给排水科学与工程专业“水处理微生物学”教学改革与探索

曾涛涛 张晓玲 胡青 王国华 周玉林

摘  要：“水处理微生物学”是给排水科学与工程专业三大学科基础课程之一，为其他专业课程提供微生物学基础。为了让该课程更好地发挥学科基础课作用，作者分析了学生基础，在教学内容方面构建“强理论、重实践”的课程体系，以专业认证要求为指导，紧扣行业发展趋势。在教学方式上，采用启发式教学、研讨式教学与“学习通”网络教学法等措施进行教学改革与探索。改革效果显示，学生创新能力提高显著，参与大学生创新计划、发表学术期刊论文或获授权专利的学生均表示从课程改革中受益;实验操作能力提高显著，绝大部分学生对课程非常满意。该课程改革与探索为提高学生学习兴趣与创新能力起到了良好促进作用。

关键词：水处理微生物学  给排水科学与工程  专业认证  创新能力  研讨式教学

中图分类号：G64           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（a）-0193-05

Abstract： "Microbiology of Water Treatment" is one of the three basic courses in the major of Water Science and Engineering， which provides microbiological basis for other specialized courses. In order to make better use of this basic course， the author analyzes the students basics knowledge and provides a "strong theory and practice-oriented" curriculum system in terms of teaching content， which is also guided by professional programmatic accreditation requirements and keeps pace with industry development trends. The author has carried on teaching reformation and exploration in terms of teaching methods， such as heuristic teaching， seminar-style teaching and online teaching by using of "Learning through" software. According to the effect of reformation， the majority of students participating in undergraduate innovation programs， publishing academic journal articles or granting patents have expressed a direct benefit from the curriculum reform. Most students are very satisfied with the course， as well as their experimental operation ability has been significantly improved. Teaching reformation and exploration of the course have promoted students learning interesting and innovation ability.

Key Words： Microbiology of Water Treatment; Water Science and Engineering; Professional Programmatic Accreditation; Innovation ability; Seminar-style teaching

水處理微生物学是给排水科学与工程专业的学科基础课之一。本课程包括四部分内容：微生物学基础、污染物的生物分解与转化、水质安全与生物监测、微生物学的研究方法[1]。学生通过“水处理微生物学”理论学习和实验学习，掌握水处理微生物学的基本概念、基本理论及其在水处理中的应用，并掌握微生物学的研究方法和基本实验操作技能，培养理论分析、创新思维与解决实际问题的能力，为后面各门专业课的学习奠定必要的微生物学基础。学生通过课程理论教学，熟悉细菌、病毒、真核微生物等水处理中的常见微生物特征，能够熟练解释水体污染控制及处理过程中微生物的作用;学生通过实践教学，理解污染物降解与转化过程中的微生物机理，掌握典型有机物降解途径与无机元素的生物转化过程，用于污水生物处理过程的优化、调控;学生通过实验教学，正确掌握微生物培养、分离等基本操作及相关水质安全生物监测的技能。

微生物的种类繁多，涉及面较广，作者结合多年教学经验，发现学生不善于总结思考，特别是针对水处理微生物学这种文字较多的课程，传统的教学方法容易让学生被动学习，学完之后感觉知识点零散、抽象，无法切身体会该课程与其他课程的联系以及其在水处理实际应用方面的作用，从而导致学生学习积极性不高，学习效率低。在一个生物技术日益发展的时代，为了让学生深入掌握微生物学基础知识及其在水处理过程中的作用机理，为后续“水质工程学”、“工业用水与废水处理”等专业课程提供饮用水处理、水污染控制应具备的微生物理论基础知识，培养学生学习兴趣与提高创新能力，均需要不断进行教学改革与探索，以达到知识融会贯通的目的，确保学生能够及时掌握微生物学理论知识、最新发展趋势及该课程与其他课程的联系。为此，我们进行了五年教学改革与探索，以期为本专业人才培养提供更好的微生物学基础。

1  教学内容改革

1.1 基于学生生物学基础，构建“强理论、重实践”的课程体系

我校给排水科学与工程专业水处理微生物学课程于三年级上学期设置，这些学生在大学一、二年级进行了工程化学、水分析化学、水分析化学实验这一系列较为完整的化学基础理论学习和简单的实验技能学习，但没有涉及生物学。经过问卷调查发现，给排水科学与工程专业学生的微生物基础大多数来自于初高中的学习，一些学生高考时生物所占比例不多，而且对生物实验也没有考核要求，这就导致了学生之间的生物基础知识参差不齐。

根据教师的教学经验以及与学生交流，发现有生物基础的同学比那些没有生物基础的同学接受能力好，但最终期末考核时，两者之间相差不大。这种现象表明，可能有基础的同学在课前做好预习、课中积极讨论、课后复习这三个环节中某一个或几个环节做得不够好。因此，作者提出构建“强理论、重实际”的课程体系，在课程教学部分提醒学生，水处理微生物学的学习侧重点不同于初高中生物课，学习目的和理解过程也不一样，强调理论知识学习的重要性，留下适当的课后作业，让学生做到温故知新。由于大学本科阶段的学习注重实践运用，要求学生通过实际工程理解微生物在水处理过程中的作用机理，启发学生自主学习，并将各课程知识进行融会贯通。

1.2 以专业认证要求为指导，紧扣行业发展趋势

以专业认证要求为指导，选择教育部给排水科学与工程专业指导委员会规划推荐教材，即顾夏声、胡洪营等主编的《水处理生物学》（第六版），该书内容知识点涉及面广、权威性高，收集了许多相关研究的最新进展，也是住建部土建类学科专业“十三五”规范教材，不仅适用于给排水科学与工程专业和环境工程专业大学生，而且可用于相关领域的科研工作者、技术人员和研究生作为参考书目。

教学内容上，严格按照专业认证要求，理论教学方面要求学生掌握三部分内容，包括：（1）熟悉细菌、病毒、真核微生物等水处理中的常见微生物特征，能够熟练解释水体污染控制及处理过程中微生物的作用;（2）掌握污染物降解与转化过程中的微生物机理，掌握典型有机物降解途径与无机元素的生物转化过程，用于污水生物处理过程的优化、调控;（3）掌握典型废水生物处理方法及其原理，针对饮用水、污水生物处理过程，提供合适的比选方案、工艺与装置。这三部分分别对应专业认证十二个毕业要求中的“工程知识”、“问题分析”与“研究”，具体每章与行业或者实际应用相关的内容见表1。

《水处理生物学》（第六版）现有的框架结构比较灵活，覆盖面也很广。作者在相关章节紧扣行业发展趋势与水处理技术进展，介绍微生物相关内容在水处理领域应用情况。例如在生物脱氮过程中，增加短程硝化、厌氧氨氧化等最新脱氮技术介绍，并与传统工艺进行比较，结合学生实习见闻，促进学生对相关内容的理解与掌握。布置作业与思考题，让学生查找水处理生物技术研究进展，激发学生求知欲和开阔视野，也为后续“水质工程学”、“工業用水与废水处理”等专业课程学习奠定坚实的微生物学基础。

在“水处理微生物学”课程教学中，实验教学及技能传授同理论知识一样重要，根据专业认证要求，实验项目包括验证性实验、综合性实验与设计性实验，结合给排水科学与工程专业规范要求，实验教学内容见表2，总计16学时。

实验课与理论教学相辅相成，在培养学生实践创新能力方面发挥了重要作用[3]。为了加强学生对实验内容的熟悉，更好地进行实验操作，在课前向学生发布相关实验操作步骤，要求学生提交预习报告。

2  教学方式的改革

教学方法和手段的改革一直以来都是教学改革过程中备受瞩目的内容，如渐进研究式、互动讨论式、案例分析式、发问启发式、课堂辩论、导师制、五步教学、翻转课堂[2]及现代化教学手段（学习通、雨课堂、微课）的应用等。在教学过程中作者根据具体的教学内容多种教学方式配合使用，对于基础知识采用以教师讲授为主，配合采用启发式教学;研讨式教学主要应用在交叉知识部分;所有课件均上传到“学习通”，供学生课前、课后学习。

水处理微生物学理论部分与实验部分各自独立考核，各自均采用百分制。理论部分成绩评定由平时成绩和期末考试成绩两部分组成，其中期末考试为闭卷考试，成绩占70%;平时成绩占30%。通过课堂表现、研讨课完成效果及课后作业等环节形成平时成绩，这些环节中，课堂表现占平时成绩的20%，研讨环节占平时成绩的60%，课后作业占平时成绩的20%。

2.1 启发式教学

根据教师多年教学经验，地方高校许多大学生缺乏自觉学习的习惯，即使要求他们在上课之前做好预习，能认真完成的也少。单纯根据教学大纲内容授课，学生学习热情不高，但如果以问题作为切入点，可以启发学生提前思考;课堂上针对这些问题，重点讲解解决问题的思路并与学生自己的思考进行比较，将能有效提高学生积极性，充分发挥主动性。如在第四章讲解之前，先提出问题：（1）真核微生物与原核微生物区别有哪些？（2）原生动物与后生动物在污水处理中的指示作用？（3）藻类在水处理工程中的作用？课堂授课时，多提问题，启发学生思考，将预习时的问题解决。学生带着问题预习、进课堂，跟着老师思路，找到解决问题的方法，经过这个过程训练，就会将课程重点、难点理解与掌握，培养了学生主动思考、分析问题与解决问题的能力。

2.2 研讨教学法

作为专业基础课程，有些内容会和其他专业课程有联系，在教案设计时，会注意到某一章节将涉及另一课程的内容，教材上所能介绍的内容并不详细，这时就需要学生自己去查阅参考书目和有关文献。选用部分教学内容，让学生以5～10minPPT或读书报告的方式在课堂上讲解，大家再进行讨论交流，对于分歧较大或者学生一时无法理解的问题，老师会进行点评或者指导学生如何查阅资料，提供解决问题的一些思路，但需要学生主动去思考，并分析、总结，才能最终找到问题的答案。这种教学形式既增长学生知识，开阔视野，又让学生养成主动思考的习惯。教案设计时，一些与其他课程交叉内容进行课堂研讨。

2.2.1 涉及“水质工程学”的研讨内容

“水质工程学”是本专业的核心专业课程，基本工艺流程较多涉及微生物作用，特别是脱氮除磷过程。例如在第十章“微生物对污染物的分解与转化”教学之前，让学生查阅资料，讨论硝化、反硝化细菌如何进行生物脱氮，聚磷菌的除磷机理，短程硝化、厌氧氨氧化等脱氮新技术，让学生选取感兴趣的内容，进行课堂研讨。

2.2.2 涉及“工业用水与废水处理”的研讨内容

“工业用水与废水处理”也是专业课程，培养学生具有解决工业用水及废水处理的能力，掌握工业给水及废水处理工艺流程设计和计算的基本知识。在工业废水生物处理时，需要用到厌氧微生物，其中就有古菌，如产甲烷菌。在介绍第三章古菌之前，让学生选取“古菌的基本特征、形态结构、生存环境或产甲烷菌在污水厌氧处理中的作用与机理”等内容，进行课堂研讨。

2.2.3 涉及“给排水科学与工程专业英语”的研讨内容

在水处理微生物学教材中，许多专业名词有相应的英文，这为专业英语的学习提供了很好的素材，而专业英语也需要和具体专业知识内容联系起来，才能有更好的教学效果。因此，一些教师尝试对本门课程采用双语课程模式[4]。在地方高校教学中，完全的双语教学效果有待提升。作者尝试在部分内容上，以研讨课的形式，围绕Activated sludge processes，Water and wastewater treatment methods等主题，让学生查阅相关英文资料，并进行读书报告，受到学生广泛欢迎。

2.2.4 涉及“水处理新技术”的研讨内容

本专业注重前沿理论与工程实践相结合，“水处理新技术”课程主要让学生熟悉水处理新理论、新技术和新工艺，主要介绍污水生物脱氮技术、生物除磷技术、厌氧生物处理新技术等。为了更好地为水处理新技术课程提供微生物学基础，让学生结合之前实习过程，讨论A2O工艺中厌氧段、缺氧段、好氧段分别是哪些微生物在发挥作用，如何实现去除有机物、脱氮除磷的效果。学生可以结合污水厂实习经历，理论联系实践，有效提升教学效果。

2.3 利用“学习通”网络平台教学

为了更好地促进水处理微生物学教学，所有课件均上传至“学习通”网络教学平台，随着智能手机的普及，便携化的网络教学平台为学生移动学习提供了便利，也方便师生沟通交流。此外，作者不断完善和改进“学习通”网络教学平台内容，不断完善与课程相关的知识，丰富学生线上学习资源。

3  本课程综合教学改革实施效果

为了评价课程改革效果，了解学生的感受与想法，对近五届学生进行网络问卷调查，各年级设置30份问卷调查。调查结果显示，本课程综合性教学改革有助于学生对水处理微生物学理论知识的理解，提高了学习积极性，增强了创新意识，为本专业创新型人才培养提供有力支撑。经过五届教学改革实践，取得了良好的实施效果。

（1）学生创新能力提高显著。近3年本专业本科生发表国内外学术期刊论文22篇，指导学生获授权专利23项，大学生研究性学习和创新性实验计划项目14项，平均为5～8项/年;而3年前这些体现创新能力的论文、专利、项目平均只有2～3项/年。其中作者指导学生于2018年发表论文《生活污水处理厂微生物群落结构解析》及2016年发表论文《基于短程硝化工艺的垃圾渗滤液脱氮处理研究进展》，这些成绩的取得，都源自于师生课堂研讨。任课老师发现，学生可以充分利用水处理微生物课知识，应用于大学生科技创新比赛等科研活动中，或者参与专业教师的相关课题。“用于含铀废水处理的微生物燃料电池”“用于酸性含铀废水处理的升流式厌氧生物滤池”“基于生物硫铁的铀污染地下水处理渗透反应墙”这三项实用新型专利，学生充分应用微生物学知识，与其他课程知识结合，申请的专利获得授权，反映学生创新能力得到提高。

（2）学生对该课程满意度高。问卷调查发现98.4%的学生认同本课程的教学模式，99.2%的学生认为取得了实在的效果，97.6%的学生认为该门课程为其他专业课程提供了较好的微生物学基础，99.2%的学生认为该门课程教学改革为创新课题提供了帮助，95.2%的学生认同该门课程为研究生学习或工作提供了帮助，学生满意度从2013级的82.4%提高到2017级的98.4%。由此可见，水处理微生物学教学改革，让专业知识更加体系化，受到学生的广泛接受与认同。

参考文献

[1] 顾夏声，胡洪营，文湘华.水处理生物学[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.

[2] 陈雯莉，胡胜.课堂之外——微生物学“翻转课堂”的改革实践[J].微生物学通報，2016，43（4）：735-741.

[3] 王国华，曾涛涛，袁华山，等.信息化教学在《水处理微生物学》实验教学中的应用[J].教育现代化，2019，6（70）：71-72，82.

[4] 李勇超，吴继鑫，任伯帜.水处理微生物学双语课程模式探索[J].教育现代化，2018，5（27）：54-56.

[5] 张万丽.中国近代城市规划教育史研究[D].南京：东南大学，2017.

[6] 陈坦，金军，王英，等.民族院校环境工程专业的建设特色与培养方案调整初探[J].教育教学论坛，2019（31）：119-123.

[7] 杨春红.适应与发展：高校海归英语教师专业身份认同研究[D].上海：上海外国语大学，2017.