環(huán)境微生物工程與技術(shù)教學(xué)改革探索

梁伊麗 周洪波 謝建平 曾偉民 甘敏

(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410083)

國(guó)家高等教育的職能是為科學(xué)研究和社會(huì)服務(wù)培養(yǎng)專門人才。為貫徹《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，需要切實(shí)推進(jìn)高等教育質(zhì)量保障體系建設(shè)，進(jìn)行高校本科教育教學(xué)綜合改革，持續(xù)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才。因此，培養(yǎng)學(xué)生解決解決綜合、復(fù)雜問題的能力，以適應(yīng)將來實(shí)際工作能力的需要，是需要不斷實(shí)踐和探索的重要問題。

中南大學(xué)是我國(guó)設(shè)立生物工程和生物技術(shù)本科專業(yè)較早的學(xué)校之一，經(jīng)過二十多年的發(fā)展形成了獨(dú)特的辦學(xué)模式，依托生物冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和生物冶金湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、難冶有色金屬高效清潔利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，該專業(yè)畢業(yè)的學(xué)生在有價(jià)金屬提取和重金屬污染環(huán)境規(guī)?；卫矸矫鎯?yōu)勢(shì)突出。

環(huán)境微生物工程與技術(shù)結(jié)合環(huán)境工程與生物技術(shù)，涉及微生物技術(shù)、工程學(xué)、環(huán)境學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，課程在學(xué)習(xí)微生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)等課程基礎(chǔ)上，系統(tǒng)學(xué)習(xí)廢水、廢氣和廢渣微生物預(yù)防、治理和廢棄物資源化的理論、方法和工藝。課程不僅要求較強(qiáng)的微生物和環(huán)境科學(xué)基礎(chǔ)理論，且具有鮮明的生物和環(huán)境相關(guān)技術(shù)與工程應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)學(xué)科專業(yè)體系的構(gòu)筑起到重要的作用。

環(huán)境微生物工程與技術(shù)課程覆蓋面廣，知識(shí)點(diǎn)繁多，理論和實(shí)踐性強(qiáng)，但是生物工程和生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，環(huán)境工程學(xué)的背景知識(shí)匱乏，缺乏水體、大氣、固體廢棄物等污染控制工程，以及土壤修復(fù)、生態(tài)修復(fù)等知識(shí)儲(chǔ)備，難以利用環(huán)境學(xué)科與工程學(xué)的方法探究污染控制理論和技術(shù)，理解和解決復(fù)雜環(huán)境工程。同時(shí)，目前生物工程和環(huán)境工程結(jié)合的綜合性教材多為環(huán)境工程專業(yè)設(shè)置，教材內(nèi)容側(cè)重微生物和生物工程知識(shí)體系的構(gòu)建，主要內(nèi)容通常側(cè)重于微生物的分類、形態(tài)結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)與生長(zhǎng)、代謝等基礎(chǔ)知識(shí)，微生物對(duì)污染物的降解和轉(zhuǎn)化及其在環(huán)境污染治理工程中的應(yīng)用等。因此，環(huán)境微生物工程與技術(shù)課程需要教師在教學(xué)過程中合理組織和充實(shí)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程技能的主觀能動(dòng)性。筆者根據(jù)環(huán)境微生物工程與技術(shù)的培養(yǎng)目標(biāo)，從充實(shí)教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)考核等方面對(duì)課程進(jìn)行了改革探索，理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)學(xué)生科學(xué)研究及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提高了教學(xué)質(zhì)量。

1 積極拓展教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度

為克服生物工程與生物技術(shù)學(xué)生環(huán)境科學(xué)和工程基礎(chǔ)薄弱的缺點(diǎn)，2018 年學(xué)校重新修訂本科教學(xué)大綱。課程針對(duì)“三廢”，重點(diǎn)講述有機(jī)污染物、重金屬等的防治。課程內(nèi)容包括：廢水的微生物好（厭）氧處理，除磷脫氮微生物技術(shù)，生物修復(fù)污染土壤，生物處理工業(yè)廢氣，生物處置固體廢棄物，微生物降解危險(xiǎn)性化合物以及環(huán)境微生物技術(shù)在能源、食品等領(lǐng)域的應(yīng)用。鼓勵(lì)學(xué)生建立與環(huán)境相關(guān)的工程學(xué)、生態(tài)學(xué)、規(guī)劃與管理學(xué)科體系，利用環(huán)境學(xué)科與工程學(xué)的方法，研究環(huán)境污染控制相關(guān)理論、技術(shù)和工程，耦合生物工程和生物技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)污染物的高效修復(fù)。同時(shí)，針對(duì)特定污染環(huán)境污染治理工程中常見的典型關(guān)鍵問題，指導(dǎo)學(xué)生合理選擇與運(yùn)用相關(guān)技術(shù)，在工程規(guī)模上實(shí)現(xiàn)污染物的高效、快速去除，強(qiáng)化污染防治技術(shù)原理和工程[1-3]。例如：根據(jù)來自污水廠、河流（河水、底泥）、自來水廠水中含氮苯類污染物質(zhì)去除方法以及工程措施的差異，合理設(shè)計(jì)治理工程的系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及生物處理運(yùn)行參數(shù)。同時(shí)，開展教學(xué)反饋調(diào)查，對(duì)教材和教學(xué)內(nèi)容的選擇、各章節(jié)課時(shí)和工程設(shè)計(jì)等開展問卷，并依據(jù)調(diào)查反饋開展整理、總結(jié)，調(diào)整教學(xué)。

前蘇聯(lián)教育家贊可夫提出“高速度教學(xué)”和“高難度教學(xué)”以及適當(dāng)壓力引起的心理緊張，有利于學(xué)習(xí)效率的提高。為此，主講教師加強(qiáng)了本學(xué)科最新進(jìn)展的文獻(xiàn)閱讀，增加學(xué)科前沿內(nèi)容的銜接。挑選了跟課程相關(guān)的英文文獻(xiàn)作為課后作業(yè)，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)文獻(xiàn)內(nèi)容提出問題并回答問題。例如：微生物的生命活動(dòng)可把生物質(zhì)、無機(jī)物或水轉(zhuǎn)化為沼氣、氫氣等可燃?xì)怏w或油脂類可燃液體。教師們選取混合菌降解纖維素產(chǎn)乙醇和微生物協(xié)同共代謝苯二甲酸酯同時(shí)產(chǎn)甲烷等文獻(xiàn)[4-5]，了解微生物產(chǎn)再生能源對(duì)于改善能源結(jié)構(gòu)、同時(shí)緩解鄰苯二甲酸酯、雌二醇等環(huán)境激素引起的環(huán)境問題的作用。另外，介紹基于基因芯片調(diào)控微生物群落原位修復(fù)污染是新型修復(fù)方法[6]。從1951—1983年，曼哈頓計(jì)劃中的濃縮鈾工程在田納西州橡樹嶺市進(jìn)行，排放了數(shù)千噸含硝酸和高濃度貧化鈾的廢水，地下水與沉積物造成了嚴(yán)重鈾污染。用有機(jī)物乙醇、甲醇、乙酸、乳酸、葡萄糖以及氫氣等為微生物提供電子，可將6 價(jià)易溶解的鈾還原為4 價(jià)不溶解的鈾。在添加有機(jī)物的過程中，基于基因芯片調(diào)控微生物群落原位修復(fù)鈾污染的工業(yè)化實(shí)施項(xiàng)目也取得較好的結(jié)果。通過這樣的拓展學(xué)習(xí)，學(xué)生逐步了解到環(huán)境微生物方向的研究進(jìn)展，為繼續(xù)深造和工作打下基礎(chǔ)。

2 教學(xué)模式的改革

環(huán)境微生物工程與技術(shù)是環(huán)境工程與生物技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的交叉學(xué)科。課程既有較強(qiáng)的基礎(chǔ)理論要求，又具有鮮明的技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)?！皹?gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行（CDIO，Conceive-Design-Implement-Operate）”4個(gè)層次的教育理念，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新能力，是人才培養(yǎng)的先進(jìn)范式[7]。課程通過探索與實(shí)踐，引入CDIO 的理念，注重加強(qiáng)學(xué)生求知的欲望，提高設(shè)計(jì)、創(chuàng)新及解決實(shí)際問題的能力。特別是從案例教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)信息化平臺(tái)輔助教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)踐等方面促進(jìn)教和學(xué)的良性互動(dòng)，很大程度上提高了學(xué)生求知求新的積極性，教學(xué)效果顯著提升。

2.1 開展案例教學(xué)

針對(duì)有機(jī)污染物、重金屬防治的課程重點(diǎn)，以及污染防治方法技術(shù)的合理選擇與運(yùn)用的課程難點(diǎn)，采用教學(xué)“雙主互動(dòng)”模式下的案例式教學(xué)。選取能夠反映生物工程行業(yè)技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新的典型案例，針對(duì)美國(guó)賓州帕爾默頓鎮(zhèn)區(qū)選礦污染場(chǎng)地修復(fù)、美國(guó)紐約州拉夫運(yùn)河事件、美國(guó)田納西州橡樹嶺高濃度貧化鈾微生物群落調(diào)控原位修復(fù)、因鉆井平臺(tái)爆炸引起的墨西哥灣漏油處理，結(jié)合具體的工程實(shí)例組織學(xué)生進(jìn)行分析討論，提出解決方案?！半p主互動(dòng)”模式下的案例教學(xué)法在教學(xué)過程中專門安排了部分教學(xué)內(nèi)容布置成若干個(gè)項(xiàng)目，學(xué)生自行分組，并通過抽簽的方式選擇其中一個(gè)項(xiàng)目，以小組合作、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、自主學(xué)習(xí)的方式完成項(xiàng)目任務(wù)。例如：針對(duì)目前土壤修復(fù)存在急于求成，工期短，不少修復(fù)工程僅對(duì)地下一兩米的淺表土壤進(jìn)行修復(fù)，只做表層“文章”，方法粗暴等問題，選取美國(guó)賓州帕爾默頓鎮(zhèn)區(qū)選礦污染場(chǎng)地修復(fù)的典型案例開展“雙主互動(dòng)”教學(xué)。引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)占地?cái)?shù)百英畝、高達(dá)數(shù)十米的重金屬污染礦渣山，高污染的滲濾液、河流與地下水，高濃度重金屬的粉塵提出治理方案并制作PPT 進(jìn)行闡述。要求學(xué)生在課件制作和講述時(shí)思路清晰，語言簡(jiǎn)潔、通俗易懂，關(guān)鍵點(diǎn)突出，注意總結(jié)性語言和過渡性關(guān)聯(lián)。為提高注意力和活躍思維，引導(dǎo)聽講學(xué)生針對(duì)治理方案提出問題，以欣賞和尊重的評(píng)價(jià)提高學(xué)生提問的積極性和主動(dòng)性[7]。

2.2 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息化平臺(tái)輔助教學(xué)

信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，對(duì)在線教學(xué)、電化教育提出了更高的要求，推進(jìn)了教育由應(yīng)用融合向發(fā)展創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。資源、平臺(tái)、應(yīng)用、服務(wù)與課堂內(nèi)外教學(xué)活動(dòng)深度融合，很大程度上將降低教學(xué)的創(chuàng)新難度，有利于人才的培養(yǎng)。

環(huán)境微生物工程與技術(shù)課程在開展工程行業(yè)技術(shù)和設(shè)備知識(shí)講授時(shí)，涉及的內(nèi)容比較抽象，學(xué)生需要通過教材中設(shè)備的平面圖來想象其立體結(jié)構(gòu)及使用過程。由于許多學(xué)生空間想象力不足，對(duì)于沒有接觸過設(shè)備實(shí)體的學(xué)生來說，對(duì)設(shè)備的立體結(jié)構(gòu)機(jī)械原理、運(yùn)轉(zhuǎn)方式的掌握會(huì)有難度。針對(duì)工程設(shè)備和抽象的工藝技術(shù)，比如：新型原位修復(fù)的滲透反應(yīng)墻技術(shù)[8-10]、近海石油廢水處理技術(shù)[11]、金屬催化修復(fù)生物接觸氧化法、生物轉(zhuǎn)盤法、生物滴濾/過濾技術(shù)處理惡臭等，通過觀看慕課、微課，以及教學(xué)演示錄像、視頻等立體化和現(xiàn)代化的教學(xué)資源來提高教學(xué)效果。另外，利用中南大學(xué)教育技術(shù)中心的網(wǎng)站搭建了《環(huán)境微生物工程與技術(shù)》的互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)，設(shè)置了“文獻(xiàn)閱讀”“案例分析”“播課元件”和“教學(xué)課件”等多個(gè)目錄。網(wǎng)絡(luò)資源的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)習(xí)效率起到了事半功倍的立體效果。

2.3 實(shí)習(xí)實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)貫穿教學(xué)過程體系

國(guó)家大力鼓勵(lì)改變傳統(tǒng)的教育理念，培育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，增強(qiáng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，改善畢業(yè)生就業(yè)質(zhì)量。環(huán)境微生物工程與技術(shù)課程是以“大類招生”為牽引的跨學(xué)科專業(yè)的交叉課程。為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的精神和技術(shù)技能，課程把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力作為培養(yǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)，通過完善課程體系，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)（實(shí)訓(xùn)）教學(xué)、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練和創(chuàng)新實(shí)踐的密切融合。引導(dǎo)學(xué)生參與環(huán)境微生物工程與技術(shù)相關(guān)的課題研究、創(chuàng)業(yè)實(shí)踐、論文發(fā)表、專利申請(qǐng)和自主創(chuàng)業(yè)。

在老師的指導(dǎo)下，在教學(xué)最后一個(gè)環(huán)節(jié)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，同學(xué)們積極選擇與環(huán)境微生物工程與技術(shù)相關(guān)的環(huán)境微生物工程與技術(shù)的課題，比如微生物發(fā)酵，厭氧或好氧處理重金屬、有機(jī)廢水等。學(xué)生深入工廠、研究院開展實(shí)地調(diào)查和實(shí)踐，運(yùn)用生物工程和環(huán)境工程的基本理論開展工程設(shè)計(jì)和研究，通過計(jì)算、繪圖、市場(chǎng)論證以及可行性建議等，撰寫報(bào)告。學(xué)生綜合運(yùn)用環(huán)境微生物工程與技術(shù)所學(xué)理論、知識(shí)和技能解決實(shí)際問題的能力明顯提高。

中南大學(xué)實(shí)施了“本科生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目，包括校級(jí)、省級(jí)、和國(guó)家級(jí)3層次，經(jīng)費(fèi)資助每項(xiàng)0.5萬～2萬元。課程團(tuán)隊(duì)號(hào)召學(xué)生申請(qǐng)和參與以上本科科研項(xiàng)目，并且結(jié)合教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)室培育科研素質(zhì)，通過科研實(shí)踐來提高創(chuàng)新能力，鞏固基本理論。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年32%的畢業(yè)學(xué)生參加了學(xué)校、省級(jí)和國(guó)家級(jí)的創(chuàng)新課題，其中大部分涉及微生物污染治理。值得一提的是，在2021 年度的中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽上，團(tuán)隊(duì)老師指導(dǎo)的“臭氧和微生物聯(lián)合處理有機(jī)物廢水”項(xiàng)目獲得全國(guó)銀獎(jiǎng)。

3 課程考核評(píng)價(jià)體系的改革

教師的授課方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度與課程考核方式有著密切關(guān)系。若課程僅依賴記憶、理解和知識(shí)的初步應(yīng)用，通過作業(yè)鞏固知識(shí)，通過考前突擊復(fù)習(xí)拿到學(xué)分，將不利于選修課程知識(shí)在專業(yè)課的應(yīng)用貫通以及學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。因此，基于課程考核對(duì)學(xué)習(xí)和授課的引導(dǎo)功能，探索新的考試、考核方式勢(shì)在必行。

在環(huán)境微生物工程與技術(shù)課程的教學(xué)改革中，改革的內(nèi)容也包含課程考核評(píng)價(jià)體系的改革，將考核與教學(xué)過程結(jié)合緊密。首先，加大了平時(shí)考核的比重，進(jìn)行多樣化的考核；其次，改革考核內(nèi)容，重點(diǎn)突出了素質(zhì)和能力的考核，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新素質(zhì)和綜合能力。根據(jù)環(huán)境微生物工程與技術(shù)課程特點(diǎn)，考核分為期末考試和平時(shí)考核2 大部分，其中期末考試占50%，平時(shí)考核模塊占50%。

中南大學(xué)考試中心對(duì)期末考試試卷命題要求嚴(yán)格，要求試卷格式規(guī)范，近5 年試題重復(fù)率低于20%。課程組老師不斷充實(shí)試題試卷庫(kù)，補(bǔ)充客觀與主觀分析題型，以考查靈活運(yùn)用知識(shí)認(rèn)識(shí)事物、解決問題的能力。比如：為實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的目標(biāo)，以生物能源為例，分析生物產(chǎn)氫、生物發(fā)酵纖維素產(chǎn)乙醇參與的微生物，能源產(chǎn)生機(jī)制，反應(yīng)控制因素等以考查學(xué)生綜合能力的作用。

針對(duì)課程特點(diǎn)，教學(xué)中將平時(shí)教學(xué)的作業(yè)、隨堂測(cè)驗(yàn)、案例教學(xué)分組討論和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)結(jié)合起來，綜合評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，課程分?jǐn)?shù)的平時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)定按照以下標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行評(píng)定：傳統(tǒng)的聽課和作業(yè)，占10%；隨堂測(cè)驗(yàn)，占10%；案例教學(xué)討論占20%，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)占10%。

4 問題和結(jié)論

課程以“能力培養(yǎng)”為指導(dǎo)開展教學(xué)工作，注重理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，學(xué)生深刻體會(huì)到了環(huán)境微生物工程與技術(shù)知識(shí)的系統(tǒng)性和連續(xù)性，在靈活的考核方式下增加主體意識(shí)，加強(qiáng)交流，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和能動(dòng)性極大地提高，教學(xué)效果明顯提升。最近幾屆的畢業(yè)生，攻讀研究生或者工作后，各單位反饋中南大學(xué)生物工程與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生能吃苦，不但有很好的微生物學(xué)基礎(chǔ)，而且具有扎實(shí)的工程技能。通過多年的教學(xué)工作，課程團(tuán)隊(duì)也深刻體會(huì)到“后生可畏”“焉知來者之不如今也”，教師應(yīng)當(dāng)勤于進(jìn)修，以學(xué)生為本，結(jié)合實(shí)際不斷探索和改進(jìn)，使環(huán)境微生物工程與技術(shù)的教學(xué)更加適應(yīng)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的需要，更利于學(xué)生專業(yè)深造及服務(wù)于國(guó)家的環(huán)保產(chǎn)業(yè)。