环境工程微生物实验的自主研究性、开放式教学模式改革实践

何秋香　崔喜勤　郑耀通

［摘要］ 依据开放式、研究性教学和学习理念设计了一套环境工程微生物实验教学内容，即将基本技能训练、自主选择实验项目的设计与实施等各个环节有机地融合在一起，成功构建了一个实验教学的“开放式、研究性教学和学习”平台。通过这个平台，在综合学科知识及实验技能、培养学生科研素质、激发学生创新思维等方面效果显著。

［关键词］ 环境微生物；自主研究性；实验教学；开放式；教学改革

［中图分类号］ G642 ［文献标志码］ A

［文章编号］ 1008-2549(2016) 11-0075-03

环境工程微生物学实验对于巩固理论知识、培养学生运用微生物的技术分析、解决环境问题能力非常重要[1，2]，然而传统环境微生物学“验证性”的实验内容及“程式化”的教学方法，却极大地抑制了学生的学习兴趣和自主创新能力，也无法使学生真正了解实验的意义及微生物在污染控制中的作用[3]。改革环境工程微生物学的实验内容，构建新的教学模式已成为环境工程微生物实验教学改革的首要目标[4]。近年来，我们在环境工程微生物学实验教学中进行了一系列自主研究性、开放式实验教学改革方面的有益探索。

一环境工程微生物实验教学内容与教学方法的现状

原先我校环境工程微生物学实验也是采用传统的实验教学模式，即课前教师先准备好实验材料与实验器材，课中学生按照设定的内容和程序验证实验结果，课后再提交实验报告的模式。这种教学模式将学生局限在有限的时间、空间和知识框架内，使学生过多地关注实验结果，而不重视实验过程，难以发挥学生的实验积极性和主动性。学生虽然也能掌握一定的微生物操作技能，但缺乏对环境工程微生物学理论和技术的融会贯通，缺乏独立分析与解决问题的能力[5-6]。我校环境科学与工程专业是福建省重点专业，“环境工程微生物学”和“环境生物技术”是该专业两门重要的专业必修课，配套的环境工程微生物实验课程能让学生更好的将理论与实践相结合，并为适应工作岗位提供保证。我们原先的实验内容并未突出环境工程与科学应用型人才培养的要求，大多是基础性实验和少量的综合性实验，且在教学方法上也是采用传统的微生物实验教学方法。这种现状与素质教育的要求格格不入，改革势在必行，只有改革现有的环境工程微生物实验教学内容、创新实验教学方法才能使环境工程微生物实验的教学质量真正得到提高。二环境工程微生物学实验教学内容的自主研究性改革自主研究性学习是指在教师指导下，学生自主选题进行研究，并在研究过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的一种学习活动[7]。实施自主研究性教学改革，既要重新认识教师与学生关系及其教学方式，又要改革教学制度和管理方式[8]。因此，我们在总结实验教学经验的基础上，从实验教学内容的创新、教学方法和手段的改革等方面，就如何建立科学的、体现专业特色的环境工程微生物学新的实验教学体系，引导学生发挥主动性和创造性等方面进行了一些探索和尝试。

（一）环境工程微生物学实验自主研究性教学模式的组织与实施

1总体设计框架

我们的环境工程微生物实验课开在三年级上学期，共36学时。为充分调动和激发学生的学习积极性和主动性，我们从2013年开始进行了自主研究性实验教学模式改革的实践。首先将实验内容调整为二个层次即规定内容与自主选择内容，第一个层次由5次实验和一次期末操作考核组成，占总成绩的50%（其中实验与考核各占60%和40%）。学生通过完成2个一体化的实验链掌握微生物实验基本原理、方法和技能，并为开展第二个层次的实验打下基础。这2个实验链分别以显微镜操作与无菌操作为主线，前者是环境中微生物的检验技术，由油镜使用、微生物简单与复合染色、形态观察、直接计数与大小测定等知识点，2个完整的实验组成；后者则将玻璃器皿包扎与灭菌、培养基配制与灭菌、无菌操作、微生物接种与培养、菌落形态描述等整合为第二个实验链。通过这两个实验链的完成着重使学生建立无菌概念，强化对微生物的感性认识，掌握微生物研究的基本操作技术。第二个层次是自主设计研究性实验，让学生结合各自的兴趣，设计一个与环境微生物学有关的实验方案并完成实验方案，写出小论文，这部分内容也占总成绩的50%。通过自主研究性实验的完成使学生独立创新能力得到提高，为今后从事生产活动与科学研究打下基础。

2自主研究性实验内容框架与组成

引导学生根据个人兴趣自主选择实验内容，但为了避免自主选题的盲目性，我们根据环境工程微生物的现状及发展趋势，设置了三个模块供学生参考：即不同环境中微生物的检测与分析、功能性微生物的分离和筛选、如何资源化处理废弃物培养微生物。在微生物检测模块，让学生检测自己最关心、最感兴趣的环境中微生物，诸如对校园不同地点自来水及不同品牌饮用水进行卫生微生物学检测和评价；对不同宿舍、教室、功能区、食堂与超市、图书馆等不同生活场所空气中的微生物进行监测，并评价校园环境与微生物的关系；分析校外人口密集的公共场所如公共汽车、医院、电影院、大型广场等空气中微生物存在状况；不同类型有机废水生物处理构筑物中的微生物群落构成调查及其与废水处理效能的相关性分析等。第二个模块是功能性微生物的分离和筛选实验，涉及到如何从难降解有机物或重金属污染的环境中采样筛选与分离功能性微生物，并对其性能做出初步评价。可供选择的项目包括：持久性有机污染物（多环芳烃、有机农药等）降解菌的筛选及性能测定；典型重金属污染微生物吸附剂的制备及应用；生物表面活性剂产生菌的筛选、制备及性能测试；生物絮凝剂产生菌的筛选及其絮凝条件优化等。而在废弃物微生物资源化利用方面主要有：环境中纤维素分解菌的分离、纯化与应用；利用发酵工业废水如味精、酒精，食品工业如豆、乳制品废水等资源化生产有机物或单细胞蛋白等。上述这三个模块基本涵盖了环境科学与工程领域的主要研究内容与热点，作为自主研究性实验教学内容改革的主要范围。

3自主研究性实验模式改革的实施过程与管理

自主研究性实验教学通过采用学生自行查找资料、自选题目并设计实验方案(包括研究方法、技术路线、进度安排)、自己准备材料和配制试剂、自己安排与动手实验并解决实验中出现的问题、最后提交规范的研究论文等教学过程[9]。为使学生有充足的时间准备与开展实验研究，我们不仅安排了过半的学时用于自主研究性实验项目的实施，而且在实验课还没有开始前就把实验教学改革的总体思路告诉学生，并公布选题方向及注意点。要求学生在2周时间内，先以3~4名同学自由组合成一个实验小组，选出小组长并确定实验主要内容与题目，教师对汇总的项目进行审核并根据需要作适当调整，并要求小组长负责在3周时间内按规定格式提交科学规范的实验项目计划书，包括立项依据(目的和意义、国内外动态、主要参考文献等)，提出研究方案(目标、主要内容、方法、技术路线、需要解决的关键问题、进度安排、预期结果等)，并列出经费预算。提交的计划书由指导教师根据实验方案的可行性和实验室条件等提出补充与修改意见，学生进行修改并在2周时间内形成最终实验方案。确保能在第 8 周开始自主研究性实验。全程采用开放式教学，实验室对学生全面开发，实验室人员提供仪器、药品，教会学生使用和维护基本仪器，并与指导教师、研究生助教一起共同负责实验室安全和学生管理。学生以课题研究小组为单位，根据自己设计的实验方案，合理安排实验时间。在实施过程中，要求学生密切注意观察实验现象，及时记录实验数据，遇到不能解决的问题要及时与指导教师交流。所有实验小组尽量在第 13~14 周内完成实验研究，实验结束后，要求按科学规范的格式分析实验数据、评价实验结果并得出结论，最后以小组为单位共享其实验数据，但每人必须独立完成实验结果的分析及论文的撰写。

（二）自主研究性实验教学模式改革实施的保障条件

主要通过以下几个措施确保实验教学改革的顺利实施并达到预期改革效果。

1采用多种教学手段强化基础性实验教学效果为实现加强基础、强化能力、开拓创新性实验能力的实验教学改革目标，我们采取了3种教学方法提高基础性实验教学质量。首先是执行课前预习制，提前一周向学生预告下次实验内容，要求学生撰写预习报告并提交，再在上课时花5~10分钟提问抽查并记入平时成绩；其次是合理利用多媒体手段，使抽象教学概念形象化，使微观世界宏观化，将教学中很难表达的内容或能见度小的实验形象生动直观地显现出来；第三是要求每位同学独立完成实验并现场评定单次实验成绩，避免出现个别同学在实验中“袖手旁观”，没有积极参与实验的现象。通过这3种教学措施确保学生能掌握微生物基础实验操作技能，并为下步的自主研究性实验开展打下基础。

2自主研究性实验采用开放式教学模式

自主研究性实验采用教学内容、手段和过程等均以“学生自主，教师为辅”的开放式教学方法。这种开放式主要体现在两个方面：即学生自主选题并完成实验，第二是全面开放实验室。实验室对学生实行全面开发，学生可随时开展实验，实验员提供仪器、药品，教会学生使用和维护仪器，学生根据自己的实验合理安排时间。全面开放实验室是实施自主研究性实验教学的前提，于是我们建立了开放型环境工程微生物实验室平台，并在实验室坚持值班制度（由指导教师、实验员及研究生助教轮流值班），从人力、物力上保障学生的研究性实验进行。

（三）开放式实验教学必须重视的几个问题

实验室是实施素质教育、培养学生创新能力的重要基地，实验室对学生开放，是教育改革的重要内容[10]。全面开放实验室是实现自主研究性实验教学改革的关键，但实验室开放，给实验室和实验教学管理带来了新的问题，不仅涉及到实验人员的安排以及设备、场地、低值易耗品等方面的协调问题，而且还增大了实验室的工作量、实验材料消耗和仪器设备的磨损率[11]。因此，必须通过有效的措施充分调动实验室人员和实验教师参与实验室开放的积极性，细化实验室开放的相关制度，确保环境工程微生物实验室开放的正常有效运转。

1开放实验室的安全管理

开放实验室要制订细化与更高要求的实验室管理措施与岗位责任制。微生物类实验室存在自身的特殊性，除了水、电及有毒、易燃易爆等化学试剂的安全管理外，还涉及到各种微生物，稍有疏忽，会导致人员感染或实验室污染；各类灭菌设备是微生物实验室最常用设备，使用率高且危险性大，需要按规定检测，使用时必须有专人在场；微生物菌种要由专人保管，并建立严格的使用登记制度。安全是开放式实验室需要特别重视的问题，需要把实验室安全的教育纳入日常工作，要经常对实验人员及学生进行安全教育和安全技能训练，确保实验室日常工作、实验教学安全进行。

2开放实验室的实验耗材管理

自主研究性实验需要学生自行使用各类实验材料，不仅材料种类繁多，而且在实验室开放后，学生多、人员杂，学生进行实验的时间也不统一等。因此，开放实验室的实验耗材、玻璃器皿的使用等也需要有明确的制度规范。有毒化学品的管理与使用严格依据学校的相关制度执行，常规的实验药品也要分类存放，专人管理，要求所有参与自主研究性的学生以小组为单位，专人负责取用实验耗材，使用后要及时归位。严禁学生未经允许使用其他同学准备的实验材料如灭菌的玻璃器皿、培养基等，协调使用微生物生化培养箱特别是温度的控制等。

(四）实验教学成绩考核

实验教学考核是教学工作的重要组成部分，是检验实验教学改革成效的一种手段[12]。以往环境工程微生物实验考核内容与形式单一，考核的改革长期滞后，因此建立一套切实可行的实验教学考核体系势在必行。对于环境工程微生物实验的考核，首先明确实验考核内容包括：使用仪器观察和研究微生物的技能；常用灭菌器械的使用方法和各种器皿的包扎、棉花塞的制作等技能技巧；采集、培养和处理实验材料的技能；独立进行观察和实验设计的能力等。其次是改革原有实验教学考核以实验报告为主要依据的模式，最终成绩由两部分组成：包括前期个人对于基础实验徒手操作考核，及后期每小组自主研究性实验过程中的表现，以及所提供的由研究计划书——中期汇报——1篇小论文为主体的综合考核体系。学生的成绩考核贯穿于整个实验课的课前、课中及课后，特别重视自主研究、开发性实验实施过程中对学生的考核，这就要求参与开放式实验管理的实验室人员、实验教师、研究生助教要及时了解并记录学生在实验过程中的平时表现、操作能力与实验态度，对表现特别优秀及协调管理水平高的小组长给予适当加分奖励。三自主研究性、开放式实验教学改革的效果

从近几年的实验教学改革效果看，自主研究性实验是实验教学改革、改变传统教学模式、有效提高实验教学质量、切实提升人才培养质量的重要举措，是提高学生实验技能、综合素质和创新能力的有效途径。基础实验中的人人“独立操作”和自主研究性实验小组人员的“分工明确”，有效地提高了实验教学质量。通过自主研究性、开放式实验教学改革的实施，学生对微生物学研究方法和实验基本操作有了深刻的理解，对微生物学理论知识有了进一步印证，综合素质得到了有效的提升。总之，研究性、开放式实验的开展是应用技术型本科高校发展的必然趋势，它能充分发挥学生学习的主动性、积极性，更能将学生的科研、创新能力淋漓尽致的激发，对于学生将来的工作能力提升起到重要的作用。参考文献

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[3][5]洪度华，弱正，秦璐璐.环境微生物学实验教学的改革-创新与反馈[J].实验室研究与探索，2011，30(5)：101-103.

[4][6]卜宁，陶思源.实施“三高”教学，创建微生物学实验课程新体系[J].微生物学通报，2006，33(1)：169-172.

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[11]周晓兰，黄建忠.“微生物”实验室管理与实践教学改革[J].实验室科学，2007(5)：26-28.

[12]吴丽民，刘美光，胡巧云.开放微生物实验室的实践与探讨[J].福建教育学院学报，2009，10(4)：122-125.