引入前沿與應用培養創新能力

肖 琳， 蔣麗娟， 王曉琳， 楊柳燕

（南京大學環境學院環境科學與工程國家級實驗教學示范中心，南京210023）

0 引 言

當今科學處于飛速發展時期，在環境科學與生命科學的交叉領域尤為突出，對人才素質和能力的要求越來越高。創新性人才通常是指能夠獨立思考，具有創造意識和創新精神，能夠創造性地提出問題和解決問題。創新性人才的培養需要在日常的教學活動中提供給學生進行主動進行創新觀察、超前思維、豐富知識，并通過創新實踐來培養堅韌的創新意志的機會［1］。本科教學偏重基礎，為適應學科快速發展和變化，在保證基礎教學內容系統完整實施的前提下，當前大學教育還需要引入新進展及新技術，以拉近學生與現代科學發展的距離，并能學以致用［2］。大學生實驗課是一個實踐過程，在提高學生認知能力，理論聯系實際，運用所學知識和技能解決實際問題，培養創新型思維方面具有重要意義［3-4］。環境微生物學是采用微生物知識和技術研究處理環境問題的理論和技術基礎，在“環境微生物學實驗”中如仍沿襲傳統的教學內容和教學模式已經不能適應新時代對人才培養的需求，微生物學實驗課教學改革的重要性和必要性更顯重要。

目前大多數高校所開設的“環境微生物學實驗”基本以驗證性實驗為主，雖然能夠培養學生微生物學的實驗操作能力，但驗證性實驗不要求學生進行主動系統的思考和創新，限制了學生主動思維和創新能力的提高。并且由于只是進行課本上的傳統型微生物操作實驗，對新進展和新技術的培養相對滯后，不利于學生整體素質的提高。為滿足雙創型人才培養的需求，很多高校紛紛開展了綜合性設計實驗、研究型實驗、自主性實驗，以增強學生在實驗過程中的參與度，提高學生綜合素質和創新能力［3-9］。環境學院自2008 年起即開設了環境微生物自主實驗［8］，但如綜合性設計實驗等一樣，存在著教師主導實驗設計和進程的問題，實驗題目仍較單一，學生實際參與性不強等問題而影響了培養目標的達成［10］。為克服這些問題，在開設了多年自主實驗的基礎上，自2014 年起嘗試將學科前沿引入環境微生物學和環境微生物實驗的教學實踐，并實現完全的學生自主實驗，以促進學生對環境微生物前沿知識的接觸和創新能力的培養。本文介紹結合環境科學與工程的專業特色，引入學科前沿，為本科生開設“環境微生物學實驗”全自主實驗的探索和實踐。

1 自主性實驗教學改革的目的和總體思路

“環境微生物學實驗”的教學目的是與理論教學相結合，使環境科學和工程專業的學生建立和掌握微生物及相關操作的概念和技術，培養科學素養，強化自主創新能力，深化對微生物及在環境中的應用的認識，為今后從事環境科學的研究、環境工程和環境修復等相關工作奠定實踐基礎［8］。

大量新的環境問題不斷涌現，如病原菌傳播和抗藥性基因的水平轉移問題、消毒副產物、個人護理品和微塑料等新型污染物問題，以及固廢和氣體污染物的合理處置問題等，給環境微生物學的發展帶來了機遇。同時，微生物學的新發現和新技術也極大促進了對環境問題的認識和處理技術的發展。同時，微生物學的新發現和新技術也極大促進了對環境問題的認識和處理技術的發展。

針對不斷涌現的新的環境問題和生物學技術的迅猛發展，在環境微生物學自主實驗中鼓勵學生聚焦環境微生物領域前沿發展動態，創新性思考微生物學在環境科學與工程領域的研究和應用中的切入點，然后設計實驗并實施。這種自主實驗將提出問題和實驗內容的權力完全交給學生，培養學生通過思考提出問題到解決問題的實踐培養學生的創新能力，不僅激發學生進行思考和探究專業問題的興趣，而且提供給學生相對系統的科研創新訓練的機會，培養學生動手實踐能力，并且促使學生主動學習一些新知識和新技術，以順利達成目標，解決問題，為其將來在專業領域深入開展研究奠定基礎。完全自主實驗開設以來，學生主動提出了如腸道微生物對污染物的響應和對動物健康的影響，微生物在環境中的傳播、微生物對微塑料環境行為的影響等研究問題，并進行了實驗研究。這些針對學科前沿和社會熱點環境問題的實踐探索，讓學生了解環境領域亟待解決的實際問題，認識環境工程微生物實驗技術在環境領域的重要地位，激發專業學習和探索的興趣，更有利于學生主動創新能力的培養。

2 基礎性微生物學實驗是自主性實驗的必要條件

“環境微生物學實驗”是一門基礎實驗課，基礎性微生物學操作技術是教學中的重點。在有限的教學課時中需要合理安排實驗內容，使學生能夠系統掌握微生物學的基本原理和實驗操作的技能，為進行完全自主實驗打下基礎。在環境微生物學實驗教學中進行了模塊化設計，分別為基礎微生物學技術模塊、環境微生物模塊和分子微生物學模塊，對學生進行基本技能的訓練。其中基礎微生物學技術模塊著重培養學生無菌操作的概念和技術、進行微生物純培養的技術（包括培養基的配制滅菌、平板分離方法）、顯微觀察技術（包括微生物制片染色和顯微鏡的使用）、微生物鑒定技術（生理生化反應和16S rDNA分析）等基本技術體系。環境微生物模塊根據環境科學與工程的專業特點，開設微生物監測技術（水的細菌學檢查和發光菌急性毒性試驗）和微生物降解環境污染物（苯酚降解菌的分離）。分子微生物學模塊開設環境總DNA 的提取、環境中16S rDNA的擴增和分析的實驗，讓學生緊隨學科的發展，從分子水平去認識和研究環境微生物問題。

學生在進行這些基礎微生物實驗的學習中，全程參與每一個實驗的前期準備工作，進行完整的環境微生物學實驗技能訓練。如在進行各類微生物的形態觀察和微生物染色、大小測量和計數的實驗中，都需要進行培養基的配制滅菌和接種的前期準備工作。在實驗的安排中，則把培養基的配制和滅菌作為第一個實驗，學生學習細菌、真菌和放線菌培養基的配制技術、滅菌和倒平板技術，既為后續實驗做了準備，又學習了操作知識。這種調整也能使學生更清楚一個完整的實驗流程，為自主實驗打下基礎。

為了能順利進行自主實驗，學生掌握基礎技能，需要在教學過程中進行適當的調整，既能完成基礎性環境微生物實驗的教學計劃，又有充足的時間進行自主實驗。如在微生物生長曲線的測定時，雖然總體耗時較長，但在取樣間隔有大量的空余時間。充分利用空余時間，安排學生進行后續細菌純種分離、生理生化反應和水的細菌學檢查的培養基的配制，進一步提高他們對固體、液體、半固體培養基的區別和配制方法、不同生理生化反應檢測所需培養基的配制方法、以及進行水中大腸菌群檢測的培養基的配制方法的理解和實際操作技能的掌握。通過這樣不斷強化他們的基礎性環境微生物操作技能，為自主實驗的實施做好技能和思想準備。學生在進行操作時，也能充分發現一些在實際操作中所存在的問題，如檸檬酸鹽利用培養基pH的調節對培養基的顏色有較大影響，甚至會影響后續實驗現象的觀察，這也會促使他們在進行自主實驗時注意避免已出現的問題。此外，也能讓學生更熟悉在微生物實驗中所用藥品，如瓊脂和營養瓊脂的區別。為避免影響整體的實驗進度，在學生進行準備實驗時，教師需進行檢查，如發現一些錯誤，要及時更正，并重新準備，最終使學生既能觀察到應觀察的現象，達到實驗目的，更能充分進行完整的實驗操作訓練，不斷成長［8］。

3 自主性實驗過程

自主實驗本著完全開放的原則，鼓勵學生結合個人興趣自主選擇實驗題目。自主實驗的分組也完全參照學生自愿，自由組合，可以2 ～4 人一組，也可以1 人一組［11］。對于環境科學與工程的大三學生，在專業課的學習中已經對環境科學的發展前沿有所接觸，更有利于自主實驗選題。如在2018 ～2019 學年，學生選擇了環境中的新型熱點污染物微塑料及不同污染物對小鼠腸道微生物的代謝產酸作用進行了研究，這是非常具有前沿性的研究方向。學生在選題的過程中主動接觸和了解不同環境問題的研究現狀，使教學內容得到補充和更新，也使環境微生物自主實驗具有前沿性、挑戰性和新穎性。

以微塑料為例，它作為一種新型污染物引發了學生的研究興趣。在學生提出后，教師指導學生查閱相關的微塑料研究進展的文獻，發現微塑料上有大量細菌定殖，并且細菌的群落結構與水體中具有較大的差異［12-13］。根據這個研究現狀，學生提出研究不同因素（水體中的可溶性有機物和光照）對微生物在微塑料上定殖的影響。在自主實驗題目確定，科學問題提出后，學生們通過進一步對微塑料進行文獻查閱、小組討論，在教師的協助下，分別選擇了生物可降解性微塑料和傳統型微塑料作為研究材料，對實驗方案進行分析和整理。實驗小組根據實驗方案分別研究了腐殖酸和光照對大腸桿菌在聚乳酸、PHA、聚乙烯微塑料上定殖的影響。在這個自主實驗中，學生對微生物培養全過程、收集、檢測、顯微觀察和拍照、微生物形成的生物膜的測試等方面進行了全方位的環境微生物學基本科研訓練，而且對微生物與環境科學（水化學調節、光降解、吸附解析、微塑料的環境行為）的交叉，環境微生物學研究在環境中研究和應用中的意義有了更為深入的體會。

環境微生物學自主實驗基本是一個小的獨立科研訓練，學生不僅要完成實驗，更需要用科研的思維來完成整個實驗從選題到結題報告。在完成自主實驗的過程中，學生進行了獨立思考，獨立查閱文獻，根據研究進展和自己已有的知識提出科學問題，根據制訂實驗方案，確定實驗方法和步驟，準備實驗材料，并根據實驗需要學習儀器的使用方法（如在微塑料的研究中微生物定殖前后zeta 電位的測試），最后撰寫符合科研論文要求的實驗報告等。經過全自主性的環境微生物實驗，學生得到了較為科學研究的訓練，體會了創新思維、獨立思考、主動參與的實踐樂趣，為以后參與大學生創新計劃項目和畢業論文等都打下了堅實的基礎。

4 自主性實驗的效果

環境學院自2014 年起，在原來的半自主性綜合實驗的基礎上，進行了全自主性環境微生物實驗教學的改革與實踐，取得了明顯的教學效果，也獲得了一些經驗和體會。①基礎性實驗和自主實驗兩者是相輔相成的。學生經過一段時間的學習和訓練，儲備了足夠多的知識和技能，才有可能獨立完成自主性實驗。而自主性實驗是對前期基礎性實驗的融合和提高，結合學生的興趣和當前熱點，是學生開始獨立工作，自主創新的一個起點和實踐。②學生具有很強的求知欲和自我管理能力，在教學活動中應予以充分的鼓勵和肯定。通過自主性實驗的教學實踐，進行實驗內容和實驗室的雙開放，可以給學生更大的自由思考和自主學習的空間，使其各方面能力得到充分的培養和鍛煉，有利于學生素質和創新能力的培養［8］。

經過5 年的實踐，發現自主性實驗在激發學生學習熱情、培養學生的創新能力、嚴謹求實的科學態度、團隊協作精神方面成效顯著。改革后不縮減原實驗教學內容，每堂課內所安排的實驗內容增加較多，尤其是后期的自主實驗，實驗的時間已經不局限于每周的實驗課時安排，而是根據實驗的進度來安排時間，學生主動利用午休、晚上和周末的時間來完成自己的實驗。同時，學生對于如何將理論用于實踐實現新的產出，也有了自己的實踐體會。如在垃圾降解菌的分離中，學生在分離到產淀粉酶和蛋白酶的菌株后，想進一步提高其產酶能力，欲采用誘變的方法進行。通過查閱文獻，確定采用紫外誘變，不僅提高了產酶能力，也掌握了在原來的實驗教學大綱中并未包含的微生物誘變技術。

在基礎性實驗中，由于學生的全程參與，已對實驗的嚴謹性有所體會。在自主實驗中，學生更是得到了從實驗方案制定、每個測試的實驗步驟制定到全程自己準備、操作和獲取實驗結果的全面訓練。這個過程中，若考慮不周，如出現培養基配制量不足、槍頭忘記滅菌等情況，則會影響實驗的進度，甚至造成實驗的失敗。通過這種全自主實驗，對學生全面思考、嚴謹和求實的科學態度進行了很好的鍛煉和培養。在自主實驗中，通常每組會有2 ～3 名同學共同參與，也培養了學生的團隊協作和溝通能力。如在進行實驗的過程中，組內同學根據選課時間的不同，靈活安排實驗時間，輪流進行實驗，確保實驗完成。小組間在實驗技術和實驗材料上也可以進行友好協商，互通有無，培養學生的科研團隊協作精神。

創新和科研總不是一帆風順的，常常會有失敗的發生。環境微生物學自主實驗因為并非驗證性實驗，并且是鼓勵學生根據環境學科的前沿進行的實驗設計，失敗難免發生。如在微塑料的實驗中就發現，聚乳酸和PHA微塑料在水中具有很好的分散性，而聚乙烯在水體中很難分散，并且后續很難離心操作，同學們只能舍去這個實驗組，體會到創新和科研的不易，以及如何正確面對失敗。

5 自主性實驗存在的問題及反思

在自主實驗中，雖然是要完全發揮學生的主動性，培養創新能力，但自主性實驗仍是本科實驗教育的內容之一，要保證每一個學生都能完成，教師需要在其中發揮好掌舵人的作用。在教學過程如發現有的學生積極性不夠或尚不具備閱讀文獻、獨立思考提出科研問題的能力時，教師就給予該學生足夠的輔助，以敦促和幫助他們進行思考、探索、提出問題和設計實驗方案［14］。在自主實驗的選題上，重點鼓勵學生選擇自己感興趣的內容進行研究，教師在教學中可根據當前的一些熱點環境問題，提出幾個備選方案（微生物對環境類激素的降解、餐廚垃圾分解菌的篩選等），有些學生可以在老師提供的方向中進一步細化來進行自主實驗，以保證每個學生都能完成自主實驗，得到充分的訓練。在實驗方案的制定中，可以通過提問，了解他的研究假設是什么，想證明什么問題，他設計的試驗內容是否能夠證明這些問題，并提出他還需要在哪些方面進行更改或深化。

環境微生物自主實驗是針對大三的本科生開設的，雖然有些學生在大一和大二已經歷些科研訓練，但絕大多數學生的實踐還以驗證性實驗為主。有的學生此時對完整的實驗方案設計能力尚不足，此時需要老師反復對學生進行引導。為保證自主實驗的順利進行，①在前期基礎性實驗中的有意訓練，在進行自主性實驗時，更要與學生進行反復溝通，幫助學生完善實驗方案。與大學生創新計劃不同，自主實驗時間較短，故實驗方案的工作量和難度要適宜，以保證在有限的時間內能夠完成。②通過讓學生進行提前準備，確定實驗方案，從而最大限度保證學生能在此階段找到自己感興趣的問題，并完成實驗設計。③自主實驗需要老師進行全程跟蹤，要有研究生助教全程協助指導。由于在自主實驗過程中實驗室全天開放，實驗室的安全管理也是重中之重［15］。自主實驗雖然由學生自主設計、自主準備和自主完成，但老師的提醒和保障作用是自主實驗能夠完成的重要因素。自主實驗因為實驗安排的需要，大部分學生的實驗并不能在原定的上課時間進行。老師即使不能在現場，也應該通過微信等即時通信，跟蹤每個學生的實驗進程，提醒學生養成良好的實驗記錄習慣，應對不時出現的問題，確保他們遇到問題能夠及時解決，順利完成自主實驗。

6 結 語

雖然開設自主實驗對本科生教訓實驗室的建設管理和教師都提出了更高的要求，但自主實驗是對傳統的實驗教學的一個更好補充，將學生被動接受被動學習的模式轉變為學生主動學習，以提高學生的自主學習意識和能力，有助于培養學生的創新意識。以自主實驗為基礎，通過大學生創新訓練計劃和創新創業訓練，逐步提高大學生的雙創能力，挖掘大學生自身潛在的創造力，為國家培養更出色的人才。