環(huán)境生物技術(shù)實驗課程內(nèi)容與教學模式改革實踐

吳兵　張徐祥

摘要：環(huán)境生物技術(shù)實驗課程涵蓋的實驗技能范圍廣，需要根據(jù)生物技術(shù)進步和學科需求動態(tài)調(diào)整課程內(nèi)容及教學模式。本文介紹了筆者所在教學小組在環(huán)境生物技術(shù)實驗課程內(nèi)容及教學模式改革等方面的實踐。課程教學內(nèi)容改革以解決實際環(huán)境問題為導向，將基因工程、高通量毒性評估等新型生物技術(shù)領(lǐng)域中不同實驗技能交叉融合形成了3個綜合型實驗，采用了“以研代練”的實驗教學方法，結(jié)合多元考核模式對學生實驗技能和科研思路進行綜合評估，激發(fā)了學生的自主學習動力和創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：環(huán)境生物技術(shù)實驗課程；教學模式；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）52-0261-03

環(huán)境生物技術(shù)實驗是環(huán)境專業(yè)本科生的一門綜合性實驗課程，以微生物學、生物化學及分子生物學等課程實驗技能為基礎(chǔ)，講授現(xiàn)代生物技術(shù)的環(huán)境領(lǐng)域應用方法，培養(yǎng)學生解決實際環(huán)境問題的綜合能力與創(chuàng)新思維[1]。環(huán)境生物技術(shù)是實踐性很強的學科，因此，實驗教學是環(huán)境生物技術(shù)教學的重要環(huán)節(jié)，對學生實踐能力、創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)等的培養(yǎng)具有重要作用，是提高學生對所學理論知識理解和學以致用的主要途徑。課程體系和教學模式是影響實驗課程教學效果的兩大重要因素。環(huán)境生物技術(shù)發(fā)展迅猛，新技術(shù)、新應用層出不窮，實驗課程體系如不能與時俱進，則會與理論教學內(nèi)容和實際問題脫節(jié)。同時，實驗教學模式改革不僅要提升學生的技能水平，更應注重學生創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)。

為適應生物技術(shù)進步和新形勢下環(huán)境學科發(fā)展需求，筆者所在教學小組根據(jù)學生已有的知識儲備和已掌握的實驗技能等對環(huán)境生物技術(shù)教學內(nèi)容進行了重新設計，采用了“以研代練”的實驗教學方法，結(jié)合多元考核模式對學生實驗操作、科研思路和創(chuàng)新能力進行綜合評估。上述改革與實踐增強了學生在實驗教學中的主動性，提高了科研素養(yǎng)和創(chuàng)新精神[2]。

一、課程體系改革實踐

1.現(xiàn)存問題。南京大學環(huán)境生物技術(shù)實驗課程最早采用本課程創(chuàng)建人程樹培教授1995年編寫的《環(huán)境生物技術(shù)實驗》為教材。本教材按技術(shù)類型將實驗分為四個體系：（1）環(huán)境遺傳工程技術(shù)生物技術(shù)，主要涉及分子克隆、原生質(zhì)體融合等污染防控中使用的現(xiàn)代生物技術(shù)方法；（2）污染物處理生物技術(shù)方法，主要包括廢水生物處理工藝的動力學參數(shù)測定等；（3）廢物資源化與能源化生物技術(shù)方法，涉及單細胞蛋白工程、產(chǎn)氫工程、產(chǎn)甲烷工程等實驗；（4）環(huán)境監(jiān)測和評價生物技術(shù)方法，涉及微生物群落檢測、污染物毒性評估等實驗。因為課程內(nèi)容范圍廣，受課時和實驗條件的限制，實際教學中主要開展了污染物處理生物技術(shù)和廢物資源化領(lǐng)域的相關(guān)實驗。這些實驗設計簡單，多以COD、BOD和生物量等為檢測指標，檢測儀器單一，且部分實驗內(nèi)容與環(huán)境生物學和環(huán)境工程等課程實驗重復。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展更替和現(xiàn)代分析儀器的廣泛使用（定量PCR儀、多功能酶標儀等），相對陳舊的實驗內(nèi)容無法滿足新形勢下環(huán)境生物與環(huán)境工程專業(yè)學生的培養(yǎng)需求。

2.改革措施。針對環(huán)境生物技術(shù)實驗課程新形勢下的發(fā)展現(xiàn)狀，教學小組對課程體系從前沿性、實用性、系統(tǒng)性等角度進行了改革，選擇具有專業(yè)特色的綜合型實驗，構(gòu)建了涵蓋基因工程、體外細胞高通量評估、微生物檢測等實驗系列體系，具體的實驗內(nèi)容如下：

·實驗體系1：環(huán)境中目標基因的定性定量分析。包括了環(huán)境樣品基因組抽提與電泳分析、目標功能基因PCR擴增與鑒定、PCR產(chǎn)物純化、目標DNA重組（酶切、片段回收和連接重組DNA的轉(zhuǎn)化與質(zhì)粒DNA抽提）、目標基因的實時定量PCR分析等5個部分。

·實驗體系2：目標污染物或水體的體外細胞高通量評估。包括了體外人源細胞的傳代培養(yǎng)方法、細胞增殖抑制率檢測、細胞RNA提取及基因表達檢測等。

·實驗體系3（選做實驗）：活性污泥中微生物的活力檢測。包括活死微生物檢測、微生物的降解動力學檢測。

上述綜合型實驗教學內(nèi)容改革基于以下幾個方面原則：（1）針對前期多以單個實驗開展的實驗內(nèi)容相對獨立，實驗技能之間無法有效銜接的問題，本次教學內(nèi)容改革以解決實際環(huán)境問題為導向，將不同實驗技能交叉融合，設置綜合型實驗[3]，每個實驗體系分為多個相對獨立又前后緊密相關(guān)的實驗。比如在實驗系列1中，第一個實驗提取的環(huán)境總DNA是第二個實驗PCR擴展的樣本，也是第五個實驗定量PCR檢測的目標。（2）現(xiàn)在生物技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為系列生物高新技術(shù)相融合的綜合體系，這些技術(shù)在實際環(huán)境污染防控中已成為常規(guī)科研手段，以科研技術(shù)和項目轉(zhuǎn)化為實驗教學案例，通過“以研代練”的思維轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)教學與科研實踐“無縫對接”，提升學生的科研思維與解決實際問題的能力[4]。（3）實驗課程內(nèi)容改革兼顧前沿性和實用性。通過基因工程技術(shù)和體外細胞毒性監(jiān)測評估技術(shù)讓學生了解生物技術(shù)前沿，同時保留活性污泥降解動力學實驗，增加活死微生物檢測試驗等選做試驗，鞏固學生對傳統(tǒng)污染物防控生物技術(shù)的理解。

二、教學模式改革實踐

1.授課模式改革。針對實際教學中學生獨立思考和解決實際問題能力培養(yǎng)不足等問題，基于綜合性大實驗課程體系，建立以學生為主體的教學模式[5]。要求學生自己熟悉實驗相關(guān)內(nèi)容，獨立完成實驗操作。教師作為輔助人員在實驗前不再對實驗內(nèi)容進行講解，而是讓學生根據(jù)實驗所用試劑盒的說明書（中文或英文原版）等自主了解實驗內(nèi)容及相關(guān)流程；教師在實驗過程中給予學生必要的技術(shù)指導，引導學生獨立思考、分析問題、解決問題。實驗結(jié)束后，任課老師再對實驗內(nèi)容進行系統(tǒng)回顧，進一步提高學生的理解。這種自主實驗教學模式改變了學生按照任課老師講解的實驗原理和步驟被動地“照葫蘆畫瓢”操作完成實驗并獲得預期結(jié)果的傳統(tǒng)實驗課程授課模式[6]，調(diào)動了學生學習的積極性，提高了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題等的能力[7]。

在實驗操作過程中，2名學生組成一組，每位組員獨立完成自己的實驗樣品，在需要協(xié)作處理的過程中進行協(xié)作。如在實驗體系1中，提取樣品總DNA和進行PCR擴增時，每人單獨進行，但在基因重組并提取質(zhì)粒DNA后，每組選擇質(zhì)量較好的質(zhì)粒DNA作為后續(xù)定量PCR的標準品，以提高實驗的準確度。此外，全班在完成同一樣品的不同目標DNA定量分析后，所有人數(shù)據(jù)匯總在一起共同完成一篇科研論文的書寫，內(nèi)容包括了目標基因的研究意義、測定結(jié)果的數(shù)理統(tǒng)計及結(jié)果的分析討論等。上述授課模式既培養(yǎng)了學生的實驗技能又增強了研究協(xié)作能力。

學生在完成既定的研究內(nèi)容外，還鼓勵他們根據(jù)自己的興趣，進行更深入的自主設計實驗。如在細胞毒性評估實驗系列中，學生掌握基于吸光度的細胞增殖抑制率分析后，可自由進行基于熒光探針的細胞毒性分析，包括采用DCF探針檢測細胞內(nèi)氧化自由基，采用JC1探針檢測細胞線粒體膜電位等。通過自主實驗充分調(diào)動學生的科研積極性和興趣。

2.考核模式改革。實驗課成績多是以實驗報告為打分的依據(jù)，這種考核模式對學生要求很低，導致了學生缺乏主動思考的動力，也讓任課老師無法對學生實驗過程的真實參與度進行評估[6]。環(huán)境生物技術(shù)實驗課程體系和授課模式改革后，每位學生都有自己單獨的樣品，需獨立理解實驗步驟、獨立操作完成并獲得實驗結(jié)果，每個小實驗的結(jié)果在同一實驗體系中又相互關(guān)聯(lián)。這些有效杜絕了課上不認真操作，課后不認真總結(jié)的不良現(xiàn)象，教師對教學效果有了真實客觀的掌握和了解。

環(huán)境生物技術(shù)實驗課程學生學習質(zhì)量考核主要包括實驗課程出勤率（25%）、實驗過程操作規(guī)范（30%）、實驗報告書寫及結(jié)果分析（30%）和實驗系列論文書寫（15%）等4部分。通過多元考核督促學生對實驗課的參與度，并充分了解學生動手能力、協(xié)作能力和科研思維能力情況，最終對學生實驗過程整體把握和評估[8]。在對學生開展實驗課程體系、教學模式和考核模式滿意度的調(diào)查中，學生給出了較高的評價，近五年的學生評估均分在4.93以上（總分為5分）。

三、結(jié)語

基于生物技術(shù)發(fā)展趨勢、硬件儀器條件、學科發(fā)展需求等，南京大學環(huán)境學院環(huán)境生物技術(shù)實驗課程內(nèi)容從側(cè)重于污染物處理生物技術(shù)的單一獨立實驗體系改革為基因分析技術(shù)和生物監(jiān)測為主的綜合型大實驗，適應了環(huán)境污染防控從達標、提標到健康轉(zhuǎn)變需求和人才培養(yǎng)新要求。建立了學生為實驗主導，教師為輔助人員的實驗課程授課模式，通過多元化的考核體系，激發(fā)了學生的自主學習動力。同時，也需要認識到環(huán)境生物技術(shù)實驗課程體系及教學模式應關(guān)注國家需求和技術(shù)進步，實行動態(tài)調(diào)整，以適應環(huán)境領(lǐng)域復合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。

參考文獻：

[1]常金榮，鄺棗園，譚宇蕙，等.生物技術(shù)專業(yè)開放與自主實驗教學模式初探[J].教育教學論壇，2018，（13）：155-156.

[2]魯逸人，劉憲華，朱能，等.環(huán)境學科的生物化學實驗教學改革探索[J].實驗室研究與探索，2009，28（12）：155-156，170.

[3]姜紅霞，王鳳澤，常正堯，等.提高生化實驗教學質(zhì)量夯實生物技術(shù)專業(yè)基礎(chǔ)[J].實驗室科學，2018，21（1）：150-152.

[4]錢潔，房健民，陳志宏.生物技術(shù)專業(yè)綜合性和設計性實驗教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2014，33（1）：207-210，224.

[5]曾琦，謝暉，陳丹，等.生物技術(shù)大實驗課程教學改革與實踐[J].生物學雜志，2017，34（6）：116-119.

[6]王毅，呂金龍，劉新萍，等.農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程專業(yè)本科實驗教學改革與實踐[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2018，（308）：70-74.

[7]徐波，戴晨霞，陳明輝，等.生物技術(shù)專業(yè)多學科綜合實驗教學改革研究[J].大學教育，2017，（6）：1-3.

[8]李欲軻.生物技術(shù)實驗教學中存在的問題及改革策略[J].現(xiàn)代交際，2018，（13）：207-208.