生物学融入环境工程教育的实践与策略

郑邦晓

（厦门理工学院环境科学与工程学院，福建厦门 361024）

随着人类活动的加剧，全球环境生态问题正日益凸显，其中最受关注的议题无疑是生物多样性与一健康（One Health）[1]。生物多样性的损失不仅对地球上的生态平衡造成巨大影响，也对人类的生活方式和健康带来了严重的威胁[2]。例如，不同物种的消失可能导致生态系统功能的下降，这进一步加剧了食物短缺、水源污染和各种疾病的传播[3-4]。同时，人类大健康不仅仅是关乎身体健康，更包括心理、社交和环境因素，他们与生态环境息息相关[5]。

在这样的背景下，传统的环境工程教育显然无法满足当前社会的需求。因此，对于环境工程专业的教育模式和课程设置，必须进行深入的思考和调整。具体而言，环境工程教育不仅需要培养学生在工程技术方面的专业知识，更应重视生物学知识的融入和应用生物学原理的情境教学[6-7]。这样，学生不仅可以了解到环境问题的根源，还能掌握如何运用生物学原理来解决这些问题。此外，与生物学相关的实验和项目也应该成为环境工程课程的重要组成部分[8-9]。这不仅可以帮助学生更好地理解和应用生物学知识，还能培养他们的实践能力和创新思维。总的来说，只有将生物学知识与环境工程教育紧密结合，才能培养出既懂工程技术，又具备生物学视角的复合型人才[10]，从而更好地应对全球环境生态问题的挑战。

为了满足复合型人才的需求，环境工程学生需要具备生物学基础，传统做法是为学生增加相关生物学课程，而这种做法无疑给学生增加了课业负担。在厦门理工学院，环境生态工程系则进行了创新性尝试。我们与有生物专业研究背景的老师合作，在四年教学体系中将生物学理论知识融入环境工程的项目实践，形成一体化的教学模式。这套课程体系通过特别设计的课程和学习模块，使学生能够了解环境工程领域中的应用最多的生物学前沿知识。我们从学生入学开始就引导学生认识到生物学家和环境工程师之间所展开的密切合作，并将这个认知贯穿在整个四年的大学学习过程中。为了更好地满足厦门理工学院“亲产业”的办学定位，环境生态工程系在课程设置时便与多个行业的本地企业和科研院所合作，包括生物医学、生物技术、制药和食品等相关的行业。总体来说，融合后的全新教学模式不仅为学生提供了解决工程设计问题的理论基础，同时也培养了他们解决问题的整体观和创新性。

1 一年级课程

在本科教育的框架下，一年级工程类课程通常被设计为“工程学导论”。不过，我们对此传统模式进行了有意义的教学改革。在秋季学期（也就是学年的上半部分），我们安排学生学习基础的工程技能，解决工程中的实际问题，培养团队协作的能力，并深入探讨工程师在未来职业发展中所需遵循的职业道德。到了春季学期（也就是学年的下半部分），课程内容会更加专注于工程设计的原理，尤其强调对工程设计和评估进行反向思考。

Maynard和Razatos以及他们的团队提出了一个富有创见的想法，即通过示例、实际演示和实验活动，将生物学的关键概念融入传统的工程课程中[11]。这种方法旨在为即将毕业的工程专业学生提供处理非常规问题的能力，并关注新兴研究和发展领域。在我系的核心环境工程课程中，我们也采用了这种策略，将生物学的概念整合进来。更为重要的是，我们加强了生物学理论和工程实验之间的纵向整合，这有助于在各个课程层面上确立生物学概念、工程技能和工程模型的关联性。

为了更直观地说明纵向整合在课程中的运用和重要性[12]，我们特意选取了一年级工程类课程中的生物医学工程项目作为实例。在这四个特定的实践模块中，学生被逐步引入到跨学科的生物医学主题中。随后，这些主题会在环境工程课程的更高级核心课程中得到深入的探讨和讨论。如表1详细列出了这四个实践模块的主要内容、相关的测量指标以及工程学的基本原理。此外，纵向整合的关键要点也展示了这四个模块与跨学科知识或框架的直接联系。

表1 生物学与工程学模块整合表

2 二年级课程

生物科学与环境工程的教师团队携手，为环境工程二年级学生开设了一个实验为核心的“生物系统与应用”课程。该课程不仅深入介绍相关生物系统的理论和实验操作，还进行了课程有效性的评估。与此课程同步，学生们还将加入为期两学期的大二综合实践课程I和Ⅱ。这套课程包含了跨学科的设计与实践方案，培养学生认知到工程项目所需的技术和沟通方式。学生将按照3-5人小组进行合作，共同完成一个学期的项目，其中包括自主设计微生物燃料电池等。该项目所涉及的所有理论和实际操作都建立在“生物系统与应用”课程知识的基础上。在这一年级的学习过程中，第一学期更注重全面质量管理和写作技能，而第二学期主要加强学生的知识传递和科学普及技巧。

3 三年级课程

学生进入大学三年级后，会通过一系列的实践课程参与特定的研究项目中，学分为2学分。在项目中，学生们需要参与到至少一个跨学科团队来进行分工协作，经费支持既可能来源于教师的纵向经费，也可能来自企业的横向赞助或是企业产学研项目的支持。由于教师的研究领域或企业资金支持的方向不同，使得这些项目覆盖了多种新兴学科。在过去的课程实践中，与生物和环境工程结合的项目数量显著增加。而学生们在“生物系统与应用”课程中所获得的训练是他们在高年级的研究中应对与生物相关的项目最强有力的保障。

经过两个学期的高级实践课程活动后，学生应达到以下目标：

1）深入参与到中等复杂度的工程项目，对工程的普遍做法和专业有更深的理解。

2）在跨学科团队中展现出卓越的合作能力。

3）掌握和运用新的技术技能。

4）对工业和创业方面有深入的了解和应用能力。

5）能够有效地进行项目和团队管理。

6）在他们的工作中融入工程的专业素养和道德标准。

7）在书面、口头和多媒体方面的沟通技巧有显著提高。

8）高效利用跨越不同地区和语言的信息资源。

3.1 项目举例1：抗生素的产生研究

据报道，微生物为了维护自己的生存空间，会产生抗生素等次生代谢物来对抗其他微生物[13]。抗生素已被广泛应用于人类疾病的治疗，并大大革新了医学领域[14]。但由于过量或不当使用，导致相关病原体产生了药物耐药性[15]。随着耐药细菌数量的增加，现代医学的治疗手段受到了挑战。为了解决这个问题，寻找新的、有效的抗生素成为紧迫的任务。土壤作为一个天然的资源库，有可能为我们提供具有新型抗生素生产能力的细菌[16]。

该项目的目标是从厦门市的垃圾场土壤中分离和鉴定能产生抗生素的细菌。在这项工作中，由两名微生物学家和两名化学家组成的研究团队与四名专业教师（两名微生物学和两名化学）紧密合作。这个研究团队在为期两年的研究中，针对耐药问题进行了深入探索。团队的工作被细分为具体的研究模块，包括对相关微生物学和化学文献的深入研究、新型抗生素细菌的筛选与鉴定、这些新菌株生理特性和抗生素产生能力的表征以及初步的抗生素生产实验。在这一过程中，学生和教师们不断交流合作，确保研究的每个阶段都能得到深入而细致的探讨。此外，团队还注重将研究成果与实际的医疗需求相结合，并在国内外的微生物学和化学会议上分享他们的研究进展。经过系统的研究，成功鉴定了两种具有抗生素生产潜力的芽孢杆菌，它们对一系列的病原微生物都有很好的抑制作用。这一发现不仅为面对药物耐药性问题提供了新的解决策略，也为未来的抗生素研发打开了新的方向。

3.2 项目举例2：花青素的生产研究

花青素是一种为果实和花朵提供色彩的重要植物色素[17]。这种水溶性的植物色素在食品和花卉中广泛存在，为其提供红色、紫色或蓝色的色调[18]。花青素由于其天然和健康的特性，正逐渐成为代替合成食品着色剂的首选[19]。尽管过去的研究已经表明，花青素对人体有多种健康益处，如抗氧化、抗炎、抗癌等[20]，但如何有效提高花青素的产量仍是一个研究重点。此项目旨在探索花青素在大肠杆菌中的合成路径，为其大规模生产提供技术支持。

在这个项目中，两名学生（分别来自生物学和环境工程背景）与三名专任教师（包括植物生物学家、微生物学家和环境工程师）紧密合作，探索了花青素不同的人工合成策略，以实现在大肠杆菌中的高效花青素生产。团队首先鉴定了植物来源的多种关键酶，并利用它们构建了从简单前体如黄酮和黄烷醇到花青素的生物合成路径。实验结果显示，通过优化合成策略、调整培养条件并合理改造大肠杆菌的代谢网络，成功实现了从前体分子到花青素的高效转化。此外，为了进一步提高花青素的稳定性和产量，研究团队还采用了pH调节、融合蛋白技术等多种优化策略。通过这些技术创新，成功实现了花青素的高产量生产，为其在食品、医药和化妆品等领域的应用打下了坚实的基础。预计未来的研究将进一步完善花青素的生产工艺，并探索其在更多领域的应用潜力。

3.3 其他项目研究

除上述项目外，还有许多跨学科的研究项目在进行，涵盖了生物学和工程学的交叉领域。例如，有的项目探讨了药物转运技术、食品保存技术、药物分离方法和人工器官的研究与开发。这些项目不仅增进了学术研究，还为教育课程内容的拓展提供了实践基础。在每个项目中，学生们都积极参与，从前期的资料收集到实验过程的实施，再到后期的分析与总结，都充分体现了跨学科合作的重要性。

4 四年级课程

4.1 食品工程课程

厦门理工学院的环境生态工程系重视与地区知名企业的合作，如厦门古龙食品有限公司、厦门太古可口可乐饮料有限公司、厦门沧海万泰生物技术有限公司等。鉴于厦门地区是这些企业的重要生产基地，学院发现学生对食品加工行业有浓厚的兴趣，并认识到了对食品工程教学的需求。为此，环境生态工程系针对工程专业一年级新生开设了食品实验课程，并为本专业学生设计了食品工程选修课。该课程内容包括食品科学、食品化学、食品工业操作以及食品保存技术。

4.2 生物医学工程课程

生物医学工程学科是基于工程师、医生和生命科学家之间的合作而发展起来的，现在已经成为许多大学中增长最快的学科之一。在这一领域中，环境工程师在设计人工器官、药物传输装置等方面起到了关键作用。本课程旨在帮助学生深入理解化工基础在生物医学领域中的应用，如物质转移、热传导、流体流动和化学反应。实验部分重点研究循环系统、呼吸和代谢等。此外，这些基础的生物医学知识已经被纳入到整个课程中，确保学生能够全面理解相关的生理学和生物学概念。

4.3 制药工程课程

控释系统是一种能够以预定速度长时间释放生物活性剂的技术，它能有效地维持药物浓度并减少所需的总剂量。该课程的目标是教授学生如何将化工基础知识应用于控释系统，并深入探讨在制药、农业和食品工业中材料和质量传递的原理。实验部分将涉及药物稳定性、经皮贴片和控释片的研究。整体上，该课程旨在加深学生对药物输送系统的认识，并重点介绍速率控制机制和药物动力学。

5 教学融合效果分析与讨论

厦门理工学院环境生态工程系根据环境工程专业的需要，为大一和大二学生设计了“生物系统与应用”课程，并为大三和大四学生提供了相应的研究项目，全方位地为学生未来的研究和产业工作做好准备。该系通过与多家当地企业和研究机构合作，完成了一系列实践课程中的项目。这些合作伙伴涵盖了私营公司和研究机构，为教职员工和学生带来双赢。学生通过这些合作项目，不仅有了更多实习机会，还为相关领域的工程师提供了与产业的连接和研究支持。此外，学生还有机会参与大学生创新创业项目和教育部协同育人项目，进一步实践自己的创新想法。

5.1 职业生涯规划的影响

生物环境工程职业生涯的潜力是许多学生选择环境工程专业的原因。他们对生物和工程学的交叉领域特别感兴趣，这在他们对生物研究项目的参与度上有明显体现。厦门理工学院的科研展示活动中，与生物工程相关的项目所占的比例也在逐年增加。同时，该校的生物系统与应用课程为学生在研究中提供了直接支持。随着这些课程的进一步推进，预期将有更多高级的生物工程相关课程涌现。不仅如此，大部分学生也表示对深入科研有浓厚的兴趣，有意继续深造。从就业数据来看，厦门理工学院的环境工程专业毕业生中，选择在生物技术、制药及食品工业领域工作的比例远高于国家平均水平。

5.2 实施过程的关键因素

厦门理工学院环境生态工程系的创新课程实施过程中，几个关键因素起到了决定性的作用。首先，厦门理工学院的开放校园文化鼓励了跨学科合作。环境生态工程系和生物科学系的友好关系，以及学院领导之间的良好互动，为课程开发创造了有利条件。此外，逐步实施的策略也确保了课程的顺利进行。初始阶段主要是在基础课程中融入生物内容，后续则加强了高年级课程的生物工程部分。这种有序的融合策略使得学生在学习过程中得到循序渐进的培养，为未来环境工程领域的挑战做好准备。