基于“學習范式”理念的“環境工程微生物實驗”教學改革

朱米家，易紹金

（長江大學化學與環境工程學院 湖北 荊州 434023）

“學習范式”是指一種從傳遞教學到生產學習的教學理念的轉變，是一種從注重教師單向灌輸到注重學生輸出的評價標準的轉換[1-2]。基于“學習范式”的教學模式中，教師是學習任務的設計者、學習過程的促進者，學生則是課程任務的執行者、自主學習者[3-4]。實驗教學是高校培養創新型人才的重要環節，通過相關課程的學習，理論聯系實踐，引導學生提高分析問題、研究問題和解決實際問題的能力。在“環境工程微生物實驗”課程教學改革過程中應用“學習范式”的理念，通過對該課程教學內容、實施計劃和考查方式的改革，體現該理念在人才培養中層次遞進、系統全面的特點。

1 實驗教學存在的問題

作為一門專業的基礎實驗課程，“環境工程微生物實驗”以“培養科學精神、傳授生物知識、訓練實踐技能、鼓勵探索創新”為目的，學生不僅要認識和了解微生物在各種環境條件下進行生命活動的規律和機理，而且要將掌握的理論知識應用于環境工程實驗和生產實踐，并為后續課程提供必要的實驗基礎。本課程的教學模式和內容存在以下三方面的問題：①環境工程微生物實驗項目以微生物種類分析為主，考核內容單一；②課程評價僅基于實驗報告，其結果難以全面反映學生的知識掌握情況，不利于教師改進方法促進教學目標達成；③實驗教學過程以授課形式進行，難以提高學生的自主學習能力。此外，本課程在專業基礎課中屬于相對獨立的知識板塊，授課前學生普遍不具備扎實的微生物理論基礎，這些主客觀因素都嚴重制約著實驗課程的教學效果。

2 實驗教學的改革

作為專業實踐的重要組成部分，“環境工程微生物實驗”是培養學生動手實踐能力、樹立良好學習習慣、打牢科研基礎的重要課程[5-6]。如何在相關課程講授過程中培養和提高學生學習能力，是每位實驗教學工作者應深思的問題。為使實驗內容更具有代表性和系統性，在教改中秉承繼承與發展相統一的思路，通過對教學內容的重新組織和安排，使學生從實驗試劑的準備入手，從驗證性實驗過渡到設計性實驗。其學習能力、實驗操作能力在整個過程中得到提高，直至具備能獨立設計和完成基礎環境微生物實驗的能力，達到本課程的教學目標[7]。

2.1 實驗項目設計

改革前的環境工程微生物實驗（16學時），與環境工程微生物學理論課（32學時）在第五學期同時開設，主要實驗內容包括培養基的配制與滅菌、微生物的培養、沉降法測空氣中的微生物數量以及微生物的染色，均為驗證性實驗項目。其內容稍顯簡單，而且專業特點不明顯。新開設的實驗課程增加到20學時，主要包括設計性實驗（固體、半固體培養基的配制、滅菌及保藏）、驗證性實驗（沉降法測定空氣中的微生物數量、微生物的運動性檢測及菌落的鑒別、油田采出水中的特殊微生物檢測、微生物的染色）以及演示實驗（微生物的接種）。把原先的基礎實驗技能貫穿到“環境中分離得到的微生物”這條主線中，包括培養基的配制、空氣中微生物接種、油田采出水中的微生物接種、菌種的保藏、特殊菌種的鏡檢、菌落形態描述。設計性實驗要求學生提前做好方案規劃，保證后續實驗的合理性與可操作性；驗證性實驗要求學生運用已學的理論知識和技能依次確定實驗材料、儀器設備、實驗方法和實驗步驟。實驗涉及的主要實驗設備包括：高壓蒸汽滅菌鍋、無菌操作臺、微生物培養箱及顯微鏡。實驗材料來自現實環境，其中油田采出水中微生物的分離實驗源自教師的科研項目，既激發了學生的學習熱情，也彰顯了專業特色。

2.2 實施計劃

2.2.1 學生分組

每次實驗參與人數為30人，按2人/組分成15組。學生通過分工完成實驗準備工作和項目內容。實驗準備工作要求組員合作完成文獻查閱、實驗儀器的使用規范、方案撰寫；項目內容要求組員合作完成兩種培養基的制備、微生物接種（穿刺）、顯微鏡的使用、微生物染色及菌落鑒別。組員之間在實驗過程中針對具體的操作步驟、數據采集問題開展討論，并在教師的指導下完成相關內容。

2.2.2 課前準備

實驗教學以理論課相關內容為基礎，課前2周使用雨課堂的方式發布預習資料，包括：實驗方案設計所需的基礎信息、實驗內容及注意事項。要求學生根據資料查閱并確定實驗步驟、實驗器材，結合我國環境標準和技術規范開展實驗方案的可行性論證。學生提前分組，通過組員之間的討論完成實驗方案初稿，上傳至雨課堂資源平臺。教師對實驗方案進行嚴格審核，經過修改確定最終方案。

這種方法可有效提高學生的參與度。由教師確定研究主題，引導學生主動查閱學術文獻，學生根據文獻設計實驗并獨立開展研究工作。通過實驗教學培養學生的獨立思考習慣，掌握正確開展科研工作的方法，還可培養學生團隊協作的精神。

2.2.3 教學演示

教師根據課前準備情況及時調整實驗教學可能出現的理論及操作問題，通過教學演示引導學生思考實驗細節問題。比如進行無菌操作演示時，利用火焰對接種環及接種棒的底部進行徹底灼燒。引出問題“為什么要用外焰灼燒？對接種棒進行滅菌的目的？試管口滅菌后為什么要用棉塞而不用橡膠塞或木塞進行封口？加熱滅菌和濕熱滅菌分別有哪些具體方法？”再如操作顯微鏡時，引出問題“光學顯微鏡的基本原理是什么？為什么要先用低倍鏡觀察？使用油鏡前為什么要滴加香柏油？顯微鏡使用完畢后為何要將物鏡轉成八字形？”

2.2.4 課堂討論

由于微生物實驗準備耗時較長(相關的試劑耗材、儀器設備的準備工作由實驗教師承擔，學生未提前介入)，而且進行課堂教學時，授課教師始終處于核心地位，占用了大量時間。學生僅利用較短時間根據教師授課內容及演示步驟被動地接受訓練，大部分同學缺乏對實驗設計的思考，也無法將理論知識與實踐相結合[8]。因此課堂討論主要圍繞三個議題展開：①固體、半固體培養基的用途；②微生物的運動性特征有哪些方法可以檢測；③從菌落的形態結構推斷微生物的類型。

前兩個議題針對實驗設計本身是否合理，讓學生根據課前掌握的信息進行闡述。學生查到固體培養基主要用于研究微生物的分離、純化、培養、保存和鑒定，半固體培養基用來觀察細菌的運動性。實驗要求分別完成微生物的接種用于判斷其類型、厭氧好氧特性、運動性，需要提前完成這兩類培養基的準備工作。由于實驗課程的連續性，必須保證前次實驗為后續實驗提供原料（培養基及菌種），因此首個實驗務必完成培養基的配制、滅菌與保藏。關于微生物的運動性檢測，有鏡檢和半固體穿刺法。使用半固體穿刺法準確性更高，還可通過接種穿刺生長線分布菌落的疏密度來進一步判斷厭氧好氧特征。

學生以小組為單位觀察菌落形態，要求每組觀察細菌、放線菌、酵母菌和霉菌各1種。通過菌落大小、透明度、邊緣整齊度、潤濕度、氣味、色度等多方面觀察、討論確定微生物的類型。在此過程中教師對學生的操作進行巡視并給予及時的指導，并錄制視頻。待實驗完成后師生共同觀看，讓學生運用掌握的知識分析、討論各種不當操作可能引起的問題。

2.2.5 課后總結

實驗課程的目的是培養學生綜合應用微生物學的基本原理和實驗技術，獨立完成培養基的制備、滅菌、微生物接種、保藏以及微生物的鑒別。改革后的內容更貼近現實環境，可激發學生的學習興趣。從實驗方案的設計開始，強化學生的自主學習能力，要求學生根據實驗室的設備儀器優化實驗的準備環節，繼而完成后續的各項實驗。本課程的教學效果通過方案設計、實驗報告和學生的實際操作得以集中反映。課程改革進行兩年來，仍存在以下一些問題：學生缺乏對設計性實驗的整體把握；缺乏利用微生物基本原理解決實際問題的能力；缺乏溝通能力。教師在往后的工作中應針對實驗教學過程呈現的薄弱環節進行完善。

2.3 考核方式

在課程改革中建立并實施了以綜合操作能力與創新能力為主的全過程實驗教學考核體系，通過客觀、公正的科學評價體系對學生的知識、技能、態度等多方面進行考核。學生成績由方案設計（20%）、實驗報告（40%）、課堂討論（20%）、實驗操作規范（20%）四個方面組成，考核評分標準見表1。其中實驗操作規范主要的扣分點集中在：斜面培養基的制作；接種、滅菌操作；染色片的制作；顯微鏡的觀察與設備維護。通過增加操作規范的考評，有利于學生實驗技能的提高，達到了考核的目的。方案設計與實驗報告的考核重點不在實驗數據的準確度，而是反映學生的學習能力、分析解決問題的能力、語言總結能力。課堂討論則主要側重于評價以實驗小組為單位的成員在課堂上的活躍度，包括實驗過程中與教師交流互動、實驗總結中的突出表現。

表1 考核表

3 總結與展望

環境工程微生物實驗課程屬于專業基礎實踐課，與理論課互為補充，目的在于培養學生的創新思維和自主學習能力。在教學方法上充分體現“以學生為中心”的理念，綜合運用問題引導、師生討論、案例分析等多種手段，注重過程考核，全面客觀評價學生對課程知識的掌握和相關能力的達成情況。為更好發揮課程改革的效果，一方面可在實際教學過程中提供更多機會給學生進行設計性實驗方案的分組答辯，以此更好地調動學生的學習熱情，另一方面可針對性地開設創新型課外實驗培養研究型人才。