教育数字化转型背景下高校教学发展新路径

摘 要：在教育数字化转型背景下，对课程教学模式进行数字革新已成为高校教育发展的必要趋势。环境工程微生物学课程作为高校环境科学与工程专业的核心课程，该课程对学生的实践应用能力、创新思维及科研逻辑的培养具有重要意义。该文以环境工程微生物学课程为例，探讨在教育数字化转型阶段所面临的机遇与挑战，并从课程数字革新、实验数字革新及科教融合方面提出一系列应对策略，旨在为全面提升环境科学与工程专业人才的理论基础、实践技能及科学创新思维奠定坚实的基础，以期为教育数字转型背景下高校课程教学效果改善及高素质人才培养提供参考。

关键词：教育数字化转型；环境工程微生物学；课程；实验；科教融合

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）21-0046-04

Abstract： Digital innovation in curriculum and teaching models has emerged as a crucial trend in the growth of higher education within the context of the digital transformation of education. A foundational course in environmental science and engineering， Environmental Engineering Microbiology， is crucial for fostering students' creative thinking， practical application skills， and understanding of scientific research rationale. This paper examines the benefits and difficulties encountered during the digital revolution of education using the course Environmental Engineering Microbiology as an example. It suggests a number of tactics related to the integration of science and education， experimental digital innovation， and curriculum digital innovation. The aim of the study is to comprehensively enhance the theoretical foundation， practical skills， and scientific innovation thinking of professionals in the field of environmental science and engineering. This study will serve as a guide for enhancing curriculum instruction efficacy and developing exceptional talent in the context of education's digital transition.

Keywords： digital transformation in education; Environmental Engineering Microbiology; curriculum; experiment; integration of science and education

随着大数据和人工智能等新兴数字技术的快速发展，数字化转型已逐渐渗透至教育领域。在教育数字化转型背景下，由于数字思维及虚拟空间知识传播等因素的共同作用，教育领域中的教师讲授与学生学习方式已发生根本性变革，因此高校教育模式进行革新已成为必然趋势。环境工程微生物学课程作为环境科学与工程专业人才培养的核心教育环节，由于教学内容繁多，在教学过程中，学生易出现精力不集中、求知兴趣低及抓不住重点等问题，故对课程与实验教学模式进行数字革新已成为必行之径。在教育数字化转型阶段中，环境工程微生物学课程面临着教材数字革新不易和师生数字素养不足等困境，同时亦面临着一定机遇，因此本文以环境工程微生物学课程为例，进行课程与实验的数字革新及科教融合的研究。基于上述内容，本文将探讨分析以下内容：一为教育数字化转型背景下高校教育存在的问题与机遇；二为高校教育应在课程和实验教学方面采取怎样的措施去应对教育数字化转型背景下出现的挑战和机遇。本文以期为高校教育数字化转型的实践与未来发展提供研究借鉴。

一 教育数字化转型背景下高校教育所遇挑战

（一） 教材内容数字化革新不易

在教育数字化转型大背景下，将教学内容进行数字化转型是环境工程微生物学课程进行数字革新过程中的核心挑战之一。课程所选教材内容较为繁多，且多为理论，难以使用数字化手段进行直观的讲授和呈现。环境工程微生物学课程数字教学内容应与时俱进，以便于适应当今的教育数字化转型阶段人才培养需求。除此之外，由教师进行《环境工程微生物学》教材理论内容讲授这一单向教学模式，易导致学生在上课过程中出现精力不集中、求知兴趣低及掌握不住重点等问题。基于此，将环境工程微生物学课程教学内容进行数字革新已成为教育数字化转型的困境之一。

（二） 师生数字素养与技能不足

随着新兴数字技术的快速发展，数字素养的内涵与概念已得到深化与拓宽，数字素养与技能由《提升全民数字素养与技能行动纲要》定义为数字社会公民在学习工作生活中应具备的数字获取、制作、使用、评价、交互、分享、创新、安全保障和伦理道德等一系列素质与能力的集合[1]。由于师生不具备充足的数字教育相关经验和技能，对数字化学习平台和工具的相关使用方式不够充分了解，故在面对环境工程微生物学课程数字革新时常会感到困惑。除此之外，在教育数字化转型背景下，教师需要具备如创建并编辑数字内容、开发并组织在线课程、在线讨论及互动教学等新型教学技能，以便于满足环境工程微生物学课程数字革新的需求。然而，由于师生数字素养与技能存在差异，致使数字教育质量参差不齐，故难以促进环境工程微生物学课程完成数字教育的革新。因此，师生数字素养与技能的不足已成为阻碍环境工程微生物学课程进行革新的关键问题之一。

（三） 学生实际操作不足

虽然数字教育可通过虚拟实验来弥补学生在实验中因操作不足而出现的问题，例如教师利用相关模拟实验软件进行微生物细胞的计数和测量实验，同时让学生在计算机上通过调整相关实验参数，以观察不同的实验结果，但如果将虚拟实验或模拟实验完全代替学生的实际实验操作，那么学生将会难以感受到真实的实验操作过程，对相关理论与实际操作知识掌握不够牢固，进而致使学生未来在遇到相应的实际环境污染问题或者实际操作时无处下手[2]。此外，每个学生对理论和实验的侧重点不同，有的学生侧重于理论学习，而有的学生则侧重于实验操作。然而数字教育主要侧重于理论学习和模拟实验操作，以至于无法兼顾到每个学生的需求。

二 教育数字化转型背景下高校教育所遇机会

（一） 拓宽高校教育边界

在教育数字化转型背景下，高校可通过增设在线课程与远程学习的方式进行教学，令学生克服距离和时间的局限，接触并学习到来自世界各地的高质量教学资源，进而对学习空间进行延展且增加学习机会。同时，数字教育技术亦为高校毕业生的实习培训提供了专业实践和企业合作的机会，进一步促进教育与企业的紧密结合。

（二） 教育质量稳步提高

随着一系列新型数字教育技术的兴起，教师授课方式逐渐多元化，可通过多媒体教学与模拟实验软件等智能工具，使学生直观且生动地理解并掌握环境工程微生物学课程教学内容，激发学生的求知欲和学习兴趣，进而提升课程教学效果。同时，在环境工程微生物学课程中采用数字教育技术，不仅实现多方优质教学资源的共享，而且促进教学与科研之间的合作交流，进而推动课程的数字革新[3]。除此之外，高校教育通过采取数据分析与智能评估系统等数字技术进行教学过程及教学成果的监测和评估，助力教师对课程教学方法进行调整，进而稳步提高教学质量和教学效率。

（三） 满足学生个性化需求

在教育数字化转型背景下，环境工程微生物学课程可通过大数据分析等手段为学生制订个性化的学习计划，从而满足学生个性化的学习需求。同时，高校学生在整理相关学习资料的过程中，可利用思维构建的模式进行电子版知识库的搭建，以便于在日后学习中可随时查找并取用[4]。此外，由沪江、松鼠AI等自学平台的发展趋势可知，环境工程微生物学课程探索效率高、自适应及满足学生个性化需求的教学模式已成为课程革新的必然趋势。环境工程微生物学课程可通过人工智能等手段及时干预学生的学习过程，配置精确的高质量教学资源，满足学生的个性化需求，从而对高质量的个性化教育发展起到一定的推动作用[5]。

三 教育数字化转型背景下高校教学发展新路径

（一） 构建课程数字化教学体系

在教育数字化转型背景下，环境工程微生物学课程不仅需要满足环境科学与工程专业人才培养需求，而且需要对课程教学模式进行创新实践，以便于使得数字教育技术在高校教学中发挥最大的潜力。

1  加强数字化教学资源建设

在教育数字化转型背景下，环境工程微生物学课程数字革新的核心为对教学资源进行有效数字整合及数字优化。该过程将理论的微生物学知识与新兴数字技术相结合，在结合过程中将会产生更丰富、更具互动性的教学内容，使得数字化教学资源更符合学生的实际学习需求。高校可通过国家智慧教育公共服务平台进行数字化教学资源共享平台的建设，在国家智慧教育公共服务平台内，可将教材资源、课程教学资源及相关学术资源汇集整合到共享平台，确保教师和学生在讲授和学习过程中快速且精确地搜寻到高质量学习资源，进一步推动学生的全面发展。在对教材内容进行数字化优化时，可创建《环境工程微生物学》知识图谱进行数字化教材知识体系的表达，以便于计算机识别并处理数字化教材内容，可形成适宜特定学生的学习内容，进而为师生制定个性化教学或者学习计划。其中，在进行《环境工程微生物学》知识图谱的构建时，需以知识点为基点对数字化教材内容划分为颗粒化知识点，并将颗粒化知识点以网状结构构造为知识单元，从而构建成数字化教材章节内容[6]。此外，环境工程微生物学课程作为环境科学与工程专业的核心课程，在进行该课程的数字革新时，应充分考虑当前教育数字化转型阶段的发展趋势、发展需求及学生培养目标，有针对性地开展调研，进而在课程教学中充分利用数字教育技术的创新价值。

2 实现教学模式的数字化

为适应教育数字化转型阶段发展趋势，发展环境工程微生物学课程的数字化教学模式尤为重要。该课程数字化教学内容体系应从多角度、多层面进行传授，如教师在互动式学习环境中通过资源共享平台上的优质多媒体教学资源进行线上与线下混合教学，使得环境工程微生物学教学内容更加丰富且生动，进而提升学生的求知欲和学习自主性。数字化教学内容不应仅由教师进行单一的传授，而应由师生双方互动、反馈并及时调整教学模式。教师可通过大数据分析等信息处理技术平台了解到学生对环境工程微生物学课程教学模式的反馈内容，从而及时调整课程教学内容与教学模式。同时，教师可利用信息处理技术对学生学习成绩、课堂互动记录及学生学习行为等方面产生的数据进行收集和分析，深入了解学生的具体特点，有助于教师在课程教学内容和教学方式上做出更精准的调整，进而满足学生的个性化学习需求[7]。此外，教师可利用数字教育技术搭建而成的在线辅导平台为学生解答问题，使得学生无障碍获得学习帮助，并解决传统教学过程中出现的学生答疑机会不足的问题。

3 加强师生数字素养与技能

为满足教育数字化转型阶段出现的数字素养需求，应提升师生的数字素养与技能。为提升教师的数字素养与技能，高校应先进行数字设备培训，使得教师具备操作常用数字软件、工具、平台的基本技能。其次，高校应开展数字教育能力主题培训，强化教师具备运用数据采集、虚拟实验及人工智能等技术的数字化应用能力，有助于教师实时了解学生的反馈内容和学习行为等信息，从而及时调整课程教学内容及策略。此外，高校应搭建教师交流学习平台，激励教师之间进行优质教学经验与资源的分享，从而全面提升整体教师的数字素养与技能。为提升学生的数字素养与技能，高校应通过设置设备操作培训课程，使得学生具备熟练使用数字设备及平台的能力。高校还可通过在课程教学过程中设置模拟实验和线上协作等活动，使学生的数字素养与技能得到有效提升。

（二） 构建实验数字化教学体系

在进行环境工程微生物学课程教学中，为提升学生的实践操作水平及将理论知识运用到实际环境污染问题的能力，课题组设置了“微生物的细胞和计数”“细菌的简单染色和革兰氏染色”及“培养基的配制和灭菌”等实验。课程实验教学作为环境科学与工程专业的核心基础教学环节，其具有实践性强、操作困难的特点。在进行显微镜观察细胞、细菌染色、制备培养基及检测微生物等实验操作时，需要学生对相关理论知识与仪器操作技能具有一定的掌握。同时，由于微生物学实验较为抽象，所测对象大都个体微小，并未具有直观的形象，无法直接取出单个细胞进行测量或染色，因此学生在进行实验时常出现多种问题。用显微镜观察个体微小的菌种时，学生常会出现难于区分相似菌种及辨认形态结构的问题[8]。由于环境工程微生物学各实验内容相互独立，且与课程理论知识缺乏内在联系，故学生无法将实验与专业知识进行很好的连接，从而无法具备将微生物学知识应用到未来实际环境污染问题中的能力。综上所述，在教育数字化转型背景下，对实验进行数字化构建尤为重要。

1 实验设备数字化升级

随着大数据、云计算及AI等技术的快速发展，传统的生物实验教学模式已经无法满足当今教育数字化转型阶段的教学需求，高校应发展多元的实验教学模式。高校可通过采用采集器、数字传感器等数字设备进行实验过程中的实时测量、数据采取分析及智能管理，完成传统生物实验室的数字化升级，进而实现微生物实验与数字技术的全面融合[9]。在数字化实验室进行环境工程微生物学实验时，学生可采用数字设备将实验变量呈直观形态展现出来；学生可采用数字设备将不可逆的实验现象记录下来，从而清晰地观测出实验现象的变化过程；学生可通过数字设备将实验过程中所产生的数据完整记录在册，将数据与实验现象结合观察分析，使得学生全面且深刻地掌握相关理论知识及实验操作。除此之外，高校可将传统生物实验室与虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等新型数字技术进行融合，实现虚拟实验平台的搭建，学生可在虚拟实验平台进行初步实验设计及模拟实验，进而降低学生在后续正式实验中的犯错率及实验成本费用。

2 实验教学资源数字化升级

实验数字教学资源平台应由环境科学与工程专业课题组将实验教学资源进行收集、整理及加工搭建而成，该平台将环境工程微生物学各课程实验划分为实验理论、实验所需设备及实验操作介绍。其中，微生物实验理论包含实验目的、实验内容及实验原理等内容，以便于学生在正式实验前可初步了解该实验；实验所需设备包含详细且多方面的图文版与视频版介绍，以便于学生更直观地了解设备结构；实验操作部分包含详细的文字版、图文版及视频版供学生选择，以便于学生在正式实验前对实验操作有一定的了解。除此之外，学生可随时进行实验数字教学资源平台的学习，解决传统实验教学模式中出现的实验时间与实验设备限制的问题，从而对学生的自主学习能力和学习效果进行有效提升。

（三） 以“科教融合”理念发展“数字课程＋数字实验”教学模式

由于《环境工程微生物学》教材内容繁多，原理性极强，在教学过程中易致使学生出现学习兴趣低、专注力低下及难于将理论知识与实践相联系等问题，因此在教学过程中将科研成果引入环境工程微生物学课程相关知识点介绍中尤为重要。以科教融合理念为基础，发展“数字课程＋数字实验”教学模式可对繁杂的教学内容进行合理优化。在该模式中，高质量的教学可以有效地促进科研的进步，而课程教学内容的扩展也依托于科研的支撑，课程教学效果与科研成果两者相辅相成。例如在进行教材第九章第一节“污水生物处理中的生态系统”教学时，教师可以实验数字资源平台中的SBR工艺、CAST工艺及生物滤池等数字教学资源作为介绍切入点，进行好氧活性污泥法和好氧生物膜法相关知识点的教学，同时带领学生使用VR技术进行污水处理厂的线上参观，直接观察好氧活性污泥法与好氧生物膜法污水处理流程，将教材理论知识、实验知识及实际运用进行联合，进而加深学生对《环境工程微生物学》教材理论的理解。在进行“人工湿地中微生物与水生植物净化污水的作用”教学时，教师可将入淀湿地复合生态系统构建技术研究科研成果引入至人工湿地相关知识点介绍中，同时将课程数字教学资源平台中的相关人工湿地案例和实验数字教学资源中的人工湿地科研实例两者进行融合，进而激发学生的科研热情、求知欲及学习自主性。除此之外，在进行环境工程微生物学课程教学时，教师可引入数字教学资源平台中的宏基因组、16S RNA测序技术及实时荧光定量PCR等新兴技术的原理，以及应用场景来展现环境工程微生物学的发展趋势[10]。同时，教师应掌握环境工程微生物学领域相关研究进展，将所获最新微生物学知识补充至自身教学内容中，从而全面提高课程教学质量。

四 结束语

随着数字技术时代的不断发展，教育数字化转型已成为高校教育的必然发展路径。然而，在教育数字化转型阶段中，高校教育面临着多种挑战和机会。本文以环境工程微生物学课程为例，对高校过程中所遇挑战和机会进行总结，并探索该背景下高校教育发展新路径。其中，针对教材数字化革新不易的挑战，本文提出加强课程教学数字资源平台构建，增加教材数字化革新途径；针对师生数字素养与技能不足的挑战，本文提出如开展培训等一系列措施来提升师生素养与技能；针对实际操作不足的挑战，本文提出基于“科教融合”理念发展新型教学模式，增加学生实际的实践操作机会，从而提升学生实践能力。教育数字化转型阶段将会随着数字技术的发展迎来更为广泛的发展空间，因此高校教育应进行持续的探索，以便于适应未来的教育数字化转型阶段的发展需求。

参考文献：

[1] 卜卫.培养有包容性的数学素养[J].父母必读，2022（11）：38-41.

[2] 王文君，周荣艳，陶晨雨.教育数字化转型背景下动物科学专业教育的挑战与对策[J].黑龙江动物繁殖，2023，31（5）：44-47.

[3] 李志民.互联网推动教育数字化转型的机遇与挑战[J].佛山科学技术学院学报（社会科学版），2022，40（6）：5-11.

[4] 黄梦园.数字化时代高校劳动教育的机遇、挑战及提升策略[J].西部素质教育，2023，9（11）：102-105.

[5] 张海南.数字化转型赋能教育高质量发展的历史机遇与关键启示[J].电化教育研究，2023，44（6）：60-65.

[6] 孙燕，李晓锋.教育数字化转型背景下的数字教材发展需求、现状与对策[J].中国大学教学，2023（12）：85-91.

[7] 刘艳春，苗春荣，寇鹏飞.数字化背景下高校思政理论课教学路径探析[J].奋斗，2023（21）：75-76.

[8] 刘敬勇，罗建中，黄绍松，等.环境类本科专业环境微生物实验教学改革初探[J].广东工业大学学报（社会科学版），2007（S1）：152-155.

[9] 杨峰，宋涛，杨文胜.实验教学数字化转型的区域探索[J].中国现代教育装备，2023（24）：8-10.

[10] 李叶青，景张牧，江皓，等.微生物组学及其在厌氧消化中的研究进展[J].生物技术通报，2021，37（1）：90-101.