基于“学习范式”理念的“环境工程微生物实验”教学改革

朱米家，易绍金

（长江大学化学与环境工程学院 湖北 荆州 434023）

“学习范式”是指一种从传递教学到生产学习的教学理念的转变，是一种从注重教师单向灌输到注重学生输出的评价标准的转换[1-2]。基于“学习范式”的教学模式中，教师是学习任务的设计者、学习过程的促进者，学生则是课程任务的执行者、自主学习者[3-4]。实验教学是高校培养创新型人才的重要环节，通过相关课程的学习，理论联系实践，引导学生提高分析问题、研究问题和解决实际问题的能力。在“环境工程微生物实验”课程教学改革过程中应用“学习范式”的理念，通过对该课程教学内容、实施计划和考查方式的改革，体现该理念在人才培养中层次递进、系统全面的特点。

1 实验教学存在的问题

作为一门专业的基础实验课程，“环境工程微生物实验”以“培养科学精神、传授生物知识、训练实践技能、鼓励探索创新”为目的，学生不仅要认识和了解微生物在各种环境条件下进行生命活动的规律和机理，而且要将掌握的理论知识应用于环境工程实验和生产实践，并为后续课程提供必要的实验基础。本课程的教学模式和内容存在以下三方面的问题：①环境工程微生物实验项目以微生物种类分析为主，考核内容单一；②课程评价仅基于实验报告，其结果难以全面反映学生的知识掌握情况，不利于教师改进方法促进教学目标达成；③实验教学过程以授课形式进行，难以提高学生的自主学习能力。此外，本课程在专业基础课中属于相对独立的知识板块，授课前学生普遍不具备扎实的微生物理论基础，这些主客观因素都严重制约着实验课程的教学效果。

2 实验教学的改革

作为专业实践的重要组成部分，“环境工程微生物实验”是培养学生动手实践能力、树立良好学习习惯、打牢科研基础的重要课程[5-6]。如何在相关课程讲授过程中培养和提高学生学习能力，是每位实验教学工作者应深思的问题。为使实验内容更具有代表性和系统性，在教改中秉承继承与发展相统一的思路，通过对教学内容的重新组织和安排，使学生从实验试剂的准备入手，从验证性实验过渡到设计性实验。其学习能力、实验操作能力在整个过程中得到提高，直至具备能独立设计和完成基础环境微生物实验的能力，达到本课程的教学目标[7]。

2.1 实验项目设计

改革前的环境工程微生物实验（16学时），与环境工程微生物学理论课（32学时）在第五学期同时开设，主要实验内容包括培养基的配制与灭菌、微生物的培养、沉降法测空气中的微生物数量以及微生物的染色，均为验证性实验项目。其内容稍显简单，而且专业特点不明显。新开设的实验课程增加到20学时，主要包括设计性实验（固体、半固体培养基的配制、灭菌及保藏）、验证性实验（沉降法测定空气中的微生物数量、微生物的运动性检测及菌落的鉴别、油田采出水中的特殊微生物检测、微生物的染色）以及演示实验（微生物的接种）。把原先的基础实验技能贯穿到“环境中分离得到的微生物”这条主线中，包括培养基的配制、空气中微生物接种、油田采出水中的微生物接种、菌种的保藏、特殊菌种的镜检、菌落形态描述。设计性实验要求学生提前做好方案规划，保证后续实验的合理性与可操作性；验证性实验要求学生运用已学的理论知识和技能依次确定实验材料、仪器设备、实验方法和实验步骤。实验涉及的主要实验设备包括：高压蒸汽灭菌锅、无菌操作台、微生物培养箱及显微镜。实验材料来自现实环境，其中油田采出水中微生物的分离实验源自教师的科研项目，既激发了学生的学习热情，也彰显了专业特色。

2.2 实施计划

2.2.1 学生分组

每次实验参与人数为30人，按2人/组分成15组。学生通过分工完成实验准备工作和项目内容。实验准备工作要求组员合作完成文献查阅、实验仪器的使用规范、方案撰写；项目内容要求组员合作完成两种培养基的制备、微生物接种（穿刺）、显微镜的使用、微生物染色及菌落鉴别。组员之间在实验过程中针对具体的操作步骤、数据采集问题开展讨论，并在教师的指导下完成相关内容。

2.2.2 课前准备

实验教学以理论课相关内容为基础，课前2周使用雨课堂的方式发布预习资料，包括：实验方案设计所需的基础信息、实验内容及注意事项。要求学生根据资料查阅并确定实验步骤、实验器材，结合我国环境标准和技术规范开展实验方案的可行性论证。学生提前分组，通过组员之间的讨论完成实验方案初稿，上传至雨课堂资源平台。教师对实验方案进行严格审核，经过修改确定最终方案。

这种方法可有效提高学生的参与度。由教师确定研究主题，引导学生主动查阅学术文献，学生根据文献设计实验并独立开展研究工作。通过实验教学培养学生的独立思考习惯，掌握正确开展科研工作的方法，还可培养学生团队协作的精神。

2.2.3 教学演示

教师根据课前准备情况及时调整实验教学可能出现的理论及操作问题，通过教学演示引导学生思考实验细节问题。比如进行无菌操作演示时，利用火焰对接种环及接种棒的底部进行彻底灼烧。引出问题“为什么要用外焰灼烧？对接种棒进行灭菌的目的？试管口灭菌后为什么要用棉塞而不用橡胶塞或木塞进行封口？加热灭菌和湿热灭菌分别有哪些具体方法？”再如操作显微镜时，引出问题“光学显微镜的基本原理是什么？为什么要先用低倍镜观察？使用油镜前为什么要滴加香柏油？显微镜使用完毕后为何要将物镜转成八字形？”

2.2.4 课堂讨论

由于微生物实验准备耗时较长(相关的试剂耗材、仪器设备的准备工作由实验教师承担，学生未提前介入)，而且进行课堂教学时，授课教师始终处于核心地位，占用了大量时间。学生仅利用较短时间根据教师授课内容及演示步骤被动地接受训练，大部分同学缺乏对实验设计的思考，也无法将理论知识与实践相结合[8]。因此课堂讨论主要围绕三个议题展开：①固体、半固体培养基的用途；②微生物的运动性特征有哪些方法可以检测；③从菌落的形态结构推断微生物的类型。

前两个议题针对实验设计本身是否合理，让学生根据课前掌握的信息进行阐述。学生查到固体培养基主要用于研究微生物的分离、纯化、培养、保存和鉴定，半固体培养基用来观察细菌的运动性。实验要求分别完成微生物的接种用于判断其类型、厌氧好氧特性、运动性，需要提前完成这两类培养基的准备工作。由于实验课程的连续性，必须保证前次实验为后续实验提供原料（培养基及菌种），因此首个实验务必完成培养基的配制、灭菌与保藏。关于微生物的运动性检测，有镜检和半固体穿刺法。使用半固体穿刺法准确性更高，还可通过接种穿刺生长线分布菌落的疏密度来进一步判断厌氧好氧特征。

学生以小组为单位观察菌落形态，要求每组观察细菌、放线菌、酵母菌和霉菌各1种。通过菌落大小、透明度、边缘整齐度、润湿度、气味、色度等多方面观察、讨论确定微生物的类型。在此过程中教师对学生的操作进行巡视并给予及时的指导，并录制视频。待实验完成后师生共同观看，让学生运用掌握的知识分析、讨论各种不当操作可能引起的问题。

2.2.5 课后总结

实验课程的目的是培养学生综合应用微生物学的基本原理和实验技术，独立完成培养基的制备、灭菌、微生物接种、保藏以及微生物的鉴别。改革后的内容更贴近现实环境，可激发学生的学习兴趣。从实验方案的设计开始，强化学生的自主学习能力，要求学生根据实验室的设备仪器优化实验的准备环节，继而完成后续的各项实验。本课程的教学效果通过方案设计、实验报告和学生的实际操作得以集中反映。课程改革进行两年来，仍存在以下一些问题：学生缺乏对设计性实验的整体把握；缺乏利用微生物基本原理解决实际问题的能力；缺乏沟通能力。教师在往后的工作中应针对实验教学过程呈现的薄弱环节进行完善。

2.3 考核方式

在课程改革中建立并实施了以综合操作能力与创新能力为主的全过程实验教学考核体系，通过客观、公正的科学评价体系对学生的知识、技能、态度等多方面进行考核。学生成绩由方案设计（20%）、实验报告（40%）、课堂讨论（20%）、实验操作规范（20%）四个方面组成，考核评分标准见表1。其中实验操作规范主要的扣分点集中在：斜面培养基的制作；接种、灭菌操作；染色片的制作；显微镜的观察与设备维护。通过增加操作规范的考评，有利于学生实验技能的提高，达到了考核的目的。方案设计与实验报告的考核重点不在实验数据的准确度，而是反映学生的学习能力、分析解决问题的能力、语言总结能力。课堂讨论则主要侧重于评价以实验小组为单位的成员在课堂上的活跃度，包括实验过程中与教师交流互动、实验总结中的突出表现。

表1 考核表

3 总结与展望

环境工程微生物实验课程属于专业基础实践课，与理论课互为补充，目的在于培养学生的创新思维和自主学习能力。在教学方法上充分体现“以学生为中心”的理念，综合运用问题引导、师生讨论、案例分析等多种手段，注重过程考核，全面客观评价学生对课程知识的掌握和相关能力的达成情况。为更好发挥课程改革的效果，一方面可在实际教学过程中提供更多机会给学生进行设计性实验方案的分组答辩，以此更好地调动学生的学习热情，另一方面可针对性地开设创新型课外实验培养研究型人才。