基于能力培养的环境工程微生物学实验课程教学改革研究

李海军(四川轻化工大学化学与环境工程学院，四川 自贡 643000)

0 引言

我国高等院校开设的环境工程专业有着良好的发展前景和空间，其中的环境工程微生物学也是环境工程、环境工程技术这类专业学生的基础课程。该项课程是以微生物学作为基础，融合生命科学、环境科学和工程学形成的交叉学科，带有明显的应用和实践特征。这类工科专业的基础课程在完成理论教学之后，便会延伸到实验教学。环境工程微生物学实验能够帮助学生利用所学基础理论知识，逐步形成解决环境领域实际问题的能力，这也是构筑工科学生实践能力持续发展不可或缺的重要条件。在目前高等教育开设的环境工程微生物学实验教学中不难发现，实验项目通常以基础性和验证性内容为主，综合性和创新性实验项目以辅助者角色存在，学生在专业知识学习和实践操作中，必须要掌握有关微生物的观察、培养、分离、灭菌等各项基础实验技术。在应试教育和理论知识灌输模式下形成的实验教学体系，在内容和方法方面无法满足环境工程专业以及学生个人能力发展培养的需求。本文基于学生能力培养的视角，探讨了环境工程生物学实验教学课程改革的具体对策，为今后环境工程微生物学实验教学内容的拓展以及教学方法优化提供参考。

1 环境工程微生物学实验课程教学改革的出发点及载体

1.1 出发点

我国素质教育工作对高等教育提出的要求是同

时关注科研和教学工作的高质量发展，但部分学校依旧存在过分重视科研工作的现象。这不仅与高校教师的科研压力较大有着密切的联系，而且高等院校内部拥有较多先进设备的科研实验室和平台，主要面对的使用群体是校内的科研人员和研究生。在这两种因素的深刻影响下，教师工作的时间和精力主要集中在科研项目的申报、课题研究方面，用在实验教学和理论知识教学的时间和精力被大幅度压缩、占用[1]。此外，因为本科生无法借用高水平的实验室和科研平台进行实践，导致其理论知识无法进行系统化的训练和应用。也正因如此，高校环境工程微生物学实验教学工作改革要求，教师应始终坚持立德树人的教学根本任务，在掌握国内外环境工程专业行业发展具体状况和需求的前提下，尽力将科研工作所取得的各项结果和理论传授给学生。校方也需要将校内先进设施配置齐全的实验平台和实验室逐渐向本科学生开放，让其结合各种实践环境项目，在解决学术问题的过程中，促进工科学生结合所学专业理论知识培养实践能力。

1.2 载体

高等教育开设的环境工程微生物学实验课是理论知识教学的重要延伸环节。在促进学生能力培养发展的基础上，教学改革工作需要将如下两项内容作为重要载体：一是校内现代化水平较高的实验室。本科的教学以及科研实验室二者之间的区别较为明显，环境工程专业的相关学生在开展环境工程微生物实验操作的过程中，开放实验室可以帮助学生通过参与实验教学活动，全面了解实验必备的设备以及操作规程，通过个人的亲身实践，参与诸如污泥菌胶团结构观察、革兰染色和认识原生动物等多项实验操作，形成对环境工程、微生物知识学习和应用的兴趣。二是高校设置的科研实验室有着明显的研究性优势。学生可以结合在知识学习过程中产生的感兴趣课题，进行深刻系统地研究，帮助学生在全面发挥其主观能动性的前提下，进一步提升对课题的整体把握能力，这也是学生科研素质提升的基点[2]。

2 环境工程微生物学实验课程教学改革对学生能力的培养作用

一是促进环境工程微生物实验教学方面的全面更新。在传统的环境工程微生物实验教学中，一般都是以验证性实验为主，教材中收录的实验内容与经济社会发展相比明显滞后[3]。最为常见的现象是显微镜使用作为单独实验项目，这与绝大部分学生在中学阶段掌握的普通光学显微镜的使用方法和维护技巧内容基本一致。以学生能力培养作为基础的环境工程微生物学实验课程教学改革工作，能够帮助校方和教师根据环境工程专业和相关行业的持续发展，以教材内容作为出发点，摒弃教材中收录的陈旧的教学案例，自主选择在现代经济社会发展背景下的实验教学内容，让学生意识到自己掌握的专业理论知识和实际生活之间存在着密切联系。各种现代化的实验设备和技术的引入也能够帮助教师进一步提升实验教学的效率和质量，使得环境工程微生物学的实验教学工作能够持续发展和革新。

二是有助于促进工科学生实践能力的培养。素质教育背景下的环境工程微生物学作为工科专业的基础课程，要求教师借助理论知识和实践教学帮助学生在深刻理解基础知识的前提下，利用发展较为完善的基础知识体系解决各种实际的环境问题，确保学生能够联系基础知识和实际生活培养其对问题的发现、探索和解决的能力。学生在解决实际环境问题的过程中，可以向教师寻求帮助，引入各种先进的技术和设备，帮助学生全面发挥其创造思维和创造能力，这些都是当下我国经济社会发展所需的工科专业人才必备素养[4]。实施环境工程微生物学实验教学的改革能够帮助校方和教师综合考虑学生在创新能力以及基础知识能力方面的缺陷，综合使用现代化教学案例以及技术设备，引领学生进行自主探索，在尊重学生知识学习主体地位的前提下，推动学生个人工科实践能力的全面发展。

3 环境工程微生物学实验课程教学改革对策

3.1 教学体系的全面结构重组

以学生能力培养作为基础条件的环境工程微生物学实验教学工作需要摒弃之前学生单一操作的验证性教学方法，而是需要逐渐探索建立包括基础、示范、综合和设计模块在内的实验教学体系，确保有关环境工程微生物方面的实验教学内容能够严格遵循基础、示范、综合、设计的模块有序落实。基础和示范模块方面的实验教学工作需要同步进行。实验的综合设施和实验设计教学创新需要以学生掌握的生物实验操作技巧基础为前提条件方可落实。基础和示范模块的教学内容是今后环境工程微生物学实验教学的基础组成内容，具体包括了学生们需要掌握的微生物培养、无菌技术、分离纯化等各项基础试验，而示范模块则是以微生物实验操作过程中必须使用的有关玻璃器皿的包扎灭菌、显微镜使用等各项基础操作方法为主，教学时长可以安排在6～8个学时。

综合模块是教师针对学生微生物实验能力进行综合训练的重要环节，学生参与实验的相关内容，并不需要教师给出明显限制，但需要教师给予适当的引导，尊重学生的知识学习主体地位，由学生对实验内容和方案自主进行安排，但教师需要提出包括培养基配制灭菌、微生物数量测定等在内的各种综合内容的要求。在综合训练模块中，教师需要以微生物技术在我国环境保护专业实践过程中的具体应用为基础，引导学生产生对微生物观察和认识的兴趣，确保能够在真实环境中利用各种实验技术进行微生物的检测和分析[5]。在学生自主进行综合实验中，教师需要以3～5人一组合理划分学习小组，由小组成员通过文献资料的查阅，彼此之间的讨论和向教师寻求帮助的方法，对实验的具体内容和方案科学进行安排，确保学生能够利用在校的实验教学时间以及课余时间自主完成确定的实验内容。这不仅能够帮助学生促进实践综合能力的发展，并且学生也能够形成微生物技术应用于生态环境保护工作的良好意识。教师利用学生小组综合能力训练实验方法也能够推动学生创新思维能力、团队协作精神的培养和发展。用于综合训练模块的教学时长维持在4～6个学时即可。

3.2 实验教学内容的创新组合及拓展

普通微生物学的实验内容也是环境工程微生物学实验的重要组成部分，但在传统教学模式下的实践内容之间缺乏连贯性，并且存在着内容重复的现象，学生即便经历了实验操作，也尚未建立有关环境工程微生物学的综合概念，基础知识应用能力层次较低。在这种情况下，以学生能力培养为核心的环境工程微生物学实验教学工作需要针对实验基础内容不断进行调整和改革，确保学生能够在参与各种系统性综合实验的前提下，意识到实验内容之间存在的联系，促进基础和综合性实验二者之间的有效融合[6]。比如，土壤中的微生物分离纯化以及测量水体、空气中的细菌总数等都可以进行融合处理，具体包括了学生必须掌握的光学显微镜的基础应用技巧、培养基的制备灭菌、无菌操作和常见的空气微生物采样设备使用等基础知识。学生可以自主选择合作伙伴建立学习小组，在查阅研究相关资料之后向教师寻求帮助，确定与环境中微生物分离、纯化、培养等在内的综合实验题目，能够在进一步压缩课堂实验教学时长的同时，通过学生之间的交流和合作形成系统化的实验内容机制体系，有助于促进学生综合运用能力的发展。

为了进一步深化学生对环境工程微生物知识的理解深度，教师需要在实验教学内容持续拓展的过程中，将校外资源引入其中，定期组织学生到环境工程的专业实践基地中进行参观和学习，将当下环境污染治理工作中环境工程微生物技术的应用形成一定的了解。同时，与院校环境工程专业开展合作关系的实践基地也能够为学生提供实习工作岗位和真实的工作环境，并且这类企业正在运行的各种环境污染治理项目也能够为学生基础知识的迁移应用提供必要的基础条件[7]。比如，桶装饮用水的细菌总数、大肠杆菌的测定和生活污水处理过程中活性污泥微生物的检定等都是自来水厂和污水处理厂不可或缺的重要运营项目，这种与企业生产实际结合生成的实验项目能够帮助学生养成主动参与实验教学的兴趣和积极性，同时贴近真实生活的实验项目对学生工程实践能力的发展也有着良好的促进作用。

3.3 实验课前导入的多元化要素

一是利用悬念导入。在环境工程微生物实验教学工作正式开始前，教师可以通过科学、政治、历史和艺术性的问题为学生形成实验教学的悬念，在激发学生学习兴趣和注意力的同时，引导学生对实验教学中的各种问题积极进行思考。比如，教师在引领学生共同学习有关病毒的知识时，例如天花，结合历史，教师可以引导学生谈一谈对天花病毒的看法，通过讨论，学生们会对历史事件的性质有正确认识，同时对天花病毒对人类的危害以及传染性有较深刻的认识。教师可以将病毒感染人体和动物之后的疾病图片向学生进行展示，使学生通过微生物学知识的学习，懂得学习利用微生物学知识应趋利避害，更应该明确为人类造福而不是毁灭人类的学习目标。

二是利用故事进行课前导入。环境工程微生物学的覆盖内容较为广泛，且知识点分布零散。在微生物学科建立发展过程中，专家和学者也产生了诸多趣闻轶事。学生对有趣的历史故事有着较为强烈的好奇心，教师可以利用这一特点使用科学家的趣事激发学生参与实验教学的兴趣和求知欲望。比如，教师在引领学生共同分析温度对微生物影响的知识时，可以介绍巴斯德治疗“酒病”的故事。简单而言，在1865年，法国一个酿酒厂的厂主让巴斯德帮忙解决啤酒变酸的问题。巴斯德作为化学家也开始研究这一问题，利用光学显微镜观察发现尚未出现变质现象的葡萄酒和啤酒中只存在一种圆球形状的酵母细胞，而腐败变质的啤酒和葡萄酒中出现了一种细棍状的乳酸杆菌。经过多次的试验之后，巴斯德找到了有效治疗“酒病”的方法，就是将酒在50～69 ℃环境下进行30 min的加热处理，这也是目前最为常用的巴氏消毒法。同时，教师可以告知学生日常饮用的牛奶也是利用这种消毒方法，学生对实验教学的兴趣和激情就能够被明显调动。

3.4 建设以学生能力为本位的实验教学制度

一是以课前预习推动学生学习主动性的发展。环境工程微生物学实验的教学内容在传统教学形式的影响下，都是由教师经过演示和讲解之后，学生分别使用实验室内分布的仪器设施按照教师的实验步骤和注意事项按部就班地进行验证。在完成实验操作之后。学生需要对实验结果进行全方位地总结和分析，并生成本次实验的研究报告。这种实验操作方法使得学生的学习主观能动性发挥相对有限，影响到实验课的教学质量以及学生综合能力的培养以及发展[8]。为了促进学生环境工程实践能力的培养和发展，教师必须要制定实验课前的预习制度，让学生在尝试参与实验教学之前自主利用互联网平台查询实验内容，完成相应的预习报告。在正式上课前，教师需要逐一进行批阅，提出其中存在的问题，由学习小组共同进行改善。比如，教师在带领学生共同学习细菌染色这一实验项目时，单染法和复染法是细胞染色最为常用的方法，且显微镜、超净工作台、玻片和多种染料是必须使用的试验仪器、用具。在课前预习环节，教师可以要求学生将实验所需的各种染料溶液准确列举出来，实现自主配置，掌握微生物细胞染色的步骤，确保学生能够对实验项目整体方案和内容设计形成初步了解，有助于促进学生自主学习能力和实践动手操作能力的发展。

二是通过教师的操作指导促进学生动手能力的发展。为了帮助学生在参与环境工程微生物实验教学中逐渐培养工科实践能力，需要由学生小组独立完成实验。在实验过程中，仪器的调试、配置试剂和实验步骤都需要学生自己完成，教师只提供相应的过程指导，并保证学生的各项操作规范即可。教师在引导学生进行细菌染色实验时，需指导学生成功培养细菌并完成细菌染色，使用镜检方法观察2～3个染色片上微生物细胞的形态。在实验过程中，学生能够对固定的温度时间、染料选择及染色时间反复进行摸索，结合教师提供的指引得出正确的结果，能够在促进学生实验操作规范化发展的同时，培养学生严谨的实验态度。

4 结语

环境工程生物学的实验教学是理论知识实践应用的重要环节，在素质教育背景下的环境工程微生物实验教学需要关注学生基本能力的发展。教师需要建立包括基础、示范、综合和设计在内的教学结构体系，配合实验课前的多元化导入以及实验教学内容的优化组合以及创新，在实验过程中由教师给出针对性的指导，确保学生能够正确利用理论知识进行实践操作，促进学生端正学习目的，促进实践能力的锻炼和发展。