課時，同時又鍛煉了學生的自學能力、認識能力和分析能力，為以后的科研創(chuàng)新打下基礎。

四、實驗項目和實驗內(nèi)容的挑選和設置

如果說理論教學的課堂容易出現(xiàn)“教師—學生”信息單向流動的現(xiàn)象，那么實驗課則毫無疑問是以學生為主體進行的教學和認識活動。環(huán)境工程微生物學是一門實踐性和應用性極強的學科，其實驗部分的內(nèi)容對整個課程教學的效果會產(chǎn)生重要影響?；诖?，北京林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院從2011年開始將本門課程的實驗部分從10學時提高至16學時（每學時100min），并單獨設課，稱為“環(huán)境工程微生物學實驗”?！碍h(huán)境工程微生物學”實驗課是加深學生對該門課程理論知識的理解、培養(yǎng)學生的微生物實驗技能以及提高學生運用微生物學知識理論分析和解決環(huán)境問題能力的一個重要環(huán)節(jié)。有學者將這些實驗項目分為驗證性、綜合性、研究性和生產(chǎn)實踐性等4種類型，筆者認為此分類具有重要的參考價值［5］。驗證性實驗是實驗課程的基礎，是理解和掌握環(huán)境工程微生物學知識內(nèi)容的基本保證，其實驗的主要內(nèi)容相對固定，比如北京林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院開設的“光學顯微鏡的操作及細菌、放線菌、霉菌的形態(tài)觀察”“活性污泥微生物的顯微鏡觀察”“革蘭氏染色技術(shù)”“培養(yǎng)基配制及滅菌技術(shù)”“細菌純種分離、培養(yǎng)和接種技術(shù)”等實驗項目。其他3類實驗是在不同深度和廣度上對所學內(nèi)容的拓展和綜合運用，起著開發(fā)學生研究熱情和創(chuàng)新欲望的作用，其具體內(nèi)容的選擇往往有很大差異。對于這部分內(nèi)容，目前北京林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院已開設及計劃開設的有“水中總大腸菌群的測定”“空氣中微生物的測定”“土壤微生物的類型、數(shù)量及分布分析”等實驗項目。這些實驗項目的內(nèi)容相對完整，學生需要對實驗的過程進行總體設計，通過對身邊的實際樣品（如宿舍區(qū)污水、道路空氣和校園土壤等）進行檢測和分析來確定自己周邊環(huán)境的質(zhì)量水平，這些實驗都得到了很好的教學效果。但總體上，該部分的實驗內(nèi)容仍在不斷完善中。4種不同類別的實驗對于課程的教學都十分重要，不可彼此替代，不可顧此失彼，其優(yōu)化組合則可以實現(xiàn)“環(huán)境工程微生物學實驗”實用性、趣味性、創(chuàng)新性的統(tǒng)一。各學?？梢愿鶕?jù)自身的教學條件，合理設置實驗項目的具體內(nèi)容和比例，從而達到專業(yè)培養(yǎng)目標的要求。

［1］周群英，王士芬.環(huán)境工程微生物學［M］.3版.北京：高等教育出版社，2008：1-375.

［2］包俊江，邢世路，田瑞.環(huán)境工程微生物教學過程中網(wǎng)絡與多媒體技術(shù)應用［J］.內(nèi)蒙古工業(yè)大學學報：社會科學版，2004，13（1）：137-138.

［3］賓麗英.啟發(fā)式教學法在“環(huán)境工程微生物學”教學中的應用［J］.廣東工業(yè)大學學報：社會科學版，2007，7（增刊）：132-133.

［4］楊朝暉，曾光明，劉云國，等.環(huán)境工程微生物學教學改革的探索與實踐［J］.大學教育科學，2004（3）：45-47.

［5］王國惠.環(huán)境工程微生物學實驗教學改革研究［J］.微生物學通報，2005，32（2）：144-145.