環(huán)境類專業(yè)生物學(xué)課程新型教學(xué)體系的構(gòu)建

于彩虹 王建兵 馬妍 王春榮

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院特聘教授曲久輝院士在2020年11月22日的采訪中提到環(huán)境學(xué)是一門交叉學(xué)科，其核心基礎(chǔ)知識(shí)包括化學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)等。生物學(xué)基礎(chǔ)在環(huán)境學(xué)領(lǐng)域的水、氣、固廢處置、生態(tài)修復(fù)中均發(fā)揮著非常重要的作用[1]。目前在環(huán)境及其他工科專業(yè)中，生物課程教學(xué)中普遍存在4個(gè)問(wèn)題：首先，在有限學(xué)時(shí)下，如何實(shí)現(xiàn)學(xué)生完整生物基礎(chǔ)知識(shí)體系的構(gòu)建？其次，在課程內(nèi)容抽象的前提下，如何提升學(xué)生興趣及其自主探究能力？再次，如何實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的差異教學(xué)？最后，在工科生物教學(xué)中，如何靠攏金課、滿足工程認(rèn)證理念要求以及全方位實(shí)現(xiàn)課程思政？針對(duì)4個(gè)問(wèn)題，探索通過(guò)頂層設(shè)計(jì)打通課堂界限，精簡(jiǎn)重復(fù)內(nèi)容，穩(wěn)固基礎(chǔ)并提升內(nèi)容前沿性，深度備課設(shè)計(jì)教學(xué)，使課程思政貫穿全程，并充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和線上教學(xué)資源，采用共鳴式智慧教學(xué)和以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，運(yùn)用創(chuàng)新的教學(xué)模式和方法從課堂內(nèi)、外兩個(gè)維度構(gòu)建具有創(chuàng)新性立體化生物基礎(chǔ)課程教學(xué)體系，以實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力、素質(zhì)和價(jià)值的四維課程教學(xué)目標(biāo)。

教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

1.課程層面

（1)課時(shí)不足

以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)為例，生物基礎(chǔ)課程僅開(kāi)設(shè)了《生物化學(xué)》、《環(huán)境工程微生物學(xué)》2門共計(jì)64學(xué)時(shí)理論課程及16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程。按照傳統(tǒng)教材流程講授，存在學(xué)時(shí)嚴(yán)重不足的問(wèn)題，難以完成環(huán)境工程專業(yè)生物基礎(chǔ)知識(shí)體系的系統(tǒng)構(gòu)建。

（2)內(nèi)容抽象

課程內(nèi)容涉及蛋白質(zhì)、糖、核酸和脂類4大生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能、性質(zhì)，內(nèi)容微觀、抽象、不易理解；動(dòng)態(tài)生物化學(xué)部分的物質(zhì)和能量代謝途徑復(fù)雜難懂，該方面知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)具有較大的難度。

2.學(xué)生層面

（1)認(rèn)同感弱

專業(yè)主干課程學(xué)時(shí)多、學(xué)生投入時(shí)間也較多，與專業(yè)主干課程相比，同學(xué)們主觀上對(duì)生物課程不太重視，花時(shí)間較少，認(rèn)同感較弱。

（2)學(xué)生差異大

由于高考改革，不同地區(qū)學(xué)生的生物基礎(chǔ)不同，部分學(xué)生高中沒(méi)有學(xué)過(guò)生物或化學(xué)，從而出現(xiàn)學(xué)習(xí)困難，甚至喪失學(xué)習(xí)興趣的現(xiàn)象，更不用談自主探究學(xué)習(xí)。另外，學(xué)生對(duì)生物方面的興趣和投入也存在較大差異。

（3)課堂人數(shù)多

幾個(gè)班的學(xué)生一起上課使得無(wú)法開(kāi)展研討式學(xué)習(xí)及自主探究學(xué)習(xí)，而且考勤及學(xué)生學(xué)習(xí)情況難以掌握。

3.時(shí)代挑戰(zhàn)

（1)金課的要求

“兩性一度”即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。高階性要求課程教學(xué)不是簡(jiǎn)單的知識(shí)傳授，而是知識(shí)、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，從而注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維；創(chuàng)新性要求課程內(nèi)容具有前沿性和時(shí)代性，教學(xué)形式體現(xiàn)先進(jìn)性和互動(dòng)性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個(gè)性；挑戰(zhàn)度需要教師和學(xué)生共同投入更多的時(shí)間去思考。

（2)工程認(rèn)證要求

以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的教育理念。成果導(dǎo)向更注重的是學(xué)生學(xué)到了什么，而不是教師教了什么；側(cè)重研究型而非灌輸型教學(xué)模式；特別強(qiáng)調(diào)個(gè)性化的教學(xué)，制定不同的教學(xué)方案，提供不同的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。這些都要求從灌輸課堂向?qū)υ捳n堂、封閉課堂向開(kāi)放課堂、知識(shí)課堂向能力課堂、重學(xué)輕思向?qū)W思結(jié)合轉(zhuǎn)變，從重教輕學(xué)向教主以學(xué)轉(zhuǎn)變。

（3)課程思政要求

課程思政對(duì)于實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授和價(jià)值引領(lǐng)同頻共振具有重要的意義，是落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的重要舉措。學(xué)生是實(shí)現(xiàn)中華民族復(fù)興的中堅(jiān)力量，把他們的思想教育融合到專業(yè)課程領(lǐng)域是非常重要的。

新型教學(xué)體系構(gòu)建思路

針對(duì)本課程在教學(xué)和學(xué)生層面存在的主要問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)按照金課的要求，將工程認(rèn)證需求作為教學(xué)理念，通過(guò)頂層設(shè)計(jì)打通《生物化學(xué)》和《環(huán)境工程微生物》兩門課程的界限，重塑課程內(nèi)容，在保證基礎(chǔ)的同時(shí)突出前沿和挑戰(zhàn)性。將課程教學(xué)深度融合現(xiàn)代化信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)外共鳴式智慧教學(xué)。重視線下教學(xué)資源，運(yùn)用創(chuàng)新教學(xué)模式和方法從課堂內(nèi)、外兩個(gè)維度構(gòu)建立體化的生物基礎(chǔ)課程創(chuàng)新教學(xué)體系，詳細(xì)分為以下兩點(diǎn)。

1.重視課堂教學(xué)主戰(zhàn)場(chǎng)

通過(guò)深度設(shè)計(jì)課堂教學(xué)教案，挖掘課程中的經(jīng)典案例、著名人物軼事等相關(guān)熱點(diǎn)開(kāi)展課程思政；結(jié)合課程特點(diǎn)運(yùn)用多種創(chuàng)新型的教學(xué)手段，如課程教學(xué)中探索引導(dǎo)式及科研案例式教學(xué)模式，通過(guò)“問(wèn)題導(dǎo)入→啟發(fā)思考→共同分析→構(gòu)建知識(shí)體系→知識(shí)的運(yùn)用”培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，構(gòu)建以學(xué)生為中心的教育理念[2,3]；將生物知識(shí)點(diǎn)與生活實(shí)際相關(guān)聯(lián)，通過(guò)提升學(xué)習(xí)興趣加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果并且加深對(duì)生命的理解，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)健康的認(rèn)識(shí)來(lái)提升人文素養(yǎng)。這些教學(xué)手段一方面提升學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、理論的理解和應(yīng)用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)知識(shí)培養(yǎng)的目標(biāo)，另一方面?zhèn)戎嘏囵B(yǎng)自主探究、分析和創(chuàng)造的能力，以實(shí)現(xiàn)課程的能力和素質(zhì)目標(biāo)，通過(guò)深度背課并且挖掘課程中的經(jīng)典案例、人物及歷史背景和時(shí)政熱點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)思政育人。

2.將環(huán)境生物基礎(chǔ)教學(xué)延伸至課堂外

充分利用網(wǎng)上慕課等線上學(xué)習(xí)資源來(lái)鞏固課堂上的教學(xué)內(nèi)容，彌補(bǔ)課堂教學(xué)學(xué)時(shí)有限的問(wèn)題[4]。同時(shí)與暑期實(shí)踐、科研選題競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及學(xué)科競(jìng)賽等創(chuàng)新育人載體深度融合，為生物基礎(chǔ)好并有濃厚興趣的學(xué)生提供環(huán)境生物類課題和項(xiàng)目。體現(xiàn)差異性教學(xué)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力及運(yùn)用生物基礎(chǔ)原理和技術(shù)解決環(huán)境工程領(lǐng)域問(wèn)題的能力，培養(yǎng)具有一定生物基礎(chǔ)知識(shí)的環(huán)境工程拔尖人才。

黨的十八大報(bào)告將“立德樹(shù)人”首次確立為教育的根本任務(wù)，十九大報(bào)告中指出“要全面貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)”。當(dāng)前，面對(duì)新的國(guó)際國(guó)內(nèi)形勢(shì)和未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)，大學(xué)人才培養(yǎng)更應(yīng)該重視培養(yǎng)人才的國(guó)際化視野，國(guó)際交流與合作順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，這一要求也鞭策高校要加大力度，培養(yǎng)有專業(yè)素質(zhì)，同時(shí)具備全球視野、創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才，以服務(wù)于國(guó)家整體發(fā)展需求。也就是說(shuō)，人才培養(yǎng)，既要有專業(yè)素質(zhì)，又要具有國(guó)際視野。

新型教學(xué)體系實(shí)踐措施

1.授課內(nèi)容的創(chuàng)新性規(guī)劃

針對(duì)學(xué)時(shí)短的問(wèn)題，從整個(gè)學(xué)科體系培養(yǎng)人才的高度去看問(wèn)題，將《生物化學(xué)》和《環(huán)境微生物》兩門課程內(nèi)容打通，凝練理順知識(shí)點(diǎn)，精簡(jiǎn)重復(fù)內(nèi)容，將教學(xué)核心放到內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)上。如，《生物化學(xué)》課程側(cè)重生物大分子的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及物質(zhì)和能量的代謝問(wèn)題；《環(huán)境工程微生物》側(cè)重微生物的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生態(tài)特性和微生物學(xué)基本原理在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用。針對(duì)兩門課程的每一章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行梳理，找出重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，在課堂上重點(diǎn)講解，而課程中相對(duì)容易的內(nèi)容簡(jiǎn)要講解，由學(xué)生借助網(wǎng)上免費(fèi)的慕課資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。

創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性主要體現(xiàn)在將課程內(nèi)容擴(kuò)展到工程實(shí)踐、生活和科研前沿中，讓學(xué)生通過(guò)了解生物基礎(chǔ)理論如何應(yīng)用于工程實(shí)踐中，進(jìn)而深化對(duì)基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)。更重要的是培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的思維方式，提升他們運(yùn)用本學(xué)科的理論來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

2.課堂上采用共鳴式智慧教學(xué)理念

針對(duì)班級(jí)人數(shù)多，不易開(kāi)展討論式教學(xué)的問(wèn)題，使用“雨課堂”、“騰訊課堂”等現(xiàn)代化手段進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課中互動(dòng)和課后拓展。在課前針對(duì)性預(yù)習(xí)，用手機(jī)掃碼進(jìn)入課堂，解決考勤費(fèi)時(shí)問(wèn)題。課堂中實(shí)時(shí)提問(wèn)，讓學(xué)生發(fā)送彈幕回答并活躍氣氛，加強(qiáng)互動(dòng)；通過(guò)隨機(jī)點(diǎn)名和實(shí)時(shí)測(cè)試，了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握程度，提升課堂學(xué)習(xí)的交流與效率。在課后通過(guò)微信群將課件、習(xí)題發(fā)給學(xué)生，同時(shí)通過(guò)線上互動(dòng)為他們答疑解惑，做到聽(tīng)課不停聯(lián)，師生交流隨時(shí)在線。同時(shí)，充分利用線下資源，可以對(duì)基礎(chǔ)差的學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)習(xí)，也可以拓展基礎(chǔ)好的學(xué)生的學(xué)習(xí)廣度及深度。

3.深度備課，創(chuàng)新課程教案

結(jié)合課程的內(nèi)容深度挖掘課程中的經(jīng)典案例、人物軼事等相關(guān)歷史背景并從社會(huì)、國(guó)家、職業(yè)及個(gè)人4個(gè)層面強(qiáng)化“立德樹(shù)人”內(nèi)涵，設(shè)置課程思政內(nèi)容。比如在緒論里通過(guò)介紹屠呦呦因研發(fā)青蒿素獲得諾貝爾獎(jiǎng)、我國(guó)對(duì)新冠疫情的防控等相關(guān)實(shí)例提升學(xué)生的民族自信和對(duì)國(guó)家制度的認(rèn)可；在講蛋白質(zhì)化學(xué)內(nèi)容時(shí)通過(guò)講授燙發(fā)的原理和自身經(jīng)歷說(shuō)明知識(shí)的儲(chǔ)備對(duì)將來(lái)走向工作崗位的重要性；在講蛋白質(zhì)變性時(shí)通過(guò)介紹吳憲教授在蛋白質(zhì)變性理論研究中歷時(shí)11年發(fā)表12篇論文的事跡讓他們認(rèn)識(shí)到堅(jiān)持及嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度的重要性。同時(shí)結(jié)合教學(xué)目的和要求從板書(shū)設(shè)計(jì)、教學(xué)形式與手段進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，大大提升課堂講授的效率和效果。保證了課堂教學(xué)主戰(zhàn)場(chǎng)的高效性和高質(zhì)量。

4.創(chuàng)新教學(xué)形式和教學(xué)手段

（1)理論聯(lián)系實(shí)際設(shè)計(jì)思路

盡可能將生化中涉及的基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)理論放到學(xué)生熟悉且具體的現(xiàn)象和事例中。生物化學(xué)中的理論與生活接觸緊密，在講授相關(guān)內(nèi)容時(shí)，盡可能結(jié)合生活中實(shí)例，如通過(guò)介紹燙發(fā)原理形象地講授蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)α螺旋與β折疊的互換；酒精消毒、豆腐制作涉及蛋白質(zhì)變性問(wèn)題；重金屬中毒涉及蛋白質(zhì)等電點(diǎn)的問(wèn)題等，這些問(wèn)題不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，還提升他們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，同時(shí)增加生活常識(shí)和健康理念。

（2)問(wèn)題探究式的教學(xué)模式

按照“問(wèn)題導(dǎo)入、啟發(fā)思考、共同分析、構(gòu)建知識(shí)體系、知識(shí)應(yīng)用”的教學(xué)模式，將前面學(xué)過(guò)的知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)回顧，并和新知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。這種教學(xué)方式可以讓學(xué)生跟上教師的思路，更重要的是在教學(xué)過(guò)程中，以學(xué)生為中心，通過(guò)自主思考進(jìn)行知識(shí)的歸納總結(jié)，讓教師在課堂上盡量扮演引路人的角色。

（3)針對(duì)學(xué)科經(jīng)典著名事件進(jìn)行案例教學(xué)

如遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)之旅，通過(guò)介紹英國(guó)生物學(xué)家弗雷德里克·格里菲斯的肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、美國(guó)微生物學(xué)家?jiàn)W斯瓦爾德·艾弗里、阿爾弗萊德·赫爾希的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)以及沃森和克里克的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，和學(xué)生一起分析當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)采用方法、實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及研究者的思路。結(jié)合科研項(xiàng)目與課程相關(guān)內(nèi)容，讓他們了解本課程體系對(duì)于專業(yè)的重要性，提升解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

5.構(gòu)建課堂外的立體化創(chuàng)新教學(xué)體系

針對(duì)生物基礎(chǔ)好，對(duì)生物學(xué)科有強(qiáng)烈興趣的學(xué)生，將其吸引到暑期實(shí)踐、科研選題競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)及學(xué)科競(jìng)賽中，通過(guò)參與環(huán)境生物方面的課題與項(xiàng)目，達(dá)到生物基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新環(huán)節(jié)相融合，從而提升學(xué)生創(chuàng)新能力、科研素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)差異教學(xué)[5]，培養(yǎng)具有一定生物基礎(chǔ)知識(shí)的環(huán)境工程拔尖人才。在此過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)運(yùn)用生物基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)解決環(huán)境專業(yè)中問(wèn)題的能力得到提升。以學(xué)生為中心落實(shí)到課程上就要求圍繞學(xué)生發(fā)展來(lái)設(shè)計(jì)課堂，將培養(yǎng)目標(biāo)與課程性質(zhì)、學(xué)生興趣等結(jié)合起來(lái)，力爭(zhēng)讓每一節(jié)課成為學(xué)生能力成長(zhǎng)的一個(gè)臺(tái)階。在教學(xué)過(guò)程中，嘗試改變以往單一的教學(xué)模式（如課堂講授)，不斷吸收新的教育教學(xué)理念與現(xiàn)代化技術(shù)（研究型課程、課題式教學(xué))，實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式的多樣化，同時(shí)促進(jìn)不同課程之間的有效對(duì)接、互補(bǔ)，優(yōu)化課程群建設(shè)，最終形成多元化的教學(xué)體系，以期促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的真正提高。

效果及推廣應(yīng)用

通過(guò)“立體化生物學(xué)基礎(chǔ)課程創(chuàng)新教學(xué)體系的構(gòu)建”，課堂教學(xué)主戰(zhàn)場(chǎng)得到加強(qiáng)，體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高、課堂互動(dòng)參與度高等方面。2019年環(huán)境工程專業(yè)認(rèn)證專家組組長(zhǎng)在進(jìn)校考查現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)取了《生物化學(xué)》課程，對(duì)課堂的教學(xué)效果、學(xué)生的參與度以及教案的精心準(zhǔn)備給予了高度評(píng)價(jià)。

在課堂外創(chuàng)新育人載體中，近年來(lái)環(huán)境工程專業(yè)每年有接近20%學(xué)生參與環(huán)境生物有關(guān)的暑期實(shí)踐、科研選題訓(xùn)練及大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐項(xiàng)目并了解了指導(dǎo)教師的科研項(xiàng)目。這些課外的創(chuàng)新教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新科學(xué)研究思維和實(shí)踐動(dòng)手能力的最佳載體，而各種學(xué)科競(jìng)賽成為展現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力的優(yōu)秀舞臺(tái)。專業(yè)學(xué)科競(jìng)賽激發(fā)了學(xué)生應(yīng)用所學(xué)生物專業(yè)理論知識(shí)來(lái)解決生產(chǎn)實(shí)際中存在問(wèn)題的挑戰(zhàn)和熱情，獲得了良好成果。

注

本文系2020年度中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京)本科教育教學(xué)改革與研究重點(diǎn)項(xiàng)目“以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的環(huán)境科學(xué)與工程育人體系建設(shè)”（課題編號(hào):J20ZD11)和2020年度教育部新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“能源礦業(yè)類高校煤炭潔凈利用相關(guān)專業(yè)多學(xué)科交叉復(fù)合改造升級(jí)探索與實(shí)踐”（課題編號(hào):E-KYDZCH20201801)基金資質(zhì)。