教育數(shù)字化轉型背景下高校教學發(fā)展新路徑

摘 要：在教育數(shù)字化轉型背景下，對課程教學模式進行數(shù)字革新已成為高校教育發(fā)展的必要趨勢。環(huán)境工程微生物學課程作為高校環(huán)境科學與工程專業(yè)的核心課程，該課程對學生的實踐應用能力、創(chuàng)新思維及科研邏輯的培養(yǎng)具有重要意義。該文以環(huán)境工程微生物學課程為例，探討在教育數(shù)字化轉型階段所面臨的機遇與挑戰(zhàn)，并從課程數(shù)字革新、實驗數(shù)字革新及科教融合方面提出一系列應對策略，旨在為全面提升環(huán)境科學與工程專業(yè)人才的理論基礎、實踐技能及科學創(chuàng)新思維奠定堅實的基礎，以期為教育數(shù)字轉型背景下高校課程教學效果改善及高素質人才培養(yǎng)提供參考。

關鍵詞：教育數(shù)字化轉型；環(huán)境工程微生物學；課程；實驗；科教融合

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）21-0046-04

Abstract： Digital innovation in curriculum and teaching models has emerged as a crucial trend in the growth of higher education within the context of the digital transformation of education. A foundational course in environmental science and engineering， Environmental Engineering Microbiology， is crucial for fostering students' creative thinking， practical application skills， and understanding of scientific research rationale. This paper examines the benefits and difficulties encountered during the digital revolution of education using the course Environmental Engineering Microbiology as an example. It suggests a number of tactics related to the integration of science and education， experimental digital innovation， and curriculum digital innovation. The aim of the study is to comprehensively enhance the theoretical foundation， practical skills， and scientific innovation thinking of professionals in the field of environmental science and engineering. This study will serve as a guide for enhancing curriculum instruction efficacy and developing exceptional talent in the context of education's digital transition.

Keywords： digital transformation in education; Environmental Engineering Microbiology; curriculum; experiment; integration of science and education

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能等新興數(shù)字技術的快速發(fā)展，數(shù)字化轉型已逐漸滲透至教育領域。在教育數(shù)字化轉型背景下，由于數(shù)字思維及虛擬空間知識傳播等因素的共同作用，教育領域中的教師講授與學生學習方式已發(fā)生根本性變革，因此高校教育模式進行革新已成為必然趨勢。環(huán)境工程微生物學課程作為環(huán)境科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)的核心教育環(huán)節(jié)，由于教學內容繁多，在教學過程中，學生易出現(xiàn)精力不集中、求知興趣低及抓不住重點等問題，故對課程與實驗教學模式進行數(shù)字革新已成為必行之徑。在教育數(shù)字化轉型階段中，環(huán)境工程微生物學課程面臨著教材數(shù)字革新不易和師生數(shù)字素養(yǎng)不足等困境，同時亦面臨著一定機遇，因此本文以環(huán)境工程微生物學課程為例，進行課程與實驗的數(shù)字革新及科教融合的研究?；谏鲜鰞热荩疚膶⑻接懛治鲆韵聝热荩阂粸榻逃龜?shù)字化轉型背景下高校教育存在的問題與機遇；二為高校教育應在課程和實驗教學方面采取怎樣的措施去應對教育數(shù)字化轉型背景下出現(xiàn)的挑戰(zhàn)和機遇。本文以期為高校教育數(shù)字化轉型的實踐與未來發(fā)展提供研究借鑒。

一 教育數(shù)字化轉型背景下高校教育所遇挑戰(zhàn)

（一） 教材內容數(shù)字化革新不易

在教育數(shù)字化轉型大背景下，將教學內容進行數(shù)字化轉型是環(huán)境工程微生物學課程進行數(shù)字革新過程中的核心挑戰(zhàn)之一。課程所選教材內容較為繁多，且多為理論，難以使用數(shù)字化手段進行直觀的講授和呈現(xiàn)。環(huán)境工程微生物學課程數(shù)字教學內容應與時俱進，以便于適應當今的教育數(shù)字化轉型階段人才培養(yǎng)需求。除此之外，由教師進行《環(huán)境工程微生物學》教材理論內容講授這一單向教學模式，易導致學生在上課過程中出現(xiàn)精力不集中、求知興趣低及掌握不住重點等問題?；诖?，將環(huán)境工程微生物學課程教學內容進行數(shù)字革新已成為教育數(shù)字化轉型的困境之一。

（二） 師生數(shù)字素養(yǎng)與技能不足

隨著新興數(shù)字技術的快速發(fā)展，數(shù)字素養(yǎng)的內涵與概念已得到深化與拓寬，數(shù)字素養(yǎng)與技能由《提升全民數(shù)字素養(yǎng)與技能行動綱要》定義為數(shù)字社會公民在學習工作生活中應具備的數(shù)字獲取、制作、使用、評價、交互、分享、創(chuàng)新、安全保障和倫理道德等一系列素質與能力的集合[1]。由于師生不具備充足的數(shù)字教育相關經驗和技能，對數(shù)字化學習平臺和工具的相關使用方式不夠充分了解，故在面對環(huán)境工程微生物學課程數(shù)字革新時常會感到困惑。除此之外，在教育數(shù)字化轉型背景下，教師需要具備如創(chuàng)建并編輯數(shù)字內容、開發(fā)并組織在線課程、在線討論及互動教學等新型教學技能，以便于滿足環(huán)境工程微生物學課程數(shù)字革新的需求。然而，由于師生數(shù)字素養(yǎng)與技能存在差異，致使數(shù)字教育質量參差不齊，故難以促進環(huán)境工程微生物學課程完成數(shù)字教育的革新。因此，師生數(shù)字素養(yǎng)與技能的不足已成為阻礙環(huán)境工程微生物學課程進行革新的關鍵問題之一。

（三） 學生實際操作不足

雖然數(shù)字教育可通過虛擬實驗來彌補學生在實驗中因操作不足而出現(xiàn)的問題，例如教師利用相關模擬實驗軟件進行微生物細胞的計數(shù)和測量實驗，同時讓學生在計算機上通過調整相關實驗參數(shù)，以觀察不同的實驗結果，但如果將虛擬實驗或模擬實驗完全代替學生的實際實驗操作，那么學生將會難以感受到真實的實驗操作過程，對相關理論與實際操作知識掌握不夠牢固，進而致使學生未來在遇到相應的實際環(huán)境污染問題或者實際操作時無處下手[2]。此外，每個學生對理論和實驗的側重點不同，有的學生側重于理論學習，而有的學生則側重于實驗操作。然而數(shù)字教育主要側重于理論學習和模擬實驗操作，以至于無法兼顧到每個學生的需求。

二 教育數(shù)字化轉型背景下高校教育所遇機會

（一） 拓寬高校教育邊界

在教育數(shù)字化轉型背景下，高?？赏ㄟ^增設在線課程與遠程學習的方式進行教學，令學生克服距離和時間的局限，接觸并學習到來自世界各地的高質量教學資源，進而對學習空間進行延展且增加學習機會。同時，數(shù)字教育技術亦為高校畢業(yè)生的實習培訓提供了專業(yè)實踐和企業(yè)合作的機會，進一步促進教育與企業(yè)的緊密結合。

（二） 教育質量穩(wěn)步提高

隨著一系列新型數(shù)字教育技術的興起，教師授課方式逐漸多元化，可通過多媒體教學與模擬實驗軟件等智能工具，使學生直觀且生動地理解并掌握環(huán)境工程微生物學課程教學內容，激發(fā)學生的求知欲和學習興趣，進而提升課程教學效果。同時，在環(huán)境工程微生物學課程中采用數(shù)字教育技術，不僅實現(xiàn)多方優(yōu)質教學資源的共享，而且促進教學與科研之間的合作交流，進而推動課程的數(shù)字革新[3]。除此之外，高校教育通過采取數(shù)據(jù)分析與智能評估系統(tǒng)等數(shù)字技術進行教學過程及教學成果的監(jiān)測和評估，助力教師對課程教學方法進行調整，進而穩(wěn)步提高教學質量和教學效率。

（三） 滿足學生個性化需求

在教育數(shù)字化轉型背景下，環(huán)境工程微生物學課程可通過大數(shù)據(jù)分析等手段為學生制訂個性化的學習計劃，從而滿足學生個性化的學習需求。同時，高校學生在整理相關學習資料的過程中，可利用思維構建的模式進行電子版知識庫的搭建，以便于在日后學習中可隨時查找并取用[4]。此外，由滬江、松鼠AI等自學平臺的發(fā)展趨勢可知，環(huán)境工程微生物學課程探索效率高、自適應及滿足學生個性化需求的教學模式已成為課程革新的必然趨勢。環(huán)境工程微生物學課程可通過人工智能等手段及時干預學生的學習過程，配置精確的高質量教學資源，滿足學生的個性化需求，從而對高質量的個性化教育發(fā)展起到一定的推動作用[5]。

三 教育數(shù)字化轉型背景下高校教學發(fā)展新路徑

（一） 構建課程數(shù)字化教學體系

在教育數(shù)字化轉型背景下，環(huán)境工程微生物學課程不僅需要滿足環(huán)境科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)需求，而且需要對課程教學模式進行創(chuàng)新實踐，以便于使得數(shù)字教育技術在高校教學中發(fā)揮最大的潛力。

1  加強數(shù)字化教學資源建設

在教育數(shù)字化轉型背景下，環(huán)境工程微生物學課程數(shù)字革新的核心為對教學資源進行有效數(shù)字整合及數(shù)字優(yōu)化。該過程將理論的微生物學知識與新興數(shù)字技術相結合，在結合過程中將會產生更豐富、更具互動性的教學內容，使得數(shù)字化教學資源更符合學生的實際學習需求。高?？赏ㄟ^國家智慧教育公共服務平臺進行數(shù)字化教學資源共享平臺的建設，在國家智慧教育公共服務平臺內，可將教材資源、課程教學資源及相關學術資源匯集整合到共享平臺，確保教師和學生在講授和學習過程中快速且精確地搜尋到高質量學習資源，進一步推動學生的全面發(fā)展。在對教材內容進行數(shù)字化優(yōu)化時，可創(chuàng)建《環(huán)境工程微生物學》知識圖譜進行數(shù)字化教材知識體系的表達，以便于計算機識別并處理數(shù)字化教材內容，可形成適宜特定學生的學習內容，進而為師生制定個性化教學或者學習計劃。其中，在進行《環(huán)境工程微生物學》知識圖譜的構建時，需以知識點為基點對數(shù)字化教材內容劃分為顆?；R點，并將顆?；R點以網狀結構構造為知識單元，從而構建成數(shù)字化教材章節(jié)內容[6]。此外，環(huán)境工程微生物學課程作為環(huán)境科學與工程專業(yè)的核心課程，在進行該課程的數(shù)字革新時，應充分考慮當前教育數(shù)字化轉型階段的發(fā)展趨勢、發(fā)展需求及學生培養(yǎng)目標，有針對性地開展調研，進而在課程教學中充分利用數(shù)字教育技術的創(chuàng)新價值。

2 實現(xiàn)教學模式的數(shù)字化

為適應教育數(shù)字化轉型階段發(fā)展趨勢，發(fā)展環(huán)境工程微生物學課程的數(shù)字化教學模式尤為重要。該課程數(shù)字化教學內容體系應從多角度、多層面進行傳授，如教師在互動式學習環(huán)境中通過資源共享平臺上的優(yōu)質多媒體教學資源進行線上與線下混合教學，使得環(huán)境工程微生物學教學內容更加豐富且生動，進而提升學生的求知欲和學習自主性。數(shù)字化教學內容不應僅由教師進行單一的傳授，而應由師生雙方互動、反饋并及時調整教學模式。教師可通過大數(shù)據(jù)分析等信息處理技術平臺了解到學生對環(huán)境工程微生物學課程教學模式的反饋內容，從而及時調整課程教學內容與教學模式。同時，教師可利用信息處理技術對學生學習成績、課堂互動記錄及學生學習行為等方面產生的數(shù)據(jù)進行收集和分析，深入了解學生的具體特點，有助于教師在課程教學內容和教學方式上做出更精準的調整，進而滿足學生的個性化學習需求[7]。此外，教師可利用數(shù)字教育技術搭建而成的在線輔導平臺為學生解答問題，使得學生無障礙獲得學習幫助，并解決傳統(tǒng)教學過程中出現(xiàn)的學生答疑機會不足的問題。

3 加強師生數(shù)字素養(yǎng)與技能

為滿足教育數(shù)字化轉型階段出現(xiàn)的數(shù)字素養(yǎng)需求，應提升師生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。為提升教師的數(shù)字素養(yǎng)與技能，高校應先進行數(shù)字設備培訓，使得教師具備操作常用數(shù)字軟件、工具、平臺的基本技能。其次，高校應開展數(shù)字教育能力主題培訓，強化教師具備運用數(shù)據(jù)采集、虛擬實驗及人工智能等技術的數(shù)字化應用能力，有助于教師實時了解學生的反饋內容和學習行為等信息，從而及時調整課程教學內容及策略。此外，高校應搭建教師交流學習平臺，激勵教師之間進行優(yōu)質教學經驗與資源的分享，從而全面提升整體教師的數(shù)字素養(yǎng)與技能。為提升學生的數(shù)字素養(yǎng)與技能，高校應通過設置設備操作培訓課程，使得學生具備熟練使用數(shù)字設備及平臺的能力。高校還可通過在課程教學過程中設置模擬實驗和線上協(xié)作等活動，使學生的數(shù)字素養(yǎng)與技能得到有效提升。

（二） 構建實驗數(shù)字化教學體系

在進行環(huán)境工程微生物學課程教學中，為提升學生的實踐操作水平及將理論知識運用到實際環(huán)境污染問題的能力，課題組設置了“微生物的細胞和計數(shù)”“細菌的簡單染色和革蘭氏染色”及“培養(yǎng)基的配制和滅菌”等實驗。課程實驗教學作為環(huán)境科學與工程專業(yè)的核心基礎教學環(huán)節(jié)，其具有實踐性強、操作困難的特點。在進行顯微鏡觀察細胞、細菌染色、制備培養(yǎng)基及檢測微生物等實驗操作時，需要學生對相關理論知識與儀器操作技能具有一定的掌握。同時，由于微生物學實驗較為抽象，所測對象大都個體微小，并未具有直觀的形象，無法直接取出單個細胞進行測量或染色，因此學生在進行實驗時常出現(xiàn)多種問題。用顯微鏡觀察個體微小的菌種時，學生常會出現(xiàn)難于區(qū)分相似菌種及辨認形態(tài)結構的問題[8]。由于環(huán)境工程微生物學各實驗內容相互獨立，且與課程理論知識缺乏內在聯(lián)系，故學生無法將實驗與專業(yè)知識進行很好的連接，從而無法具備將微生物學知識應用到未來實際環(huán)境污染問題中的能力。綜上所述，在教育數(shù)字化轉型背景下，對實驗進行數(shù)字化構建尤為重要。

1 實驗設備數(shù)字化升級

隨著大數(shù)據(jù)、云計算及AI等技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的生物實驗教學模式已經無法滿足當今教育數(shù)字化轉型階段的教學需求，高校應發(fā)展多元的實驗教學模式。高?？赏ㄟ^采用采集器、數(shù)字傳感器等數(shù)字設備進行實驗過程中的實時測量、數(shù)據(jù)采取分析及智能管理，完成傳統(tǒng)生物實驗室的數(shù)字化升級，進而實現(xiàn)微生物實驗與數(shù)字技術的全面融合[9]。在數(shù)字化實驗室進行環(huán)境工程微生物學實驗時，學生可采用數(shù)字設備將實驗變量呈直觀形態(tài)展現(xiàn)出來；學生可采用數(shù)字設備將不可逆的實驗現(xiàn)象記錄下來，從而清晰地觀測出實驗現(xiàn)象的變化過程；學生可通過數(shù)字設備將實驗過程中所產生的數(shù)據(jù)完整記錄在冊，將數(shù)據(jù)與實驗現(xiàn)象結合觀察分析，使得學生全面且深刻地掌握相關理論知識及實驗操作。除此之外，高?？蓪鹘y(tǒng)生物實驗室與虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）等新型數(shù)字技術進行融合，實現(xiàn)虛擬實驗平臺的搭建，學生可在虛擬實驗平臺進行初步實驗設計及模擬實驗，進而降低學生在后續(xù)正式實驗中的犯錯率及實驗成本費用。

2 實驗教學資源數(shù)字化升級

實驗數(shù)字教學資源平臺應由環(huán)境科學與工程專業(yè)課題組將實驗教學資源進行收集、整理及加工搭建而成，該平臺將環(huán)境工程微生物學各課程實驗劃分為實驗理論、實驗所需設備及實驗操作介紹。其中，微生物實驗理論包含實驗目的、實驗內容及實驗原理等內容，以便于學生在正式實驗前可初步了解該實驗；實驗所需設備包含詳細且多方面的圖文版與視頻版介紹，以便于學生更直觀地了解設備結構；實驗操作部分包含詳細的文字版、圖文版及視頻版供學生選擇，以便于學生在正式實驗前對實驗操作有一定的了解。除此之外，學生可隨時進行實驗數(shù)字教學資源平臺的學習，解決傳統(tǒng)實驗教學模式中出現(xiàn)的實驗時間與實驗設備限制的問題，從而對學生的自主學習能力和學習效果進行有效提升。

（三） 以“科教融合”理念發(fā)展“數(shù)字課程＋數(shù)字實驗”教學模式

由于《環(huán)境工程微生物學》教材內容繁多，原理性極強，在教學過程中易致使學生出現(xiàn)學習興趣低、專注力低下及難于將理論知識與實踐相聯(lián)系等問題，因此在教學過程中將科研成果引入環(huán)境工程微生物學課程相關知識點介紹中尤為重要。以科教融合理念為基礎，發(fā)展“數(shù)字課程＋數(shù)字實驗”教學模式可對繁雜的教學內容進行合理優(yōu)化。在該模式中，高質量的教學可以有效地促進科研的進步，而課程教學內容的擴展也依托于科研的支撐，課程教學效果與科研成果兩者相輔相成。例如在進行教材第九章第一節(jié)“污水生物處理中的生態(tài)系統(tǒng)”教學時，教師可以實驗數(shù)字資源平臺中的SBR工藝、CAST工藝及生物濾池等數(shù)字教學資源作為介紹切入點，進行好氧活性污泥法和好氧生物膜法相關知識點的教學，同時帶領學生使用VR技術進行污水處理廠的線上參觀，直接觀察好氧活性污泥法與好氧生物膜法污水處理流程，將教材理論知識、實驗知識及實際運用進行聯(lián)合，進而加深學生對《環(huán)境工程微生物學》教材理論的理解。在進行“人工濕地中微生物與水生植物凈化污水的作用”教學時，教師可將入淀濕地復合生態(tài)系統(tǒng)構建技術研究科研成果引入至人工濕地相關知識點介紹中，同時將課程數(shù)字教學資源平臺中的相關人工濕地案例和實驗數(shù)字教學資源中的人工濕地科研實例兩者進行融合，進而激發(fā)學生的科研熱情、求知欲及學習自主性。除此之外，在進行環(huán)境工程微生物學課程教學時，教師可引入數(shù)字教學資源平臺中的宏基因組、16S RNA測序技術及實時熒光定量PCR等新興技術的原理，以及應用場景來展現(xiàn)環(huán)境工程微生物學的發(fā)展趨勢[10]。同時，教師應掌握環(huán)境工程微生物學領域相關研究進展，將所獲最新微生物學知識補充至自身教學內容中，從而全面提高課程教學質量。

四 結束語

隨著數(shù)字技術時代的不斷發(fā)展，教育數(shù)字化轉型已成為高校教育的必然發(fā)展路徑。然而，在教育數(shù)字化轉型階段中，高校教育面臨著多種挑戰(zhàn)和機會。本文以環(huán)境工程微生物學課程為例，對高校過程中所遇挑戰(zhàn)和機會進行總結，并探索該背景下高校教育發(fā)展新路徑。其中，針對教材數(shù)字化革新不易的挑戰(zhàn)，本文提出加強課程教學數(shù)字資源平臺構建，增加教材數(shù)字化革新途徑；針對師生數(shù)字素養(yǎng)與技能不足的挑戰(zhàn)，本文提出如開展培訓等一系列措施來提升師生素養(yǎng)與技能；針對實際操作不足的挑戰(zhàn)，本文提出基于“科教融合”理念發(fā)展新型教學模式，增加學生實際的實踐操作機會，從而提升學生實踐能力。教育數(shù)字化轉型階段將會隨著數(shù)字技術的發(fā)展迎來更為廣泛的發(fā)展空間，因此高校教育應進行持續(xù)的探索，以便于適應未來的教育數(shù)字化轉型階段的發(fā)展需求。

參考文獻：

[1] 卜衛(wèi).培養(yǎng)有包容性的數(shù)學素養(yǎng)[J].父母必讀，2022（11）：38-41.

[2] 王文君，周榮艷，陶晨雨.教育數(shù)字化轉型背景下動物科學專業(yè)教育的挑戰(zhàn)與對策[J].黑龍江動物繁殖，2023，31（5）：44-47.

[3] 李志民.互聯(lián)網推動教育數(shù)字化轉型的機遇與挑戰(zhàn)[J].佛山科學技術學院學報（社會科學版），2022，40（6）：5-11.

[4] 黃夢園.數(shù)字化時代高校勞動教育的機遇、挑戰(zhàn)及提升策略[J].西部素質教育，2023，9（11）：102-105.

[5] 張海南.數(shù)字化轉型賦能教育高質量發(fā)展的歷史機遇與關鍵啟示[J].電化教育研究，2023，44（6）：60-65.

[6] 孫燕，李曉鋒.教育數(shù)字化轉型背景下的數(shù)字教材發(fā)展需求、現(xiàn)狀與對策[J].中國大學教學，2023（12）：85-91.

[7] 劉艷春，苗春榮，寇鵬飛.數(shù)字化背景下高校思政理論課教學路徑探析[J].奮斗，2023（21）：75-76.

[8] 劉敬勇，羅建中，黃紹松，等.環(huán)境類本科專業(yè)環(huán)境微生物實驗教學改革初探[J].廣東工業(yè)大學學報（社會科學版），2007（S1）：152-155.

[9] 楊峰，宋濤，楊文勝.實驗教學數(shù)字化轉型的區(qū)域探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2023（24）：8-10.

[10] 李葉青，景張牧，江皓，等.微生物組學及其在厭氧消化中的研究進展[J].生物技術通報，2021，37（1）：90-101.