生物學(xué)融入環(huán)境工程教育的實(shí)踐與策略

鄭邦曉

（廈門理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門 361024）

隨著人類活動的加劇，全球環(huán)境生態(tài)問題正日益凸顯，其中最受關(guān)注的議題無疑是生物多樣性與一健康（One Health）[1]。生物多樣性的損失不僅對地球上的生態(tài)平衡造成巨大影響，也對人類的生活方式和健康帶來了嚴(yán)重的威脅[2]。例如，不同物種的消失可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能的下降，這進(jìn)一步加劇了食物短缺、水源污染和各種疾病的傳播[3-4]。同時(shí)，人類大健康不僅僅是關(guān)乎身體健康，更包括心理、社交和環(huán)境因素，他們與生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)[5]。

在這樣的背景下，傳統(tǒng)的環(huán)境工程教育顯然無法滿足當(dāng)前社會的需求。因此，對于環(huán)境工程專業(yè)的教育模式和課程設(shè)置，必須進(jìn)行深入的思考和調(diào)整。具體而言，環(huán)境工程教育不僅需要培養(yǎng)學(xué)生在工程技術(shù)方面的專業(yè)知識，更應(yīng)重視生物學(xué)知識的融入和應(yīng)用生物學(xué)原理的情境教學(xué)[6-7]。這樣，學(xué)生不僅可以了解到環(huán)境問題的根源，還能掌握如何運(yùn)用生物學(xué)原理來解決這些問題。此外，與生物學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目也應(yīng)該成為環(huán)境工程課程的重要組成部分[8-9]。這不僅可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用生物學(xué)知識，還能培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。總的來說，只有將生物學(xué)知識與環(huán)境工程教育緊密結(jié)合，才能培養(yǎng)出既懂工程技術(shù)，又具備生物學(xué)視角的復(fù)合型人才[10]，從而更好地應(yīng)對全球環(huán)境生態(tài)問題的挑戰(zhàn)。

為了滿足復(fù)合型人才的需求，環(huán)境工程學(xué)生需要具備生物學(xué)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)做法是為學(xué)生增加相關(guān)生物學(xué)課程，而這種做法無疑給學(xué)生增加了課業(yè)負(fù)擔(dān)。在廈門理工學(xué)院，環(huán)境生態(tài)工程系則進(jìn)行了創(chuàng)新性嘗試。我們與有生物專業(yè)研究背景的老師合作，在四年教學(xué)體系中將生物學(xué)理論知識融入環(huán)境工程的項(xiàng)目實(shí)踐，形成一體化的教學(xué)模式。這套課程體系通過特別設(shè)計(jì)的課程和學(xué)習(xí)模塊，使學(xué)生能夠了解環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用最多的生物學(xué)前沿知識。我們從學(xué)生入學(xué)開始就引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到生物學(xué)家和環(huán)境工程師之間所展開的密切合作，并將這個(gè)認(rèn)知貫穿在整個(gè)四年的大學(xué)學(xué)習(xí)過程中。為了更好地滿足廈門理工學(xué)院“親產(chǎn)業(yè)”的辦學(xué)定位，環(huán)境生態(tài)工程系在課程設(shè)置時(shí)便與多個(gè)行業(yè)的本地企業(yè)和科研院所合作，包括生物醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)、制藥和食品等相關(guān)的行業(yè)?？傮w來說，融合后的全新教學(xué)模式不僅為學(xué)生提供了解決工程設(shè)計(jì)問題的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也培養(yǎng)了他們解決問題的整體觀和創(chuàng)新性。

1 一年級課程

在本科教育的框架下，一年級工程類課程通常被設(shè)計(jì)為“工程學(xué)導(dǎo)論”。不過，我們對此傳統(tǒng)模式進(jìn)行了有意義的教學(xué)改革。在秋季學(xué)期（也就是學(xué)年的上半部分），我們安排學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的工程技能，解決工程中的實(shí)際問題，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，并深入探討工程師在未來職業(yè)發(fā)展中所需遵循的職業(yè)道德。到了春季學(xué)期（也就是學(xué)年的下半部分），課程內(nèi)容會更加專注于工程設(shè)計(jì)的原理，尤其強(qiáng)調(diào)對工程設(shè)計(jì)和評估進(jìn)行反向思考。

Maynard和Razatos以及他們的團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)富有創(chuàng)見的想法，即通過示例、實(shí)際演示和實(shí)驗(yàn)活動，將生物學(xué)的關(guān)鍵概念融入傳統(tǒng)的工程課程中[11]。這種方法旨在為即將畢業(yè)的工程專業(yè)學(xué)生提供處理非常規(guī)問題的能力，并關(guān)注新興研究和發(fā)展領(lǐng)域。在我系的核心環(huán)境工程課程中，我們也采用了這種策略，將生物學(xué)的概念整合進(jìn)來。更為重要的是，我們加強(qiáng)了生物學(xué)理論和工程實(shí)驗(yàn)之間的縱向整合，這有助于在各個(gè)課程層面上確立生物學(xué)概念、工程技能和工程模型的關(guān)聯(lián)性。

為了更直觀地說明縱向整合在課程中的運(yùn)用和重要性[12]，我們特意選取了一年級工程類課程中的生物醫(yī)學(xué)工程項(xiàng)目作為實(shí)例。在這四個(gè)特定的實(shí)踐模塊中，學(xué)生被逐步引入到跨學(xué)科的生物醫(yī)學(xué)主題中。隨后，這些主題會在環(huán)境工程課程的更高級核心課程中得到深入的探討和討論。如表1詳細(xì)列出了這四個(gè)實(shí)踐模塊的主要內(nèi)容、相關(guān)的測量指標(biāo)以及工程學(xué)的基本原理。此外，縱向整合的關(guān)鍵要點(diǎn)也展示了這四個(gè)模塊與跨學(xué)科知識或框架的直接聯(lián)系。

表1 生物學(xué)與工程學(xué)模塊整合表

2 二年級課程

生物科學(xué)與環(huán)境工程的教師團(tuán)隊(duì)攜手，為環(huán)境工程二年級學(xué)生開設(shè)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)為核心的“生物系統(tǒng)與應(yīng)用”課程。該課程不僅深入介紹相關(guān)生物系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)操作，還進(jìn)行了課程有效性的評估。與此課程同步，學(xué)生們還將加入為期兩學(xué)期的大二綜合實(shí)踐課程I和Ⅱ。這套課程包含了跨學(xué)科的設(shè)計(jì)與實(shí)踐方案，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知到工程項(xiàng)目所需的技術(shù)和溝通方式。學(xué)生將按照3-5人小組進(jìn)行合作，共同完成一個(gè)學(xué)期的項(xiàng)目，其中包括自主設(shè)計(jì)微生物燃料電池等。該項(xiàng)目所涉及的所有理論和實(shí)際操作都建立在“生物系統(tǒng)與應(yīng)用”課程知識的基礎(chǔ)上。在這一年級的學(xué)習(xí)過程中，第一學(xué)期更注重全面質(zhì)量管理和寫作技能，而第二學(xué)期主要加強(qiáng)學(xué)生的知識傳遞和科學(xué)普及技巧。

3 三年級課程

學(xué)生進(jìn)入大學(xué)三年級后，會通過一系列的實(shí)踐課程參與特定的研究項(xiàng)目中，學(xué)分為2學(xué)分。在項(xiàng)目中，學(xué)生們需要參與到至少一個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)來進(jìn)行分工協(xié)作，經(jīng)費(fèi)支持既可能來源于教師的縱向經(jīng)費(fèi)，也可能來自企業(yè)的橫向贊助或是企業(yè)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目的支持。由于教師的研究領(lǐng)域或企業(yè)資金支持的方向不同，使得這些項(xiàng)目覆蓋了多種新興學(xué)科。在過去的課程實(shí)踐中，與生物和環(huán)境工程結(jié)合的項(xiàng)目數(shù)量顯著增加。而學(xué)生們在“生物系統(tǒng)與應(yīng)用”課程中所獲得的訓(xùn)練是他們在高年級的研究中應(yīng)對與生物相關(guān)的項(xiàng)目最強(qiáng)有力的保障。

經(jīng)過兩個(gè)學(xué)期的高級實(shí)踐課程活動后，學(xué)生應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：

1）深入?yún)⑴c到中等復(fù)雜度的工程項(xiàng)目，對工程的普遍做法和專業(yè)有更深的理解。

2）在跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)中展現(xiàn)出卓越的合作能力。

3）掌握和運(yùn)用新的技術(shù)技能。

4）對工業(yè)和創(chuàng)業(yè)方面有深入的了解和應(yīng)用能力。

5）能夠有效地進(jìn)行項(xiàng)目和團(tuán)隊(duì)管理。

6）在他們的工作中融入工程的專業(yè)素養(yǎng)和道德標(biāo)準(zhǔn)。

7）在書面、口頭和多媒體方面的溝通技巧有顯著提高。

8）高效利用跨越不同地區(qū)和語言的信息資源。

3.1 項(xiàng)目舉例1：抗生素的產(chǎn)生研究

據(jù)報(bào)道，微生物為了維護(hù)自己的生存空間，會產(chǎn)生抗生素等次生代謝物來對抗其他微生物[13]?？股匾驯粡V泛應(yīng)用于人類疾病的治療，并大大革新了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[14]。但由于過量或不當(dāng)使用，導(dǎo)致相關(guān)病原體產(chǎn)生了藥物耐藥性[15]。隨著耐藥細(xì)菌數(shù)量的增加，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的治療手段受到了挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，尋找新的、有效的抗生素成為緊迫的任務(wù)。土壤作為一個(gè)天然的資源庫，有可能為我們提供具有新型抗生素生產(chǎn)能力的細(xì)菌[16]。

該項(xiàng)目的目標(biāo)是從廈門市的垃圾場土壤中分離和鑒定能產(chǎn)生抗生素的細(xì)菌。在這項(xiàng)工作中，由兩名微生物學(xué)家和兩名化學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)與四名專業(yè)教師（兩名微生物學(xué)和兩名化學(xué)）緊密合作。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在為期兩年的研究中，針對耐藥問題進(jìn)行了深入探索。團(tuán)隊(duì)的工作被細(xì)分為具體的研究模塊，包括對相關(guān)微生物學(xué)和化學(xué)文獻(xiàn)的深入研究、新型抗生素細(xì)菌的篩選與鑒定、這些新菌株生理特性和抗生素產(chǎn)生能力的表征以及初步的抗生素生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。在這一過程中，學(xué)生和教師們不斷交流合作，確保研究的每個(gè)階段都能得到深入而細(xì)致的探討。此外，團(tuán)隊(duì)還注重將研究成果與實(shí)際的醫(yī)療需求相結(jié)合，并在國內(nèi)外的微生物學(xué)和化學(xué)會議上分享他們的研究進(jìn)展。經(jīng)過系統(tǒng)的研究，成功鑒定了兩種具有抗生素生產(chǎn)潛力的芽孢桿菌，它們對一系列的病原微生物都有很好的抑制作用。這一發(fā)現(xiàn)不僅為面對藥物耐藥性問題提供了新的解決策略，也為未來的抗生素研發(fā)打開了新的方向。

3.2 項(xiàng)目舉例2：花青素的生產(chǎn)研究

花青素是一種為果實(shí)和花朵提供色彩的重要植物色素[17]。這種水溶性的植物色素在食品和花卉中廣泛存在，為其提供紅色、紫色或藍(lán)色的色調(diào)[18]?；ㄇ嗨赜捎谄涮烊缓徒】档奶匦裕饾u成為代替合成食品著色劑的首選[19]。盡管過去的研究已經(jīng)表明，花青素對人體有多種健康益處，如抗氧化、抗炎、抗癌等[20]，但如何有效提高花青素的產(chǎn)量仍是一個(gè)研究重點(diǎn)。此項(xiàng)目旨在探索花青素在大腸桿菌中的合成路徑，為其大規(guī)模生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

在這個(gè)項(xiàng)目中，兩名學(xué)生（分別來自生物學(xué)和環(huán)境工程背景）與三名專任教師（包括植物生物學(xué)家、微生物學(xué)家和環(huán)境工程師）緊密合作，探索了花青素不同的人工合成策略，以實(shí)現(xiàn)在大腸桿菌中的高效花青素生產(chǎn)。團(tuán)隊(duì)首先鑒定了植物來源的多種關(guān)鍵酶，并利用它們構(gòu)建了從簡單前體如黃酮和黃烷醇到花青素的生物合成路徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過優(yōu)化合成策略、調(diào)整培養(yǎng)條件并合理改造大腸桿菌的代謝網(wǎng)絡(luò)，成功實(shí)現(xiàn)了從前體分子到花青素的高效轉(zhuǎn)化。此外，為了進(jìn)一步提高花青素的穩(wěn)定性和產(chǎn)量，研究團(tuán)隊(duì)還采用了pH調(diào)節(jié)、融合蛋白技術(shù)等多種優(yōu)化策略。通過這些技術(shù)創(chuàng)新，成功實(shí)現(xiàn)了花青素的高產(chǎn)量生產(chǎn)，為其在食品、醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)未來的研究將進(jìn)一步完善花青素的生產(chǎn)工藝，并探索其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

3.3 其他項(xiàng)目研究

除上述項(xiàng)目外，還有許多跨學(xué)科的研究項(xiàng)目在進(jìn)行，涵蓋了生物學(xué)和工程學(xué)的交叉領(lǐng)域。例如，有的項(xiàng)目探討了藥物轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)、食品保存技術(shù)、藥物分離方法和人工器官的研究與開發(fā)。這些項(xiàng)目不僅增進(jìn)了學(xué)術(shù)研究，還為教育課程內(nèi)容的拓展提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。在每個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生們都積極參與，從前期的資料收集到實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)施，再到后期的分析與總結(jié)，都充分體現(xiàn)了跨學(xué)科合作的重要性。

4 四年級課程

4.1 食品工程課程

廈門理工學(xué)院的環(huán)境生態(tài)工程系重視與地區(qū)知名企業(yè)的合作，如廈門古龍食品有限公司、廈門太古可口可樂飲料有限公司、廈門滄海萬泰生物技術(shù)有限公司等。鑒于廈門地區(qū)是這些企業(yè)的重要生產(chǎn)基地，學(xué)院發(fā)現(xiàn)學(xué)生對食品加工行業(yè)有濃厚的興趣，并認(rèn)識到了對食品工程教學(xué)的需求。為此，環(huán)境生態(tài)工程系針對工程專業(yè)一年級新生開設(shè)了食品實(shí)驗(yàn)課程，并為本專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)了食品工程選修課。該課程內(nèi)容包括食品科學(xué)、食品化學(xué)、食品工業(yè)操作以及食品保存技術(shù)。

4.2 生物醫(yī)學(xué)工程課程

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科是基于工程師、醫(yī)生和生命科學(xué)家之間的合作而發(fā)展起來的，現(xiàn)在已經(jīng)成為許多大學(xué)中增長最快的學(xué)科之一。在這一領(lǐng)域中，環(huán)境工程師在設(shè)計(jì)人工器官、藥物傳輸裝置等方面起到了關(guān)鍵作用。本課程旨在幫助學(xué)生深入理解化工基礎(chǔ)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，如物質(zhì)轉(zhuǎn)移、熱傳導(dǎo)、流體流動和化學(xué)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)部分重點(diǎn)研究循環(huán)系統(tǒng)、呼吸和代謝等。此外，這些基礎(chǔ)的生物醫(yī)學(xué)知識已經(jīng)被納入到整個(gè)課程中，確保學(xué)生能夠全面理解相關(guān)的生理學(xué)和生物學(xué)概念。

4.3 制藥工程課程

控釋系統(tǒng)是一種能夠以預(yù)定速度長時(shí)間釋放生物活性劑的技術(shù)，它能有效地維持藥物濃度并減少所需的總劑量。該課程的目標(biāo)是教授學(xué)生如何將化工基礎(chǔ)知識應(yīng)用于控釋系統(tǒng)，并深入探討在制藥、農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中材料和質(zhì)量傳遞的原理。實(shí)驗(yàn)部分將涉及藥物穩(wěn)定性、經(jīng)皮貼片和控釋片的研究。整體上，該課程旨在加深學(xué)生對藥物輸送系統(tǒng)的認(rèn)識，并重點(diǎn)介紹速率控制機(jī)制和藥物動力學(xué)。

5 教學(xué)融合效果分析與討論

廈門理工學(xué)院環(huán)境生態(tài)工程系根據(jù)環(huán)境工程專業(yè)的需要，為大一和大二學(xué)生設(shè)計(jì)了“生物系統(tǒng)與應(yīng)用”課程，并為大三和大四學(xué)生提供了相應(yīng)的研究項(xiàng)目，全方位地為學(xué)生未來的研究和產(chǎn)業(yè)工作做好準(zhǔn)備。該系通過與多家當(dāng)?shù)仄髽I(yè)和研究機(jī)構(gòu)合作，完成了一系列實(shí)踐課程中的項(xiàng)目。這些合作伙伴涵蓋了私營公司和研究機(jī)構(gòu)，為教職員工和學(xué)生帶來雙贏。學(xué)生通過這些合作項(xiàng)目，不僅有了更多實(shí)習(xí)機(jī)會，還為相關(guān)領(lǐng)域的工程師提供了與產(chǎn)業(yè)的連接和研究支持。此外，學(xué)生還有機(jī)會參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和教育部協(xié)同育人項(xiàng)目，進(jìn)一步實(shí)踐自己的創(chuàng)新想法。

5.1 職業(yè)生涯規(guī)劃的影響

生物環(huán)境工程職業(yè)生涯的潛力是許多學(xué)生選擇環(huán)境工程專業(yè)的原因。他們對生物和工程學(xué)的交叉領(lǐng)域特別感興趣，這在他們對生物研究項(xiàng)目的參與度上有明顯體現(xiàn)。廈門理工學(xué)院的科研展示活動中，與生物工程相關(guān)的項(xiàng)目所占的比例也在逐年增加。同時(shí)，該校的生物系統(tǒng)與應(yīng)用課程為學(xué)生在研究中提供了直接支持。隨著這些課程的進(jìn)一步推進(jìn)，預(yù)期將有更多高級的生物工程相關(guān)課程涌現(xiàn)。不僅如此，大部分學(xué)生也表示對深入科研有濃厚的興趣，有意繼續(xù)深造。從就業(yè)數(shù)據(jù)來看，廈門理工學(xué)院的環(huán)境工程專業(yè)畢業(yè)生中，選擇在生物技術(shù)、制藥及食品工業(yè)領(lǐng)域工作的比例遠(yuǎn)高于國家平均水平。

5.2 實(shí)施過程的關(guān)鍵因素

廈門理工學(xué)院環(huán)境生態(tài)工程系的創(chuàng)新課程實(shí)施過程中，幾個(gè)關(guān)鍵因素起到了決定性的作用。首先，廈門理工學(xué)院的開放校園文化鼓勵(lì)了跨學(xué)科合作。環(huán)境生態(tài)工程系和生物科學(xué)系的友好關(guān)系，以及學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)之間的良好互動，為課程開發(fā)創(chuàng)造了有利條件。此外，逐步實(shí)施的策略也確保了課程的順利進(jìn)行。初始階段主要是在基礎(chǔ)課程中融入生物內(nèi)容，后續(xù)則加強(qiáng)了高年級課程的生物工程部分。這種有序的融合策略使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中得到循序漸進(jìn)的培養(yǎng)，為未來環(huán)境工程領(lǐng)域的挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備。