环境微生物工程与技术教学改革探索

来源:用户上传      作者:梁伊丽　周洪波　谢建平　曾伟民　甘敏

　　环境微生物工程与技术结合生物技术与环境工程，涉及生物技术、工程学、环境学、生态学等学科领域。课程覆盖面广，知识点繁多，理论和实践性强。根据环境微生物工程与技术的培养目标，为克服生物工程与生物技术学生环境科学和工程基础薄弱的缺点，拓展了教学内容的广度和深度；通过开展案例教学，利用网络信息化平台，加强实习实践和创新创业等教学模式优化对课程进行了改革探索，理论联系实际，加强学生科学研究及创新能力的培养，提高了教学质量。
　　环境微生物工程与技术 构思-设计-实现-运行（CDIO） 案例教学
　　
　　
　　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
　　国家高等教育的职能是为科学研究和社会服务培养专门人才。为贯彻《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010―2020年）》，需要切实推进高等教育质量保障体系建设，进行高校本科教育教学综合改革，持续提高人才培养质量，培养创新型、复合型、应用型人才。因此，培养学生解决解决综合、复杂问题的能力，以适应将来实际工作能力的需要，是需要不断实践和探索的重要问题。
　　中南大学是我国设立生物工程和生物技术本科专业较早的学校之一，经过二十多年的发展形成了独特的办学模式，依托生物冶金教育部重点实验室和生物冶金湖南省重点实验室、难冶有色金属高效清洁利用国家工程实验室，该专业毕业的W生在有价金属提取和重金属污染环境规模化治理方面优势突出。
　　环境微生物工程与技术结合环境工程与生物技术，涉及微生物技术、工程学、环境学等学科领域，课程在学习微生物学、生物化学、分子生物学等课程基础上，系统学习废水、废气和废渣微生物预防、治理和废弃物资源化的理论、方法和工艺。课程不仅要求较强的微生物和环境科学基础理论，且具有鲜明的生物和环境相关技术与工程应用特点，对学科专业体系的构筑起到重要的作用。
　　环境微生物工程与技术课程覆盖面广，知识点繁多，理论和实践性强，但是生物工程和生物技术专业的学生，环境工程学的背景知识匮乏，缺乏水体、大气、固体废弃物等污染控制工程，以及土壤修复、生态修复等知识储备，难以利用环境学科与工程学的方法探究污染控制理论和技术，理解和解决复杂环境工程。同时，目前生物工程和环境工程结合的综合性教材多为环境工程专业设置，教材内容侧重微生物和生物工程知识体系的构建，主要内容通常侧重于微生物的分类、形态结构、营养与生长、代谢等基础知识，微生物对污染物的降解和转化及其在环境污染治理工程中的应用等。因此，环境微生物工程与技术课程需要教师在教学过程中合理组织和充实教学内容，激发学生学习课程技能的主观能动性。笔者根据环境微生物工程与技术的培养目标，从充实教学内容、改进教学方法、教学考核等方面对课程进行了改革探索，理论联系实际，加强学生科学研究及创新能力的培养，提高了教学质量。

　　
　　为克服生物工程与生物技术学生环境科学和工程基础薄弱的缺点，2018年学校重新修订本科教学大纲。课程针对“三废”，重点讲述有机污染物、重金属等的防治。课程内容包括：废水的微生物好（厌）氧处理，除磷脱氮微生物技术，生物修复污染土壤，生物处理工业废气，生物处置固体废弃物，微生物降解危险性化合物以及环境微生物技术在能源、食品等领域的应用。鼓励学生建立与环境相关的工程学、生态学、规划与管理学科体系，利用环境学科与工程学的方法，研究环境污染控制相关理论、技术和工程，耦合生物工程和生物技术优势，实现污染物的高效修复。同时，针对特定污染环境污染治理工程中常见的典型关键问题，指导学生合理选择与运用相关技术，在工程规模上实现污染物的高效、快速去除，强化污染防治技术原理和工程。例如：根据来自污水厂、河流（河水、底泥）、自来水厂水中含氮苯类污染物质去除方法以及工程措施的差异，合理设计治理工程的系统构成、关键结构及生物处理运行参数。同时，开展教学反馈调查，对教材和教学内容的选择、各章节课时和工程设计等开展问卷，并依据调查反馈开展整理、总结，调整教学。
　　前苏联教育家赞可夫提出“高速度教学”和“高难度教学”以及适当压力引起的心理紧张，有利于学习效率的提高。为此，主讲教师加强了本学科最新进展的文献阅读，增加学科前沿内容的衔接。挑选了跟课程相关的英文文献作为课后作业，指导学生根据文献内容提出问题并回答问题。例如：微生物的生命活动可把生物质、无机物或水转化为沼气、氢气等可燃气体或油脂类可燃液体。教师们选取混合菌降解纤维素产乙醇和微生物协同共代谢苯二甲酸酯同时产甲烷等文献，了解微生物产再生能源对于改善能源结构、同时缓解邻苯二甲酸酯、雌二醇等环境激素引起的环境问题的作用。另外，介绍基于基因芯片调控微生物群落原位修复污染是新型修复方法。从1951年到1983年， 曼哈顿计划中的浓缩铀工程在田纳西州橡树岭市进行，排放了数千吨含硝酸和高浓度贫化铀的废水，地下水与沉积物造成了严重铀污染。用有机物乙醇、甲醇、乙酸、乳酸、葡萄糖以及氢气等为微生物提供电子，可将6价易溶解的铀还原为4价不溶解的铀。在添加有机物的过程中，基于基因芯片调控微生物群落原位修复铀污染的工业化实施项目也取得较好的结果。通过这样的拓展学习，学生逐步了解到h境微生物方向的研究进展，为继续深造和工作打下基础。
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　　环境微生物工程与技术是环境工程与生物技术相结合而产生的交叉学科。课程既有较强的基础理论要求，又具有鲜明的技术应用特点。构思―设计―实现―运行（CDIO，Conceive-Design-Implement-Operate）４个层次的教育理念，注重培养学生的实践动手和创新能力，是人才培养的先进范式。课程通过探索与实践，引入CDIO的理念，注重加强学生求知的欲望，提高设计、创新及解决实际问题的能力。特别是从案例教学、网络信息化平台辅助教学、创新实践等方面促进教和学的良性互动，很大程度上提高了学生求知求新的积极性，教学效果显著提升。
　　
　　针对有机污染物、重金属防治的课程重点，以及污染防治方法技术的合理选择与运用的课程难点，采用教学“双主互动”模式下的案例式教学。选取能够反映生物工程行业技术发展和创新的典型案例，针对美国宾州帕尔默顿镇区选矿污染场地修复、美国纽约州拉夫运河事件、美国田纳西州橡树岭高浓度贫化铀微生物群落调控原位修复、因钻井平台爆炸引起的墨西哥湾漏油处理，结合具体的工程实例组织学生进行分析讨论，提出解决方案。“双主互动”模式下的案例教学法在教学过程中专门安排了部分教学内容布置成若干个项目，学生自行分组，并通过抽签的方式选择其中一个项目，以小组合作、任务驱动、自主学习的方式完成项目任务。例如：针对目前土壤修复存在急于求成，工期短，不少修复工程仅对地下一两米的浅表土壤进行修复，只做表层“文章”，方法粗暴等问题，选取美国宾州帕尔默顿镇区选矿污染场地修复的典型案例开展“双主互动”教学。引导学生针对占地数百英亩、高达数十米的重金属污染矿渣山，高污染的渗滤液、河流与地下水，高浓度重金属的粉尘提出治理方案并制作PPT进行阐述。要求学生在课件制作和讲述时思路清晰，语言简洁、通俗易懂，关键点突出，注意总结性语言和过渡性关联。为提高注意力和活跃思维，引导听讲学生针对治理方案提出问题，以欣赏和尊重的评价提高学生提问的积极性和主动性。
　　
　　信息网络时代，对在线教学、电化教育提出了更高的要求，推进了教育由应用融合向发展创新转变。资源、平台、应用、服务与课堂内外教学活动深度融合，很大程度上将降低教学的创新难度，有利于人才的培养。
　　环境微生物工程与技术课程在开展工程行业技术和设备知识讲授时，涉及的内容比较抽象，学生需要通过教材中设备的平面图来想象其立体结构及使用过程。由于许多学生空间想象力不足，对于没有接触过设备实体的学生来说，对设备的立体结构机械原理、运转方式的掌握会有难度。针对工程设备和抽象的工艺技术，比如：新型原位修复的渗透反应墙技术、近海石油废水处理技术、金属催化修复生物接触氧化法、生物转盘法、生物滴滤/过滤技术处理恶臭等，通过观看慕课、微课，以及教学演示录像、视频等立体化和现代化的教学资源来提高教学效果。另外，利用中南大学教育技术中心的网站搭建了《环境微生物工程与技术》的互动教学平台，设置了“文献阅读”“案例分析”“播课元件”和“教学课件”等多个目录。网络资源的学习对学习效率起到了事半功倍的立体效果。

　　
　　国家大力鼓励改变传统的教育理念，培育创新创业人才，增强创新创业教育，改善毕业生就业质量。环境微生物工程与技术课程是以“大类招生”为牵引的跨学科专业的交叉课程。为培养学生创新创业的精神和技术技能，课程把创新创业能力作为培养的关键指标，通过完善课程体系，促进实验（实训）教学、创业训练和创新实践的密切融合。引导学生参与环境微生物工程与技术相关的课题研究、创业实践、论文发表、专利申请和自主创业。
　　在老师的指导下，在教学最后一个环节的毕业设计中，同学们积极选择与环境微生物工程与技术相关的环境微生物工程与技术的课题，比如微生物发酵，厌氧或好氧处理重金属、有机废水等。同学们深入工厂、研究院开展实地调查和实践，运用生物工程和环境工程的基本理论开展工程设计和研究，通过计算、绘图、市场论证以及可行性建议等，撰写报告。学生综合运用环境微生物工程与技术所学理论、知识和技能解决实际问题的能力明显提高。
　　中南大学实施了“本科生创新训练计划”项目，包括校级、省级、和国家级3层次，经费资助每项0.5万～2万元。课程团队号召学生申请和参与以上本科科研项目，并且结合教学和科研实验室培育科研素质，通过科研实践来提高创新能力，巩固基本理论。根据统计，2021年32%的毕业学生参加了学校、省级和国家级的创新课题，其中大部分涉及微生物污染治理。值得一提的是，在2021年度的中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛总决赛上，团队老师指导的“臭氧和微生物联合处理有机物废水”项目获得全国银奖。
　　
　　教师的授课方式、学生的学习态度与课程考核方式有着密切关系。若课程仅依赖记忆、理解和知识的初步应用，通过作业巩固知识，通过考前突击复习拿到学分，将不利于选修课程知识在专业课的应用贯通以及学生综合素质的提高。因此，基于课程考核对学习和授课的引导功能，探索新的考试、考核方式势在必行。
　　在环境微生物工程与技术课程的教学改革中，改革的内容也包含课程考核评价体系的改革，将考核与教学过程结合紧密。首先，加大了平时考核的比重，进行多样化的考核；其次，改革考核内容，重点突出了素质和能力的考核，引导学生进行知识的系统化学习，从而培养其创新素质和综合能力。根据环境微生物工程与技术课程特点，考核分为期末考和平时考核2大部分，其中期末考试占50%，平时考核模块占50%。
　　中南大学考试中心对期末考试试卷命题要求严格，要求试卷格式规范，近5年试题重复率低于20%。课程组老师不断充实试题试卷库，补充客观与主观分析题型，以考查灵活运用知识认识事物、解决问题的能力。比如为实现碳中和、碳达峰的目标，以生物能源为例，分析生物产氢、生物发酵纤维素产乙醇参与的微生物，能源产生机制，反应控制因素等以考查学生综合能力的作用。
　　针对课程特点，教学中将平时教学的作业、随堂测验、案例教学分组讨论和创新创业结合起来，综合评定学生的学习成绩，课程分数的平时成绩评定按照以下标准来进行评定：传统的听课和作业，占10%；随堂测验，占10%；案例教学讨论占20%，创新创业占10%。
　　
　　课程以“能力培养”为指导开展教学工作，注重理论与实践紧密结合，学生深刻体会到了环境微生物工程与技术知识的系统性和连续性，在灵活的考核方式下增加主体意识，加强交流，学习的主动性和能动性极大地提高，教学效果明显提升。最近几届的毕业生，攻读研究生或者工作后，各单位反馈中南大学生物工程与技术专业的学生能吃苦，不但有很好的微生物学基础，而且具有扎实的工程技能。通过多年的教学工作，课程团队也深刻体会到“后生可畏”“焉知来者之不如今也”，教师应当勤于进修，以学生为本，结合实际不断探索和改进，使环境微生物工程与技术的教学更加适应专业培养目标的需要，更利于学生专业深造及服务于国家的环保产业。
　　
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