构建新型的海洋地质微生物学课程体系培养创新性学科交叉型人才

魏士平 崔鸿鹏

摘  要：“双一流”背景下，对学科及课程建设提出了更高的要求，海洋地质微生物学是一门新兴的交叉学科，是对传统地质学和微生物学的继承与发展，为适应现代创新型人才的需求，海洋地质微生物学进行了新型的教学内容和教学实施过程的构建，并建立了科学的评价与反馈体系，目的是提高海洋地质微生物教学质量，为进一步促进学生具备创新性思维的交叉型人才的培养奠定基础。

关键词：海洋地质微生物学  课程体系  课程实施  教学质量

中图分类号：G642                             文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）04（b）-0201-05

Construction of a New Curriculum System for Marine Geomicrobiology to Foster the Talents with

Innovative Interdisciplinary Ability

WEI Shiping  CUI Hongpeng

（School of Ocean Science， China University of Geosciences， Beijing， 100083  China）

Abstract： Under the "double first-class" background， it sets a higher requirement for the academic discipline and curriculum constructions. Marine Geomicrobiology is one of the newly emerged interdisciplinaries， based on inheritance and development of the traditional geology and microbiology. In order to meet the demand of modern innovative talents under the "double first-class" background， we constructed a new teaching system for Marine Geomicrobiology by adoption of the new teaching contents and processes in the curriculum， and a sound teaching evaluation and feedback systems has been established. Its purpose is to improve the teaching quality of Marine Geomicrobiology and promote the training of talents engaged in interdisciplinary research. It is very important to promote the students' innovative thinking ability.

Key Words： Marine Geomicrobiology; Curriculum system; Curriculum activity; Teaching quality

海洋地質微生物学是地质科学与海洋微生物学紧密结合而形成的一门交叉边缘学科，是海洋科学专业的一门新兴的本科生核心课程，课程的教学目标是培养学生对海洋地质微生物学基础理论的掌握与应用能力;学会用微生物学的方法去解决和探索发生在海洋中的一些生物地质过程及现象;其目的在于不但能促进地质学与海洋微生物学之间学科的交叉、渗透与发展，更重要的是在“双一流”建设背景下，如何培养出跨学科交叉型创新性人才非常重要。本课程在教学内容及教学方法上都做了充分的调研，并以多年的教学内容与经验为基础，构建了海洋地质微生物学课程体系，以期和从事地质微生物学教学的同仁共同探讨，推动微生物学与地质学科的交叉与发展。

1  课程培养目标及教学内容的构建

1.1 课程培养目标

海洋地质微生物学是中国地质大学（北京）海洋学院本科生的一门专业核心课程，它是结合了学科发展和学校特色而设置的一门课程，其目的是在学习该门课后，使学生掌握有关微生物学的基本知识及实验操作技能，不但能胜任微生物学教学与研究的部分工作;更重要的是培养一批新型的学科交叉型人才，促进生命科学与海洋及地质领域的学科交叉与发展。因此在课程体系设置上，必须系统全面，尤其是在“双一流”建设背景下，课程体系建设必须围绕创新人才培养模式而进行。如何培养出创新式人才[1]，首先要有牢靠的基础，中国地质大学（北京）海洋学院的学生在生物方面的基础相对比较薄弱，因此，应把基础理论教学放在首位;其次是重视实验教学，海洋地质微生物学是一门实践性很强的学科，通过实验教学可以使学生具备解决问题的能力;最后是重视扩展阅读，通过拓展阅读一些国内外最新研究进展，有利于学生开阔视野，激发他们对问题的思考。总之，通过理论教学、实践教学与扩展阅读3个环节，培养一批基础牢靠、动手能力强、站得高看得远的学科交叉型人才。

1.2 课程理论教学内容的构建

由于地质微生物学是一门新兴的交叉学科[2]，目前国内尚缺乏地质微生物学的教材，而有关海洋地质微生物学更没有教材可以借鉴。因此，本课程教学内容的设立是建立在相关院校充分调研的基础上，并结合了本校的学科发展特点而建立起来的。教学内容分上篇和下篇两部分，共48个学时。上篇内容包括：（1）绪论;（2）地质微生物学研究方法;（3）原核和真核微生物的结构与功能;（4）微生物的营养与代谢;（5）微生物的生长与繁殖;（6）微生物的多样性与分类。这一部分的内容和其他生物院校所讲的微生物学基础知识大致相同，学生通过此部分的学习，可初步掌握一些普通微生物学方面的理论基本知识。但在实际教学过程中，教师应时刻不忘地质之本色，穿插讲述一些微生物的结构在地质中所起的作用，比如，讲到古菌的细胞膜时，在传统的微生物教学过程中往往注重细胞膜的结构与功能，学生听起来有点枯燥，笔者在教学过程中着重讲述细胞膜的化学组成，它是由类异戊二烯组成的一种四醚膜类脂物，在地质中可作为一种生物标志化合物，用来重建古海水和古湖水的表层水体温度[3]。下篇内容则主要围绕在海洋中的发生的一些地质微生物学作用及规律展开，为充实这一部分内容，先后到中国海洋大学海洋生命学院和中山大学海洋学院进行了调研，吸取了两校部分教学内容和经验，并整合到了海洋地质微生物学的教学体系中，逐步形成了自己教学内容特色。下篇内容包括了以下几个部分：（1）海洋微生物与环境，主要讲述利用海洋微生物去除有机物、重金属的污染，开展海洋生态环境的微生物修复;（2）海洋微生物地球化学循环，主要讲述海洋微生物所参与的碳、氮、硫、磷、铁、锰等元素的循环;（3）海洋微生物矿化，主要讲述发生在海洋中的微生物矿化及其机制，如趋磁细菌对铁的矿化、锰氧化细菌和真菌对锰的矿化、叠层石的形成、细菌对碳酸钙和白云石的矿化、硫还原细菌及脱硫细菌对黄铁矿的矿化等;（4）海洋微生物与能源，主要讲述海底微生物燃料电池、油气资源的微生物勘探等。通过下篇的学习，可以使学生突破对微生物学的传统认识，学会用微观的微生物作用解释或验证发生在海洋中的一些宏观地质现象。

1.3 课程实践教学内容的构建

海洋地质微生物学实验包括了基本微生物实验、拓展地质微生物学实验和创业创新实验3个部分。（1）基本微生物实验，包括了培养基的制备无菌操作技术，沉积物中微生物总数的染色计数，沉积物总DNA的提取，可培养细菌和真菌的计数、分离与纯培养，PCR扩增，NCBI数据库的查询与序列分析，系统发育树的构建等，基本微生物学实验是必做实验。（2）拓展地质微生物学实验，21世纪微生物实验技术得到了快速发展，海洋地质微生物学实验技术也是随着微生物学实验技术的发展而发展的，相应地，一些先进的微生物学技术也陆续地被应用到地质领域，比如一些分子生物学的方法，荧光原位杂交技术（FISH）、稳定同位素探针技术（SIP）、基因产物的探针检测技术qPCR）、功能基因芯片技术（GeoChip）等都是当代研究地质微生物的前沿技术[4]。由于本课程受客观条件以及课程本身的一些约束，这些实验尚在进一步建设当中，目前只通过线下教学以及线上视频的形式让学生了解这些技术的应用。（3）创业创新实验。此部分的实验主要是面向对海洋地质微生物学生感兴趣的学生开放，从实验选题、实验设计到实验的执行都是学生自己来完成的，在此过程中，教师只起到引导与启发作用。

1.4 拓展阅读，开阔视野

通过理论教学，学生可掌握海洋地质微生物学的一些理论基本知识，学生处于被动接受知识的初级阶段;通过实践教学，学生将所学的理论知识应用到实验中去，强化学生的动手和思考能力，由理论教学过渡到实践教学乃至海洋地质微生物的中级阶段;海洋地质微生物学教学的高级阶段在于让学生自己设计实验，解决实际存在的科学问题，这要求学生必须建立在大量阅读文献，跟踪国际最新研究进展的基础之上，使学生在该领域有个崭新的认识，并同时产生自己的科学问题。比如，经过理论教学，可以得知病毒是由核酸和蛋白质组成的，通过拓展阅读，让学生知道透过病毒元素的组成，可以诠释海洋中的生物地球化学循环;在理论学习中，可以得知微生物对底物的氧化是通过膜上的电子传递链进行的，通过拓展阅读，让学生知道海底的氧化还原势不同，微生物对物质的氧化与还原在膜上产生的电子可以被电极所捕获，从而可以进行海底发电[5]。这些都是海洋地质微生物学最新的科技前沿研究，通过阅读可以大大开阔学生的视野。

2  教學过程的实施

2.1 线下与线上教学相结合

线下课堂教学和线上网络教学虽然都具有各自的优缺点[6]，但二者可以做到互相补充、互相促进。（1）线下教学是海洋地质微生物学的根本，由于在线下课堂教学中，教师与学生可以在课堂上直接面对面进行沟通，便于学生对问题的理解，特别是对于一些难点，教师可以通过反复强调，甚至利用肢体语言传授信息。另外，教师还可以采用提问式教学和启发式教学及时得到学生的反馈，有利于激发学生的兴趣，引导他们对问题的理解与思考。（2）线上教学是对线下海洋地质微生物教学的有益补充，将海洋地质微生物每一章节录播上传网络，方便学生进行课前预习与课下复习;特别是对于学生难以理解的微生物地质过程，如叠层石是如何形成的，通过视频形式展示蓝藻是如何通过胞外多糖吸附钙离子，并通过胞内碳酸酐酶的作用形成胞外周围的碱性环境，造成碳酸钙的沉淀，再加上蓝藻席的周期性生长与外来沉积物的沉积，从而形成叠层石的暗层和亮层，这是一种典型的由生物诱导的生物矿化过程;而在生物控制的矿化过程中，则以颗石藻形成颗石的过程为例，以视频形式展示颗石是如何在高尔基体中形成，又是怎样通过囊泡运输到体外的。将这些视频上传到超星学习通平台，便于学生观看，理解微生物的矿化过程。另外，还可以通过超星学习通平台及时发放一些有关的科学前沿研究资料，拓展学生的视野。

2.2 主动学与互动教相结合

无论是线下教学还是线上教学，学生永远是学习的主体，教师在教学过程中扮演着组织者、引导者、合作者的角色。教学过程是一个教师的“教”与学生的“学”合作的过程，以学生为主体体现在尽可能地多给学生一些思考时间，多给他们一些表达自己想法的机会，为此，教师在教学过程做应极力避免“满堂灌”的方式，应通过互动式教学和讨论式教学方式把握学生对知识的掌握和理解程度，引导和激发学生对知识的渴求与思维，使他们产生内在学习的动力。

2.3 课堂实践与业余兴趣相结合

海洋地质微生物学是一门涉及多学科交叉的学科，它是通过原位观察或者实验室微生物实验的模拟，去认识发生在海洋或地质中的一些现象。为此，要认识发生在地质现象中的一些微生物作用过程，必须掌握微生物操作的有关技术，因此，在海洋地质微生物实验课中特地设置了一些微生物的基本操作实验，比如对海洋沉积物中微生物的计数、分离与鉴定等;同时，根据不同学生兴趣的要求，设置了一些更具有挑战性、前沿性的实验，比如细菌诱导的碳酸盐矿物的沉淀、白云石的沉淀，细菌对锰的氧化以及对重金属的转化等，这些实验都是根据学生的兴趣可以选择，并结合大学生创新创业训练计划项目进行，为对海洋地质微生物学感兴趣的学生提供了一个继续研究的平台。

2.4 课本知识与拓展知识阅读相结合

随着社会科技的进步，人们对于人才的要求也越来越高，学生不仅要掌握课本知识，还要能够做到理论联系实际，站在学科发展的一个更高视野去分析问题和解决问题。课本理论知识是基础，只有打好了坚实的基础，才能通过拓展阅读开阔自己的视野，逐渐发现问题，寻找自己的科学兴趣点。但在实际学习过程中，学生往往觉得课本知识太枯燥，不知道学为何用，需要通过进一步的拓展阅读，激发学生的求知欲。比如，在讲到病毒时，课本上往往只着重介绍病毒的结构及其在宿主细胞内的繁殖等，学生对病毒的认识也只能停留在认知阶段，常常把病毒与动物的流感等疾病联系在一起。通过拓展阅读，让学生知道有些病毒并不是引起动物疾病的杀手，它可以在海洋生态系统和海洋生物地球化学循环中发挥着重要的作用[7]，对于调节全球的碳循环都非常重要。再比如，一些细菌往往会产生胞外多糖，对于学生来说，这些多糖就是一种由不同单糖组成的多糖化合物，通过拓展阅读，让学生知道这种胞外多糖可以吸附一些阳离子，往往会成为矿物的结核点有利于矿物的形成。另外，细菌产生的氨基酸对矿物形态的建成也可能起着非常重要的作用，有的细菌只诱导形成方解石，而另一些细菌只诱导形成球霰石，通过让学生阅读国际最新研究进展，激发学生的思考和对知识的求知欲，对于培养创新性学科交叉人才非常重要。

3  教学评价与考核体系的构建

3.1 教学评价体系的构建

教学评价是对教师的教学与学生的学习效果能否达到教学目标所做的一个综合测量，根据教学评价结果的反馈，又可以促进教学内容、教学实施等过程的及时调整，对于保证教学质量至关重要。教学评价主要从以下3个方面进行。（1）教学内容的评价：主要请相关专家站在制高点上对课程教学大纲以及教学内容进行评价，是否有利于促进本学科的发展，是否有利于激发学生探求宏观地质现象背后的微生物机制，促进不同学科之间的交叉与融合。（2）教学实施过程的评价：一方面，请有经验的同行专家对教学设计、教学手段以及教学资源的利用是否恰当做出综合评价;另一方面，也倾听学生的呼声，以发放问卷的方式，匿名调查教师的授课内容及其采用的教学方式是否有利于学生接受与知识的吸收，以便教师及时做出调整。（3）教学效果的评价：主要是通过学生的成绩以及对实验操作解决问题的能力做出客观的评价。通过几年的实施，总结出教师的教学情况和学生的学习情况的薄弱点，制定出提高教学质量的有效措施。

3.2 考核体系的构建

考核具有双重的目的，一是通过考核可以检查学生对于某方面的知识或技能的掌握程度，反过来促使教师对教学进行调整，提高教学质量;二是对于学生来说，考核则是检验对自己所学知识的掌握程度，以便查缺补漏。由于海洋地质微生物学不但是一门理论性较强的学科，要求学生要掌握扎实的理论基本知识，而且也是一门实践性较强的学科，要求学生在掌握理论知识的基础上，注重学生实验解决实际问题的能力。因此，需要建立一套完整的、全面的考核机制，正确评价学生的成绩。（1）闭卷考试是根本。闭卷考试着重考察学生对基本知识的掌握，强化学生对基本知识的落实与巩固，占总成绩的40%。（2）實验操作技能是基础。通过一系列实验技术操作的训练，为学生进一步解决实际问题奠定基础，占总成绩的30%。（3）实验设计是考试的综合和提高。在理论和实践操作的基础上，进一步通过实验设计考察学生利用所学的知识和掌握的实验技术，去解决实际问题，占总成绩的20%。（4）课外作业是考试的补充。课外作业主要是由教师下载国内外最前沿的科研资料，根据所学的进度与内容布置学生阅读，开阔学生的视野，占总成绩的10%。

4  教学效果与问题

构建新型的海洋地质微生物学课程体系，改善教学过程以及教学与考核评价体系是一个长远的系统工程，它涉及到教学内容的不断更新、教学方法与手段的不断改进、教学环境的不断优化。随着课程体系的逐渐完善与部分内容的实施，激发了部分学生对海洋地质微生物学的兴趣，近5年来先后有30余人参加了13个大学生创新创业训练计划项目和3个实培计划项目，其中有3人在中国核心期刊上发表了文章;1人获得授权发明专利一项;并有6人分别考取了同济大学、浙江大学和中国地质大学（北京）海洋学院的地质微生物学方向的研究生。但在教学和实践过程中也存在不少的问题，比如受一些仪器的限制，一些拓展地质微生物实验还不能完全展开;另外，随着参加大学生创新创业训练计划项目的人越来越多，如何利用好空间、安排好时间也存在一些问题。

参考文献

[1] 马廷奇.一流学科建设与拔尖创新人才培养[J].国家教育行政学院院报，2019（3）：3-10.

[2] 李文均，将宏忱.地质微生物学：一门新兴的交叉学科[J].微生物学报，2018，58（4）：521-323.

[3] 曹建涛.山西公海过去15ka的湖泊沉积物支链甘油二烷基甘油四醚类脂物的分布特征及其古环境意义[D].兰州：兰州大学，2019.

[4] 何晴，王尚，邓烨.分子生物学技术在热泉地质微生物学研究中的应用[J].微生物学报，2019，59（6）：996–1011.

[5] Arias-Thode YM， Hsu L， Anderson G， et al. Demonstration of the septiStrand benthic microbial fuel cell power a mangnetometer for ship detection[J].Journal of Power Sources，2017，365：419-429.

[6] 李玉中，黄慧珍，陈晓华，等.“微生物学”“线上和线下”混合教学模式的构建与应用[J].科教导刊，2019，30（10）：108-110.

[7] Wigington CH， Sonderegger D， Brussaard CPD，et al. Re-examination of the relationship between marine virus and microbial cell abundances[J].Nature Microbiology，2016，1：1-8.