环境生物学实验课程教学改革探索

王 雯 李爱爱 冯雅健 李 妍

（天津理工大学，天津300384）

环境生物学实验课程教学改革探索

王 雯 李爱爱 冯雅健 李 妍

（天津理工大学，天津300384）

作为高校环境科学本科专业的主干课程，环境生物学实验是学生专业知识体系构建的重要节点。环境生物学实验教学中除了有生物类实验普遍存在的教学难点，同时还有一些自身特点造成的教学问题。本文系统分析了当前环境生物实验教学中存在的问题，并有针对性的提出了讲做结合、合理分组、优化实验流程、强化预习、强调误差分析、及时对学生反馈等教学改革措施。另外，通过对实验数据的分析和问卷调查证明上述措施改善了实验教学的效果，为未来生物类实验课的教学提供了思路。

环境生物学；实验课程；教学改革

环境生物学是环境科学本科教学的专业主干课程，主要讲授污染物存在下生物从大分子到生态系统各层级的效应［1］，以及如何利用各类生物效应进行污染物的生物监测与生物净化。通常安排在环境科学专业本科三年级学习，其先修课程为普通生物学，生物化学，生态学等。作为一门承接生物学、生态学和化学的基础课，同时又为后续的专业选修课及学生未来就业打下基础，是环境科学本科生培训的重要一环。

该课程配备的实验课一方面衔接前期的生物类实验课程，帮助学生复习和掌握基础的生物操作技能［2］；同时通过实验操作与现象验证理论课中的相关概念，有助于学生形成正确认识并加深知识点印象；另一方面也对学生未来可能需要掌握的专业操作技能与测试项目进行了培训，是环境科学专业必不可少的实验训练内容。

本文分析了环境生物实验课中常见的问题，提出了一些改进方法，并比较了改进前后的效果。

一、环境生物学实验教学中存在的主要问题

和其他生物学类实验课程教学中的情况类似，当前的环境生物学实验教学中存在一系列的问题，同时也因为环境类课程自身的特点而有其特殊性，具体分析有以下几点。

第一，学生在公共基础课中的实验学时少，基本操作不熟练，影响了专业课实验的效果。环境生物学实验中常用的基本操作包括显微镜的调节与显微观察，溶液的配制与定容，微生物的培养与无菌操作等［3］。这些基础技能本应是环境生物学课程的先修知识点，囊括了普通生物学、分析化学、有机化学、生物化学、微生物学等相关实验的基本技能，但学生的实际掌握程度不佳，导致后续的操作不能达到实验预期效果，对学生实验的积极性也有影响。

第二，实验步骤复杂，学生不能深入理解每一步的原理，影响了实验要点的掌握。以综合实验“水体次级生产力的观察与计算”为例，该实验项目操作一共包括7部分内容，其中每一部分都包含有多个操作步骤。学生需要在掌握显微镜的使用方法，浮游植物的显微计数，大型蚤观察与捕捉等多种实验技能的基础上按照实验讲义逐步完成，正常情况下耗时4小时左右，故课程设置为5个学时。作为专业课的综合性实验，必然是结合前期所学知识点综合各方面技能才能完成的，从这个角度说，环境生物学实验操作过程复杂是不可避免的，但学生在这个过程中容易混淆或遗忘步骤，严重影响结果准确性。

第三，生物类实验本身具有实验结果误差范围大的特点，这影响了学生对知识点的理解深度［4］。以设计性实验“自采水样的发光抑制急性毒性测试”为例，该项目以检测水样加入后发光菌的发光抑制率确定水样的毒性大小，其中水样和阳性对照样品加入时的平行性、发光菌阳性对照和阴性对照的发光强度、发光菌加入体积的平行性都会显著影响实验结果。在工作中的实际检测时研究人员是通过熟练的操作、设置多个平行样、统计分析来解决误差问题的，但实验教学中无论时间、材料、或是提高学生操作的熟练程度都不可能达到这个效果，这将影响学生对急性毒性检测方法的理解，并削弱对这种标准检测方法的学习效果。

第四，学生对实验结果的理解存在局限性，并不能科学全面的掌握现象背后的科学意义。因为预习过程不仔细，实验结果稳定性差，阅读相关文献不足，分析讨论不充分等原因，学生实验后对现象的理解很难扩大到更大的范围中去，对实际工作和后续学习的指导意义不能很好的体现出来。

二、解决上述问题的几个思路

通过上述分析，可以确定，尽管存在一些固有问题，但确实有可能通过教学环节的设计或是操作内容的优化来改善实验教学效果，下面就以上述两个环境生物学实验项目为例提出一些解决思路。

第一，增加理论讲授课时，帮助学生回忆前期学习的知识点与操作。传统形式上实验课前教师将实验内容抄写在黑板上，实验课时将授课内容简单讲述一遍，或者只提醒重要注意事项。但对于环境生物这类操作流程较复杂的实验，学生有可能在预习阶段就不能充分回顾以往知识点，教师讲授时如果不能以图片或视频的形式展示实验内容，没有多媒体辅助设备，并不能充分调动学生的记忆。

因此，本次课程在开设实验项目前的一次理论课授课阶段即详细回顾了与实验项目相关的各部分内容，尤其重点讲述了实验原理和操作重点等特别需要多媒体辅助的部分。在实验课开课时则只介绍仪器设备实物及再次强调操作重点、注意事项等。

第二，适当对学生分组，保证操作能力得到锻炼且实验结果效果良好。传统实验教学管理中单人操作率是一项重要指标。一般认为设备台套数满足学生单人操作是教学效果最好的。但实际上在生物类实验中有一些操作单人很难完成，强迫单人操作可能会造成因为操作不熟练，没人配合而不能达到预期效果。

对于有无菌操作或其他复杂操作的项目，分组人数以两人为宜，保证学生即使在操作不熟练或者不规范的情况下能够理解操作规范的必要性。这样既练习了关键步骤的操作，锻炼了协作能力，同时还能保证操作的可靠性，不会影响实验的效果。

第三，通过调整实验流程，简化操作，形成标准化程序来改善实验效果。因为操作步骤复杂，流程不够清晰，造成操作误差大，环境生物类实验的效果受到影响。通过一些实验设计可以规避一部分的误差。

如“水体次级生产力的观察与计算”中一项误差较大的操作是藻类计数，藻液浓度太大或太小都会增大最终实验结果的误差，通过合理的配制藻液，经详细的预实验选定藻液浓度的合理范围，可最大程度的减少计数误差。图1统计了该实验流程改进之前和之后学生测得的大型蚤1小时摄食率平均值及其标准偏差。统计样本为当次开设实验的10个小组的数据。同样，“自采水样的发光抑制急性毒性测试”中以不同的次序向试管中刚加入发光菌菌液、渗透压调节液和阳性对照氯化高汞溶液时可能会影响发光菌的急性毒性效应，因而设置合理的加样顺序有利于获得准确而稳定的实验结果。图2统计了实验流程改进之前和之后学生测得的阳性对照，0.1mg/L的氯化高汞对发光菌的发光抑制率，及其标准偏差。统计样本为当次开设实验的10个小组的数据。由图1、图2可以看出，两个实验项目在优化实验流程之后学生实验结果的组间差异明显减小，有助于学生获得稳定的数据，改善了实验效果。

图1 “水体次级生产力的观察与计算”大型蚤摄食量变化

图2 “自采水样的发光抑制急性毒性测试”阳性对照氯化高汞发光抑制率变化

第四，通过课前检查提问等形式强调学生预习过程，保证操作流畅。高效的预习对学生理解和掌握实验至关重要。但学生的预习报告往往流于形式，简单抄写实验讲义，单纯要求上交预习报告并不能保证学生的预习效果。应训练学生高效的完成实验预习工作。

一方面对学生强调不要简单抄袭实验讲义，要求在预习阶段看懂实验流程的前提下简化抄写工作，鼓励学生自己总结并简化操作的文字说明；另一方面对预习报告进行检查，同时在实验开始前通过提问和检查促进学生做好预习。

第五，通过强调结果讨论和误差分析，和督促学生查阅相关文献，帮助学生建立生物统计学相关概念。单纯的实验过程只能锻炼学生的操作技能，但科学思维方式的培养有赖于实验后对结果的分析讨论，特别是在生物实验中，误差的原因可以是多方面的，而单纯的数据罗列并不能促进学生理解背后的实验原理和操作细节。

通过强调结果的分析讨论，引导学生在文献查阅中寻找实验现象的解释、可能存在的误差、以及类似实验方法等。帮助学生掌握通过查阅文献，提出问题，寻找解决方法的技巧，并树立科学的思维方式，同时扩展了相关学科的知识面。

第六，鼓励学生通过组间数据对比扩充实验结果的数据量，据此进行统计分析。短时间低频度的课内实验往往不能得出具有统计学意义的实验结果，这也是很多环境生物类课内实验效果不好的根本原因。

对于演示类、验证类或是综合类实验，是有可能通过组间对比扩充实验数据，进行统计分析的。不同于设计类实验，上述三类实验不同小组之间操作流程类似，处理方式相同，理论上说得到的结果都是平行数据，因此可以鼓励学生搜集不同组之间的实验结果，进行横向比较，或是运用统计学方法处理数据。从而帮助学生获得了稳定且可解释的研究结果，有了进行统计分析的素材，加深了他们对生物统计学的认识。

第七，在实验过程中当面批改学生预习报告和实验报告，及时给予学生反馈。教师批改预习报告和实验报告一般都是在实验结束后收回统一批改，一段时间之后再下发给学生，学生是否认真阅读反馈无法控制。甚至有些学校的实验教学管理要求存留实验报告，老师的批改不能反馈给学生。因此学生不能很好的掌握教师对报告撰写的要求，对自己的一些错误也不会再做改进。及时，面对面的反馈才能取得良好的教学效果。

教师可在开设实验时检查学生的预习报告，并在开设下一个实验项目的同时检查学生上一个实验项目完成后的实验报告。在实验的同时指出预习报告的错误或不足之处，可以明显提高学生预习报告的质量，有助于更好的实现实验效果。开设下一个项目时检查上一个项目的实验报告，可以及时向学生反馈报告中数据处理的问题、误差分析的缺陷、以及改进的方法，同时也督促了学生在查阅文献的基础上认真总结实验结果。

三、教学改革效果分析及展望

通过两个学期的实践，检验了上述方法对教学改革的效果，教学质量有明显提升。主要表现在以下几个方面。

第一，实验结果有明显改善。通过对实验流程的优化，开课前预习工作的保证，以及学生在实验中的协作，实验的现象较原来有了明显的改善。由图1可看出，实验设计的改进明显改善了实验效果，开设实验的多组之间出现符合预期的结果的比例明显提高，组间结果的平行性有改善，可比性更优。这些改进方便了学生对结果的解读，加深了知识掌握的深度。

第二，学生实验报告的完成度提高。通过课上和实验过程中的及时反馈，无论预习报告还是实验报告质量均有明显上升。预习不再是简单的抄写实验原理与步骤，而是自己总结，工作量降低的同时预习效果却明显提升。实验报告不再只陈述实验现象，学生在教师的鼓励下开始主动思考并查阅相关文献。

第三，学生对实验课程总体评价上升。通过对比实验课程改革前后环境生物学课的学生问卷调查，证明学生对环境生物学实验教学的评价明显有提升。学生对该课程总体评价为“有用有趣”的比例由改革前的50.9%上升到58.3%。特别是对四个实验项目的结果均可以做出解释的比例由之前的26.4%上升到了48.3%，证明学生通过观察现象，查阅文献和分析讨论对实验项目有了深入的理解。

通过上述教学方法的改革，证明了通过精细化设计实验方案，强调实验的预习与总结，教师及时给出反馈意见等方面可以提高环境生物实验课程的效果。上述经验也可扩展应用于其他环境类实验课程体系或是生物类实验课程体系。

［1］赵晓祥，杨再福，宋新山.“环境生物学”创新性课程体系建设探索［J］.大学教育，2013（15）.

［2］李雪，常国华，陈宏彬，等.环境生物学实验教学模式的探索［J］.实验室科学，2015（4）.

［3］孙慧群，徐志兵.环境生物学实验课课程的设置［J］.安庆师范学院学报，2006（2）.

［4］马忠丽，刘宏达，吕淑萍.理工类实验课程教学质量评价体系的构建［J］.实验科学与技术，2009（3）.

（责任编辑：张华凡）

图3 本科教学管理的单闭环控制系统图

三、基于工程控制理论的教学管理思路创新

1.争议的学术问题引起对教学改革的关注

国家层面已经制订了“十三五”期间的发展蓝图，高等教育要主动适应国家的发展要求，需要全体教师钻研教学改革，提出建设性的意见和建议，推动高等教育水平的快速提升。全体教师，尤其是专业教学的教师具有很多创新型思维，利于教学改革的目标实现。

2.创造教研活动的群策群力氛围

近些年，教学研讨活动的重视程度在下降，这有三方面的原因：一是专业教师重科研轻教学；二是对日新月异的教学改革不知所从；三是社会科技发展的速度较快，高等教育系统惯性较大，转变的滞后性较大。这三方面的原因导致教师只关心自己所教授课程，不关心学生的全部教学环节。因此对教学研究的理解深度不够，导致教研活动的讨论结果不够理想。将学术问题与教学问题融合，既利于学术问题的理解，也利于教学研究活动的活跃度。

3.推动教学管理的制度化和规范化

教学管理工作环节多、问题复杂。如没有系统概念，眉毛胡子一把抓，则必然导致教学管理混乱。管理者通过分析控制系统的工作方式，可以掌握整个教学运行系统各环节的输入量和输出量。根据系统各环节的输入和输出量的要求，制定相关的教学管理制度，推动教学管理工作的制度化，这必然会提高系统的运行效率和教学水平。

4.探究本科专业综合评价和工程教育专业认证的本质

随着经济全球化、教育国际化趋势的发展，加入工程专业国际互认协议，是提高我国工程教育质量的重要评价体系［4］。该评价体系对提高学生培养质量具有重要作用。而本科专业综合评价是另一套侧重于高校招生的指标评价体系，可以作为高等学校单项教学工作评价的一个重要方面［5］。当前做好上述两项工作对于进一步推动本科教学的制度化、规范化具有重要作用。理清这两项工作的办法可以借助于工程控制理论的相关知识，使得该项工作被大多数老师理解，有利于高等教育教学水平的评价和认证工作的迅速开展。

参考文献：

［1］李拓宇，李飞，陆国栋.面向“中国制造2025”的工程科技人才培养质量提升路径探析［J］.高等工程教育研究，2015（6）：17-23.

［2］眭依凡.高等教育现代化的理性思考［J］.高等教育研究，2014，35（10）：1-10.

［3］李志义.如何正确认识本科教学审核评估［J］.中国大学教学，2012（10）：4-8.

［4］张文雪，王孙禺，李蔚.高等工程教育专业认证标准的研究与建议［J］.高等工程教育研究，2006（5）：22-26

［5］王洪来，段玉玺，高爽，等.本科专业综合评价指标体系运用研究［J］.高等农业教育，2015，7（7）：18-21.

（责任编辑：张华凡）

Teaching Reform in the Experimental Course of Environmental Biology

WANG Wen，LI Aiai，FENG Yajian，LI Yan
（Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

As a main course for the undergraduate major of environmental science，environmental biology experiment is an important part of the students’professional knowledge structure.Besides those common difficulties in biological experimental courses，environmental biology experiment teaching also has some unique difficulties due to its own characteristics.In this paper，some problems in the course were analyzed，teaching reformmethods，such as combining teaching and practice，scientifically grouping students，optimizing experiment process，strengthening preparation，emphasizing error analysis，and giving timely feedback to students，were proposed.Experiment data analysis and a questionnaire survey show that those methods have really improved teaching.Therefore，the teaching reform can provide some reference for future biological experiment teaching.

environmental biology；experimental course；teaching reform

G642.0

王雯（1979—），女，副教授，研究方向：污染生态学、环境科学。

天津理工大学教改项目（YB13-13）。