新工科背景下环境工程微生物学课程教学改革与实践

周本军 陈冬

摘  要：培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才是当前工科教學改革的方向。环境工程微生物学是高等院校环境科学与工程类专业主干课程之一，课程组从教学内容的优化，教学难点与重点的设计，课程考核评价体系的构建等方面对课程教学进行探索，突出对学生发现问题与解决问题的能力、工程意识、工程思想、实际动手能力和项目管理能力等方面的综合培养。实践表明，改革后的课程教学能充分激发学生学习主动性，促进学生创新能力的培养，取得较好的教学效果。

关键词：新工科；环境工程微生物学；教学改革；课程评价；综合培养

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）S2-0141-04

Abstract： Cultivation of strong ability of engineering practice， strong creative ability， high qualified compound type talents of new engineering with international competitiveness are the current direction of the teaching reform of engineering. Environmental Engineering Microbiology is one of the main courses of environmental science and engineering major in colleges and universities. To meet the requirements of talent training under the background of new engineering， course team discussed the optimization of the teaching content， construction of assessment and evaluation system， design of teaching difficulties and key， which highlights the comprehensive cultivation of students' ability to find and solve problems， engineering awareness， engineering thinking， practical and project management ability. The practice indicated the reform of teaching fully stimulated the students' learning initiative， promoted the cultivation of students' innovative ability， and achieved better teaching result.

Keywords： new engineering; Environmental Engineering Microbiology; teaching reform; curriculum assessment; comprehensive cultivation

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年2月以来，教育部提出了积极推进新工科建设的要求[1-2]。培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才是当前工科教学改革的方向。基础课（包括专业基础课）教学中如何突出新工科的人才培养是课程教学改革的难点。

环境工程微生物学是高等院校环境科学与工程类专业主干课程之一，一般设置在本科教学的第6学期，是本专业学生在低年级完成通识教育后进入专业课程学习前的过渡课程，在整个环境工程专业课程体系中起着承前启后的桥梁作用，是一门综合性很强的专业基础课。环境工程微生物学内容丰富，涉及面广， 发展迅速，包括了微生物学的基础知识以及微生物学相关原理技术方法在环境领域中（尤其是污染控制、生态修复）的应用[3]。课程在突出理论知识传授的同时强调实践教学，配套的环境工程微生物学实验教学，要求每个学生通过动手做实验，学会规范地使用实验仪器，准确地完成实验操作步骤，合理地解释实验数据，进而加深对理论课程内容的理解和记忆。

本文对环境工程微生物学课程教学的研究与实践进行了总结与探索，旨在为新工科的人才培养提供参考。

一  优化课程教学内容

近年来，环境工程微生物学理论和技术得到了迅猛发展，新技术、新方法不断涌现，研究成果层出不穷，并在环境科学与工程上得到了应用[4]。基于培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才的现实需求，环境工程微生物学的课程教学不仅要关注基础知识的传授，也要追踪环境工程微生物学学科发展与应用前沿动态，拓宽学生视野，培养学生的工程实践能力、创新能力，这使得教师授课内容更为繁多，但课程教学学时极为有限，与繁多的课程内容冲突严重，产生脱节等问题。为了教学内容的基础性、系统性、完整性，结合学科的特点和发展趋势，近年来合肥工业大学环境工程微生物学课程组对讲授的环境工程微生物学课程教学内容进行了系列优化。

课程组选用的教材为高等教育出版社出版的《环境工程微生物学》第四版（周群英，王士芬编著），共32 学时（2 学分）。该教材达400余页，理论教学内容分为“微生物学基础”“微生物生态与环境生态工程中的微生物作用”二篇，共12个章节[3]。在教学课时有限的前提下，如果照搬教材的内容和顺序，极易造成主次分不清，往往使学生在上到后面时不记得前面讲了什么，难以激发和满足学生的求知欲和主动学习的兴趣。因此，实际教学过程中，教学团队对教学内容进行了重新梳理与调整，调整后的课程教学以“微生物的结构”为切入点，“微生物的代谢”为难点，“污染控制微生物原理与技术”为重点，将选用教材的内容和顺序进行了合理串接。例如，在介绍教材第二章“菌胶团”知识点时，同步与第九章“菌胶团的作用”知识点进行衔接；而在介绍第四章“无氧呼吸”知识点时，同步与第十章“微生物脱氮”相关内容进行衔接；如此等等。通过这种调整，实现了教学内容的基础性、系统性、完整性，保证了有限学时条件下，能够完整、系统地完成全部教学内容。由于教学内容的融会贯通，对学生有了更多的引导和启发，促进了学生知识、能力、思维和素质的全面协调发展，培养了学生的创新思维和创新能力，提高了教学效果。

针对课程教学知识点多，内容繁杂琐碎且抽象，学生学习的积极性难以调动，学生学习处于被动地位， 缺乏主动性和灵活性的教学实际，课程组将国际前沿学术进展、最新研究成果和实践工程案例融入课程教学内容中，如在讲授“古菌”相关内容时，如果只是局限于选用教材中古菌的特性、细胞结构、呼吸类型和生活习性等，由于内容比较枯燥，对学生来说又是看不见、摸不着的基础知识点，因此难以激发学生的学习兴趣。课程组根据学生在课堂上的听讲效果反馈，结合课下与学生的交流意见，在授课中融入“酸性矿山废水的形成、危害及治理”“硫酸盐还原菌的特性及其在酸性矿山废水治理中应用”等最新学术进展、研究成果和工程案例，使课程教学进一步压缩了微生物学基础知识的讲授，强化了学生对于污染控制微生物原理与技术方法的理解和应用能力培养，通过引导和启发，将以老师教为主的授课方式改为以学生学为主教学方式，较好地改善了教学效果，促进了对学生的创业意识、创新精神和创新创业能力等方面培养。在各章节知识点的介绍中有机融入学科领域最新进展的研究成果，工程案例，满足按专业方向进行模块化、立体化教学的要求，是在有限的教学时限下提升教学深度与广度的重要手段，在今后教学中需要不断完善和持续改进的重要内容。

二  突出实践能力培养

新工科建设的理念之一为要求加强研究和实践[5]，强调的是提高人才综合素质，培养学生运用所学知识技能解决实际问题的能力。而专业课程教学更多关注的是知识传授，理论素养的培养。许多课程教学知识点内容细碎，课程内容与实际工作岗位的专业技能需求差距比较大。这对教师提出了新的要求，尤其是专业课堂教学过程，需要坚持不断探索教学模式改革创新，努力探索构建“以学生为中心”的课程教育体系；更新教学内容和评价方法，探索学科前沿与产业案例融入课程教学的路径；融合科研思维，培养学生创新性和批判性思维等。

围绕上述目标，课程组近年来做了积极有益的探索，如在讲授“藻类”相关内容时，如果只是局限于选用教材中藻类的形态、特点，以及主要分布领域等，由于内容过于繁杂琐碎，学生往往不感兴趣，教学效果不理想。为此，课程组在授课中融入“与富营养化有关的藻类是哪些，如何应对？”“太湖、巢湖等水体中藻类的去除方法”等最新学术进展、研究成果和工程案例，并在此基础上，课程组结合课程教学内容，联系生产生活实际，指导本科生申报了合肥工业大学大学生创新创业项目“富营养化水体中氮磷比对藻毒素产生菌的影响（2017CXCY346）”。在介绍微生物培养基相关内容时，围绕氧化硫杆菌的营养类型、培养基成分，配置方法等课程教学内容，课程组在授课中结合当前由于工业废水、废气和废渣的大量排放，以及农药、化肥的大量广泛使用等人为因素，导致环境污染、生态破坏日趋严重，尤其是农田土壤重金属污染已经成为最为关注的环境热点问题之一，多种技术方法已经广泛应用于重金属污染土壤的修复而利用微生物将土壤中重金属浸出的生物淋滤技术，因对土壤结构破坏小、运行成本低、重金属提取效率高以及适应性强等优点而越来越受关注这一学科相关前沿进展，指导本科生申报了大学生创新创业项目“生物淋滤法修复重金属污染土壤试验研究”（2018CXCY381）。在课程教学中，基于相关知识点内容传授，帮助学生从教学内容中提炼出科学问题，引导学生提出创新性的想法或点子，组织讨论论证后鼓励学生积极申报相关的创新创业项目，不仅可以进一步激发学生的学习兴趣，促进学生的创新创业及团队合作能力培养，还能充分激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性、主动性和创造性，培养学生独立思考、综合分析和解决问题的能力，丰富课程教学的教学案例资源，促进该门课程体系的建设与持续改进。

三  强化过程考核，融入思政元素

新工科强调培养工程实践能力强、创新能力强和具备国际竞争力的高素质复合型人才，这就需要在课程考核中更加突出能力的考核与评价，引导提高学生独立思考、综合分析和解决实际问题能力培养的课程教学改革方向。基于此，近年来，课程组在环境工程微生物学的课程教学中不断强化教学过程管理，严格过程考核，持续改进多元化、全过程、综合性考核评价方法，设计学生形成性学习评价体系，力求全面考查学生的综合能力[6]。考核评价中，将课程期末成绩占比设定为40%，平时成绩的考核所占比例为60%。平时的过程考查要体现多元化，包括课程作业、研究报告撰写、课堂演讲、随堂测试、提问与讨论、课件制作与课堂小组讨论以及大作业等多种方式，每种考查方式通常不超过15分。期末考试应突出考查学生对知识的掌握程度、知识的迁移能力、独立获取知识、分析问题和解决问题的能力，培养他们的开拓创新精神。近年来，课程组通过在期末试卷命题中对设置开放式无标准答案试题的方式进行了有益的探索，如“如何理解废水生物处理与微生物培养的关系”“从土壤中分离出耐镉菌种，你如何设计实验”等考题都凸显了能力考查的趋向，学生需要根据自己的知识积累，在考试中充分发挥。

作为专业课，环境工程微生物学有着其自身的特点，也有可被挖掘的思政元素[7]。课程组基于合肥工业大学“工程基础厚、工作作风实、创业能力强”的工科专业人才培养模式要求，着眼于培养和造就工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型环境工程专业人才，立足水污染控制、矿山环境修复等本学科特色与优势，挖掘专业课程思政资源，在环境工程微生物学课程教学中，围绕课程教学目标，探究符合课程思政要求的课程教学方式，合理调整教学内容，将思政育人目标有机融入课程教学中，构建思政映射与融入点，将思想政治教育内容有机融入专业知识技能教育内容的领域，使课堂教学成为专业知识讲授与思政育人目标相结合的过程。并设置有效的考核方式，以考察思政教学效果。如在“緒论”的教学过程中，通过突出“我国古代人民对微生物世界的认识史”的讲解，提高学生们的民族自豪感和文化自信。在学习“真核微生物的形态特征、内部结构”课程内容时，让同学们围绕“冬虫夏草”的生成、采挖与周边环境的关系展开讨论，探讨经济发展与环境保护的关系，学习微生物的生态课程内容时，以微生物与微生物的关系为基础，将教学内容拓展，增强学生的生物多样性保护意识。在“微生物在物质循环中作用”的教学过程中，通过突出“微生物作为分解者，在生态平衡中的重要作用”，强调生态平衡遭破坏后环境污染问题的严重性，让学生切实感受到践行“绿水青山就是金山银山”的社会现实意义等。这些哲学思辨、爱国主义情怀、生态文明理念和“四个自信”等思政内容的融入，使课堂教学成为专业知识讲授与思政育人目标相结合的过程，进而引导青年学生将信仰、信念、信心的力量转化为奋进的力量，自觉地投入建设社会主义现代化强国、实现中华民族伟大复兴的奋斗之中。

四  课程教学难点重点的设计

合肥工业大学环境工程专业的培养目标是培养具备知识宽厚、综合素质高、工程设计与实践能力强、富有创新精神，具备水、气、物理性及固体废物等污染防治、环境影响评价、规划与管理和生态修复等专业知识；具有污染控制工程设计及从事环境评价与规划管理能力；具有环境工程领域新理论、新工艺和新方法研发能力的高级专业技术人才；具备科学、工程素质与能力及伦理道德素养，德才兼备、能力卓越，自觉服务国家生态环境保护事业的骨干与领军人才。因此，对工程实践能力的培养尤为重要，这包括对学生发现问题与解决问题的能力、工程意识、工程思想、实际动手能力和项目管理能力等方面的综合培养，几乎涵盖了未来实际工作需要的所有业务环节[8-9]。环境工程专业培养目标的实现，需要具体课程的支撑，环境工程微生物学是环境工程专业核心课程，必须根据专业特色与培养目标，对课程教学内容细化，使课程教学目标映射与融入专业培养目标，让学生们坚定信念，明确方向。基于此，课程组确定了环境工程微生物学的课程教学目标：通过本课程的學习，要求学生掌握环境工程中常见的微生物的基本知识，基本理论和基本技能，以便为后续专业课程打下坚实的微生物基础。夯实学生环境工程微生物学知识，培养学生的独立思考能力和实际动手操作能力，为学生以后从事环境科学和工程的研究与应用打下基础。围绕上述课程教学目标，课程组在大纲制（修）定过程中重点关注课程教学与专业培养目标的对应关系，提炼出各章节教学难点，突出工程实践能力的培养。具体内容见表1。

可以看出，按照表1的课程教学设计，环境工程微生物学的课程教学弱化了对环境工程中常见微生物的基础理论知识的教学，教学内容更加偏重于培养学生运用微生物学的相关知识解决环境科学研究和环境工程实际问题的能力，更加偏重于培养学生在环境工程微生物学方面的独立思考能力和实际动手操作能力，为学生能够综合运用所学专业知识，发现问题、分析问题，为以后从事环境科学和工程的研究与应用打下基础。通过课程教学内容难点、重点的重新设计，使课程教学目标与“具备基本的理论基础，一定的思辨能力和初步的创新能力”的本专业的培养目标与毕业要求趋于一致，使课程教学内容与本专业培养方案中对知识、能力、素质的要求一一映射，极大增强了对学生工程意识、工程思想、实际动手能力和项目管理能力等方面的综合能力的培养。

五  教改成果

为全面评价教学改革效果，我们选择了环境工程专业环境工程微生物学课程改革前（2018级）和改革后（2019级）共计80名学生为研究对象，从期末考试卷面成绩分析、学生满意度调查两个方面进行了对比（表2），可以看出，通过1年的教学研究改革与实践，环境工程微生物学课程期末考试的平均成绩、优秀成绩显著提高，学生评价的分数也大幅增加，说明学生的满意度明显提高，对课程的学习兴趣明显增加。

六  结束语

通过对环境工程微生物学当前课程教学的调整，注重课程相关内容的整合和集成，使课程教学内容具有灵活性，满足按专业方向进行模块化，立体化教学的要求，构建了能充分激发学生学习主动性和创新精神的环境工程微生物学教学体系，通过1年的教学研究改革与实践，环境工程微生物学课程教学的质量明显提升，后期将会根据教学反馈效果进行调整，持续改进，使之与培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才的“新工科”人才培养要求相适应。

参考文献：

[1] 张大良.因时而动返本开新建设发展新工科——在工科优势高校新工科建设研讨会上的讲话[J].中国大学教学，2017（4）：4-9.

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[3] 周群英，王士芬.环境工程微生物学[M].4版.北京：高等教育出版社，2015.

[4] 史春薇，杨占旭，王吉林，等.“新工科”背景下环境微生物学课程实践教学育人模式的探索[J].微生物学通报，2020，47（4）：

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[5] 陈胜男，张海涵，黄廷林，等.“环境工程微生物学”课程的教学改革探索与实践微生物学通报[J].2021，48（12）：4963-4971.

[6] 徐爱玲，唐敬超，张焕云，等.国际工程教育认证下基于成果导向教育（OBE）理念重构闭环式环境工程微生物学课程教学[J].微生物学报，2021，48（2）：648-658.

[7] 田鸿芬，付洪.课程思政：高校专业课教学融入思想政治教育的实践路径[J].未来与发展，2018，42（4）：99-103.

[8] 张瑾，陈林秀，白海峰.以工程教育理念为引领的跨专业教学探索与实践[J].实验室研究与探索，2019，38（9）：174-181.

[9] 何进，唐清，陈雯莉，等.基于创新能力培养的“微生物学”研究型教学模式探索[J].微生物学通报，2018，45（3）：635-641.