强调动手能力训练的在线实验课程设计与思考——以“环境微生物与实验”全英文课程为例

蔡伟伟，李冬梅，贾方旭，李新洋，姚 宏

北京交通大学环境学院，北京 100044

环境工程作为一门以问题为导向的学科，始终围绕环境问题，以工程技术与原理为手段，主张在不引发二次污染的原则下解决问题。微生物学是环境工程学科非常重要的理论基础课程，解决很多环境问题均需依赖微生物的代谢活动，比较典型的包括污水生化处理、有机固废好氧堆肥/厌氧消化等。因此，“环境工程微生物学”是环境专业的必修课程[1-4]。

“环境工程微生物学”的教学实践以微生物学的相关理论为主，同时还包括大量实验教学。实验教学能够很好地培养学生的动手能力以及解决问题时的逻辑思维能力。随着线上教学以及各种网络课程的普及与发展，线上平台能够更好地扩展优质师资与课程资源，为学生提供更为开阔的学习视野。但由于实验课程涉及场地、器材、耗材等一系列专业教具，使得实现线上教学存在困难[5-7,1]。因此，积极开发适合于线上教学体系的环境微生物实验课程，一方面有利于让更多学生享受更好的教学资源，另一方面也能够促使学生学会将理论学习与日常生活融会贯通，更好地理解环境问题来源于生活以及解决问题需要从理论回归生活的道理。

1 课程目的

“环境微生物与实验”是环境工程专业的重要基础课程。本课程可以使学生掌握微生物学的基础理论知识以及污染物生物控制技术的相关微生物学原理，培养学生利用微生物学原理分析并解决环境科学和工程研究中机理问题的能力，并为学生学习专业课程及开展科研工作打下良好、扎实的基础。

本课程是北京交通大学威海校区的全英文课程。北京交通大学威海校区的环境科学与工程专业是由北京交通大学与英国兰卡斯特大学合作共办的，教学体系融合了中英双方的教学特色，在课程内容和授课方式上均促进了中西方的相互借鉴。北京交通大学威海校区的目标是培养高素质、创新型的国际化专业人才，是北京交通大学与海外著名高校合作办学的先驱基地。环境科学与工程专业是北京交通大学环境工程专业与兰卡斯特大学环境科学专业优势互补的产物。其中，“环境微生物与实验”的教学内容既是北京交通大学环境工程专业重要的理论支撑，又是兰卡斯特大学环境科学专业研究地球生物化学循环的重要组成部分。而其中的实验教学部分则是学生动手实践、将理论应用实践的关键环节。因此，“环境微生物与实验”中的实验课程是培养学生动手实践能力的关键部分。

2 案例——微生物培养基的制作与接种实验

2.1 案例实验设计的流程

如图1 所示，实验室操作流程主要包括确认实验目的、进行实验操作和考察学生实验结果。而转为在线教育后，实验课程中的部分实验无法在实验室完成，因此需要对原有流程改进设计，使其符合进行居家实验的现实需求。对实验课程的改进并没有利用模拟软件进行模拟实验，而是将实验室操作的实验进行重新设计之后让学生能够利用身边的条件进行居家操作。

图1 实验设计思路及方案

2.2 案例实验目的

在“环境微生物与实验”的课程学习中，培养基制备操作及微生物接种是两项基本操作，也是后期进行微生物相关研究的重要方法。在实验课程中，学生能够通过动手操作来加深对微生物分离培养的认识，学会利用营养物质制备简单的广谱性微生物固体培养基，同时，还能够将主动采集周围环境中的微生物接种到配制好的固体培养基上。该实验课程能够打开学生认识微生物的大门，后续的微生物实验也可以建立在此基础上，进而进一步强化学生对微生物研究过程的理解和认识。

实验目的调整：实验目的建立在课程的设置与安排上，结合课程大纲及课程内容，在线教育并不会改变课程大纲及授课内容（实验内容），因此没有对实验目的进行调整。而且，后期课程的设计和改进都是为了实现原有教学目的而进行的。

2.3 案例实验设计改进

在培养学生环境保护意识与社会责任感的同时，突出锻炼与提升其创新思维，尤其对于环境专业的大一新生来说，更应该强化其在建设美丽中国、实现绿水青山的国家战略中承担的责任与义务，提升其作为环保事业排头兵的使命感，以此来厚植学生的家国情怀、加强学生的个人素养。

2.4 案例实验方法

2.4.1 专业器材替代方案设计

考虑到实验器材获取的难易程度，教师在讲解实验时仍以实验室的专业器材为主，在讲解居家实验方案时则进行替换。例如，加热过程中使用的电炉可以转为家用燃气灶或家用蜡烛，也可以让学生根据情况自行选择可替代的器材。教师要重点让学生明白操作器材的主要作用及注意事项，以及在选择替代品时判断替代品有效性及优缺点的方式方法。除了利用燃气灶代替实验室用具，家用煮锅也可以替代烧杯加热溶解培养基。对于培养基配置前对器材灭菌这一环节，教师需要告知学生如果没有特别合适的替代方案，可以忽略该过程，但是需要考虑不灭菌会存在什么样的风险，引发学生主动思考。若放弃灭菌，则在微生物接种过程中可以选择干净的棉签进行接种，同时考虑到家庭环境不适合培养纯菌，教师可以鼓励学生尝试将门把手、地板等地作为微生物的来源。但是这可能会导致培养基很难形成菌落。

2.4.2 实验耗材的家用替代方案

考虑到居家条件的限制，实验耗材的选择也要尽可能满足日常容易购买的现实需求。例如，琼脂可以用果冻等含有琼脂的食品代替，蛋白则可以用牛奶等高蛋白食物来替代。但是教师需要向学生强调这些替代性食品不具备唯一性，学生可以根据食物成分表来判断是否合适，并且需要考虑其可能带来的后果，比如牛奶加热后会变性，可能导致最终做出的培养基不透明。

2.4.3 风险控制

在培养基配制实验中，考虑到实验室和居家的区别，如何避免安全隐患是最重要也是最关键的一步。在本案例实验的实施过程中，首先，要加强对学生安全意识的培训，强调在家用使用燃气灶、蜡烛等带有明火的设备时，需要尽可能与家长沟通，并且最好有家长监督，同时要保证学生远程视频，以便于教师可以随时观察学生的操作情况。其次，在实验流程上尽可能规避风险较大的操作步骤，比如，在灭菌步骤中，尽管家中的高压锅等设备能够起到与实验室灭菌锅类似的效果，但是学生单独使用高压锅等设备仍存在安全隐患。因此可以省略该步骤。同时，教师可以结合理论与视频教学，让学生了解到该步骤的主要作用及原理。最后，在居家操作时，实验中涉及危化品的步骤同样需要省略，并且在实验设计之初就应该进行步骤流程的无害化设计。

2.4.4 评估与评价

学生需要提交实验报告，并且需要提供视频以展示自己动手制作的过程。根据实验报告及视频，教师能够对学生进行更为全面的考核。相比线下实验课程，教师能够提供更详细且更具针对性的评估成绩。

3 结语

实际操作后证明，本案例具备一定的可行性，但还存在诸多问题，其中主要问题是由于各种器材及原材料需要用替代品导致实验效果不理想，而这也是最难设计的环节。除此之外，如果只考虑到学生对实验基本原理的学习和基础动手操作的锻炼，那么这种线上教学模式基本能够完成任务，并且学生参与的积极性更高。综上所述，这种线上实验的形式一定程度上引起了大家对新教学模式的思考，比如这种模式对学生积极性的调动是否可以在未来的线下实验教学中继续保持，对此，教师可以要求学生在实验课上完成实验之后，在家里进行重复性替代性实验，以加深他们对实验原理的理解及应用。