引入前沿与应用培养创新能力

肖 琳， 蒋丽娟， 王晓琳， 杨柳燕

（南京大学环境学院环境科学与工程国家级实验教学示范中心，南京210023）

0 引 言

当今科学处于飞速发展时期，在环境科学与生命科学的交叉领域尤为突出，对人才素质和能力的要求越来越高。创新性人才通常是指能够独立思考，具有创造意识和创新精神，能够创造性地提出问题和解决问题。创新性人才的培养需要在日常的教学活动中提供给学生进行主动进行创新观察、超前思维、丰富知识，并通过创新实践来培养坚韧的创新意志的机会［1］。本科教学偏重基础，为适应学科快速发展和变化，在保证基础教学内容系统完整实施的前提下，当前大学教育还需要引入新进展及新技术，以拉近学生与现代科学发展的距离，并能学以致用［2］。大学生实验课是一个实践过程，在提高学生认知能力，理论联系实际，运用所学知识和技能解决实际问题，培养创新型思维方面具有重要意义［3-4］。环境微生物学是采用微生物知识和技术研究处理环境问题的理论和技术基础，在“环境微生物学实验”中如仍沿袭传统的教学内容和教学模式已经不能适应新时代对人才培养的需求，微生物学实验课教学改革的重要性和必要性更显重要。

目前大多数高校所开设的“环境微生物学实验”基本以验证性实验为主，虽然能够培养学生微生物学的实验操作能力，但验证性实验不要求学生进行主动系统的思考和创新，限制了学生主动思维和创新能力的提高。并且由于只是进行课本上的传统型微生物操作实验，对新进展和新技术的培养相对滞后，不利于学生整体素质的提高。为满足双创型人才培养的需求，很多高校纷纷开展了综合性设计实验、研究型实验、自主性实验，以增强学生在实验过程中的参与度，提高学生综合素质和创新能力［3-9］。环境学院自2008 年起即开设了环境微生物自主实验［8］，但如综合性设计实验等一样，存在着教师主导实验设计和进程的问题，实验题目仍较单一，学生实际参与性不强等问题而影响了培养目标的达成［10］。为克服这些问题，在开设了多年自主实验的基础上，自2014 年起尝试将学科前沿引入环境微生物学和环境微生物实验的教学实践，并实现完全的学生自主实验，以促进学生对环境微生物前沿知识的接触和创新能力的培养。本文介绍结合环境科学与工程的专业特色，引入学科前沿，为本科生开设“环境微生物学实验”全自主实验的探索和实践。

1 自主性实验教学改革的目的和总体思路

“环境微生物学实验”的教学目的是与理论教学相结合，使环境科学和工程专业的学生建立和掌握微生物及相关操作的概念和技术，培养科学素养，强化自主创新能力，深化对微生物及在环境中的应用的认识，为今后从事环境科学的研究、环境工程和环境修复等相关工作奠定实践基础［8］。

大量新的环境问题不断涌现，如病原菌传播和抗药性基因的水平转移问题、消毒副产物、个人护理品和微塑料等新型污染物问题，以及固废和气体污染物的合理处置问题等，给环境微生物学的发展带来了机遇。同时，微生物学的新发现和新技术也极大促进了对环境问题的认识和处理技术的发展。同时，微生物学的新发现和新技术也极大促进了对环境问题的认识和处理技术的发展。

针对不断涌现的新的环境问题和生物学技术的迅猛发展，在环境微生物学自主实验中鼓励学生聚焦环境微生物领域前沿发展动态，创新性思考微生物学在环境科学与工程领域的研究和应用中的切入点，然后设计实验并实施。这种自主实验将提出问题和实验内容的权力完全交给学生，培养学生通过思考提出问题到解决问题的实践培养学生的创新能力，不仅激发学生进行思考和探究专业问题的兴趣，而且提供给学生相对系统的科研创新训练的机会，培养学生动手实践能力，并且促使学生主动学习一些新知识和新技术，以顺利达成目标，解决问题，为其将来在专业领域深入开展研究奠定基础。完全自主实验开设以来，学生主动提出了如肠道微生物对污染物的响应和对动物健康的影响，微生物在环境中的传播、微生物对微塑料环境行为的影响等研究问题，并进行了实验研究。这些针对学科前沿和社会热点环境问题的实践探索，让学生了解环境领域亟待解决的实际问题，认识环境工程微生物实验技术在环境领域的重要地位，激发专业学习和探索的兴趣，更有利于学生主动创新能力的培养。

2 基础性微生物学实验是自主性实验的必要条件

“环境微生物学实验”是一门基础实验课，基础性微生物学操作技术是教学中的重点。在有限的教学课时中需要合理安排实验内容，使学生能够系统掌握微生物学的基本原理和实验操作的技能，为进行完全自主实验打下基础。在环境微生物学实验教学中进行了模块化设计，分别为基础微生物学技术模块、环境微生物模块和分子微生物学模块，对学生进行基本技能的训练。其中基础微生物学技术模块着重培养学生无菌操作的概念和技术、进行微生物纯培养的技术（包括培养基的配制灭菌、平板分离方法）、显微观察技术（包括微生物制片染色和显微镜的使用）、微生物鉴定技术（生理生化反应和16S rDNA分析）等基本技术体系。环境微生物模块根据环境科学与工程的专业特点，开设微生物监测技术（水的细菌学检查和发光菌急性毒性试验）和微生物降解环境污染物（苯酚降解菌的分离）。分子微生物学模块开设环境总DNA 的提取、环境中16S rDNA的扩增和分析的实验，让学生紧随学科的发展，从分子水平去认识和研究环境微生物问题。

学生在进行这些基础微生物实验的学习中，全程参与每一个实验的前期准备工作，进行完整的环境微生物学实验技能训练。如在进行各类微生物的形态观察和微生物染色、大小测量和计数的实验中，都需要进行培养基的配制灭菌和接种的前期准备工作。在实验的安排中，则把培养基的配制和灭菌作为第一个实验，学生学习细菌、真菌和放线菌培养基的配制技术、灭菌和倒平板技术，既为后续实验做了准备，又学习了操作知识。这种调整也能使学生更清楚一个完整的实验流程，为自主实验打下基础。

为了能顺利进行自主实验，学生掌握基础技能，需要在教学过程中进行适当的调整，既能完成基础性环境微生物实验的教学计划，又有充足的时间进行自主实验。如在微生物生长曲线的测定时，虽然总体耗时较长，但在取样间隔有大量的空余时间。充分利用空余时间，安排学生进行后续细菌纯种分离、生理生化反应和水的细菌学检查的培养基的配制，进一步提高他们对固体、液体、半固体培养基的区别和配制方法、不同生理生化反应检测所需培养基的配制方法、以及进行水中大肠菌群检测的培养基的配制方法的理解和实际操作技能的掌握。通过这样不断强化他们的基础性环境微生物操作技能，为自主实验的实施做好技能和思想准备。学生在进行操作时，也能充分发现一些在实际操作中所存在的问题，如柠檬酸盐利用培养基pH的调节对培养基的颜色有较大影响，甚至会影响后续实验现象的观察，这也会促使他们在进行自主实验时注意避免已出现的问题。此外，也能让学生更熟悉在微生物实验中所用药品，如琼脂和营养琼脂的区别。为避免影响整体的实验进度，在学生进行准备实验时，教师需进行检查，如发现一些错误，要及时更正，并重新准备，最终使学生既能观察到应观察的现象，达到实验目的，更能充分进行完整的实验操作训练，不断成长［8］。

3 自主性实验过程

自主实验本着完全开放的原则，鼓励学生结合个人兴趣自主选择实验题目。自主实验的分组也完全参照学生自愿，自由组合，可以2 ～4 人一组，也可以1 人一组［11］。对于环境科学与工程的大三学生，在专业课的学习中已经对环境科学的发展前沿有所接触，更有利于自主实验选题。如在2018 ～2019 学年，学生选择了环境中的新型热点污染物微塑料及不同污染物对小鼠肠道微生物的代谢产酸作用进行了研究，这是非常具有前沿性的研究方向。学生在选题的过程中主动接触和了解不同环境问题的研究现状，使教学内容得到补充和更新，也使环境微生物自主实验具有前沿性、挑战性和新颖性。

以微塑料为例，它作为一种新型污染物引发了学生的研究兴趣。在学生提出后，教师指导学生查阅相关的微塑料研究进展的文献，发现微塑料上有大量细菌定殖，并且细菌的群落结构与水体中具有较大的差异［12-13］。根据这个研究现状，学生提出研究不同因素（水体中的可溶性有机物和光照）对微生物在微塑料上定殖的影响。在自主实验题目确定，科学问题提出后，学生们通过进一步对微塑料进行文献查阅、小组讨论，在教师的协助下，分别选择了生物可降解性微塑料和传统型微塑料作为研究材料，对实验方案进行分析和整理。实验小组根据实验方案分别研究了腐殖酸和光照对大肠杆菌在聚乳酸、PHA、聚乙烯微塑料上定殖的影响。在这个自主实验中，学生对微生物培养全过程、收集、检测、显微观察和拍照、微生物形成的生物膜的测试等方面进行了全方位的环境微生物学基本科研训练，而且对微生物与环境科学（水化学调节、光降解、吸附解析、微塑料的环境行为）的交叉，环境微生物学研究在环境中研究和应用中的意义有了更为深入的体会。

环境微生物学自主实验基本是一个小的独立科研训练，学生不仅要完成实验，更需要用科研的思维来完成整个实验从选题到结题报告。在完成自主实验的过程中，学生进行了独立思考，独立查阅文献，根据研究进展和自己已有的知识提出科学问题，根据制订实验方案，确定实验方法和步骤，准备实验材料，并根据实验需要学习仪器的使用方法（如在微塑料的研究中微生物定殖前后zeta 电位的测试），最后撰写符合科研论文要求的实验报告等。经过全自主性的环境微生物实验，学生得到了较为科学研究的训练，体会了创新思维、独立思考、主动参与的实践乐趣，为以后参与大学生创新计划项目和毕业论文等都打下了坚实的基础。

4 自主性实验的效果

环境学院自2014 年起，在原来的半自主性综合实验的基础上，进行了全自主性环境微生物实验教学的改革与实践，取得了明显的教学效果，也获得了一些经验和体会。①基础性实验和自主实验两者是相辅相成的。学生经过一段时间的学习和训练，储备了足够多的知识和技能，才有可能独立完成自主性实验。而自主性实验是对前期基础性实验的融合和提高，结合学生的兴趣和当前热点，是学生开始独立工作，自主创新的一个起点和实践。②学生具有很强的求知欲和自我管理能力，在教学活动中应予以充分的鼓励和肯定。通过自主性实验的教学实践，进行实验内容和实验室的双开放，可以给学生更大的自由思考和自主学习的空间，使其各方面能力得到充分的培养和锻炼，有利于学生素质和创新能力的培养［8］。

经过5 年的实践，发现自主性实验在激发学生学习热情、培养学生的创新能力、严谨求实的科学态度、团队协作精神方面成效显著。改革后不缩减原实验教学内容，每堂课内所安排的实验内容增加较多，尤其是后期的自主实验，实验的时间已经不局限于每周的实验课时安排，而是根据实验的进度来安排时间，学生主动利用午休、晚上和周末的时间来完成自己的实验。同时，学生对于如何将理论用于实践实现新的产出，也有了自己的实践体会。如在垃圾降解菌的分离中，学生在分离到产淀粉酶和蛋白酶的菌株后，想进一步提高其产酶能力，欲采用诱变的方法进行。通过查阅文献，确定采用紫外诱变，不仅提高了产酶能力，也掌握了在原来的实验教学大纲中并未包含的微生物诱变技术。

在基础性实验中，由于学生的全程参与，已对实验的严谨性有所体会。在自主实验中，学生更是得到了从实验方案制定、每个测试的实验步骤制定到全程自己准备、操作和获取实验结果的全面训练。这个过程中，若考虑不周，如出现培养基配制量不足、枪头忘记灭菌等情况，则会影响实验的进度，甚至造成实验的失败。通过这种全自主实验，对学生全面思考、严谨和求实的科学态度进行了很好的锻炼和培养。在自主实验中，通常每组会有2 ～3 名同学共同参与，也培养了学生的团队协作和沟通能力。如在进行实验的过程中，组内同学根据选课时间的不同，灵活安排实验时间，轮流进行实验，确保实验完成。小组间在实验技术和实验材料上也可以进行友好协商，互通有无，培养学生的科研团队协作精神。

创新和科研总不是一帆风顺的，常常会有失败的发生。环境微生物学自主实验因为并非验证性实验，并且是鼓励学生根据环境学科的前沿进行的实验设计，失败难免发生。如在微塑料的实验中就发现，聚乳酸和PHA微塑料在水中具有很好的分散性，而聚乙烯在水体中很难分散，并且后续很难离心操作，同学们只能舍去这个实验组，体会到创新和科研的不易，以及如何正确面对失败。

5 自主性实验存在的问题及反思

在自主实验中，虽然是要完全发挥学生的主动性，培养创新能力，但自主性实验仍是本科实验教育的内容之一，要保证每一个学生都能完成，教师需要在其中发挥好掌舵人的作用。在教学过程如发现有的学生积极性不够或尚不具备阅读文献、独立思考提出科研问题的能力时，教师就给予该学生足够的辅助，以敦促和帮助他们进行思考、探索、提出问题和设计实验方案［14］。在自主实验的选题上，重点鼓励学生选择自己感兴趣的内容进行研究，教师在教学中可根据当前的一些热点环境问题，提出几个备选方案（微生物对环境类激素的降解、餐厨垃圾分解菌的筛选等），有些学生可以在老师提供的方向中进一步细化来进行自主实验，以保证每个学生都能完成自主实验，得到充分的训练。在实验方案的制定中，可以通过提问，了解他的研究假设是什么，想证明什么问题，他设计的试验内容是否能够证明这些问题，并提出他还需要在哪些方面进行更改或深化。

环境微生物自主实验是针对大三的本科生开设的，虽然有些学生在大一和大二已经历些科研训练，但绝大多数学生的实践还以验证性实验为主。有的学生此时对完整的实验方案设计能力尚不足，此时需要老师反复对学生进行引导。为保证自主实验的顺利进行，①在前期基础性实验中的有意训练，在进行自主性实验时，更要与学生进行反复沟通，帮助学生完善实验方案。与大学生创新计划不同，自主实验时间较短，故实验方案的工作量和难度要适宜，以保证在有限的时间内能够完成。②通过让学生进行提前准备，确定实验方案，从而最大限度保证学生能在此阶段找到自己感兴趣的问题，并完成实验设计。③自主实验需要老师进行全程跟踪，要有研究生助教全程协助指导。由于在自主实验过程中实验室全天开放，实验室的安全管理也是重中之重［15］。自主实验虽然由学生自主设计、自主准备和自主完成，但老师的提醒和保障作用是自主实验能够完成的重要因素。自主实验因为实验安排的需要，大部分学生的实验并不能在原定的上课时间进行。老师即使不能在现场，也应该通过微信等即时通信，跟踪每个学生的实验进程，提醒学生养成良好的实验记录习惯，应对不时出现的问题，确保他们遇到问题能够及时解决，顺利完成自主实验。

6 结 语

虽然开设自主实验对本科生教训实验室的建设管理和教师都提出了更高的要求，但自主实验是对传统的实验教学的一个更好补充，将学生被动接受被动学习的模式转变为学生主动学习，以提高学生的自主学习意识和能力，有助于培养学生的创新意识。以自主实验为基础，通过大学生创新训练计划和创新创业训练，逐步提高大学生的双创能力，挖掘大学生自身潜在的创造力，为国家培养更出色的人才。