基于科研能力综合提升的《环境工程微生物学及实验》教学改革

孟凡刚，黄 越， 赵姗姗

(中山大学 环境科学与工程学院，广东 广州 510275)

《环境工程微生物学及实验》是一门涉及普通微生物学、环境科学、生物工程、化学工程等多学科的本科生课程，也是环境科学、环境工程、市政工程等专业的重要基础课之一[1]，具有很强的理论性、实验性[2-3]和应用性[4]。学生在学习普通微生物学一般规律的同时，需要学习微生物与环境污染控制之间的相互关系及其规律，强化对该行业有益和有害微生物及其应用方法的认识等。多学科交叉性和综合性也为开展本门课程的教学带来了较大困难[5-6]。根据“双一流”建设要求，中山大学拟在今后5年内实现80%左右本科毕业生的读研或出国深造。因此，“夯实基础-强化实践-提升科研素质”是今后专业主干课程的重要要求。如何培养学生操作能力、激发学生创新意识、提高科研素养是诸多高校微生物有关课程的重要议题[7-9]。针对这一问题，基于《环境工程微生物学及实验》这一重要课程，进行了一系列探索和尝试。最终的目标：在课程效果上，能显著提高学生对该门课程的兴趣，强化他们对专业知识的应用能力；在科研素质上，培养学生的独立实验和科研能力，以及阅读文献、分析数据和撰写论文及专利的综合能力。最终，培养具备自主创新能力的复合型人才。

1 教学改革的出发点及其所依托的载体

1.1 教改的主要出发点

目前，很多高校存在“重科研，轻教学”的现象[10]。产生这一现象的原因一方面是高校教师有较高的科研压力，一些教师把大部分时间用到项目申报、课题研究、论文撰写等工作，不能在本科教学中投入足够的精力；另一方面是各高校组建的大量高水平科研实验室和科研平台，主要对科研人员和研究生开放使用，本科生较少有机会进入科研实验室进行系统地学习和训练。但是，作为高校教师应该牢记自己的职业使命：把握国际学术前沿，解决国家和地方需求，完成知识和学术思想的传承。因此，在本科教学方面，将科研过程中的所学和所得传承给本科生，是教师的重要任务[11]。总体看来，如何将科研资源(实验平台、科研项目和研究生等)有效用到本科教学中是值得探究的重要课题之一。

1.2 教改依托的主要载体

以提升本科生科研素养为出发点，以《环境工程微生物学及实验》这门本科主干专业课为例，开展了教学改革。改革所依托的主要载体包括：①教学实验室和科研实验室：本科教学实验室和科研实验室具有显著不同的特点。借助本科实验的教学活动，可以让学生全面了解实验所需的基本器皿和设备，如培养皿、培养箱、摇床和灭菌锅，熟悉实验的基本要求和设备操作规程等[5-6]。通过本科实验的教学，可以培养和强化学生对环境工程微生物的兴趣，例如，观察污泥菌胶团结构、学习革兰染色和认识原生动物等。但多数本科实验的安排相对零散、碎片化，无法培养学生的系统分析问题能力。此外，本科实验内容相对浅显，不能满足部分学生对知识进行深度探索的需求。与本科教学实验室相比，科研实验室具有更强的研究性，能够让学生对某些感兴趣的课题进行深入系统的研究，锻炼学生的创造性，提高他们对课题的整体把握能力[12-14]，对科研素质的综合提高至关重要。因此，有效结合教学实验室和科研实验室对本科生科研素质的培育具有重要意义。②本科生科研训练项目：科研训练项目会为本科生进入科研实验室提供重要桥梁。通过申请和实施科研训练项目，可以激发学生对专业知识的兴趣，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。因此，如何设置本科生科研训练项目，并充分利用好这一资源，对于培养本科生的科研能力非常重要。中山大学环境学院永銮学社每年设置大量研究性学习项目，在中绿环保资助下，永銮学社对取得优秀研究成果的学生进行奖励。中山大学教务部实施了“大学生创新训练计划”项目，包括国家级、省级和校级三个层次，资助经费0.2～2.0万元/项。此外，广东省政府为深入实施科技创新人才战略，激发大学生参与科技创新的热情，实施了广东攀登计划专项，资助金额1.5～6.0 万元/项。在教授理论课和实验课的同时，鼓励学生申请和参与以上本科科研项目，使学生通过科研实践来提高科研创新能力，进一步巩固理论课知识。③ 研究生的“传、帮、带”：本科生科研训练项目不尽相同且工作时间不固定，每一个课题很难由一位专业老师全程跟踪指导。科研实验室的硕士和博士研究生有固定的工作时间，而且对课题研究有丰富经验。因此，可以由1～2名研究生对每个本科研究性学习小组进行全程指导，传授基本经验，帮助他们解决技术问题(如设计和搭建生物反应器)，带动开展科学问题的探究(如文献阅读和撰写专利等)。同时，研究生可以对本科生进行实验安全知识的详细讲解，仪器使用的系统培训，并提出实验室日常工作的基本要求，从而保证项目的顺利进行。

2 改革措施

2.1 培养计划

本门课程包括理论课54学时和实验课36学时。理论课安排在大二第二学期，授课时间为第1～18周。为及时巩固所学的理论知识，实验课安排在理论课授课学期的后半段(第11～18周)。以上理论课和实验课结束后，实施科研能力深度培养计划。大三第一学期，在本科科研项目的支持下，到专业教师的科研实验室开展课题研究，包括项目的启动实施、生物反应器维护和微生物性能表征等。大三第二学期，锻炼阅读文献和分析数据能力，参加专业教师课题组的组会并汇报研究进展，分享阅读文献心得。大四第一学期，学习撰写结题报道、论文和专利等科研素材。

2.2 理论授课与实践的协同

《环境工程微生物学及实验》的授课对象为大二学生，他们对微生物和有关的工程技术缺乏认识，理论学习会感觉枯燥乏味。因此，在理论授课的同时，将实验室作为第二课堂，面向授课班级所有学生同步开展课外认知学习活动，邀请学生参观科研实验室，并在实验室中参与操作，在实践中认识各类微生物和环境污染控制装置等。学生对微生物和装置有了初步认识，便开始产生学习兴趣，再回到课堂交流，可加深学生对知识的理解，夯实理论基础，使学习更为多元化。

2.3 理论授课与研究性实(试)验的协同

2.3.1 研究性微生物实验指导 在这个过程中，为了让理论知识“活”起来，对学生开展实验操作技能的培训。带领学生开展以高效絮凝细菌的分离、筛选、条件优化、应用效果等为主题的综合性实验，让学生在实验过程中学习，亲自观察细菌形貌特点，熟悉微生物实验操作过程，并完成实验论文。综合性实验可以使学生将课堂所学的知识在脑海中立体化，强化专业认知，从而提高教学质量。

2.3.2 创新实(试)验训练 为开阔学生的视野并激发学生的科研兴趣，在理论授课和实验授课的同时，通过结合教学团队和研究团队的资源，将本科生的实验与科研课题融入到硕士和博士生的研究课题中，为本科生提供创新实(试)验的机会。在这个过程中，学生可自主申报研究性学习课题，分组开展研究，由教学团队老师及研究生进行管理与指导，逐级提升本科生的独立思考能力，分析问题、解决问题的能力，实践能力和综合科研能力，为继续深造打下坚实的科研基础。

2.4 综合科研能力训练计划

完成理论学习和研究性实验后，开展实验课题总结汇报，根据本科生的实验结果和学习兴趣，遴选或建议学生开展系统、深入的课题研究。鼓励学生在兴趣的基础上，结合专业发展方向，广泛阅读文献，自由选择研究内容。在教师的指导下，设计完成具有一定研究意义的课题。通过第一课管理论授课和常规实验以及第二课堂的系统科研训练，培养学生敏锐的科研洞察能力，锻炼学生的创新能力。同时，训练学生的文献阅读能力，提高论文和专利的写作水平。

3 改革成效

该改革曾以2013级环境工程2班(全班共30人)为对象，开展了有关尝试，取得了显著的效果。实施过程中，班级中的多数学生表现出很强的好奇心和求知欲，踊跃参加实验和科研训练。学生也对此项改革表现出极大地参与热情，他们在调查问卷中写到：“走进实验室，使我觉得知识不再只出现在课本上，微生物的形态清晰地出现在我眼前，这是一个奇妙的过程！”“我认为参加科研项目是我本科过程中一个质的变化。”“环境工程微生物课程的亮点是有附带的实操课程，让同学们在提高动手能力的同时对所学内容有更深入的了解，为进一步开展研究提供了基础。”“第一次比较系统地了解到一项科研项目是如何设计并进行的，并学会了如何分析数据并得出结论。”“在这个过程中得到了成长，以前为了考试，在考试前再去看书复习背提纲，到了现在需要为了自己的课题大量地去阅读文献，甚至读英文文献去了解最新前沿知识。”

期间，该班级学生获得广东省攀登计划项目1项、中山大学“大学生创新训练计划”项目8项、学院研究性学习项目15项。据统计，这些数字远高于学院其他班级的科研项目数目。在广东省攀登计划支持下，部分学生申请并获得授权国家专利1项。有两位学生分别对多个污水处理生物反应器进行了一年多的研究工作，成果得到了专家的高度评价。一位学生对3个厌氧氨氧化反应器进行了400天的研究工作，发现进水氨氮浓度的差异会显著影响厌氧氨氧化菌的种群结构，并撰写英文论文1篇。在该班级毕业生中，有10余位学生申请到境外知名大学的研究生或博士生入学资格，包括哥伦比亚大学、安大略大学、新南威尔士大学、里昂大学、麦吉尔大学等。也有多位学生被保送到北京大学、南京大学、中山大学和中科院等单位继续攻读硕士或博士学位。该班级的升学率高于其他班级10个百分点以上。

由此可见，改革后教学和实践的内容大大增加，激发了学生的学习热情。学生会充分利用课余时间完成课外实践、研究性项目等内容，在兴趣的指引下、项目的驱动下和研究生的带动下主动探索科学的奥秘，提升自我的科研素养。

4 结 语

环境微生物学在环境领域的学习中极为重要。而提高学生科研综合素质是一个逐渐积累的过程。通过为期较长的教学训练，能够让学生逐渐养成自主学习、勤于思考、积极创新的习惯。充分利用学院优秀的教学团队、研究平台、科研实验室资源为本科生提供一个良好的发展平台。针对不同时期学生的综合素质情况，因材施教，让学生在专业领域中能够充分发挥自己的潜能，激发学生对专业学习和探究的热情。让理论教学与实践、研究性实(试)验相结合，系统的训练使学生逐渐对科研有全面的认知，并在此过程中提高学生的科研素养，强化学生的创新能力。改革也存在诸多不足，例如：研究小组学生具有流动性、周期过长、对教师队伍要求高等。另外，还需要引进较好的评价方式[15]，分别对选课学生的表现和课程质量进行跟踪考核。