环境工程微生物学是环境工程专业学生必修的专业基础课程,是一门实践性很强的应用学科。实验课是环境工程微生物教学的重要组成部分,它是培养和训练学生的实验操作能力、独立分析问题、解决问题能力的重要环节。环境微生物的一些基本技术如无菌操作、培养基制备、消毒与灭菌、微生物的培养分离计数等在环境污染处理的应用领域中应用十分广泛。随着生物工程技术的发展,现代生物技术如基因重组、PCR技术也在环境工程得到应用。近年来我国高等教育规模急剧扩张,教学实践资源日趋紧张。如何改革环境工程微生物学实验的内容及授课方式,一直是大学环境类课程建设的重要内容。近年来,我们对环境工程微生物的实验教学进行了改革探索,目的是进一步提高环境工程微生物学实验教学效率,培养具备理论知识扎实、动手能力强的大学毕业生。
1 改革实验课程的设置
我们将过去独立、互不相关的微生物实验改为一连续的探索性的大实验,开设了一门“环境工程微生物综合训练”的独立课程。课程放置在学期结束时的实践周中进行,集中对学生进行微生物的培养、分离、鉴定和污水处理应用的基本操作的训练过程,这样强化了对学生基本技能和动手能力的培养。综合训练的主要内容包括:首先在制备各类培养的基础上,采取不同的环境样品中进行接种、培养,通过菌落和个体形态观察,纯化细菌、放线菌或霉菌和酵母菌,然后学生以自己分离、纯化的菌种为材料继续进行以后的实验,在对细菌形态观察、革兰氏染色和菌体大小测定基础上,最后做细菌的生理生化试验,对细菌做出初步鉴定,并将分离出来的细菌用于生活污水的处理上。环境工程微生物综合训练的主要实验内容和所涉及的知识点见表1。改革后的综合训练使原来孤立、不连续的实验形成一个连续的整体。在微生物的菌种的培养和分离,纯种的计数和鉴定等方面强化了学生的实验技能。各种基本操作技能在微生物综合训练中多次操作,反复应用,能大大提高学生的微生物技能的综合应用能力。
验证操作性实验相对较多,设计性、综合性实验相对较少是目前实验课程教学中的突出问题,这对培养实用型人才极为不利,也不利于调动学生的学习兴趣和积极性。我们将一些应用性、综合性和学生感兴趣的实验课题,作为选作实验,供感兴趣的学生通过查阅相关资料,综合运用不同实验技术,设计实验方案,通过教师指导和小组讨论确定方案并加以实施。实验后综合分析实验结果,撰写科创论文。比如,“微生物诱导腐蚀”的选作实验,主要是研究研究厌氧微生物对金属腐蚀过程,使同学们扩大对微生物环境作用的了解,增强学生的学习兴趣和实践动手能力。这样,既能提高学生对实验的兴趣,又能促使他们将所学的理论知识应用起来,从而加深对环境工程微生物课堂教学内容的理解。(如表1）
2 重视视频实验教学的应用
微生物个体微小,学生对它的感性认识不多,这使得许多有关微生物的概念变得抽象、难以理解。在实验教学中,有目的的引入了视频实验等多媒体教学的方法,可以增加实验教学的直观性和趣味性,并在一定程度上弥补实验教学经费紧张等问题。我们不仅制作了环境工程微生物的多媒体课件,而且采用视频教学短片,向学生展示基本的实验操作,以及相关实验技术的发展及其在生产或科研中的应用。这些改革以视频的形式向学生展示实验的基本过程,具有较强的直观性,通过屏幕清晰形象准确地展现每一个步骤,使学生掌握实验操作技能的关键所在加深了学生对使微生物的实验规程和操作技巧理解,如无菌操作技术、微生物的分离和培养技术、消毒灭菌技术、斜面、液体、平板接种培养方法等。采用多媒体进行实验教学,具有形象、生动、信息量大的优点,结合教师在实验过程中的讲授和示范,有利于学生在脑海里建立每一种实验操作的标准和规范。因此应该加强多媒体在环境微生物学实验教学中的应用。
3 强调实验前的准备工作
传统的实验课程教学方法是由实验教师帮助学生完成很大一部分准备工作,学生只是按教师的讲解和实验手册的步骤进行操作。我们在微生物综合训练中,改变实验课中讲解过多的现象,只是重点讲述实验成功的关键并事先提出思考题,让学生们带着问题去进行实验,让学生通过实验归纳出结论,从而理解和验证微生物学的基本原理。教师在实验中起指导作用,着重培养学生的动手能力。由于综合实验涉及的内容很多,所以我们要求学生先复习以前学过的知识并写出实验计划(包括实验目的、原理、仪器、材料、步骤),然后在课堂上对实验计划进行讨论,讨论后学生再进行修改,最后由教师审定。审定合格后,学生方可开始进行实验,这是可以提高学生的实验培训的主动性。实验从实验材料的准备到每一步实验都由学生自己动手,教师只起检查和辅导示范作用。让学生明白每个实验步骤操作的好坏对后续实验的进行有直接的影响,培养学生整体的实验观念和细心的操作习惯。由于是学生自己进行实验的准备工作,可以加深对实验的目的、原理、方法、步骤的了解,实验效果很好。
4 改革实验课程的考核形式
综合训练的考核是既是课程设置的要求,也是对学生实验技能学习的一种督促和检查。在微生物综合
训练中,我们将学生4～5人分为一小组,同一组的每位学生既有分工又有合作,每位学生都独立进行无菌操作、接种培养等工作。在材料的准备和实验完成的整个过程中,任何一个步骤的失误都将直接影响最终结果,因此我们要求每位学生规范操作,仔细观察,及时记录,培养严谨的科学态度和独立操作能力,老师对每位学生的操作和实验结果都做出客观的评价。将综合训练考核分为预习、操作、实验报告三部分记分。在实验过程中,进行现场指导,当场考核,不仅要看实验报告,更要依据预习、现场实验操作和实验结果综合考核。在操作考核中既有单独的个人操作考核,也有分组的操作考核。实验报告要实事求是,严格杜绝相互抄袭现象。要求学生在实验报告中对实验过程和结果进行详细记录和分析,养成一个善于分析问题和总结问题的好习惯。实验报告中的分析与讨论是很重要的内容,我们鼓励学生在分析讨论中自由地写出自己对实验的理解,比如哪些操作步骤没有做好,或者在实验过程中容易出现什么问题,如何避免等,还可以提出对实验设计修改的建议。通过对实验问题和结果的分析、讨论,可加强学生对理论知识的理解,大大提高学生分析问题和解决问题的能力。
通过这些改革措施,使学生能够认识到实验课的重要性,同时也提高了实验课的地位和学生的积极性,教学质量有较大的提高,为环境工程专业后续课程教学的展开和将来毕业论文的顺利完成打下基础。
5 培养工程实践观念
我校是具有电力特色的地方性高等学校,环境工程专业是从电厂化学专业基础上衍生和发展起来的。我校环境工程专业的课程设置强调重工程、重实践的专业特色。环境工程微生物学需培养学生分析和解决环境工程问题的思维模式,要使学生了解微生物在环境污染物治理中的作用原理,而不是仅仅停留在微生物学本身基本的实验操作上。我们在微生物综合训练课程设计中特别注意结合工程应用问题,充分围绕教学队伍的科研课题及实习单位的生产展开,注重培养学生的工程实践能力。我们根据本专业教师承担的科研项目,通过课题的形式,组织一些对环境工程微生物感兴趣的学生,参加到教师的科研项目中。一些老师在设计新的污水处理工艺时,经常会有很多项目指标需要测试,只要合适,我们也将样品拿来让学生在实验教学中做。这样就培养了学生从工程角度思考和解决实际问题的能力。
我们学校毗邻上海东区污水处理厂,上海东区污水处理厂是亚洲建造最早的污水处理厂,也是目前我国唯一的仍在稳定运行的建于20世纪20年代的污水处理厂,采用活性污泥法的二级生化处理工艺,其基本原理和设计思路已经成为当今城市污水处理的理论经典和工艺核心。上海现有十余座污水处理厂的处理工艺均是在此基础上的调整或演化。我们组织学生在上海东区污水厂实习,并对不同运行工况下的微生物进行监控,使学生们掌握实际工作中所涉及的微生物的知识和测试技术,深刻了解污水处理工程应用过程中微生物的作用。
总之,这些改革探索,主要的目的是增加学生实验的主动性,培养学生积极思考的习惯,将一些操作性实验结合在探究性训练中去,提高了综合运用知识、分析和解决问题的能力,培养了严谨、钻研、科学的学风。这也对教师提出了新的要求,也就是不断开发新的探究性实验课题,满足对学生实践和动手能力的培养,适应环境工程微生物课堂教学发展的要求。