国家工程教育专业认证背景下生物工程专业《微生物生态学》教学改革探讨

孟德龙 夏令 尹华群 刘学端

摘要：生态文明建设和国家工程教育专业认证的要求下，对《微生物生态学》的教学提出了更高的要求，也对本科学生所要求掌握的知识内容有了更宽、更深以及与应用相结合的要求。在生物信息学和测序技术快速发展的世代，《微生物生态学》有了新的内涵、宽度和深度，而现有并没有形成关于二代和三代测序技术条件下微生物生态学知识的教学体系，该文就国家工程专业知识认证背景下《微生物生态学》的教学改革和提升进行了探讨。

关键词：生物工程微生物生态学教学改革本科学生

中图分类号：G64文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract：Under the requirements of ecological civilization construction and national engineering education professional certification， higher requirements are put forward for the teaching of 《Microbial Ecology》. The knowledge content required by undergraduate students is wider， deeper and combined with application. In the generation of rapid development of bioinformatics and sequencing technology， 《Microbial Ecology》 has new connotation， width and depth， but there is no teaching system for microbial ecology knowledge under the condition of second-generation and third-generation sequencing technology. This paper discusses the teaching reform and promotion of ' microbial ecology ' under the background of national engineering professional knowledge certification.

Key Words： Bioengineering; Microbial ecology; Teaching reform;Undergraduate students

国家工程教育专业认证是成果导向教育（Outcome-based education， OBE），OBE以学生的学习成果（learning outcomes）为导向进行教学设计和教学实施，该成果强调学生在最终学习过程后证明自己真正具备的能力，而非单一的学生的考试分数。因此，在课程教育教学过程中应重点培养大学生的创新创业能力，提升学生应具备的综合素质（专业素质和道德素质）和职业发展能力。《微生物生态学》课程学习，有助于学生把生态文明建设摆在个人工作的首位、有助于学生形成以解决生态环境问题为核心目标的科研思维、有助于建设生态文明、推动绿色低碳循环发展，同时对学生深刻认识生态文明建设的重要意义，正确处理个人发展、经济发展和生态保护的关系。

微生物生态学定义为研究微生物与其生存的生物和非生物环境之间的相互关系及作用机理的一门学科，是生态学和微生物学发展形成的交叉学科，也是生态学的分支学科。微生物生态学不仅与生态学和微生物学的发展密不可分，还与土壤学、化学、环境科学、环境工程、食品科学、农林学、公共卫生及微生物流行病学等有着密切联系，因此微生物生态学的教学提升可有效提升学生在以上学科领域的专业综合素质。同时，《微生物生态学》课程内容设计多学科交叉内容，《微生物生态学》教学是培养具有交叉学科思维的创新人才的重要过程。国家工程教育专业认证中生物工程专业中要求学生毕业五年后预期达到：具有生物学和工程学理论应用的能力、具有扎实的专业知识和较强的独立工作能力、具有系统解决生物工程专业复杂工程问题的能力、具有良好的职业道德和综合素养等培养目标。《微生物生态学》教学的提升对学生契合工程认证中培养目标要求具有重要意义，但目前《微生物生态学》教学过程中仍存在一些问题，思考教学中存在的问题，提出解决方案，是工程认证中持续改进的重要内容。

随着分子生物学、微生物学、生物信息学研究手段的快速发展，微生物生态学知识、理论呈现爆炸式的增长;同时生态文明建设思想的发展对《微生物生态学》教学提出了更高的要求。《微生物生态学》课程教学中凸显出了一系列问题，现对问题进行如下叙述。

1  微生物生态学知识和理论发展迅速

近年来，随着测序技术的高速发展，以及生物信息学、高通量技术在生态学中的应用[1]，微生物分子生态研究中常用的技术由之前的核酸探针、分子杂交（原位杂交、分子克隆等）和分子指纹（T-RFLP、RAPD、AFLP等多态性分析技术）等技术转变为高通量测序、宏基因组等技术，对微生物生态的研究更加精细和全面[1]。生物信息学时期微生物生态学的知识具有数据量大、统计方法多、生态学概念更复杂等特点[2]。因此，对学生知识掌握要求也更高，不但要求学生有深厚的分子生物学和微生物学等知识，还对学生在生物信息学、数学等学科方向有所拓展，能够掌握基于大数据的微生物分子生态分析手段（扩增子高通量测序、基因芯片和宏基因组等），以及对分析数据的深入解读和更深地理解数据中存在的生态学问题。但是由于基于高通量（二代和三代）测序和生物信息学的微生物生态学知识起步于21世纪初（特别是454焦磷酸测序技术[3]发展和mothur软件[4]开发后），近十年来逐步完善和深入，在《微生物生态学》本科教学的教材、教案中并没有大量涉及新兴的内容和知识，对新的知识没有系统的整理和归纳，很难系统地将近十年来的知识融入教学体系中，提升学生对新知识的了解。虽然，在个别课堂教学中会加入少量有关基于測序技术和生物信息学的微生物生态知识，但是这些知识还没有形成体系，而且缺乏统一的标准。如需解决以上问题，需要形成更新的《微生物生态》教材和教案，在课程体系中不仅仅局限于传统的微生物生态知识，而是将传统《微生物生态》和《现代分子微生物生态》有机结合，合理配比两部分知识内容，体现传统与现代的结合，以及新知识、新理论的突破。

2  《微生物生态学》部分内容应在《微生物学》等课程的基础上深入，赋予更深的内涵

《微生物生态学》中对为不同环境中微生物的种类、微生物的适应性做了大量的介绍，但是这部分内容比较基础，而且在《微生物学》及其拓展内容中有大量介绍。此外，有关微生物间的生态关系在《微生物生态学》和《微生物学》中内容基本重合[5]。在《微生物生态学》中应该赋予微生物生态关系更深的内涵和知识要点，应从如何利用理论计算、大数据模拟、科学实验设计研究阐明微生物的生态关系，微生物生态关系如何赋予微生物适应性和生态功能，如何通过微生物生态关系知识了解微生物的生态位，如何利用生态学理论体系赋予微生物生态关系更深的内涵等方面更深层次地阐述微生物生态关系，就《微生物学》课程体系中微生物生态关系进行拓展和深入。此外，更应结合生物信息学时代微生物生态学的新内涵和新知识，合理地分配《微生物生态学》课程教学内容和知识要点，使《微生物生态学》的教学不局限于什么环境有什么微生物，而结合分子进化学、群落组装等知识更加深入地了解这些微生物为何会在特定环境中存在[6]，以及如何存在，甚至是微生物如何形成特定的群落。

3  《微生物生态学》教学需要实验实践和计算机课时的支撑

工程认证背景下，强调学生在最终学习过程后证明自己真正具备的能力，特别是创新创业能力，但是现有的《微生物生态学》教学体系中只有理论教学，而没有实验实践和计算机模拟课时。《微生物生态学》在环境（环境微生物生态）、人类健康（如肠道微生物生态）、农业（农业微生物生态学）、工业（工业微生物生态学）等许多领域都有特定的含义和应用价值，也与地球演变[7]、生物地球化学循环[8]等过程密切相关。以上知识在学生创新创业中有很广阔的应用前景，但是由于缺乏实验实践课程教学，使学生在学习过程中只注重考点内容，没有课后的延伸延展，且在学习过程中由于没有直观的理解，死记硬背的方式不能让学生真正理解微生物生态知识，从而不能使《微生物生态课程》与自己的职业生涯规划和社会需求有机联系在一起，对本科生综合素质提升作用比较有限。在教学过程中增设实验实践教学，深入了解微生物生态学在环境、人类健康、农业、工业等领域的重要作用，可以让学生讲课程知识与其应用现状、前景相结合，更加直观地理解《微生物生态学》的理论知识要点和应用技术关键，提升学生综合素质，符合国家工程教育专业认证的目标导向。另外一方面，在《微生物生态学中》有大量的生物信息学分析、大数据分析、统计分析和理论计算知识，需要深入的计算机知识储存，而且还有大量的R语言、Perl、Python等计算机程序。在《微生物生态学》中如果能有效地结合生物信息学、生物统计学等相关知识，对生态环境中的微生物的生态模型进行模拟，得出微生物生态学的普适结论，不但有利于学生掌握《微生物生态学》的理论知识，而且有利于提升学生综合素质。

4  《微生物生态学》教学内容与手段需要有效创新

《微生物生态学》这门课程知识覆盖范围极为广泛，对各领域的发展意义重大，教师要加强对教学内容与手段的把握。以海洋微生物的相关知识教学为例，针对海洋环境中的微生物特点以及未来的海洋资源开发前景，对知识点进行拓展，帮助学生掌握一些前沿的操作技能和理论性知识[7]。海洋微生物学理论教学创新应关注不同学科之间在内容上的交叉性，并通过综合性的实践任务帮助学生掌握这些知识的综合应用能力。生物信息学、生物海洋学﹑海洋生物形态学、生化和遗传学﹑海洋生物生理等内容的交叉部分不能作为了解性内容被一带而过，而是以此为切入点为学生设计实践任务[8]，以任务驱动学生对微生物生态学知识的实际应用进行探索，帮助学生掌握其基本应用规律。此外，《微生物生态学》教学内容还应包括一些前沿的新兴技术，促使学生了解其发展并掌握其应用。教师要意识到这些新技术将会推动海洋微生物研究领域的创新发展，让学生在学习中有更多的新发现，以培养学生对相关知识点的综合应用能力，促使他们了解实践应用方面创新成果。

5  结语

国家工程教育认证背景下，本科生综合素质能力是教育能力提升的直接体现，大学的教育的目标是提升本科生的综合素质能力。国家生态文明建设和“双碳经济”条件下，《微生物生态学》的教育尤为重要，提升《微生物生态学》教育教学水平，为祖国乃至全世界培養综合型生物工程人才。以课程体系为纽带，提升本科生专业知识和实践能力，整合学校和社会资源，提升学生的职业发展能力，对提升生物工程专业学生的就业和产出（Output）水平意义重大，进行课程教学改进，有助于生物工程专业教育认证通过。

参考文献

[1] LEHO T，MADS A，STEN A，etal.Perspectives and Benefits of High-throughput Long-read Sequencing in Microbial Ecology [J]. Applied and Environmental Microbiology， 2021，87（17）：e00626-21.

[2] HIRSCHP R，MAUCHLINE T H，CLARK I M.Culture-independent Molecular Techniques for Soil Microbial Ecology [J]. Soil Biology and Biochemistry，2010，42：878-887.

[3]王梦雨，王颢潜，王旭静，等.基因编辑产品检测技术研究进展[J].生物技术进展，2021，11（4）：438-445.

[4] SCHLOSSP D， WESTCOTTS L， RYABINT，etal.Introducingmothur： Open-Source， Platform-Independent， Community-Supported Software for Describing and Comparing Microbial Communities [J]. Applied and Environmental Microbiology，2009，75：7537-7541.

[5] 李明源，张甜，朱明军，等.转型发展视域下专业集群课程微生物学的课程建设探索[J].生命的化学，2021，41（6）：1316-1320.

[6] ZHOU J Z，NING D L.Stochastic Community Assembly：Does It Matter in Microbial Ecology？ [J].Microbiology and Molecular Biology Reviews，2017，81（4）：2-17.

[7] LI X Q，MENG D L，LI J，et al Response of Soil Microbial Communities and Microbial Interactions to Long-term Heavy Metal Contamination [J].Environmental Pollution，2017，231：908-917.

[8] 谷亚冰，刘征华，孟德龙，等.生物冶金过程中的关键微生物及其碳循环代谢途径研究[J].微生物学报，2018，58（4）：672-683.