基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的環(huán)境微生物學(xué)實驗教學(xué)改革

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，培養(yǎng)具有實踐能力、創(chuàng)造能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才，已成為當(dāng)前高等教育的重要任務(wù)[1]。促進(jìn)主動學(xué)習(xí)、鼓勵動手實踐和引導(dǎo)科學(xué)研究是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的保障[2]。

環(huán)境微生物學(xué)實驗作為環(huán)境工程專業(yè)的核心實踐課程，可以幫助學(xué)生掌握、鞏固微生物學(xué)基礎(chǔ)知識，應(yīng)用微生物技術(shù)解決實際問題，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實踐能力。該課程涉及的研究手段和技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染治理和環(huán)境生態(tài)修復(fù)等各個領(lǐng)域，并不斷發(fā)揮其關(guān)鍵作用，為提高工程治理效果和環(huán)境微生物的研究奠定堅實基礎(chǔ)，也成為認(rèn)識和解決環(huán)境問題的重要武器[3]。但由于條件限制，不少地方院校在實際教學(xué)方面仍存在許多不足，如傳統(tǒng)實驗項目與行業(yè)需求脫節(jié)，無法有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力；現(xiàn)有教學(xué)模式仍以灌輸為主，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，已經(jīng)不適應(yīng)新時期人才培養(yǎng)的要求和時代發(fā)展的需要。

因此，本文以廣東石油化工學(xué)院國家級一流建設(shè)專業(yè)和通過中國工程教育認(rèn)證的環(huán)境工程專業(yè)為例，積極探索環(huán)境微生物學(xué)實驗教學(xué)模式改革，旨在幫助學(xué)生真正理解環(huán)境微生物在環(huán)境污染治理和修復(fù)中的重要功能，更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，同時，為地方院校培養(yǎng)石油化工行業(yè)污染治理、生態(tài)修復(fù)等方面的工程技術(shù)人才提供參考，為推動區(qū)域綠色石油化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1環(huán)境微生物學(xué)實驗教學(xué)存在的主要問題

1.1實驗教學(xué)體系設(shè)計不合理

目前，一些地方高校的環(huán)境微生物學(xué)實驗內(nèi)容主要以驗證性實驗為主，綜合性、設(shè)計性實驗項目較少，實驗內(nèi)容重復(fù)，實驗學(xué)時不足，導(dǎo)致教師和學(xué)生對實驗教學(xué)重視程度不夠，實驗課程有時流于形式，不利于學(xué)生操作能力、創(chuàng)新實踐能力和學(xué)習(xí)興趣的提高。例如，廣東石油化工學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)原環(huán)境微生物學(xué)實驗課程為20學(xué)時，其中驗證性項目占 80% ，綜合性項目占 20% ，缺乏設(shè)計性實驗項目，無法滿足專業(yè)認(rèn)證背景下環(huán)境微生物學(xué)實驗教學(xué)要求，學(xué)生很難體會環(huán)境微生物在環(huán)境污染控制、環(huán)境治理和環(huán)境生態(tài)修復(fù)中的作用。另外，原有教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科前沿技術(shù)結(jié)合甚少，學(xué)生無法通過課程學(xué)習(xí)理解掌握最新研究技術(shù)手段，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性[4]。

1.2教學(xué)方式單一

環(huán)境微生物學(xué)實驗傳統(tǒng)教學(xué)方式以教師講解演示、學(xué)生機(jī)械操作為主。實驗材料和試劑藥品由實驗員課前準(zhǔn)備，學(xué)生沒有參與過實驗準(zhǔn)備過程這種教學(xué)方式會導(dǎo)致一些自覺性差的學(xué)生課前不預(yù)習(xí)，不清楚實驗原理、步驟和注意事項等，無法很好地分析討論所得到的實驗結(jié)果，理論與實踐脫節(jié)，不利于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

1.3考核方式不科學(xué)

原有實驗教學(xué)考核方式一般以出勤和實驗報告組成，缺乏過程性評價，忽視對學(xué)生實驗操作技能和綜合能力的考核。由于班級人數(shù)和分組較多，教師在課上無法兼顧到每一位學(xué)生，導(dǎo)致部分學(xué)生沒有認(rèn)真開展實驗或者沒有得到實驗結(jié)果，甚至出現(xiàn)極個別學(xué)生抄襲別人的實驗報告反而得到較高分?jǐn)?shù)的情況[5]。因此，僅靠出勤情況和實驗報告來評定學(xué)生成績，并不能反映學(xué)生的知識掌握情況和實際教學(xué)效果[6]

2環(huán)境微生物學(xué)實驗教學(xué)改革

實驗教學(xué)是本科人才培養(yǎng)課程教學(xué)體系中的重要一環(huán)，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力方面發(fā)揮著重要作用，也是高校實現(xiàn)應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的主要途徑[7]。

2.1優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容改革是教學(xué)改革的重點(diǎn)[8]。完整的實驗教學(xué)體系是保證實驗教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)，但原有的實驗教學(xué)體系難以滿足以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力為導(dǎo)向的教學(xué)改革需要。因此，本研究將環(huán)境微生物學(xué)實驗內(nèi)容調(diào)整為基礎(chǔ)性、綜合性和設(shè)計性三大模塊，依據(jù)“以基礎(chǔ)知識和基本技能為基礎(chǔ)、以創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為核心、實驗內(nèi)容與科研前沿相結(jié)合為重點(diǎn)”的原則，構(gòu)建以“基礎(chǔ)一綜合一創(chuàng)新設(shè)計”為主線的多層次、開放式實驗教學(xué)體系[9]。

1）基礎(chǔ)性模塊包括培養(yǎng)基的配制、無菌操作、微生物接種與培養(yǎng)、細(xì)菌革蘭氏染色和顯微鏡使用觀察等內(nèi)容。這些內(nèi)容安排在實驗教學(xué)前期，要求每位學(xué)生課前預(yù)習(xí)指導(dǎo)書和線上預(yù)先發(fā)布的操作視頻，課上在實驗指導(dǎo)教師操作講解演示后，單獨(dú)操作完成相應(yīng)的實驗環(huán)節(jié)，掌握最基本的微生物實驗技術(shù)。

2）綜合性模塊要求學(xué)生在掌握基礎(chǔ)性實驗后，結(jié)合生活中的真實案例開展實驗，如開展自來水中大腸桿菌群的檢測、細(xì)菌菌落總數(shù)的測定等來源于環(huán)境污染治理過程中的現(xiàn)實問題。學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)或利用學(xué)校環(huán)境資源等方式，通過分組合作，自主選擇合適且實驗室能滿足的實驗條件，教師提供線上和線下指導(dǎo)。該模塊可安排在教學(xué)時間或課余時間，讓學(xué)生自主靈活開展實驗。

3）設(shè)計性模塊是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力和科研能力的核心。該模塊需要教師根據(jù)教學(xué)團(tuán)隊研究的相關(guān)課題和當(dāng)前熱點(diǎn)問題，設(shè)置一些具有可操作性、難度適中的自主性研究專題供學(xué)生選擇。學(xué)生自行組成 3～4 人的小組，確定研究主題后，通過查閱文獻(xiàn)資料設(shè)計研究方案。實驗指導(dǎo)教師審核各組設(shè)計方案是否具有可行性，然后學(xué)生利用課余時間獨(dú)立開展實驗、完成研究性實驗報告并進(jìn)行匯報展示。該模塊不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神和時間管理能力，讓學(xué)生成為實驗教學(xué)的主人，還能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高他們的創(chuàng)新實踐能力和動手能力。

2.2改進(jìn)實驗教學(xué)方法和教學(xué)手段

教學(xué)是教與學(xué)雙向互動的過程。信息技術(shù)的發(fā)展使線上教學(xué)成為傳統(tǒng)教學(xué)模式的有效補(bǔ)充[10]。近年來，全國各高校紛紛探索線上線下混合式實驗教學(xué)新模式，包括理論原理講解與實驗視頻教學(xué)演示相結(jié)合、線上教學(xué)與線下實驗操作相結(jié)合、線下教學(xué)與虛擬仿真實驗平臺相結(jié)合等。教師課前利用學(xué)習(xí)通或雨課堂等平臺發(fā)布相關(guān)內(nèi)容和學(xué)習(xí)資料，將晦澀難懂的知識轉(zhuǎn)化成生動形象的動畫和視頻，提高學(xué)生對實驗內(nèi)容的感性認(rèn)識。教師在線上實時與學(xué)生交流答疑，通過平臺數(shù)據(jù)反饋了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和建議等，使學(xué)生在進(jìn)入實驗室前對實驗相關(guān)知識原理、操作過程和注意事項有較為清晰的認(rèn)識。同時，本課程教學(xué)團(tuán)隊還利用實驗室虛擬仿真平臺，通過“以虛補(bǔ)實、以虛促實”彌補(bǔ)了因昂貴精密儀器稀缺或某些致病性微生物存在安全隱患而導(dǎo)致的相關(guān)實驗難以實施的缺憾。此外，在教學(xué)過程中，教師針對不同環(huán)節(jié)、不同學(xué)生采取有針對性的教學(xué)方法和手段，如項目式、同伴教學(xué)式、小組協(xié)作式、目標(biāo)問題導(dǎo)向式等，堅持以學(xué)生為中心，豐富實驗教學(xué)形式，推動傳統(tǒng)實驗教學(xué)從識記、被動理解向探究、創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維和科學(xué)素養(yǎng)。

2.3建立開放實驗室

為充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和能動性，保證每個學(xué)生都能順利開展并完成實驗項目，本課程教學(xué)團(tuán)隊建立本科生開放實驗室。制定實驗室安全準(zhǔn)入制度，對學(xué)生進(jìn)行安全環(huán)保培訓(xùn)、實驗室安全考試和實驗項目風(fēng)險評估，學(xué)生獲得安全準(zhǔn)入證書后方可預(yù)約進(jìn)行實驗操作，從而保障實驗?zāi)軌虬踩_展。同時，制定開放實驗室安全管理制度、儀器設(shè)備管理制度、化學(xué)品管理使用制度等管理體系。

借助開放實驗室，可使實驗教學(xué)突破教材文本、教學(xué)時間和教學(xué)空間的限制，將實驗內(nèi)容、方法技術(shù)與當(dāng)前環(huán)境污染治理現(xiàn)狀有機(jī)結(jié)合，使實驗教學(xué)不再是刻板的重復(fù)與驗證模式，而是師生關(guān)系融洽、氣氛活躍、和諧平等、充滿探究活力的教學(xué)新生態(tài)，以自由開放的教學(xué)方式引導(dǎo)學(xué)生開展自主創(chuàng)新訓(xùn)練，讓他們有機(jī)會自己去發(fā)現(xiàn)、探索、思考，從而更全面地訓(xùn)練創(chuàng)新思維，提升實踐動手能力。例如，根據(jù)學(xué)校石化特色，有學(xué)生設(shè)計了某石化公司石油烴降解菌分離篩選課題。借助開放實驗室，學(xué)生通過團(tuán)隊合作最終分離篩選出若干株高效石油烴降解菌，并深入研究了其最適培養(yǎng)條件。學(xué)生還以此課題為基礎(chǔ)完成畢業(yè)論文，并取得較好的研究結(jié)果。這種全開放式、研究式的實驗教學(xué)模式，使師生角色發(fā)生改變，更加凸顯學(xué)生在實驗教學(xué)中的主體性地位，使每位學(xué)生都有動手操作的機(jī)會，從知識接受者轉(zhuǎn)化為知識探索者，真正成為實驗各個過程的主體。這種實驗教學(xué)模式極大地激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)的積極性，提高了他們的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

2.4改革實驗教學(xué)考核模式

實驗課程考核是檢驗學(xué)生實踐動手能力和綜合素質(zhì)的重要指標(biāo)。一套科學(xué)合理的實驗考核模式不僅能使學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，獲得良好的實驗教學(xué)效果，還能激發(fā)學(xué)生的實驗積極性和學(xué)習(xí)興趣[]。本實驗課程構(gòu)建了過程性與總結(jié)性、線上與線下相結(jié)合的全過程多元評價方式，由課前預(yù)習(xí)（ 10% ）、課堂表現(xiàn)（ 30% ）、設(shè)計性實驗（ 20% ）、實驗報告C 20% ）和期末考評（ 20% ）五部分組成，最終成績按百分制給分，60分為及格。

1）課前預(yù)習(xí)。對于沒有微生物背景的環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生，課前預(yù)習(xí)是保證實驗教學(xué)效果的重要手段。但以往的預(yù)習(xí)方式主要要求學(xué)生寫預(yù)習(xí)報告，大部分學(xué)生只是將實驗內(nèi)容機(jī)械地抄寫一遍，不僅預(yù)習(xí)效果差，還加重學(xué)生負(fù)擔(dān)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此，本課程借助學(xué)習(xí)通和虛擬仿真軟件等在線平臺，提前一周將學(xué)習(xí)內(nèi)容上傳至平臺，學(xué)生課前可通過電腦端或手機(jī)端進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、測試并提交答案，完成預(yù)習(xí)。

2）課堂表現(xiàn)。該部分考核包括學(xué)習(xí)態(tài)度和實驗操作技能兩方面，環(huán)境微生物實驗所必備的基本操作技能，如無菌操作技術(shù)、顯微鏡觀察技術(shù)、革蘭氏染色技術(shù)等無法通過實驗報告直接評判學(xué)生是否能規(guī)范操作并熟練掌握。通過課堂操作技能和過程性考核，不僅可以及時糾錯、端正學(xué)習(xí)態(tài)度，還可以杜絕少部分學(xué)生不愿動手、懶于思考總結(jié)、抄襲別人實驗結(jié)果等不良現(xiàn)象。

3）設(shè)計性實驗。主要從方案設(shè)計的合理性與創(chuàng)新性、實驗操作技能的規(guī)范熟練程度、分析解決問題能力和團(tuán)隊合作能力、實驗結(jié)果的分析總結(jié)和個人貢獻(xiàn)度等方面進(jìn)行綜合評分。該部分注重對學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性的考核，引導(dǎo)學(xué)生體驗、質(zhì)疑、反思、探究、創(chuàng)新。

4）實驗報告。主要對學(xué)生實驗結(jié)果進(jìn)行評價，是考查學(xué)生分析和解決問題能力的重要標(biāo)準(zhǔn)。

5）期末考評。包括現(xiàn)場實驗操作考核和理論考試兩部分?，F(xiàn)場實驗操作考核是在所有實驗項目結(jié)束后，由學(xué)生現(xiàn)場抽取某個實驗操作項目，教師觀察學(xué)生操作后現(xiàn)場評分；理論考試要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)單獨(dú)完成涉及實驗原理、現(xiàn)象分析等內(nèi)容的理論試題。

新的考核評價方法加強(qiáng)了實驗操作過程性考查，對學(xué)生提出了清晰明確的要求，提高了學(xué)生動手實踐操作的積極性和主動性，能夠更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，提高實驗教學(xué)效果。

2.5融合科研項目和實踐基地

高質(zhì)量的科研工作永遠(yuǎn)是提高教學(xué)水平的助推劑，將科研與實驗教學(xué)有機(jī)結(jié)合是提高教學(xué)質(zhì)量的有效途徑之一，高等院校在實驗教學(xué)中越來越重視將科研內(nèi)容轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源[12]。將不同類型的科研項目融入環(huán)境微生物實驗教學(xué)，有利于提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和培養(yǎng)理論與實踐兼?zhèn)涞膽?yīng)用型人才，更好地為區(qū)域綠色石油化工環(huán)保產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展服務(wù)。學(xué)校在實驗教學(xué)過程中，利用課程團(tuán)隊教師和學(xué)院教師承擔(dān)的各類科研項目，通過雙向選擇主動吸收學(xué)生參與項目研究，并指導(dǎo)學(xué)生組團(tuán)申報全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和中國國際“互聯(lián)網(wǎng) +^，，， 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等各種學(xué)生大賽項目，將科研資源和比賽項目轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的熱情，提升學(xué)生創(chuàng)新能力和專業(yè)技能，提高其自主學(xué)習(xí)能力和分析、解決實際環(huán)境問題的能力，從而達(dá)到“科研反哺教學(xué)、以賽促學(xué)”的效果。教師在指導(dǎo)學(xué)生過程中，須不斷學(xué)習(xí)，努力拓展自身專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)，達(dá)到“以研促教、教促成長”的良好效果。例如，學(xué)生開展的“微生物菌群ZY1對磷酸三甲苯酯三種同分異構(gòu)體的降解及分子機(jī)制研究”“好氧反硝化菌的分離純化及其脫氮性能探究”創(chuàng)新設(shè)計模塊就是來源于課程教學(xué)團(tuán)隊教師的國家自然科學(xué)基金項目和學(xué)生立項的國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目。

另外，利用教學(xué)實踐基地組織學(xué)生去本市污水處理廠、煉油廠、垃圾填埋場、環(huán)境監(jiān)測部門等單位現(xiàn)場了解、學(xué)習(xí)微生物在污水處理、固體廢物處理和環(huán)境監(jiān)測過程中的重要作用。同時，學(xué)生可以現(xiàn)場采樣并自主開展綜合性和設(shè)計性實驗，有效培養(yǎng)自主探索、分析、研究、解決復(fù)雜環(huán)境工程問題的能力。

3結(jié)束語

經(jīng)過不斷探索和實踐，環(huán)境微生物學(xué)實驗教學(xué)的效果明顯提升，學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力和團(tuán)隊合作能力也顯著提高。但在教學(xué)改革過程中也遇到了一些問題，如學(xué)校對開放實驗室使用作出明確要求，學(xué)生開展實驗必須有教師全程在場，導(dǎo)致實驗指導(dǎo)教師和實驗室管理員的工作量大大增加，且學(xué)生實驗所需耗材也增加不少。未來，在教學(xué)實踐中仍需不斷探索優(yōu)化，持續(xù)改進(jìn)，切實貫徹以學(xué)生為中心的理念，爭取學(xué)校相關(guān)部門和其他有關(guān)方面的大力支持，使環(huán)境微生物實驗教學(xué)更契合國家級一流專業(yè)建設(shè)要求和環(huán)境工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，為新時代改革發(fā)展培養(yǎng)具有學(xué)習(xí)能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和主動適應(yīng)社會需要的應(yīng)用型環(huán)保產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才。

4參考文獻(xiàn)

[1］胡海山，許林敏．創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式下的高校實踐教育新路徑[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）：198-201.

[2]薛禎禎，陳雅.基于創(chuàng)新訓(xùn)練計劃的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式研究[J].時代教育，2015（13）：170-171.

[3]徐愛玲，宋志文，夏文香等．“環(huán)境工程微生物學(xué)”實驗教學(xué)改革初探[J].微生物學(xué)通報，2018，45（3）：691-696.

[4]王利明.環(huán)境工程微生物學(xué)實踐教學(xué)改革與實踐［J].微生物學(xué)通報，2017，44（11）：2755-2759.

[5］邵金華，廖陽，余響華，等.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的微生物學(xué)實驗教學(xué)的改革與探索［J].微生物學(xué)雜志，2021，41（2）：123-128.

[6]江利梅，聶麗君，楊春平等．新工科背景下環(huán)境工程微生物學(xué)實驗教學(xué)改革初探[J].教育現(xiàn)代化，2021，8（41）：69-72.

[7］徐暉，魏培蓮，申秀英等．微生物學(xué)實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J].實驗室研究與探索，2019，38（5）：200-203.

[8]張小凡，周偉麗，王志平，等．環(huán)境微生物學(xué)教學(xué)改革與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J].微生物學(xué)通報，2014，41（4）：748-752.

[9]陸紫生．立體式實踐教學(xué)提高學(xué)生創(chuàng)新能力［J].實驗室研究與探索，2023，42（7）：209-212.

[10］鮑威，陳得春，王婧.后疫情時代線上線下學(xué)習(xí)范式和教學(xué)成效的研究：基于線上線下高校學(xué)生調(diào)查數(shù)據(jù)的對比分析[J].中國電化教育，2021（6）：7-14.

[11］陳興都，蘇含笑，楊成建，等．基于能力培養(yǎng)的環(huán)境微生物學(xué)實驗課程考核模式的改革與實踐［J].微生物學(xué)通報，2019，46（1）：203-208.

[12]扈旻，鄧北星，馬曉紅，等.科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容的探索與實踐［J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（10）：21-23.