基于能力培養的環境工程微生物學實驗課程教學改革研究

李海軍(四川輕化工大學化學與環境工程學院，四川 自貢 643000)

0 引言

我國高等院校開設的環境工程專業有著良好的發展前景和空間，其中的環境工程微生物學也是環境工程、環境工程技術這類專業學生的基礎課程。該項課程是以微生物學作為基礎，融合生命科學、環境科學和工程學形成的交叉學科，帶有明顯的應用和實踐特征。這類工科專業的基礎課程在完成理論教學之后，便會延伸到實驗教學。環境工程微生物學實驗能夠幫助學生利用所學基礎理論知識，逐步形成解決環境領域實際問題的能力，這也是構筑工科學生實踐能力持續發展不可或缺的重要條件。在目前高等教育開設的環境工程微生物學實驗教學中不難發現，實驗項目通常以基礎性和驗證性內容為主，綜合性和創新性實驗項目以輔助者角色存在，學生在專業知識學習和實踐操作中，必須要掌握有關微生物的觀察、培養、分離、滅菌等各項基礎實驗技術。在應試教育和理論知識灌輸模式下形成的實驗教學體系，在內容和方法方面無法滿足環境工程專業以及學生個人能力發展培養的需求。本文基于學生能力培養的視角，探討了環境工程生物學實驗教學課程改革的具體對策，為今后環境工程微生物學實驗教學內容的拓展以及教學方法優化提供參考。

1 環境工程微生物學實驗課程教學改革的出發點及載體

1.1 出發點

我國素質教育工作對高等教育提出的要求是同

時關注科研和教學工作的高質量發展，但部分學校依舊存在過分重視科研工作的現象。這不僅與高校教師的科研壓力較大有著密切的聯系，而且高等院校內部擁有較多先進設備的科研實驗室和平臺，主要面對的使用群體是校內的科研人員和研究生。在這兩種因素的深刻影響下，教師工作的時間和精力主要集中在科研項目的申報、課題研究方面，用在實驗教學和理論知識教學的時間和精力被大幅度壓縮、占用[1]。此外，因為本科生無法借用高水平的實驗室和科研平臺進行實踐，導致其理論知識無法進行系統化的訓練和應用。也正因如此，高校環境工程微生物學實驗教學工作改革要求，教師應始終堅持立德樹人的教學根本任務，在掌握國內外環境工程專業行業發展具體狀況和需求的前提下，盡力將科研工作所取得的各項結果和理論傳授給學生。校方也需要將校內先進設施配置齊全的實驗平臺和實驗室逐漸向本科學生開放，讓其結合各種實踐環境項目，在解決學術問題的過程中，促進工科學生結合所學專業理論知識培養實踐能力。

1.2 載體

高等教育開設的環境工程微生物學實驗課是理論知識教學的重要延伸環節。在促進學生能力培養發展的基礎上，教學改革工作需要將如下兩項內容作為重要載體：一是校內現代化水平較高的實驗室。本科的教學以及科研實驗室二者之間的區別較為明顯，環境工程專業的相關學生在開展環境工程微生物實驗操作的過程中，開放實驗室可以幫助學生通過參與實驗教學活動，全面了解實驗必備的設備以及操作規程，通過個人的親身實踐，參與諸如污泥菌膠團結構觀察、革蘭染色和認識原生動物等多項實驗操作，形成對環境工程、微生物知識學習和應用的興趣。二是高校設置的科研實驗室有著明顯的研究性優勢。學生可以結合在知識學習過程中產生的感興趣課題，進行深刻系統地研究，幫助學生在全面發揮其主觀能動性的前提下，進一步提升對課題的整體把握能力，這也是學生科研素質提升的基點[2]。

2 環境工程微生物學實驗課程教學改革對學生能力的培養作用

一是促進環境工程微生物實驗教學方面的全面更新。在傳統的環境工程微生物實驗教學中，一般都是以驗證性實驗為主，教材中收錄的實驗內容與經濟社會發展相比明顯滯后[3]。最為常見的現象是顯微鏡使用作為單獨實驗項目，這與絕大部分學生在中學階段掌握的普通光學顯微鏡的使用方法和維護技巧內容基本一致。以學生能力培養作為基礎的環境工程微生物學實驗課程教學改革工作，能夠幫助校方和教師根據環境工程專業和相關行業的持續發展，以教材內容作為出發點，摒棄教材中收錄的陳舊的教學案例，自主選擇在現代經濟社會發展背景下的實驗教學內容，讓學生意識到自己掌握的專業理論知識和實際生活之間存在著密切聯系。各種現代化的實驗設備和技術的引入也能夠幫助教師進一步提升實驗教學的效率和質量，使得環境工程微生物學的實驗教學工作能夠持續發展和革新。

二是有助于促進工科學生實踐能力的培養。素質教育背景下的環境工程微生物學作為工科專業的基礎課程，要求教師借助理論知識和實踐教學幫助學生在深刻理解基礎知識的前提下，利用發展較為完善的基礎知識體系解決各種實際的環境問題，確保學生能夠聯系基礎知識和實際生活培養其對問題的發現、探索和解決的能力。學生在解決實際環境問題的過程中，可以向教師尋求幫助，引入各種先進的技術和設備，幫助學生全面發揮其創造思維和創造能力，這些都是當下我國經濟社會發展所需的工科專業人才必備素養[4]。實施環境工程微生物學實驗教學的改革能夠幫助校方和教師綜合考慮學生在創新能力以及基礎知識能力方面的缺陷，綜合使用現代化教學案例以及技術設備，引領學生進行自主探索，在尊重學生知識學習主體地位的前提下，推動學生個人工科實踐能力的全面發展。

3 環境工程微生物學實驗課程教學改革對策

3.1 教學體系的全面結構重組

以學生能力培養作為基礎條件的環境工程微生物學實驗教學工作需要摒棄之前學生單一操作的驗證性教學方法，而是需要逐漸探索建立包括基礎、示范、綜合和設計模塊在內的實驗教學體系，確保有關環境工程微生物方面的實驗教學內容能夠嚴格遵循基礎、示范、綜合、設計的模塊有序落實。基礎和示范模塊方面的實驗教學工作需要同步進行。實驗的綜合設施和實驗設計教學創新需要以學生掌握的生物實驗操作技巧基礎為前提條件方可落實。基礎和示范模塊的教學內容是今后環境工程微生物學實驗教學的基礎組成內容，具體包括了學生們需要掌握的微生物培養、無菌技術、分離純化等各項基礎試驗，而示范模塊則是以微生物實驗操作過程中必須使用的有關玻璃器皿的包扎滅菌、顯微鏡使用等各項基礎操作方法為主，教學時長可以安排在6～8個學時。

綜合模塊是教師針對學生微生物實驗能力進行綜合訓練的重要環節，學生參與實驗的相關內容，并不需要教師給出明顯限制，但需要教師給予適當的引導，尊重學生的知識學習主體地位，由學生對實驗內容和方案自主進行安排，但教師需要提出包括培養基配制滅菌、微生物數量測定等在內的各種綜合內容的要求。在綜合訓練模塊中，教師需要以微生物技術在我國環境保護專業實踐過程中的具體應用為基礎，引導學生產生對微生物觀察和認識的興趣，確保能夠在真實環境中利用各種實驗技術進行微生物的檢測和分析[5]。在學生自主進行綜合實驗中，教師需要以3～5人一組合理劃分學習小組，由小組成員通過文獻資料的查閱，彼此之間的討論和向教師尋求幫助的方法，對實驗的具體內容和方案科學進行安排，確保學生能夠利用在校的實驗教學時間以及課余時間自主完成確定的實驗內容。這不僅能夠幫助學生促進實踐綜合能力的發展，并且學生也能夠形成微生物技術應用于生態環境保護工作的良好意識。教師利用學生小組綜合能力訓練實驗方法也能夠推動學生創新思維能力、團隊協作精神的培養和發展。用于綜合訓練模塊的教學時長維持在4～6個學時即可。

3.2 實驗教學內容的創新組合及拓展

普通微生物學的實驗內容也是環境工程微生物學實驗的重要組成部分，但在傳統教學模式下的實踐內容之間缺乏連貫性，并且存在著內容重復的現象，學生即便經歷了實驗操作，也尚未建立有關環境工程微生物學的綜合概念，基礎知識應用能力層次較低。在這種情況下，以學生能力培養為核心的環境工程微生物學實驗教學工作需要針對實驗基礎內容不斷進行調整和改革，確保學生能夠在參與各種系統性綜合實驗的前提下，意識到實驗內容之間存在的聯系，促進基礎和綜合性實驗二者之間的有效融合[6]。比如，土壤中的微生物分離純化以及測量水體、空氣中的細菌總數等都可以進行融合處理，具體包括了學生必須掌握的光學顯微鏡的基礎應用技巧、培養基的制備滅菌、無菌操作和常見的空氣微生物采樣設備使用等基礎知識。學生可以自主選擇合作伙伴建立學習小組，在查閱研究相關資料之后向教師尋求幫助，確定與環境中微生物分離、純化、培養等在內的綜合實驗題目，能夠在進一步壓縮課堂實驗教學時長的同時，通過學生之間的交流和合作形成系統化的實驗內容機制體系，有助于促進學生綜合運用能力的發展。

為了進一步深化學生對環境工程微生物知識的理解深度，教師需要在實驗教學內容持續拓展的過程中，將校外資源引入其中，定期組織學生到環境工程的專業實踐基地中進行參觀和學習，將當下環境污染治理工作中環境工程微生物技術的應用形成一定的了解。同時，與院校環境工程專業開展合作關系的實踐基地也能夠為學生提供實習工作崗位和真實的工作環境，并且這類企業正在運行的各種環境污染治理項目也能夠為學生基礎知識的遷移應用提供必要的基礎條件[7]。比如，桶裝飲用水的細菌總數、大腸桿菌的測定和生活污水處理過程中活性污泥微生物的檢定等都是自來水廠和污水處理廠不可或缺的重要運營項目，這種與企業生產實際結合生成的實驗項目能夠幫助學生養成主動參與實驗教學的興趣和積極性，同時貼近真實生活的實驗項目對學生工程實踐能力的發展也有著良好的促進作用。

3.3 實驗課前導入的多元化要素

一是利用懸念導入。在環境工程微生物實驗教學工作正式開始前，教師可以通過科學、政治、歷史和藝術性的問題為學生形成實驗教學的懸念，在激發學生學習興趣和注意力的同時，引導學生對實驗教學中的各種問題積極進行思考。比如，教師在引領學生共同學習有關病毒的知識時，例如天花，結合歷史，教師可以引導學生談一談對天花病毒的看法，通過討論，學生們會對歷史事件的性質有正確認識，同時對天花病毒對人類的危害以及傳染性有較深刻的認識。教師可以將病毒感染人體和動物之后的疾病圖片向學生進行展示，使學生通過微生物學知識的學習，懂得學習利用微生物學知識應趨利避害，更應該明確為人類造福而不是毀滅人類的學習目標。

二是利用故事進行課前導入。環境工程微生物學的覆蓋內容較為廣泛，且知識點分布零散。在微生物學科建立發展過程中，專家和學者也產生了諸多趣聞軼事。學生對有趣的歷史故事有著較為強烈的好奇心，教師可以利用這一特點使用科學家的趣事激發學生參與實驗教學的興趣和求知欲望。比如，教師在引領學生共同分析溫度對微生物影響的知識時，可以介紹巴斯德治療“酒病”的故事。簡單而言，在1865年，法國一個釀酒廠的廠主讓巴斯德幫忙解決啤酒變酸的問題。巴斯德作為化學家也開始研究這一問題，利用光學顯微鏡觀察發現尚未出現變質現象的葡萄酒和啤酒中只存在一種圓球形狀的酵母細胞，而腐敗變質的啤酒和葡萄酒中出現了一種細棍狀的乳酸桿菌。經過多次的試驗之后，巴斯德找到了有效治療“酒病”的方法，就是將酒在50～69 ℃環境下進行30 min的加熱處理，這也是目前最為常用的巴氏消毒法。同時，教師可以告知學生日常飲用的牛奶也是利用這種消毒方法，學生對實驗教學的興趣和激情就能夠被明顯調動。

3.4 建設以學生能力為本位的實驗教學制度

一是以課前預習推動學生學習主動性的發展。環境工程微生物學實驗的教學內容在傳統教學形式的影響下，都是由教師經過演示和講解之后，學生分別使用實驗室內分布的儀器設施按照教師的實驗步驟和注意事項按部就班地進行驗證。在完成實驗操作之后。學生需要對實驗結果進行全方位地總結和分析，并生成本次實驗的研究報告。這種實驗操作方法使得學生的學習主觀能動性發揮相對有限，影響到實驗課的教學質量以及學生綜合能力的培養以及發展[8]。為了促進學生環境工程實踐能力的培養和發展，教師必須要制定實驗課前的預習制度，讓學生在嘗試參與實驗教學之前自主利用互聯網平臺查詢實驗內容，完成相應的預習報告。在正式上課前，教師需要逐一進行批閱，提出其中存在的問題，由學習小組共同進行改善。比如，教師在帶領學生共同學習細菌染色這一實驗項目時，單染法和復染法是細胞染色最為常用的方法，且顯微鏡、超凈工作臺、玻片和多種染料是必須使用的試驗儀器、用具。在課前預習環節，教師可以要求學生將實驗所需的各種染料溶液準確列舉出來，實現自主配置，掌握微生物細胞染色的步驟，確保學生能夠對實驗項目整體方案和內容設計形成初步了解，有助于促進學生自主學習能力和實踐動手操作能力的發展。

二是通過教師的操作指導促進學生動手能力的發展。為了幫助學生在參與環境工程微生物實驗教學中逐漸培養工科實踐能力，需要由學生小組獨立完成實驗。在實驗過程中，儀器的調試、配置試劑和實驗步驟都需要學生自己完成，教師只提供相應的過程指導，并保證學生的各項操作規范即可。教師在引導學生進行細菌染色實驗時，需指導學生成功培養細菌并完成細菌染色，使用鏡檢方法觀察2～3個染色片上微生物細胞的形態。在實驗過程中，學生能夠對固定的溫度時間、染料選擇及染色時間反復進行摸索，結合教師提供的指引得出正確的結果，能夠在促進學生實驗操作規范化發展的同時，培養學生嚴謹的實驗態度。

4 結語

環境工程生物學的實驗教學是理論知識實踐應用的重要環節，在素質教育背景下的環境工程微生物實驗教學需要關注學生基本能力的發展。教師需要建立包括基礎、示范、綜合和設計在內的教學結構體系，配合實驗課前的多元化導入以及實驗教學內容的優化組合以及創新，在實驗過程中由教師給出針對性的指導，確保學生能夠正確利用理論知識進行實踐操作，促進學生端正學習目的，促進實踐能力的鍛煉和發展。