研究生环境分子微生物学技术课程建设探索

董丽丽 王婉晴 杨飞 王团团

摘  要：科学技术的进步为分子生物学技术的快速发展提供了契机。分子生物学技术在解析复杂环境问题上独特的作用越来越引起学者的广泛重视，全国各大高校的环境类专业也逐渐将环境分子生物学技术作为本专业研究生的选修课程甚至主修课程开设。文章着重就研究生教学中该课程的教学内容、教学形式、考核方式等方面展开探讨，以期为开设了环境分子微生物学技术相关课程的学校在教学设置与安排方面提供有益的借鉴与参考。为加强环境分子生物学技术课程建设和教学改革推进提供理论和实践经验。

关键词：环境分子微生物学；课程建设；研究生教学

中图分类号：G640    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）20-0123-04

科学技术的进步对地球生态环境系统而言是一柄双刃剑，一方面带来了社会经济突飞猛进的发展、人类生活水平的普遍提高及人类文明的进步，另一方面也造成了全球尺度的环境污染和能源危机［1］。近年来，一些新环境问题、新环境污染物等进入大众的视野，给人类的生存发展带来了极大的风险，给人类生命健康带来了极大的威胁［2-4］。大量的人工合成物质潮水般涌入并渗透日常生活的每个角落，而这些使用频繁的合成物质多数为大分子化合物，很难被天然微生物直接降解，部分物质具有一定的生物毒性，这也为地球生态系统平衡和可持续发展带来了很大的挑战。分子生物学的迅速发展为环境污染及防治提供了新的思路和方法，使得環境污染治理的研究逐渐由宏观向微观发展［5-6］。核酸、蛋白质等生物大分子以及蛋白组学、酶组学、基因组学等是分子生物学研究对象，基于其形态、结构、功能以及相互关联性和规律性的来揭示一定的内在分子机制［7］。环境分子微生物学是在这种大背景下迅速发展起来的环境科学与分子生物学的交叉学科。该学科的快速发展为环境相关领域基础的科学研究和新技术开发提供了新的思路和基础，且已在水污染控制、大气污染治理、有毒有害物质降解和检测及废物处置与资源化等领域得到广泛的应用。分子生物学技术在清洁可再生能源开发、环境友好材料合成、生物探针开发及生态环境修复等领域也发挥了极为重要的作用［7-10］。因此，在环境类学科的教学体系中开设环境分子微生物学课程的重要性不言而喻。

中国共产党第二十次全国代表大会的胜利召开，代表着中国特色社会主义迈上现代化国家新征程。面对国际社会前所未有的“大变局”，我国的发展进入了“新时代”与“大变局”叠加的新发展阶段［11-12］。如何应对“大变局”中的危机与挑战，关系到我国“两个百年”奋斗目标能否顺利实现，研究生教育作为国家培养科技人才的重要环节，肩负着为社会输送大量优秀专业人才的责任。为适应新时代的教学要求，研究生教育的教学改革和优化培养方式已成为高校教学基本建设的重要内容，其最主要的抓手就是改变教学方式和思路，探索新的课堂模式［13］。作为一门新兴的交叉性学科，环境分子微生物学的知识点涉及的学科范围广，内容前沿性强，且新理论和新技术迭代迅速，对课程教学带来了巨大的挑战。环境分子微生物学涉及知识面广、内容繁多、知识体系庞杂，无论是理论的抽象性、烦冗性，还是实践操作的重要性、多样性，都给具体的教学带来了相当的挑战。由于高校教学中实践实验课教学的欠缺，很多高校在教学中往往“重理论，轻实践”，这就导致学生往往对这门课程的学习产生了畏难情绪［14-15］。海南大学从2020年开始，将“环境分子微生物学技术”纳入环境科学、环境科学与工程专业研究生培养的选修课程中，教学团队密切关注教学过程中的各种问题、同学生多次沟通获得反馈和建议，逐步积累、积极探索、及时调整教学内容及方案，吸收国内其他高校开设相同课程的建设经验和方法，综合分析了该课程开设过程中存在的问题和阻碍，总结了该课程教学的核心内容和手段。实际教学过程中，教学团队主要在转变教学内容、优化教学方法、灵活设置教材内容和采用多元化的考核方式等方面进行课程建设和探索，这些探索给该门课程教学注入了新的思路和手段，以期为提升高等院校环境分子微生物教学质量及培养素质型专业人才提供有益参考。

一、传统环境分子生物学教学模式存在的问题

（一）环境分子生物学教学现状

环境分子生物学作为一门新兴的交叉学科，许多基础理论知识和专业操作技能来源于分子生物学学科。然而对于在本科学习阶段普遍缺少分子生物学教育背景的环境专业的研究生而言，该课程专业性强，枯燥乏味，深奥难懂［16］。不同专业背景的学生无论是在分子生物学的理论知识水平还是实际操作技术水平都参差不齐，因此如何在教学过程中合理地设置教学内容，深入浅出，保证课程内容能照顾到绝大多数学生的需求，是任课教师面临的最大挑战。作为多学科交叉融合的新兴学科——环境分子生物学，其理论知识、实验技术和分析手法层出不穷，传统教学中由于课程设置等多方面的原因，往往采用“重理论，轻实践”的教学方式，或将理论教学和实验实践教学割裂开来，造成“教”“学”双方都很困扰，因此“教”和“学”相长更无从谈起，严重影响了该课程教育教学目的的实现［17］。但是在环境污染治理领域的研究中，借助荧光定量PCR、DGGE技术、FISH技术、蛋白质组学、酶组学、宏基因组学、细胞凋亡和周期等相关分子生物学的知识来揭示深层次的机理越来越重要，如果不能将理论教学与实践教学或视频微课教学等其他教学手段有效结合，学生将很难理解和消化。此外，环境分子生物学授课没有一本完备的针对性强的教材。

（二）理论和实践教学分离

环境分子生物学教学只有理论和实验相辅相成，才能使学生建立完整的知识体系，而实验实践教学的设置更能加深对分子生物技术的理解和吸收。虽然目前大部分高校开设的分子生物学课程在教学大纲上都安排了实验课，但是由于一个完整的分子生物学实验的周期性长，几个至十几个学时往往只能完成实验的一个或几个步骤，不足以让学生完成整个实验。特别在重要的实验准备方面，由于关键材料的准备时间长，基本都是由教师或实验员负责完成，这一定程度上造成学生参与度很低，无法全面掌握分子生物技术的操作，达不到帮助学生培养科研思路和借助分子生物学技术提高学生解决相关环境问题的能力的目的。

（三）传统的教学模式

研究生教育教学的根本目的在于激发学生创新创造的能力。传统的教学模式以教师为中心、以填鸭式教学为主，课堂教学只重视专业领域基础知识的灌输，缺乏提升学生创新能力的教学过程，很难帮助研究生培养创新能力和形成科研思维能力。随着教学方式的多样化，一些任课教师设置了师生互动环节，但由于分子生物学的知识晦涩难懂，学生很难被调动起来。

目前“依赖性”思维模式是很多学生在这种教学情景下逐渐出现的共性问题，并已经影响到其研究生阶段的学习及课题研究。很多学生往往缺乏主动学习的兴趣，对研究课题没有主动的思考的习惯，创新性更是无从谈起。因此，需要教学改革打破传统的教育教学模式，更加关注学生的课堂的主动性，给学生以自信、自由，促进学生德智体美劳五维度综合素质的提高，激发研究生的创新思维。

（四）教材适应性较弱

目前开设环境分子生物学课程的高等院校缺乏有针对性的理论教材和实验实验教材。通常借助相关的《分子生物学》和《现代分子生物学》等相关书籍，更多的是授课教师根据教学大纲整理的教学用课件作为参考，不同专业背景的教师制作的课件在内容与设置上又千差万别。海南大学开设的环境分子生物学技术课程在授课中主要参考了2009年李永峰、那冬晨等主编的《环境分子生物学教程》一书中的相关内容［18］。但由于关于分子生物迅速发展，新技术层出不穷，所亟须一本完备的环境分子微生物技术教材来满足环境科学、环境工程等相关学科课程建设和教学质量的提升的需求。

二、优化教学内容设置和教学手段

（一）构建“1+1”的渐进式教学内容体系，夯实理论基础

环境类学科是综合学科，与实践高度紧密结合的学科。这就要求在该学科研究生培养过程中，应该更加注重学生创新能力、综合分析能力的培养。如何从教学内容的新颖性和教学方法和手段的先进性上满足培养和教学目的是本次教学改革探索的内容之一。基于这个理念，环境分子微生物学技术的课程内容布置不仅要涵盖重要的基础理论知识，还要紧密结合案例教学部分。根据以往的教学经验，提出构建“1+1”的渐进式教学内容体系。

其中一个“1”即基础，基础部分教学主要指理论知识教学，应涵盖分子生物学起源及遗传物质的本质、核酸的组成与结构、DNA复制与转录、蛋白质的生物合成、基因表达调控等的理论基础，有针对性地加强环境微生物基因组和蛋白质组分析、环境微生物群落结构和动态研究、常用数据库介绍（如National Center for Biotechnology Information，简称NCBI等）以及环境分子微生物技术案例解析。

另一个“1”即专业技能教学内容，如有条件，可以结合理论知识，开展相应的实验教学。对于缺乏分子生物学相关实验教学设备设施的高校，可以考虑采用微课教学。即利用多种渠道获取相关分子微生物学技术的视频，包括目前常用的分子生物学检测技术的操作过程示范，结合微课教学形式提高学生对分子微生物学技术原理的深入理解，强化实践和应用能力培养。

（二）采用线下+线上的新型教学手段，强化应用导向

教学手段是保证教学任务顺利完成的先决条件之一。充分利用现有的良好教学资源，开展“线下+线上”的新型教学手段探索，优化课堂结构、激发学习积极性、提高教学质量。理论知识讲授部分应改变传统的教学模式，转向关注学生的存在价值，在教学过程中努力提高学生的参与度。贯穿课堂的教学方法主要采用数字幻灯、示教、计算机线上资源查找及PCR、DNA复制与转录等分子克隆技术相融合的教学手段，让学生在理论中实践、在实践中学习，利用网络资源协作分析解决问题，最大限度地发挥学生的主观能动性，让学生成为课堂的主角，从而达到实现全面提升综合素质的新时代教育理念，系统培养学生对环境分子微生物学理论、技术和思维的认知理解及思考能力。

三、适宜的教材建设

研究生授课往往没有固定教材，课程理论内容的讲授主要参考李永峰、那冬晨等主编的《环境分子生物学教程》和朱玉贤主编的《现代分子生物学》［18-19］。这些教材虽然能作为研究生学习分子生物学基础的参考，但缺乏适宜环境学科研究的专门技术，限制了很多环境问题在分子生物学层面的研究和揭示。层出不穷的分子生物学新实验技术的产生迫使高校要紧跟科技发展前沿，在强化理论基础的同时及时进行知识更新，让学生及早了解和掌握该方向的动态与进展。因此，目前，海南大学教学团队正在编写适合环境学科研究生学习的简明环境分子生物学理论及实验教程。

四、建立开放式学业考核方法，强化主体意识和综合素质

为了充分体现环境分子微生物学课程的特点，就要改变以往课程考核以考勤、课堂表现和课程汇报三部分作为成绩评定主要依据的考核方式，探索新的考核方式，合理评价学生学习水平，建立开放式学业考核方法。在具体实践中，在课程结束时安排了理论与实践相结合的考核方式。改革后的课程考核，提高了平时成绩在最终成绩中的占比，最终成绩由平时成绩、课程论文和实践三个部分组成。课程论文采用综述论文的形式，学生可以结合自己的研究方向和课程内容，选择自己感兴趣的分子微生物学技术发展历程进行综述，在全面阐述该技术的同时整理形成论文，以规范的论文发表格式进行撰写。此举既让学生对自己感兴趣的分子生物学技术进行了深入的了解和探讨，又培养了他们学术论文的写作能力，提高了学习完成课程论文的积极性。实践考察采用DNA提取以及荧光定量PCR的操作作为基础的操作技能进行考核，通过考核，学生基本掌握了分子生物学技术在环境学科中的基本操作过程。改革后的考核方式，使學生对分子微生物学课程的兴趣及相关技术的理解和掌握大大提高，达到了课程设置的初衷。

五、总结

综上所述，教学改革后的课堂，使用良性的师生互动和多方位的实践、实验教学手段不但能弥补传统教学的短板，还能提高课程设置的完整性。学生在的多样的教学环境中，既能掌握环境分子微生物学的基本原理和技术方法，又能提升科研能力和科研思维，还能锻炼科技论文的写作能力。本研究探讨了研究生阶段环境分子微生物技术课程教学方法方式的改革，以期通过师生的共同努力，使得该门课程教学不再局限于一本书、一门课、一次阶段性的学习，而是将提高学生的学术素质与专业素养，培养高素质复合型人才作为教学的最终目标。

参考文献：

［1］ Letcher T M. Global warming，greenhouse gases，renewable energy，and storing energy［M］. Storing Energy （Second Edition），2022：3-12.

［2］ Swaegers J，Koch E L. Gene expression studies of plastic and evolutionary responses to global warming［J］. Current Opinion in Insect Science，2022：51.

［3］ 李柏林，张贺，王俊，等. 长江武汉段水源地典型抗生素及抗性基因污染特征与生态风险评价［J］. 环境科学，2023，44（04）：2023-2039.

［4］ 钱亚茹，石磊磊，沈茜，等. 淡水环境中微塑料污染及毒性效应研究进展［J］. 环境工程技术学报，2022（04）：1096-1104.

［5］ 李凤，刘世贵. 分子生物学技术在环境微生物研究中的应用［J］. 世界科技研究与发展，2003（04）：88-92.

［6］ 覃拥灵. 分子生物学技术及其在环境污染治理中的应用研究进展［J］. 河池学院学报（理科综合版），2005（02）：24-29.

［7］ 刘庆龙，唐景春，张彦峰，等. 环境分子生物学实验教学改革探索［J］. 实验室科学，2019，22（06）：119-121+126.

［8］ 王爱杰，任南琪. 环境中的分子生物学诊断技术［M］. 北京：化学工业出版社环境科学与工程出版中心，2004.

［9］ Ditty J L，Kvaal C A， Goodner B，et al. incorporating genomics and bioinformatics across the life sciences curriculum［J］. Plos Biology，2010，8（08）.

［10］ 曹雨. 现代分子生物学技术在环境微生物领域的应用［J］. 建筑与预算，2020（01）：54-57.

［11］ 何朝银，陈炜. 试论“新时代”“大变局”叠加之下研究生教育的重要作用——学习习近平关于研究生教育的重要论述［J］.  福建开放大学学报，2022（04）：1-5.

［12］ 习近平. 在北京大学师生座谈会上的讲话［M］. 北京：人民出版社， 2018：3+5.

［13］ 关硕，齐超，刘洪臣，等. 创新人才培养模式下的研究生教学改革探析［J］. 教育教学论坛，2018（31）：78-79.

［14］ 杨晨，路海，高立，等. 医学院校教学理念转变及教改问题对策研究［J］. 医学教育研究与实践，2017，25（02）：204-208.

［15］ 刘琦，王述森，高锦兰，等. 研究生分子生物学实验技术教学的思考与实践［J］. 中国医学教育技术，2018，32（05）：585-588.

［16］ 杨荣武. 分子生物学［M］. 南京：南京大学出版社，2017.

［17］ 李延飞，李婷婷，金月玲. 理实融合在分子生物学教学中的应用与探索［J］. 继续医学教育，2019，33（06）：13-14.

［18］ 李永峰，那冬晨，魏志刚，等. 环境分子生物学教程［M］. 上海：上海交通大学出版社，2009.

［19］ 朱玉贤，李毅，郑晓峰，等. 现代分子生物学［M］. 北京：高等教育出版社，2019.

（责任编辑：汪旦旦）

基金项目：海南大学校级教改项目《环境分子微生物学技术》课程建设探索（项目编号：RC2200002347，主持人：董丽丽）。

作者簡介：董丽丽（1986—），女，博士，海南大学生态与环境学院副教授，研究方向为废弃物资源化及能源化理论技术与装备、环境微生物系统微生物学与生态学；王婉晴（1998—），女，硕士在读，海南大学生态与环境学院，研究方向为农业废弃物资源化和能源化利用；杨飞（1967—），男，博士，海南大学生态与环境学院研究员，研究方向为污水资源化利用；王团团（1989—），女，博士，海南大学生态与环境学院讲师，研究方向为微量有机污染物环境行为和植物修复。