基于科研能力綜合提升的《環(huán)境工程微生物學(xué)及實(shí)驗(yàn)》教學(xué)改革

孟凡剛，黃 越， 趙姍姍

(中山大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

《環(huán)境工程微生物學(xué)及實(shí)驗(yàn)》是一門涉及普通微生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物工程、化學(xué)工程等多學(xué)科的本科生課程，也是環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、市政工程等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課之一[1]，具有很強(qiáng)的理論性、實(shí)驗(yàn)性[2-3]和應(yīng)用性[4]。學(xué)生在學(xué)習(xí)普通微生物學(xué)一般規(guī)律的同時，需要學(xué)習(xí)微生物與環(huán)境污染控制之間的相互關(guān)系及其規(guī)律，強(qiáng)化對該行業(yè)有益和有害微生物及其應(yīng)用方法的認(rèn)識等。多學(xué)科交叉性和綜合性也為開展本門課程的教學(xué)帶來了較大困難[5-6]。根據(jù)“雙一流”建設(shè)要求，中山大學(xué)擬在今后5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)80%左右本科畢業(yè)生的讀研或出國深造。因此，“夯實(shí)基礎(chǔ)-強(qiáng)化實(shí)踐-提升科研素質(zhì)”是今后專業(yè)主干課程的重要要求。如何培養(yǎng)學(xué)生操作能力、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識、提高科研素養(yǎng)是諸多高校微生物有關(guān)課程的重要議題[7-9]。針對這一問題，基于《環(huán)境工程微生物學(xué)及實(shí)驗(yàn)》這一重要課程，進(jìn)行了一系列探索和嘗試。最終的目標(biāo)：在課程效果上，能顯著提高學(xué)生對該門課程的興趣，強(qiáng)化他們對專業(yè)知識的應(yīng)用能力；在科研素質(zhì)上，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)和科研能力，以及閱讀文獻(xiàn)、分析數(shù)據(jù)和撰寫論文及專利的綜合能力。最終，培養(yǎng)具備自主創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才。

1 教學(xué)改革的出發(fā)點(diǎn)及其所依托的載體

1.1 教改的主要出發(fā)點(diǎn)

目前，很多高校存在“重科研，輕教學(xué)”的現(xiàn)象[10]。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因一方面是高校教師有較高的科研壓力，一些教師把大部分時間用到項(xiàng)目申報(bào)、課題研究、論文撰寫等工作，不能在本科教學(xué)中投入足夠的精力；另一方面是各高校組建的大量高水平科研實(shí)驗(yàn)室和科研平臺，主要對科研人員和研究生開放使用，本科生較少有機(jī)會進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。但是，作為高校教師應(yīng)該牢記自己的職業(yè)使命：把握國際學(xué)術(shù)前沿，解決國家和地方需求，完成知識和學(xué)術(shù)思想的傳承。因此，在本科教學(xué)方面，將科研過程中的所學(xué)和所得傳承給本科生，是教師的重要任務(wù)[11]?？傮w看來，如何將科研資源(實(shí)驗(yàn)平臺、科研項(xiàng)目和研究生等)有效用到本科教學(xué)中是值得探究的重要課題之一。

1.2 教改依托的主要載體

以提升本科生科研素養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，以《環(huán)境工程微生物學(xué)及實(shí)驗(yàn)》這門本科主干專業(yè)課為例，開展了教學(xué)改革。改革所依托的主要載體包括：①教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和科研實(shí)驗(yàn)室：本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和科研實(shí)驗(yàn)室具有顯著不同的特點(diǎn)。借助本科實(shí)驗(yàn)的教學(xué)活動，可以讓學(xué)生全面了解實(shí)驗(yàn)所需的基本器皿和設(shè)備，如培養(yǎng)皿、培養(yǎng)箱、搖床和滅菌鍋，熟悉實(shí)驗(yàn)的基本要求和設(shè)備操作規(guī)程等[5-6]。通過本科實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，可以培養(yǎng)和強(qiáng)化學(xué)生對環(huán)境工程微生物的興趣，例如，觀察污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)革蘭染色和認(rèn)識原生動物等。但多數(shù)本科實(shí)驗(yàn)的安排相對零散、碎片化，無法培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)分析問題能力。此外，本科實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對淺顯，不能滿足部分學(xué)生對知識進(jìn)行深度探索的需求。與本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室相比，科研實(shí)驗(yàn)室具有更強(qiáng)的研究性，能夠讓學(xué)生對某些感興趣的課題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性，提高他們對課題的整體把握能力[12-14]，對科研素質(zhì)的綜合提高至關(guān)重要。因此，有效結(jié)合教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和科研實(shí)驗(yàn)室對本科生科研素質(zhì)的培育具有重要意義。②本科生科研訓(xùn)練項(xiàng)目：科研訓(xùn)練項(xiàng)目會為本科生進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室提供重要橋梁。通過申請和實(shí)施科研訓(xùn)練項(xiàng)目，可以激發(fā)學(xué)生對專業(yè)知識的興趣，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題和解決問題的能力。因此，如何設(shè)置本科生科研訓(xùn)練項(xiàng)目，并充分利用好這一資源，對于培養(yǎng)本科生的科研能力非常重要。中山大學(xué)環(huán)境學(xué)院永鑾學(xué)社每年設(shè)置大量研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目，在中綠環(huán)保資助下，永鑾學(xué)社對取得優(yōu)秀研究成果的學(xué)生進(jìn)行獎勵。中山大學(xué)教務(wù)部實(shí)施了“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目，包括國家級、省級和校級三個層次，資助經(jīng)費(fèi)0.2～2.0萬元/項(xiàng)。此外，廣東省政府為深入實(shí)施科技創(chuàng)新人才戰(zhàn)略，激發(fā)大學(xué)生參與科技創(chuàng)新的熱情，實(shí)施了廣東攀登計(jì)劃專項(xiàng)，資助金額1.5～6.0 萬元/項(xiàng)。在教授理論課和實(shí)驗(yàn)課的同時，鼓勵學(xué)生申請和參與以上本科科研項(xiàng)目，使學(xué)生通過科研實(shí)踐來提高科研創(chuàng)新能力，進(jìn)一步鞏固理論課知識。③ 研究生的“傳、幫、帶”：本科生科研訓(xùn)練項(xiàng)目不盡相同且工作時間不固定，每一個課題很難由一位專業(yè)老師全程跟蹤指導(dǎo)。科研實(shí)驗(yàn)室的碩士和博士研究生有固定的工作時間，而且對課題研究有豐富經(jīng)驗(yàn)。因此，可以由1～2名研究生對每個本科研究性學(xué)習(xí)小組進(jìn)行全程指導(dǎo)，傳授基本經(jīng)驗(yàn)，幫助他們解決技術(shù)問題(如設(shè)計(jì)和搭建生物反應(yīng)器)，帶動開展科學(xué)問題的探究(如文獻(xiàn)閱讀和撰寫專利等)。同時，研究生可以對本科生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安全知識的詳細(xì)講解，儀器使用的系統(tǒng)培訓(xùn)，并提出實(shí)驗(yàn)室日常工作的基本要求，從而保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

2 改革措施

2.1 培養(yǎng)計(jì)劃

本門課程包括理論課54學(xué)時和實(shí)驗(yàn)課36學(xué)時。理論課安排在大二第二學(xué)期，授課時間為第1～18周。為及時鞏固所學(xué)的理論知識，實(shí)驗(yàn)課安排在理論課授課學(xué)期的后半段(第11～18周)。以上理論課和實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，實(shí)施科研能力深度培養(yǎng)計(jì)劃。大三第一學(xué)期，在本科科研項(xiàng)目的支持下，到專業(yè)教師的科研實(shí)驗(yàn)室開展課題研究，包括項(xiàng)目的啟動實(shí)施、生物反應(yīng)器維護(hù)和微生物性能表征等。大三第二學(xué)期，鍛煉閱讀文獻(xiàn)和分析數(shù)據(jù)能力，參加專業(yè)教師課題組的組會并匯報(bào)研究進(jìn)展，分享閱讀文獻(xiàn)心得。大四第一學(xué)期，學(xué)習(xí)撰寫結(jié)題報(bào)道、論文和專利等科研素材。

2.2 理論授課與實(shí)踐的協(xié)同

《環(huán)境工程微生物學(xué)及實(shí)驗(yàn)》的授課對象為大二學(xué)生，他們對微生物和有關(guān)的工程技術(shù)缺乏認(rèn)識，理論學(xué)習(xí)會感覺枯燥乏味。因此，在理論授課的同時，將實(shí)驗(yàn)室作為第二課堂，面向授課班級所有學(xué)生同步開展課外認(rèn)知學(xué)習(xí)活動，邀請學(xué)生參觀科研實(shí)驗(yàn)室，并在實(shí)驗(yàn)室中參與操作，在實(shí)踐中認(rèn)識各類微生物和環(huán)境污染控制裝置等。學(xué)生對微生物和裝置有了初步認(rèn)識，便開始產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，再回到課堂交流，可加深學(xué)生對知識的理解，夯實(shí)理論基礎(chǔ)，使學(xué)習(xí)更為多元化。

2.3 理論授課與研究性實(shí)(試)驗(yàn)的協(xié)同

2.3.1 研究性微生物實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 在這個過程中，為了讓理論知識“活”起來，對學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)操作技能的培訓(xùn)。帶領(lǐng)學(xué)生開展以高效絮凝細(xì)菌的分離、篩選、條件優(yōu)化、應(yīng)用效果等為主題的綜合性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)習(xí)，親自觀察細(xì)菌形貌特點(diǎn)，熟悉微生物實(shí)驗(yàn)操作過程，并完成實(shí)驗(yàn)論文。綜合性實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生將課堂所學(xué)的知識在腦海中立體化，強(qiáng)化專業(yè)認(rèn)知，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

2.3.2 創(chuàng)新實(shí)(試)驗(yàn)訓(xùn)練 為開闊學(xué)生的視野并激發(fā)學(xué)生的科研興趣，在理論授課和實(shí)驗(yàn)授課的同時，通過結(jié)合教學(xué)團(tuán)隊(duì)和研究團(tuán)隊(duì)的資源，將本科生的實(shí)驗(yàn)與科研課題融入到碩士和博士生的研究課題中，為本科生提供創(chuàng)新實(shí)(試)驗(yàn)的機(jī)會。在這個過程中，學(xué)生可自主申報(bào)研究性學(xué)習(xí)課題，分組開展研究，由教學(xué)團(tuán)隊(duì)老師及研究生進(jìn)行管理與指導(dǎo)，逐級提升本科生的獨(dú)立思考能力，分析問題、解決問題的能力，實(shí)踐能力和綜合科研能力，為繼續(xù)深造打下堅(jiān)實(shí)的科研基礎(chǔ)。

2.4 綜合科研能力訓(xùn)練計(jì)劃

完成理論學(xué)習(xí)和研究性實(shí)驗(yàn)后，開展實(shí)驗(yàn)課題總結(jié)匯報(bào)，根據(jù)本科生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和學(xué)習(xí)興趣，遴選或建議學(xué)生開展系統(tǒng)、深入的課題研究。鼓勵學(xué)生在興趣的基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)發(fā)展方向，廣泛閱讀文獻(xiàn)，自由選擇研究內(nèi)容。在教師的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)完成具有一定研究意義的課題。通過第一課管理論授課和常規(guī)實(shí)驗(yàn)以及第二課堂的系統(tǒng)科研訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生敏銳的科研洞察能力，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。同時，訓(xùn)練學(xué)生的文獻(xiàn)閱讀能力，提高論文和專利的寫作水平。

3 改革成效

該改革曾以2013級環(huán)境工程2班(全班共30人)為對象，開展了有關(guān)嘗試，取得了顯著的效果。實(shí)施過程中，班級中的多數(shù)學(xué)生表現(xiàn)出很強(qiáng)的好奇心和求知欲，踴躍參加實(shí)驗(yàn)和科研訓(xùn)練。學(xué)生也對此項(xiàng)改革表現(xiàn)出極大地參與熱情，他們在調(diào)查問卷中寫到：“走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，使我覺得知識不再只出現(xiàn)在課本上，微生物的形態(tài)清晰地出現(xiàn)在我眼前，這是一個奇妙的過程！”“我認(rèn)為參加科研項(xiàng)目是我本科過程中一個質(zhì)的變化?！薄碍h(huán)境工程微生物課程的亮點(diǎn)是有附帶的實(shí)操課程，讓同學(xué)們在提高動手能力的同時對所學(xué)內(nèi)容有更深入的了解，為進(jìn)一步開展研究提供了基礎(chǔ)。”“第一次比較系統(tǒng)地了解到一項(xiàng)科研項(xiàng)目是如何設(shè)計(jì)并進(jìn)行的，并學(xué)會了如何分析數(shù)據(jù)并得出結(jié)論?！薄霸谶@個過程中得到了成長，以前為了考試，在考試前再去看書復(fù)習(xí)背提綱，到了現(xiàn)在需要為了自己的課題大量地去閱讀文獻(xiàn)，甚至讀英文文獻(xiàn)去了解最新前沿知識。”

期間，該班級學(xué)生獲得廣東省攀登計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)、中山大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目8項(xiàng)、學(xué)院研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目15項(xiàng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些數(shù)字遠(yuǎn)高于學(xué)院其他班級的科研項(xiàng)目數(shù)目。在廣東省攀登計(jì)劃支持下，部分學(xué)生申請并獲得授權(quán)國家專利1項(xiàng)。有兩位學(xué)生分別對多個污水處理生物反應(yīng)器進(jìn)行了一年多的研究工作，成果得到了專家的高度評價(jià)。一位學(xué)生對3個厭氧氨氧化反應(yīng)器進(jìn)行了400天的研究工作，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水氨氮濃度的差異會顯著影響厭氧氨氧化菌的種群結(jié)構(gòu)，并撰寫英文論文1篇。在該班級畢業(yè)生中，有10余位學(xué)生申請到境外知名大學(xué)的研究生或博士生入學(xué)資格，包括哥倫比亞大學(xué)、安大略大學(xué)、新南威爾士大學(xué)、里昂大學(xué)、麥吉爾大學(xué)等。也有多位學(xué)生被保送到北京大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)和中科院等單位繼續(xù)攻讀碩士或博士學(xué)位。該班級的升學(xué)率高于其他班級10個百分點(diǎn)以上。

由此可見，改革后教學(xué)和實(shí)踐的內(nèi)容大大增加，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生會充分利用課余時間完成課外實(shí)踐、研究性項(xiàng)目等內(nèi)容，在興趣的指引下、項(xiàng)目的驅(qū)動下和研究生的帶動下主動探索科學(xué)的奧秘，提升自我的科研素養(yǎng)。

4 結(jié) 語

環(huán)境微生物學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域的學(xué)習(xí)中極為重要。而提高學(xué)生科研綜合素質(zhì)是一個逐漸積累的過程。通過為期較長的教學(xué)訓(xùn)練，能夠讓學(xué)生逐漸養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)、勤于思考、積極創(chuàng)新的習(xí)慣。充分利用學(xué)院優(yōu)秀的教學(xué)團(tuán)隊(duì)、研究平臺、科研實(shí)驗(yàn)室資源為本科生提供一個良好的發(fā)展平臺。針對不同時期學(xué)生的綜合素質(zhì)情況，因材施教，讓學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域中能夠充分發(fā)揮自己的潛能，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)和探究的熱情。讓理論教學(xué)與實(shí)踐、研究性實(shí)(試)驗(yàn)相結(jié)合，系統(tǒng)的訓(xùn)練使學(xué)生逐漸對科研有全面的認(rèn)知，并在此過程中提高學(xué)生的科研素養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新能力。改革也存在諸多不足，例如：研究小組學(xué)生具有流動性、周期過長、對教師隊(duì)伍要求高等。另外，還需要引進(jìn)較好的評價(jià)方式[15]，分別對選課學(xué)生的表現(xiàn)和課程質(zhì)量進(jìn)行跟蹤考核。