構(gòu)建新型的海洋地質(zhì)微生物學(xué)課程體系培養(yǎng)創(chuàng)新性學(xué)科交叉型人才

魏士平 崔鴻鵬

摘 ?要：“雙一流”背景下，對學(xué)科及課程建設(shè)提出了更高的要求，海洋地質(zhì)微生物學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，是對傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)和微生物學(xué)的繼承與發(fā)展，為適應(yīng)現(xiàn)代創(chuàng)新型人才的需求，海洋地質(zhì)微生物學(xué)進(jìn)行了新型的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實施過程的構(gòu)建，并建立了科學(xué)的評價與反饋體系，目的是提高海洋地質(zhì)微生物教學(xué)質(zhì)量，為進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生具備創(chuàng)新性思維的交叉型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：海洋地質(zhì)微生物學(xué) ?課程體系 ?課程實施 ?教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0201-05

Construction of a New Curriculum System for Marine Geomicrobiology to Foster the Talents with

Innovative Interdisciplinary Ability

WEI Shiping ?CUI Hongpeng

（School of Ocean Science， China University of Geosciences， Beijing， 100083 ?China）

Abstract： Under the "double first-class" background， it sets a higher requirement for the academic discipline and curriculum constructions. Marine Geomicrobiology is one of the newly emerged interdisciplinaries， based on inheritance and development of the traditional geology and microbiology. In order to meet the demand of modern innovative talents under the "double first-class" background， we constructed a new teaching system for Marine Geomicrobiology by adoption of the new teaching contents and processes in the curriculum， and a sound teaching evaluation and feedback systems has been established. Its purpose is to improve the teaching quality of Marine Geomicrobiology and promote the training of talents engaged in interdisciplinary research. It is very important to promote the students' innovative thinking ability.

Key Words： Marine Geomicrobiology; Curriculum system; Curriculum activity; Teaching quality

海洋地質(zhì)微生物學(xué)是地質(zhì)科學(xué)與海洋微生物學(xué)緊密結(jié)合而形成的一門交叉邊緣學(xué)科，是海洋科學(xué)專業(yè)的一門新興的本科生核心課程，課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生對海洋地質(zhì)微生物學(xué)基礎(chǔ)理論的掌握與應(yīng)用能力;學(xué)會用微生物學(xué)的方法去解決和探索發(fā)生在海洋中的一些生物地質(zhì)過程及現(xiàn)象;其目的在于不但能促進(jìn)地質(zhì)學(xué)與海洋微生物學(xué)之間學(xué)科的交叉、滲透與發(fā)展，更重要的是在“雙一流”建設(shè)背景下，如何培養(yǎng)出跨學(xué)科交叉型創(chuàng)新性人才非常重要。本課程在教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法上都做了充分的調(diào)研，并以多年的教學(xué)內(nèi)容與經(jīng)驗為基礎(chǔ)，構(gòu)建了海洋地質(zhì)微生物學(xué)課程體系，以期和從事地質(zhì)微生物學(xué)教學(xué)的同仁共同探討，推動微生物學(xué)與地質(zhì)學(xué)科的交叉與發(fā)展。

1 ?課程培養(yǎng)目標(biāo)及教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建

1.1 課程培養(yǎng)目標(biāo)

海洋地質(zhì)微生物學(xué)是中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院本科生的一門專業(yè)核心課程，它是結(jié)合了學(xué)科發(fā)展和學(xué)校特色而設(shè)置的一門課程，其目的是在學(xué)習(xí)該門課后，使學(xué)生掌握有關(guān)微生物學(xué)的基本知識及實驗操作技能，不但能勝任微生物學(xué)教學(xué)與研究的部分工作;更重要的是培養(yǎng)一批新型的學(xué)科交叉型人才，促進(jìn)生命科學(xué)與海洋及地質(zhì)領(lǐng)域的學(xué)科交叉與發(fā)展。因此在課程體系設(shè)置上，必須系統(tǒng)全面，尤其是在“雙一流”建設(shè)背景下，課程體系建設(shè)必須圍繞創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式而進(jìn)行。如何培養(yǎng)出創(chuàng)新式人才[1]，首先要有牢靠的基礎(chǔ)，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院的學(xué)生在生物方面的基礎(chǔ)相對比較薄弱，因此，應(yīng)把基礎(chǔ)理論教學(xué)放在首位;其次是重視實驗教學(xué)，海洋地質(zhì)微生物學(xué)是一門實踐性很強的學(xué)科，通過實驗教學(xué)可以使學(xué)生具備解決問題的能力;最后是重視擴(kuò)展閱讀，通過拓展閱讀一些國內(nèi)外最新研究進(jìn)展，有利于學(xué)生開闊視野，激發(fā)他們對問題的思考。總之，通過理論教學(xué)、實踐教學(xué)與擴(kuò)展閱讀3個環(huán)節(jié)，培養(yǎng)一批基礎(chǔ)牢靠、動手能力強、站得高看得遠(yuǎn)的學(xué)科交叉型人才。

1.2 課程理論教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建

由于地質(zhì)微生物學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科[2]，目前國內(nèi)尚缺乏地質(zhì)微生物學(xué)的教材，而有關(guān)海洋地質(zhì)微生物學(xué)更沒有教材可以借鑒。因此，本課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)立是建立在相關(guān)院校充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，并結(jié)合了本校的學(xué)科發(fā)展特點而建立起來的。教學(xué)內(nèi)容分上篇和下篇兩部分，共48個學(xué)時。上篇內(nèi)容包括：（1）緒論;（2）地質(zhì)微生物學(xué)研究方法;（3）原核和真核微生物的結(jié)構(gòu)與功能;（4）微生物的營養(yǎng)與代謝;（5）微生物的生長與繁殖;（6）微生物的多樣性與分類。這一部分的內(nèi)容和其他生物院校所講的微生物學(xué)基礎(chǔ)知識大致相同，學(xué)生通過此部分的學(xué)習(xí)，可初步掌握一些普通微生物學(xué)方面的理論基本知識。但在實際教學(xué)過程中，教師應(yīng)時刻不忘地質(zhì)之本色，穿插講述一些微生物的結(jié)構(gòu)在地質(zhì)中所起的作用，比如，講到古菌的細(xì)胞膜時，在傳統(tǒng)的微生物教學(xué)過程中往往注重細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能，學(xué)生聽起來有點枯燥，筆者在教學(xué)過程中著重講述細(xì)胞膜的化學(xué)組成，它是由類異戊二烯組成的一種四醚膜類脂物，在地質(zhì)中可作為一種生物標(biāo)志化合物，用來重建古海水和古湖水的表層水體溫度[3]。下篇內(nèi)容則主要圍繞在海洋中的發(fā)生的一些地質(zhì)微生物學(xué)作用及規(guī)律展開，為充實這一部分內(nèi)容，先后到中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院和中山大學(xué)海洋學(xué)院進(jìn)行了調(diào)研，吸取了兩校部分教學(xué)內(nèi)容和經(jīng)驗，并整合到了海洋地質(zhì)微生物學(xué)的教學(xué)體系中，逐步形成了自己教學(xué)內(nèi)容特色。下篇內(nèi)容包括了以下幾個部分：（1）海洋微生物與環(huán)境，主要講述利用海洋微生物去除有機物、重金屬的污染，開展海洋生態(tài)環(huán)境的微生物修復(fù);（2）海洋微生物地球化學(xué)循環(huán)，主要講述海洋微生物所參與的碳、氮、硫、磷、鐵、錳等元素的循環(huán);（3）海洋微生物礦化，主要講述發(fā)生在海洋中的微生物礦化及其機制，如趨磁細(xì)菌對鐵的礦化、錳氧化細(xì)菌和真菌對錳的礦化、疊層石的形成、細(xì)菌對碳酸鈣和白云石的礦化、硫還原細(xì)菌及脫硫細(xì)菌對黃鐵礦的礦化等;（4）海洋微生物與能源，主要講述海底微生物燃料電池、油氣資源的微生物勘探等。通過下篇的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生突破對微生物學(xué)的傳統(tǒng)認(rèn)識，學(xué)會用微觀的微生物作用解釋或驗證發(fā)生在海洋中的一些宏觀地質(zhì)現(xiàn)象。

1.3 課程實踐教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建

海洋地質(zhì)微生物學(xué)實驗包括了基本微生物實驗、拓展地質(zhì)微生物學(xué)實驗和創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新實驗3個部分。（1）基本微生物實驗，包括了培養(yǎng)基的制備無菌操作技術(shù)，沉積物中微生物總數(shù)的染色計數(shù)，沉積物總DNA的提取，可培養(yǎng)細(xì)菌和真菌的計數(shù)、分離與純培養(yǎng)，PCR擴(kuò)增，NCBI數(shù)據(jù)庫的查詢與序列分析，系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建等，基本微生物學(xué)實驗是必做實驗。（2）拓展地質(zhì)微生物學(xué)實驗，21世紀(jì)微生物實驗技術(shù)得到了快速發(fā)展，海洋地質(zhì)微生物學(xué)實驗技術(shù)也是隨著微生物學(xué)實驗技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，相應(yīng)地，一些先進(jìn)的微生物學(xué)技術(shù)也陸續(xù)地被應(yīng)用到地質(zhì)領(lǐng)域，比如一些分子生物學(xué)的方法，熒光原位雜交技術(shù)（FISH）、穩(wěn)定同位素探針技術(shù)（SIP）、基因產(chǎn)物的探針檢測技術(shù)qPCR）、功能基因芯片技術(shù)（GeoChip）等都是當(dāng)代研究地質(zhì)微生物的前沿技術(shù)[4]。由于本課程受客觀條件以及課程本身的一些約束，這些實驗尚在進(jìn)一步建設(shè)當(dāng)中，目前只通過線下教學(xué)以及線上視頻的形式讓學(xué)生了解這些技術(shù)的應(yīng)用。（3）創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新實驗。此部分的實驗主要是面向?qū)Ｑ蟮刭|(zhì)微生物學(xué)生感興趣的學(xué)生開放，從實驗選題、實驗設(shè)計到實驗的執(zhí)行都是學(xué)生自己來完成的，在此過程中，教師只起到引導(dǎo)與啟發(fā)作用。

1.4 拓展閱讀，開闊視野

通過理論教學(xué)，學(xué)生可掌握海洋地質(zhì)微生物學(xué)的一些理論基本知識，學(xué)生處于被動接受知識的初級階段;通過實踐教學(xué)，學(xué)生將所學(xué)的理論知識應(yīng)用到實驗中去，強化學(xué)生的動手和思考能力，由理論教學(xué)過渡到實踐教學(xué)乃至海洋地質(zhì)微生物的中級階段;海洋地質(zhì)微生物學(xué)教學(xué)的高級階段在于讓學(xué)生自己設(shè)計實驗，解決實際存在的科學(xué)問題，這要求學(xué)生必須建立在大量閱讀文獻(xiàn)，跟蹤國際最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)之上，使學(xué)生在該領(lǐng)域有個嶄新的認(rèn)識，并同時產(chǎn)生自己的科學(xué)問題。比如，經(jīng)過理論教學(xué)，可以得知病毒是由核酸和蛋白質(zhì)組成的，通過拓展閱讀，讓學(xué)生知道透過病毒元素的組成，可以詮釋海洋中的生物地球化學(xué)循環(huán);在理論學(xué)習(xí)中，可以得知微生物對底物的氧化是通過膜上的電子傳遞鏈進(jìn)行的，通過拓展閱讀，讓學(xué)生知道海底的氧化還原勢不同，微生物對物質(zhì)的氧化與還原在膜上產(chǎn)生的電子可以被電極所捕獲，從而可以進(jìn)行海底發(fā)電[5]。這些都是海洋地質(zhì)微生物學(xué)最新的科技前沿研究，通過閱讀可以大大開闊學(xué)生的視野。

2 ?教學(xué)過程的實施

2.1 線下與線上教學(xué)相結(jié)合

線下課堂教學(xué)和線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)雖然都具有各自的優(yōu)缺點[6]，但二者可以做到互相補充、互相促進(jìn)。（1）線下教學(xué)是海洋地質(zhì)微生物學(xué)的根本，由于在線下課堂教學(xué)中，教師與學(xué)生可以在課堂上直接面對面進(jìn)行溝通，便于學(xué)生對問題的理解，特別是對于一些難點，教師可以通過反復(fù)強調(diào)，甚至利用肢體語言傳授信息。另外，教師還可以采用提問式教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)及時得到學(xué)生的反饋，有利于激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)他們對問題的理解與思考。（2）線上教學(xué)是對線下海洋地質(zhì)微生物教學(xué)的有益補充，將海洋地質(zhì)微生物每一章節(jié)錄播上傳網(wǎng)絡(luò)，方便學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)與課下復(fù)習(xí);特別是對于學(xué)生難以理解的微生物地質(zhì)過程，如疊層石是如何形成的，通過視頻形式展示藍(lán)藻是如何通過胞外多糖吸附鈣離子，并通過胞內(nèi)碳酸酐酶的作用形成胞外周圍的堿性環(huán)境，造成碳酸鈣的沉淀，再加上藍(lán)藻席的周期性生長與外來沉積物的沉積，從而形成疊層石的暗層和亮層，這是一種典型的由生物誘導(dǎo)的生物礦化過程;而在生物控制的礦化過程中，則以顆石藻形成顆石的過程為例，以視頻形式展示顆石是如何在高爾基體中形成，又是怎樣通過囊泡運輸?shù)襟w外的。將這些視頻上傳到超星學(xué)習(xí)通平臺，便于學(xué)生觀看，理解微生物的礦化過程。另外，還可以通過超星學(xué)習(xí)通平臺及時發(fā)放一些有關(guān)的科學(xué)前沿研究資料，拓展學(xué)生的視野。

2.2 主動學(xué)與互動教相結(jié)合

無論是線下教學(xué)還是線上教學(xué)，學(xué)生永遠(yuǎn)是學(xué)習(xí)的主體，教師在教學(xué)過程中扮演著組織者、引導(dǎo)者、合作者的角色。教學(xué)過程是一個教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”合作的過程，以學(xué)生為主體體現(xiàn)在盡可能地多給學(xué)生一些思考時間，多給他們一些表達(dá)自己想法的機會，為此，教師在教學(xué)過程做應(yīng)極力避免“滿堂灌”的方式，應(yīng)通過互動式教學(xué)和討論式教學(xué)方式把握學(xué)生對知識的掌握和理解程度，引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生對知識的渴求與思維，使他們產(chǎn)生內(nèi)在學(xué)習(xí)的動力。

2.3 課堂實踐與業(yè)余興趣相結(jié)合

海洋地質(zhì)微生物學(xué)是一門涉及多學(xué)科交叉的學(xué)科，它是通過原位觀察或者實驗室微生物實驗的模擬，去認(rèn)識發(fā)生在海洋或地質(zhì)中的一些現(xiàn)象。為此，要認(rèn)識發(fā)生在地質(zhì)現(xiàn)象中的一些微生物作用過程，必須掌握微生物操作的有關(guān)技術(shù)，因此，在海洋地質(zhì)微生物實驗課中特地設(shè)置了一些微生物的基本操作實驗，比如對海洋沉積物中微生物的計數(shù)、分離與鑒定等;同時，根據(jù)不同學(xué)生興趣的要求，設(shè)置了一些更具有挑戰(zhàn)性、前沿性的實驗，比如細(xì)菌誘導(dǎo)的碳酸鹽礦物的沉淀、白云石的沉淀，細(xì)菌對錳的氧化以及對重金屬的轉(zhuǎn)化等，這些實驗都是根據(jù)學(xué)生的興趣可以選擇，并結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目進(jìn)行，為對海洋地質(zhì)微生物學(xué)感興趣的學(xué)生提供了一個繼續(xù)研究的平臺。

2.4 課本知識與拓展知識閱讀相結(jié)合

隨著社會科技的進(jìn)步，人們對于人才的要求也越來越高，學(xué)生不僅要掌握課本知識，還要能夠做到理論聯(lián)系實際，站在學(xué)科發(fā)展的一個更高視野去分析問題和解決問題。課本理論知識是基礎(chǔ)，只有打好了堅實的基礎(chǔ)，才能通過拓展閱讀開闊自己的視野，逐漸發(fā)現(xiàn)問題，尋找自己的科學(xué)興趣點。但在實際學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生往往覺得課本知識太枯燥，不知道學(xué)為何用，需要通過進(jìn)一步的拓展閱讀，激發(fā)學(xué)生的求知欲。比如，在講到病毒時，課本上往往只著重介紹病毒的結(jié)構(gòu)及其在宿主細(xì)胞內(nèi)的繁殖等，學(xué)生對病毒的認(rèn)識也只能停留在認(rèn)知階段，常常把病毒與動物的流感等疾病聯(lián)系在一起。通過拓展閱讀，讓學(xué)生知道有些病毒并不是引起動物疾病的殺手，它可以在海洋生態(tài)系統(tǒng)和海洋生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用[7]，對于調(diào)節(jié)全球的碳循環(huán)都非常重要。再比如，一些細(xì)菌往往會產(chǎn)生胞外多糖，對于學(xué)生來說，這些多糖就是一種由不同單糖組成的多糖化合物，通過拓展閱讀，讓學(xué)生知道這種胞外多糖可以吸附一些陽離子，往往會成為礦物的結(jié)核點有利于礦物的形成。另外，細(xì)菌產(chǎn)生的氨基酸對礦物形態(tài)的建成也可能起著非常重要的作用，有的細(xì)菌只誘導(dǎo)形成方解石，而另一些細(xì)菌只誘導(dǎo)形成球霰石，通過讓學(xué)生閱讀國際最新研究進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生的思考和對知識的求知欲，對于培養(yǎng)創(chuàng)新性學(xué)科交叉人才非常重要。

3 ?教學(xué)評價與考核體系的構(gòu)建

3.1 教學(xué)評價體系的構(gòu)建

教學(xué)評價是對教師的教學(xué)與學(xué)生的學(xué)習(xí)效果能否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)所做的一個綜合測量，根據(jù)教學(xué)評價結(jié)果的反饋，又可以促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)實施等過程的及時調(diào)整，對于保證教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。教學(xué)評價主要從以下3個方面進(jìn)行。（1）教學(xué)內(nèi)容的評價：主要請相關(guān)專家站在制高點上對課程教學(xué)大綱以及教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行評價，是否有利于促進(jìn)本學(xué)科的發(fā)展，是否有利于激發(fā)學(xué)生探求宏觀地質(zhì)現(xiàn)象背后的微生物機制，促進(jìn)不同學(xué)科之間的交叉與融合。（2）教學(xué)實施過程的評價：一方面，請有經(jīng)驗的同行專家對教學(xué)設(shè)計、教學(xué)手段以及教學(xué)資源的利用是否恰當(dāng)做出綜合評價;另一方面，也傾聽學(xué)生的呼聲，以發(fā)放問卷的方式，匿名調(diào)查教師的授課內(nèi)容及其采用的教學(xué)方式是否有利于學(xué)生接受與知識的吸收，以便教師及時做出調(diào)整。（3）教學(xué)效果的評價：主要是通過學(xué)生的成績以及對實驗操作解決問題的能力做出客觀的評價。通過幾年的實施，總結(jié)出教師的教學(xué)情況和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況的薄弱點，制定出提高教學(xué)質(zhì)量的有效措施。

3.2 考核體系的構(gòu)建

考核具有雙重的目的，一是通過考核可以檢查學(xué)生對于某方面的知識或技能的掌握程度，反過來促使教師對教學(xué)進(jìn)行調(diào)整，提高教學(xué)質(zhì)量;二是對于學(xué)生來說，考核則是檢驗對自己所學(xué)知識的掌握程度，以便查缺補漏。由于海洋地質(zhì)微生物學(xué)不但是一門理論性較強的學(xué)科，要求學(xué)生要掌握扎實的理論基本知識，而且也是一門實踐性較強的學(xué)科，要求學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，注重學(xué)生實驗解決實際問題的能力。因此，需要建立一套完整的、全面的考核機制，正確評價學(xué)生的成績。（1）閉卷考試是根本。閉卷考試著重考察學(xué)生對基本知識的掌握，強化學(xué)生對基本知識的落實與鞏固，占總成績的40%。（2）實驗操作技能是基礎(chǔ)。通過一系列實驗技術(shù)操作的訓(xùn)練，為學(xué)生進(jìn)一步解決實際問題奠定基礎(chǔ)，占總成績的30%。（3）實驗設(shè)計是考試的綜合和提高。在理論和實踐操作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過實驗設(shè)計考察學(xué)生利用所學(xué)的知識和掌握的實驗技術(shù)，去解決實際問題，占總成績的20%。（4）課外作業(yè)是考試的補充。課外作業(yè)主要是由教師下載國內(nèi)外最前沿的科研資料，根據(jù)所學(xué)的進(jìn)度與內(nèi)容布置學(xué)生閱讀，開闊學(xué)生的視野，占總成績的10%。

4 ?教學(xué)效果與問題

構(gòu)建新型的海洋地質(zhì)微生物學(xué)課程體系，改善教學(xué)過程以及教學(xué)與考核評價體系是一個長遠(yuǎn)的系統(tǒng)工程，它涉及到教學(xué)內(nèi)容的不斷更新、教學(xué)方法與手段的不斷改進(jìn)、教學(xué)環(huán)境的不斷優(yōu)化。隨著課程體系的逐漸完善與部分內(nèi)容的實施，激發(fā)了部分學(xué)生對海洋地質(zhì)微生物學(xué)的興趣，近5年來先后有30余人參加了13個大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目和3個實培計劃項目，其中有3人在中國核心期刊上發(fā)表了文章;1人獲得授權(quán)發(fā)明專利一項;并有6人分別考取了同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)和中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院的地質(zhì)微生物學(xué)方向的研究生。但在教學(xué)和實踐過程中也存在不少的問題，比如受一些儀器的限制，一些拓展地質(zhì)微生物實驗還不能完全展開;另外，隨著參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目的人越來越多，如何利用好空間、安排好時間也存在一些問題。

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