环境工程微生物学之“微生物的生长繁殖”教学设计

2021-10-12张海涵史印杰黄廷林朱陆莉

大学教育 2021年10期

张海涵史印杰黄廷林朱陆莉

[摘要]环境工程微生物学是环境工程专业的一门必修课，同时微生物的生长繁殖部分又是环境工程微生物学的重点与难点。因此，对微生物的生长繁殖部分进行一次全新的教学设计，对于学生的学习以及教师的教学都是至关重要的。文章通过对学情分析、教学目标、教学重难点、教学过程、教学效果等方面进行解析，提出了相应的教学设计方案。该方案将为环境工程微生物学的教学过程、打造“金课”提供镜鉴。

[关键词]环境工程;微生物生长繁殖;教学设计;打造“金课”

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）10-0090-05

“绿水青山就是金山银山”，随着生态文明建设被纳入中国特色社会主义事业总体布局，生态保护成为我国经济发展的基石。环境工程专业的发展也因此受到了社会各界人士的广泛关注。在“人类—自然—环境—经济”多圈层系统中，采用微生物方法修复被污染环境的方法成为学者们的关注热点[1]。环境中多种微生物存在方式在一定程度上影响着人类的健康和社会的稳定。众所周知，环境微生物学是自然科学的重要组成部分，同时它对生命科学发展的进程具有重大的作用，还推动了多学科之间的交叉融合与协同发展[2]。

环境工程微生物学是我国高等学校环境工程专业的基础核心课程，是许多高校环境工程、环境科学专业硕士研究生入学考试的专业课程[3]。该课程旨在通过理论知识的系统学习和实践，使学生掌握与环境微生物相关的专业基础知识和基本技能，学习微生物与环境污染物间的相互关系，以及利用微生物有效降解日趋严重的多种多样的环境污染物的方法等[4]。该课程涉及的知识面广、知识更新迅速、具有很强的专业性、实践性和应用性。环境工程微生物学教学内容既包括基础微生物学知识（微生物的分类、病毒、形态结构、营养、代谢、生长繁殖、生态、遗传与变异等），又包括微生物在环境物质循环和环境污染控制中的作用原理（微生物在元素循环中的作用、有害微生物的检测与控制、微生物对污染物质的降解与转化等），以及微生物新技术在环境工程中的应用等方面内容。学习环境工程微生物学，可以为后续的水、空气、固体废弃物污染控制工程以及污染环境修复技术等专业主干课程提供知识储备和理论基础。环境工程微生物学以微生物个体、群体形态及细胞功能结构、生理特性、生长繁殖、遗传变异等理论研究为基础，同时深入研究微生物与环境之间的关系以及微生物对环境物质的转换分解作用及相关作用机制[5]。在这些内容中，微生物的生长繁殖又是环境工程微生物学这门课程的重点与难点，是整个环境工程微生物理论知识的基础。所以对于“微生物的生长繁殖”进行教学设计迫在眉睫。

针对在教学过程中仍然存在着实践环节设计缺乏工程背景、实践教学支撑体系建设不完善等各种问题[6]，为了进一步完善教学过程，增加学生在课程中的收获，提高学生的动手实践能力，课题组对学情分析、教学目标设计、教学重难点及处理、教学媒体与资源选择、课堂教学创新点、教学过程设计、课件或板书设计、教学效果评价等8个方面进行了设计。该教学设计显著提高了学生的学习热情，明显增加了学生的学习效率，使得学生对环境工程微生物生长繁殖部分的内容得以熟练掌握。同时可以使学生的批判性思维以及动手能力、团队合作能力得到锻炼，并且为打造环境工程微生物学“金课”提供理论和实践借鉴。

一、学情分析

学情分析是了解学生发展起点的基本前提，是了解学生学习困难、预见学习重点和难点的有效途径，是提高教学有效性的前提和保障。学情分析也是教师进行教学设计的重要事实性依据，同时还是有效课堂教学实施的关键因素[7]。基于环境工程专业2016级学生已具备的知识和技能，学情分析包括以下几个方面。

（一）学生已有知识分析

环境工程微生物学是环境工程专业（卓越工程师计划）核心专业基础课程。大二第二学期结束之后学生对公共基础课程已经完成了学习，掌握了相关知识，进入大三第一学期开始学习该课程。针对本节课的教学内容，在教学开展之前，教师要通过摸底检查确定学生需要掌握的知识点是否已经掌握，相关的生活经验是否具备，对学生的整体素质及能力做到心中有数。这样在以后的教学过程中，教师可以更加有针对性地进行“因材施教”。

（二）学习能力风格分析

教师通过分析环境工程专业2016级四个班级学生理解掌握新知识的能力，以及前面有关“细菌革兰氏染色”的学习结果，了解学生实际操作技能的掌握情况。据此设计本节课的深度和广度，分析四个班中学习能力突出的尖子生、学习能力较弱以及学习有困难的学生的学习风格。

（三）班级整体学习诊断

每届学生情况存在显著差异，在课前构建“辅导员—任课教师—学生”沟通平台，课前与本科生辅导员进行有效沟通，充分了解这一届学生的人员组成和前期基础理论课程的学习状况。根据学情分析结果，做到“因材施教”。在教学过程中教师要努力激发基础较差学生的学习兴趣，使其迎头赶上，同时帮助基础较好的学生进行创新技能的拓展。因此，班级整体学情诊断是环境工程微生物学课堂教学有效实施的助推器，能最终实现“以学生为中心、达到有效课堂创新教学”。

（四）已組建互动小组分析

在教学过程中要增加学生之间的合作学习，而合作学习的典型形式就是小组学习[8]。小组合作学习不但有利于学生获得知识，而且有利于学生社会交往能力和与人沟通交流能力的提升[9]。我们将学生分为四个小组。针对2016级环境工程本科生，将学习成绩优异的学生和学习成绩较差的学生、性格内向和外向的学生组合，进行分组优化（A、B、C、D组，每组8人，设置通俗有趣的组名——超级细菌组、流感病毒组、美味蘑菇组和多彩世界组）（见图1），为该课程的课堂讨论、问题回答、翻转课堂等教学环节做充分的前期准备。小组组长在课程预习、小组讨论中发挥领头作用。教师主导课堂过程，以学生为中心，通过设计“以专业知识点为基础的卡通有趣的组名”提升学生的学习兴趣，以及对理论知识点的理解和掌握，激发学生的课堂学习参与度。可见，课堂互动小组的成功构建是实现“教与学有机结合”和“有效教学”的助推器和驱动力。

（五）已有创新能力分析

在新时代的发展过程中，高校大学生科技创新能力的培养和提升，成为教育界重点关注的内容[10]。通过课堂创新，教师应该着重培养学生的创新能力、激发学生对未知领域的探索。前期部分学生参与了教师指导的大学生课外学术项目和国家级大学生创新创业计划（No. 201410703008），在教学过程中通过这部分学生的引领，例如，课堂展示他们的成果（反硝化细菌），从而有效提升周围其他学生的学习热情。同时，教师要鼓励之前没有机会参与的学生积极参与到自己的研究项目中。学生在学习完理论知识以后，教师可以增加学生的课外实践，实现课堂有效教学过程。如让学生参与大创项目“热分层对水源水库细菌垂向分布的影响”，让学生进一步理解“细菌在特殊的水体中生长繁殖受到温度的调控”等知识。

二、教学目标设计

教学目标是指教学活动预期所要达到的最终结果，只有明确了有效的教学目标，才能开展后续各项教学活动[11]。在教学过程中，课堂教学目标起着十分重要的作用，它是课堂教学的出发点，也是教学活动的归宿[12]。本节课教学目标设计包括知识目标、能力目标和情感目标三个方面，即“三维目标”，具体如下。

（一）確定知识目标，知识体系构建

知识体系引领目标设计，通过启发式、讨论式和引导教学，使学生掌握环境工程微生物学第五章微生物的生长繁殖与生存因子中的第一节“微生物的生长繁殖”的内容。可以将这部分内容总结为“一三四四”，即一个生长过程、三种繁殖方式、四种测定方法和四个生长时期。

（二）确定能力目标，能力培养提升

能力强化驱动目标实现。由于环境工程微生物学是学习环境工程领域的微生物原理和技术的相关知识，它们具有实验性和操作性等特点。因此，教师在教学设计的过程中要将观察（如生长、繁殖过程）、分析（S型）等生物能力的教学渗透到教学中，把这些相互促进、相互制约的各项目标组成一个整体，让学生在进行基础知识学习的同时，整体素质也能得到提升。

（三）确定情感目标，情感目标达成

情感体悟催化目标达成，在教学中教师要引导学生在主动积极的思维和情感活动中加深理解和体验，有所感悟和思考，领略到情感熏陶，获得思想启迪，享受审美乐趣。例如，教师在进行细菌的裂殖和酵母的芽殖的教学中可以用动画展示繁殖过程，创设情境，想象入情，使学生在思想情感方面的素质得到发展。

三、教学重难点及处理

（一）微生物生长繁殖

教师在上课的过程中要善于设置问题（代时的定义和计算），同时要多与学生进行课堂互动。教师可以通过日常生活中冰箱里面食材的短期保鲜为例，说明人们通过低温来控制有害细菌的生长，进而提高学生的学习兴趣。设置翻转课堂，针对这一知识点，请学生再次举例说明生活中的微生物生长繁殖的现象，并在课后思考题中进行强化训练，让学生对该教学知识点进行理解和识记。

（二）微生物生长测定

这部分内容涉及操作过程理论和方法，由于本科生具体的微生物实验操作技能没有得到前期训练，导致这部分内容成为教学难点。在教学过程中，教师主要通过课件讲授，将4种方法进行分解，把每个方法关键环节进行讲授。在讲解过程中教师可以引入一些学生熟悉的样品（自来水）和仪器（显微镜）的讲解，从而减轻学生理解的难度。针对学生陌生的PCR技术，教师可以引入学生熟悉的“禽流感病毒”作为讲解对象，提高学生的求知欲，同时也为课外本科生创新能力培养做铺垫。

（三）细菌的生长曲线

该知识点是本节课的重点，也是本章的重点内容。微生物的生长为一个动态的过程，理解起来十分抽象。因此在教学过程中，教师可以通过动画的运用，体现出细菌的S型生长过程，同时再次引入前面讲授的“芽孢”的释放，展示细菌进入衰亡期的表现。在讲授新的知识点的同时，教师要向学生提问一些前面讲授过的知识点，让学生进一步复习巩固前面的内容，使学生对整个章节内容融会贯通。

四、教学媒体与资源选择

采用多媒体教学手段进行课堂教学，能极大地节约推送教学资料所需的时间，在有限的时间内给学生分享更多的专业知识，可以极大地提升教学效果[13]。我校的主要教学媒体包括以下几个方面。

（一）教学示范中心

西安建筑科技大学拥有国家级“环境类专业”教学实验示范中心和省级“环境类专业”虚拟仿真实验教学中心。同时，学校跟西安市北石桥污水处理厂等重点企业共建学习基地，使学生“学中做，做中学”。

（二）教学智能媒体

基于智能教学用具和平台，强化有效教学过程。将雨课堂、学习通和微助教等现代教学手段应用到课堂教学过程中，以提升课堂教学过程的效率，强化课堂教学效果。

（三）MOOC资源

任课教师为MOOC课程核心成员，所在的课程小组完成了陕西省在线课程建设“环境工程微生物”，学生在任何有Wifi的地方可随时随地登录网址http：//www.xuetangx.com/courses/学习课程内容。

（四）科研资源融合

任课教师为微生物学博士，环境科学与工程博士后，在水环境微生物研究领域承担10余项国家级和省部级以上科研项目，长期积累了大量有关环境工程领域的微生物知识和技术，并且获得陕西省科学技术一等奖2项。教师在讲授的过程中，可以通过将最新的科研进展引入课堂的方式，让学生感知学科前沿。

五、课堂教学创新点

环境污染与控制是目前国际前沿热点问题。国家颁布了《国家环境保护标准“十三五”发展规划》和“水十条”“土十条”等文件。陕西省地处西北，资源匮乏，环境污染严重。立足国家环境保护需要，西安建筑科技大学环境工程国家重点学科经过老一辈科学家的建设，发展成为西部13省市唯一的环境工程重点学科，在污水微生物处理方面形成自己的特色。在环境保护方面“发挥有益微生物、控制有害微生物”，建设山川秀美陕西。基于上述国家、地方、学校、学科和任课教师特有的发展与成长状况，课堂教学创新表现如下。

（一）基于教学大纲，引入特色案例

案例分析法作为对传统讲授方式的补充与改革，它可以使学生在理解与掌握那些抽象难懂的知识点时更加容易[14]。在微生物生长知识点讲授环节中，教师可以引入西北干旱、半干旱地区特有的环境微生物资源分布状况的案例（如黄土高原脆弱生态区根瘤菌和菌根真菌），通过教师对这一案例的深入讲解，拓宽学生的学习广度。

（二）教学科研融合，丰富教学过程

高校教师一般会在自己的研究领域内选题申报一些科研项目，这些科研项目在微生物领域都是具有前瞻性的探索研究[15]。因此教师可以在教学过程中介绍一下自己正在做的科研项目，也可以将高度凝练环境微生物研究团队有关“污水微生物处理技术”的理论发现（如高原型污水处理厂活性污泥中微生物群落结构）作为案例进行教学。同时，教师可以通过讲解陕南大型真菌人工培育的案例，让学生进一步理解真菌繁殖的知识点。

（三）面向国际前沿，提升自主学习

教师可以将目前环境微生物领域前沿热点问题介绍给学生，让学生感知国际最新进展。如“微生物生长影响因素”里面的“氧”的角色，教材上写的是经典的“厌氧反硝化理论”，而在目前的科研过程中，学者们已经发现了“好氧反硝化”。这样的教学方式，不仅显著提高了学生的学习兴趣，而且促进了学生对于知识的思考，更加有利于其之后的学习。

（四）总结教学经验，创新教学方法

随着各种教学创新的推广与发展，教育研究者对教学的本质和目的有了更深入的认识和思考。但是仅有新技术的支持是不够的，还需要有创新的教学理论与方法[16]。教师基于多年本科生课堂教学经验并且有机结合现代新教育辅助手段，针对该课堂教学提出下面思路，总结为“1中心+2途径+8策略”：教师主导、学生主体，在混合式课堂（包含四个策略）和智能教学手段（包含四个策略）的驱动下，进行两个途径（听懂和爱听）的课堂有效教学。

六、教学过程设计

教学过程设计的核心思想是：微生物在环境污染治理中发挥重要作用。同时，在我们所生活的环境中，微生物无处不在。一部分微生物对我们人类有益，而另一部分微生物对我们生产生活有害。目前新型冠状病毒的传播，使得肺炎疫情成为广大科研人员的关注焦点。因此，我们环境工程专业的学子就需要掌握环境微生物的生长习性，控制有害微生物，利用好有益微生物。

本节课堂教学过程的设计如下（见图2）。

（一）智能手段、辅助点名

在点名时，教师可以借助智能教学手段微助教辅助课堂点名。准确记录学生到课情况，并将其作为评定学生平时成绩的重要依据。

（二）课程导入、内容回顾

在教学过程中，教师在讲授新的内容之前，可以将之前的内容进行简短回顾以及知识点检测（微生物是人类的朋友、敌人），加深学生对已学知识的理解与记忆。

在讲授新内容时教师可以通过问题导入的方式引出新内容（第五章、第一节），让学生明确学习的重、难点。

（三）问题设置、学习反思

在讲解知识点1部分的“微生物的生长”时，教师可以采用答题的方式与学生进行互动过程，若学生答题正确则记入平时成绩5分。

在讲解知识点1部分的“微生物的繁殖”時，教师可以将三种繁殖方式进行动画展示。其中细菌的裂殖和酵母菌的芽殖过程可以多设置几个动画，加深学生的理解。

在讲解知识点1部分的“微生物的代时”时，教师可以引入通过冰箱食材保鲜，人为延长细菌代时这一生活中常见的行为。通过这个行为给学生设置一个问题，让学生在1分钟思考之后进行回答。回答正确的学生记入平时成绩5分。

（四）师生互动、生生互动

教师在讲解知识点2部分的直接显微镜计数法时，可以在教师进行操作演示之后，让学生进行课堂操作。

教师在讲解知识点2部分的平板菌落计数法时，可以将培养皿实物带入课堂中让学生参观学习。

教师在讲解知识点2部分的DNA测定计数法时，可以以禽流感病毒为例进行讲解。

（五）翻转课堂、点评提升

教师在进行知识点2部分的比浊法的讲解和知识点3部分微生物的生长曲线的讲授时，可以采用翻转课堂的方式，先让学生以小组为单位，从自己生活中的例子出发谈一下自己对这些知识点的认识，之后再由教师对学生的讲解进行点评。

（六）高度凝练、智能答疑

在教学过程中教师可以通过24字的口诀“一个生长过程、三种繁殖方式、四种测定方法、四个生长时期”高度凝练本节课的内容，方便学生掌握与识记。

在教学完成之后，教师可以为学生设置3道思考题。同时为学生开通陕西省精品在线课程“环境工程微生物学”，学生可以在线向教师反馈问题，教师则在线上为学生解答问题。

七、课件或板书设计

多媒体课件是根据教学大纲的要求和教学的需要，经过严格的教学设计，并以多种媒体的表现方式和超文本结构制作而成的课程软件[17]。

在教学内容结构设计基础上，教师应该进一步完成与各部分教学内容相匹配的多媒体结构设计、板书结构设计，让多媒体与板书之间做到协同互补。

（一）基于流程模式

其包括课堂创新的思路和理念、章节问题的引入、知识点（重点和难点）、每个知识点的剖析、问题设置、测试互动、总结（运用口诀高度总结）、习题设置、线上线下学习效果反馈。由于环境中微生物生长和繁殖为一个动态过程，因此，在课件设计过程中需要加入大量的动画。

（二）基于逻辑模式——板书设计

黑板分为两大部分，左侧左上方文字展示讲授过程的主要知识点，体现知识点之间的逻辑关系。板书起到协助和补充课件PPT的作用。教师在整个板书书写过程中要字迹清晰并且要将“讲”和“写”有机统一。

八、教学效果评价

对教学效果进行评价，能够了解教学所达到的预期目标，还能检验教学工作取得的实际效果，同时也是对教学工作的总结[18]，因此教学效果评价也很重要。该教学单元注重学生的参与，在教学中取得了良好的教学效果，实现了本节课的教学目标（即“三维目标”），有效落实了“学生为主体，教师为主导，合作探究，创新提升”的教学指导思想，具体评价如下。

1.本节课基于前期学情评估，教学效果评价有机融入整个课堂教学过程中，例如学生参与问题引入、翻转课堂、问题设置和小组讨论。课堂导入环节，以“微生物是人类的朋友、微生物是人类的敌人”为引导，让学生参与进来，从而开启了掌握环境微生物生长繁殖特性的学习旅程。

2.在教学工作中，六个环节，环环相扣，互为补充，在基于基础微生物生长繁殖知识的学习基础之上，重视对学生能力的培养，逐步提高学生的自学能力，并联系环境工程学科的特点，结合学生的实际，开展丰富多彩的教学活动，这极大地调动了学生学习的积极性，强化了学生情感思想和价值观，收到了良好的教学效果。

3.科研教学融合，基于多年科研积累，科研驱动教学过程，避免“有教无研则浅，有研无教则空”。同时，指导学生完成一些大学生创新实践计划项目，让小组同学课堂展示，这不但培养了学生的动手能力，提高了学生的实践能力，还激发了学生的学习兴趣，增强了学生学习的主动性和积极性。最后，利用在线课程教学资源、线上线下互动，全面评估本节课堂教学的有效性，从而进一步优化教学设计，实现“以生为本、因生施教、教师为主导、学生为主体”实现课堂教学创新。基于创新教学设计，荣获陕西省高校课堂教学创新竞赛一等奖，西安建筑科技大学教学成果二等奖。

九、总结

由于环境工程微生物学是环境工程专业的重要学科，同时“微生物生长繁殖”这一章节又是课程的重点与难点，所以对于“微生物生长繁殖”进行教学设计是很有必要的。在整个的教学过程中，课程组分别进行了学情分析、教学目标设计、教学重难点设计、教学媒体与资源选择、课堂创新设计、教学过程设计、教学课件与版书设计和教学效果设计等工作。

在学情分析的过程中，通过对于已组建的互动小组分析笔者发现，构建成功的课堂互动小组是实现“教与学有机结合”和“有效教学的助推器和推动力”;在教学目标设计的过程中，通过对于知识目标、能力目标和情感目标的设计，更加明确了在“微生物生长繁殖”这一章节中教学的目标;在教学重难点设计的过程中，明确了微生物生长繁殖、微生物生长测定以及细菌的生长曲线这三个部分的内容需要学生具有比较强的计算能力以及理解能力，所以是这一章节的重点与难点;在教学媒体的选择方面，在教学的过程中充分利用了学院的现有资源（教学示范中心、教学智能媒体、MOOC资源等），线上和线下教育同时进行，有力地促进了教师的教学以及学生的学习;在课堂创新方面，通过一些特色案例，教师科研课题和国际前沿研究成果的引入，让学生既能够掌握基础的知识，又能充分打开视野;在教学过程设计过程中，我们采用翻转课堂、师生互动、生生互动等方式，丰富了授课的形式，提高了学生的学习积极性;在课件与版书设计的过程中，采用基于流程模式和逻辑模式两种模式来进行设计，通过课件与版书，使抽象难懂的内容变得具体易懂;在教学效果设计的过程中，采用将教学评价有效与课堂进行融合等方式，促进了学生的参与，让教师对教学效果有了深入的了解。本节教学设计将为打造环境工程微生物学“金课”提供理论与实践基础。

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