環境微生物工程與技術教學改革探索

來源:用戶上傳      作者:梁伊麗　周洪波　謝建平　曾偉民　甘敏

　　環境微生物工程與技術結合生物技術與環境工程，涉及生物技術、工程學、環境學、生態學等學科領域。課程覆蓋面廣，知識點繁多，理論和實踐性強。根據環境微生物工程與技術的培養目標，為克服生物工程與生物技術學生環境科學和工程基礎薄弱的缺點，拓展了教學內容的廣度和深度；通過開展案例教學，利用網絡信息化平臺，加強實習實踐和創新創業等教學模式優化對課程進行了改革探索，理論聯系實際，加強學生科學研究及創新能力的培養，提高了教學質量。
　　環境微生物工程與技術 構思-設計-實現-運行（CDIO） 案例教學
　　
　　
　　LIANG Yili ZHOU Hongbo XIE Jianping ZENG Weimin GAN Min
　　
　　Basedon the training goal of environmental microbiology engineering and technology， the curriculum reform and exploration were carried out from the aspects of expanding the breadth and depth of teaching content to overcome the weakness of environmental science and engineering foundation for students of biological engineering and biotechnology.Teaching mode was optimized by carrying out case teaching， using network information platform and strengthening practice and innovation.The teaching quality was improved by combining theory with practice， cultivating students' ability of innovation and scientific research.
　　Environmental microbiology;Engineering and technology; Concept-Design-implementation-operation （CDIO）; Case teaching
　　國家高等教育的職能是為科學研究和社會服務培養專門人才。為貫徹《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010―2020年）》，需要切實推進高等教育質量保障體系建設，進行高校本科教育教學綜合改革，持續提高人才培養質量，培養創新型、復合型、應用型人才。因此，培養學生解決解決綜合、復雜問題的能力，以適應將來實際工作能力的需要，是需要不斷實踐和探索的重要問題。
　　中南大學是我國設立生物工程和生物技術本科專業較早的學校之一，經過二十多年的發展形成了獨特的辦學模式，依托生物冶金教育部重點實驗室和生物冶金湖南省重點實驗室、難冶有色金屬高效清潔利用國家工程實驗室，該專業畢業的W生在有價金屬提取和重金屬污染環境規?；卫矸矫鎯瀯萃怀觥?
　　環境微生物工程與技術結合環境工程與生物技術，涉及微生物技術、工程學、環境學等學科領域，課程在學習微生物學、生物化學、分子生物學等課程基礎上，系統學習廢水、廢氣和廢渣微生物預防、治理和廢棄物資源化的理論、方法和工藝。課程不僅要求較強的微生物和環境科學基礎理論，且具有鮮明的生物和環境相關技術與工程應用特點，對學科專業體系的構筑起到重要的作用。
　　環境微生物工程與技術課程覆蓋面廣，知識點繁多，理論和實踐性強，但是生物工程和生物技術專業的學生，環境工程學的背景知識匱乏，缺乏水體、大氣、固體廢棄物等污染控制工程，以及土壤修復、生態修復等知識儲備，難以利用環境學科與工程學的方法探究污染控制理論和技術，理解和解決復雜環境工程。同時，目前生物工程和環境工程結合的綜合性教材多為環境工程專業設置，教材內容側重微生物和生物工程知識體系的構建，主要內容通常側重于微生物的分類、形態結構、營養與生長、代謝等基礎知識，微生物對污染物的降解和轉化及其在環境污染治理工程中的應用等。因此，環境微生物工程與技術課程需要教師在教學過程中合理組織和充實教學內容，激發學生學習課程技能的主觀能動性。筆者根據環境微生物工程與技術的培養目標，從充實教學內容、改進教學方法、教學考核等方面對課程進行了改革探索，理論聯系實際，加強學生科學研究及創新能力的培養，提高了教學質量。

　　
　　為克服生物工程與生物技術學生環境科學和工程基礎薄弱的缺點，2018年學校重新修訂本科教學大綱。課程針對“三廢”，重點講述有機污染物、重金屬等的防治。課程內容包括：廢水的微生物好（厭）氧處理，除磷脫氮微生物技術，生物修復污染土壤，生物處理工業廢氣，生物處置固體廢棄物，微生物降解危險性化合物以及環境微生物技術在能源、食品等領域的應用。鼓勵學生建立與環境相關的工程學、生態學、規劃與管理學科體系，利用環境學科與工程學的方法，研究環境污染控制相關理論、技術和工程，耦合生物工程和生物技術優勢，實現污染物的高效修復。同時，針對特定污染環境污染治理工程中常見的典型關鍵問題，指導學生合理選擇與運用相關技術，在工程規模上實現污染物的高效、快速去除，強化污染防治技術原理和工程。例如：根據來自污水廠、河流（河水、底泥）、自來水廠水中含氮苯類污染物質去除方法以及工程措施的差異，合理設計治理工程的系統構成、關鍵結構及生物處理運行參數。同時，開展教學反饋調查，對教材和教學內容的選擇、各章節課時和工程設計等開展問卷，并依據調查反饋開展整理、總結，調整教學。
　　前蘇聯教育家贊可夫提出“高速度教學”和“高難度教學”以及適當壓力引起的心理緊張，有利于學習效率的提高。為此，主講教師加強了本學科最新進展的文獻閱讀，增加學科前沿內容的銜接。挑選了跟課程相關的英文文獻作為課后作業，指導學生根據文獻內容提出問題并回答問題。例如：微生物的生命活動可把生物質、無機物或水轉化為沼氣、氫氣等可燃氣體或油脂類可燃液體。教師們選取混合菌降解纖維素產乙醇和微生物協同共代謝苯二甲酸酯同時產甲烷等文獻，了解微生物產再生能源對于改善能源結構、同時緩解鄰苯二甲酸酯、雌二醇等環境激素引起的環境問題的作用。另外，介紹基于基因芯片調控微生物群落原位修復污染是新型修復方法。從1951年到1983年， 曼哈頓計劃中的濃縮鈾工程在田納西州橡樹嶺市進行，排放了數千噸含硝酸和高濃度貧化鈾的廢水，地下水與沉積物造成了嚴重鈾污染。用有機物乙醇、甲醇、乙酸、乳酸、葡萄糖以及氫氣等為微生物提供電子，可將6價易溶解的鈾還原為4價不溶解的鈾。在添加有機物的過程中，基于基因芯片調控微生物群落原位修復鈾污染的工業化實施項目也取得較好的結果。通過這樣的拓展學習，學生逐步了解到h境微生物方向的研究進展，為繼續深造和工作打下基礎。
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　　環境微生物工程與技術是環境工程與生物技術相結合而產生的交叉學科。課程既有較強的基礎理論要求，又具有鮮明的技術應用特點。構思―設計―實現―運行（CDIO，Conceive-Design-Implement-Operate）４個層次的教育理念，注重培養學生的實踐動手和創新能力，是人才培養的先進范式。課程通過探索與實踐，引入CDIO的理念，注重加強學生求知的欲望，提高設計、創新及解決實際問題的能力。特別是從案例教學、網絡信息化平臺輔助教學、創新實踐等方面促進教和學的良性互動，很大程度上提高了學生求知求新的積極性，教學效果顯著提升。
　　
　　針對有機污染物、重金屬防治的課程重點，以及污染防治方法技術的合理選擇與運用的課程難點，采用教學“雙主互動”模式下的案例式教學。選取能夠反映生物工程行業技術發展和創新的典型案例，針對美國賓州帕爾默頓鎮區選礦污染場地修復、美國紐約州拉夫運河事件、美國田納西州橡樹嶺高濃度貧化鈾微生物群落調控原位修復、因鉆井平臺爆炸引起的墨西哥灣漏油處理，結合具體的工程實例組織學生進行分析討論，提出解決方案。“雙主互動”模式下的案例教學法在教學過程中專門安排了部分教學內容布置成若干個項目，學生自行分組，并通過抽簽的方式選擇其中一個項目，以小組合作、任務驅動、自主學習的方式完成項目任務。例如：針對目前土壤修復存在急于求成，工期短，不少修復工程僅對地下一兩米的淺表土壤進行修復，只做表層“文章”，方法粗暴等問題，選取美國賓州帕爾默頓鎮區選礦污染場地修復的典型案例開展“雙主互動”教學。引導學生針對占地數百英畝、高達數十米的重金屬污染礦渣山，高污染的滲濾液、河流與地下水，高濃度重金屬的粉塵提出治理方案并制作PPT進行闡述。要求學生在課件制作和講述時思路清晰，語言簡潔、通俗易懂，關鍵點突出，注意總結性語言和過渡性關聯。為提高注意力和活躍思維，引導聽講學生針對治理方案提出問題，以欣賞和尊重的評價提高學生提問的積極性和主動性。
　　
　　信息網絡時代，對在線教學、電化教育提出了更高的要求，推進了教育由應用融合向發展創新轉變。資源、平臺、應用、服務與課堂內外教學活動深度融合，很大程度上將降低教學的創新難度，有利于人才的培養。
　　環境微生物工程與技術課程在開展工程行業技術和設備知識講授時，涉及的內容比較抽象，學生需要通過教材中設備的平面圖來想象其立體結構及使用過程。由于許多學生空間想象力不足，對于沒有接觸過設備實體的學生來說，對設備的立體結構機械原理、運轉方式的掌握會有難度。針對工程設備和抽象的工藝技術，比如：新型原位修復的滲透反應墻技術、近海石油廢水處理技術、金屬催化修復生物接觸氧化法、生物轉盤法、生物滴濾/過濾技術處理惡臭等，通過觀看慕課、微課，以及教學演示錄像、視頻等立體化和現代化的教學資源來提高教學效果。另外，利用中南大學教育技術中心的網站搭建了《環境微生物工程與技術》的互動教學平臺，設置了“文獻閱讀”“案例分析”“播課元件”和“教學課件”等多個目錄。網絡資源的學習對學習效率起到了事半功倍的立體效果。

　　
　　國家大力鼓勵改變傳統的教育理念，培育創新創業人才，增強創新創業教育，改善畢業生就業質量。環境微生物工程與技術課程是以“大類招生”為牽引的跨學科專業的交叉課程。為培養學生創新創業的精神和技術技能，課程把創新創業能力作為培養的關鍵指標，通過完善課程體系，促進實驗（實訓）教學、創業訓練和創新實踐的密切融合。引導學生參與環境微生物工程與技術相關的課題研究、創業實踐、論文發表、專利申請和自主創業。
　　在老師的指導下，在教學最后一個環節的畢業設計中，同學們積極選擇與環境微生物工程與技術相關的環境微生物工程與技術的課題，比如微生物發酵，厭氧或好氧處理重金屬、有機廢水等。同學們深入工廠、研究院開展實地調查和實踐，運用生物工程和環境工程的基本理論開展工程設計和研究，通過計算、繪圖、市場論證以及可行性建議等，撰寫報告。學生綜合運用環境微生物工程與技術所學理論、知識和技能解決實際問題的能力明顯提高。
　　中南大學實施了“本科生創新訓練計劃”項目，包括校級、省級、和國家級3層次，經費資助每項0.5萬～2萬元。課程團隊號召學生申請和參與以上本科科研項目，并且結合教學和科研實驗室培育科研素質，通過科研實踐來提高創新能力，鞏固基本理論。根據統計，2021年32%的畢業學生參加了學校、省級和國家級的創新課題，其中大部分涉及微生物污染治理。值得一提的是，在2021年度的中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽總決賽上，團隊老師指導的“臭氧和微生物聯合處理有機物廢水”項目獲得全國銀獎。
　　
　　教師的授課方式、學生的學習態度與課程考核方式有著密切關系。若課程僅依賴記憶、理解和知識的初步應用，通過作業鞏固知識，通過考前突擊復習拿到學分，將不利于選修課程知識在專業課的應用貫通以及學生綜合素質的提高。因此，基于課程考核對學習和授課的引導功能，探索新的考試、考核方式勢在必行。
　　在環境微生物工程與技術課程的教學改革中，改革的內容也包含課程考核評價體系的改革，將考核與教學過程結合緊密。首先，加大了平時考核的比重，進行多樣化的考核；其次，改革考核內容，重點突出了素質和能力的考核，引導學生進行知識的系統化學習，從而培養其創新素質和綜合能力。根據環境微生物工程與技術課程特點，考核分為期末考和平時考核2大部分，其中期末考試占50%，平時考核模塊占50%。
　　中南大學考試中心對期末考試試卷命題要求嚴格，要求試卷格式規范，近5年試題重復率低于20%。課程組老師不斷充實試題試卷庫，補充客觀與主觀分析題型，以考查靈活運用知識認識事物、解決問題的能力。比如為實現碳中和、碳達峰的目標，以生物能源為例，分析生物產氫、生物發酵纖維素產乙醇參與的微生物，能源產生機制，反應控制因素等以考查學生綜合能力的作用。
　　針對課程特點，教學中將平時教學的作業、隨堂測驗、案例教學分組討論和創新創業結合起來，綜合評定學生的學習成績，課程分數的平時成績評定按照以下標準來進行評定：傳統的聽課和作業，占10%；隨堂測驗，占10%；案例教學討論占20%，創新創業占10%。
　　
　　課程以“能力培養”為指導開展教學工作，注重理論與實踐緊密結合，學生深刻體會到了環境微生物工程與技術知識的系統性和連續性，在靈活的考核方式下增加主體意識，加強交流，學習的主動性和能動性極大地提高，教學效果明顯提升。最近幾屆的畢業生，攻讀研究生或者工作后，各單位反饋中南大學生物工程與技術專業的學生能吃苦，不但有很好的微生物學基礎，而且具有扎實的工程技能。通過多年的教學工作，課程團隊也深刻體會到“后生可畏”“焉知來者之不如今也”，教師應當勤于進修，以學生為本，結合實際不斷探索和改進，使環境微生物工程與技術的教學更加適應專業培養目標的需要，更利于學生專業深造及服務于國家的環保產業。
　　
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