孫 艷, 胡洪營, 陸 韻, 楊宏偉, 徐 必, 任韻如

(清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 北京 100084)

實驗是學(xué)習(xí)科學(xué)的根本基礎(chǔ),是研究科學(xué)的重要環(huán)節(jié),是檢驗科學(xué)的有效方法,也是理論指導(dǎo)實踐的根本依據(jù),在自然科學(xué)研究中占據(jù)重要地位[1-2]。實驗教學(xué)能夠幫助理解理論課程中較難理解和抽象的科學(xué)問題,有利于加深和鞏固理論知識學(xué)習(xí),對于學(xué)生實踐能力、研究能力和創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)訓(xùn)練起到不可或缺的作用[3-5]。

環(huán)境工程微生物學(xué)是一門實踐性和應(yīng)用性均較強的學(xué)科,實驗教學(xué)是其課程教學(xué)的重要組成部分[6-9]?；谂囵B(yǎng)應(yīng)用型、研究型、復(fù)合型的優(yōu)秀人才,促進學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的綜合發(fā)展,近3年,在環(huán)境工程微生物學(xué)實驗課程中開展了以“學(xué)生為主,教師為輔”的開放式實驗教學(xué)模式,目的是給予學(xué)生更加開闊的思維空間,激發(fā)學(xué)生主動思考,促進學(xué)生自主創(chuàng)新,使學(xué)生在自由探索和自主研究的實驗實踐環(huán)境中受到培養(yǎng)和歷練,成為實踐能力強、綜合素質(zhì)高、專業(yè)能力精的高素質(zhì)拔尖人才。

1 開放式實驗教學(xué)特征與優(yōu)勢

開放式實驗教學(xué)與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)相比,其最突出的特點就是自由、靈活、主動[10-11]。開放式實驗教學(xué)的宗旨是以學(xué)生為主體,要求培養(yǎng)人才應(yīng)尊重學(xué)生個性化發(fā)展,使學(xué)生由被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?由封閉轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放,承認(rèn)差異、因材施教,體現(xiàn)了一種個性化、現(xiàn)代化、先進的實驗教學(xué)模式。

開放式實驗教學(xué)的開放性主要體現(xiàn)在學(xué)生的思維開放和實驗室的全面開放2個方面[12]。學(xué)生根據(jù)自己的興趣自主選題,查閱資料、設(shè)計和制訂實驗方案、驗證實驗的可行性、完成實驗并給出結(jié)論。實驗過程中涉及的實驗前準(zhǔn)備、實驗中操作及實驗后分析均由學(xué)生自主完成。實驗室對學(xué)生實行全天開放,學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容合理可以利用課余時間開展實驗工作,學(xué)生實驗所用儀器、藥品及耗材由實驗室提供,實驗負(fù)責(zé)教師和助教須事先對學(xué)生進行藥品使用安全培訓(xùn),教會學(xué)生使用和維護儀器。

開放式實驗教學(xué)克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的注入式、單一化、模式化等缺點,改進了實驗教學(xué)方式方法,在學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、實踐能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的形成等方面起到了促進和提高的作用,使每個學(xué)生的潛能得以發(fā)揮和施展[13-14]。開放式教學(xué)模式有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動參與、獨立工作,有利于培養(yǎng)學(xué)生實驗研究、解決問題、團結(jié)協(xié)作能力,有利于提高學(xué)生專業(yè)技能和綜合素質(zhì)。同時,開放式實驗教學(xué)模式對師資建設(shè)和實驗隊伍素質(zhì)提高也起到了積極的促進作用。

2 開放式實驗項目設(shè)計與實施

2.1 實驗方案的設(shè)計

開放式實驗項目具有綜合性、研究性、探索性、實踐性、開放性和多樣性等特點,實驗內(nèi)容安排需要豐富新穎,能夠激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣,提高學(xué)生對實驗的積極性[15]。實驗方案設(shè)計是進行科學(xué)實驗的核心環(huán)節(jié),要求學(xué)生根據(jù)教師提供的實驗內(nèi)容范圍、方案要求以及實驗材料種類，自行設(shè)計實驗方案、制定實驗方法和操作步驟。

實驗方案設(shè)計按照以下幾步完成:

(1) 實驗方案的初步設(shè)計。學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容及設(shè)計要求,充分發(fā)揮主動權(quán),在所學(xué)的理論知識與實驗技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合查閱和收集相關(guān)資料,選擇適用的儀器設(shè)備和試劑耗材；設(shè)計合理的實驗方案、操作步驟和記錄表格等,完成實驗方案初步設(shè)計。該過程完全由學(xué)生自主獨立完成,充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體作用。

(2) 實驗方案的審閱。學(xué)生初步設(shè)計的實驗方案,經(jīng)教師審閱后,指出方案中存在的問題和修改意見,由學(xué)生修改、完善后再經(jīng)教師進行審閱,此過程反復(fù)多次進行,直到學(xué)生設(shè)計的實驗方案滿足實驗要求。該過程教師不宜對學(xué)生設(shè)計的實驗方案過多干涉,以鼓勵和調(diào)動學(xué)生的實驗熱情和積極性。

(3) 實驗方案的討論和確定。根據(jù)學(xué)生設(shè)計的實驗方案中存在的共性和個性問題,有針對性地集中進行討論和解答,要求學(xué)生發(fā)揮集體智慧,對實驗方案進行最終完善和確定。該過程培養(yǎng)了學(xué)生的獨立思考和創(chuàng)造思維,也保證了學(xué)生自主完成實驗方案的客觀性。

實驗方案設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 實驗方案設(shè)計流程圖

2.2 實驗項目的實施

在開放式實驗項目實施過程中,實驗室面向?qū)W生全天開放,但為了避免實驗室容量不足和儀器使用周轉(zhuǎn)不開等問題,要求學(xué)生結(jié)合自己的學(xué)習(xí)計劃和實驗內(nèi)容安排預(yù)約,確定具體實驗操作時間和儀器使用時間。在正式實驗項目開始之前,學(xué)生需要根據(jù)確定的實驗方案進行實驗準(zhǔn)備工作。在教師及助教的指導(dǎo)下,學(xué)生對其使用的儀器、設(shè)備進行操作學(xué)習(xí)并熟練使用。實驗使用的材料、工具和試劑需要按照實驗方案的要求提前準(zhǔn)備充分。在實驗準(zhǔn)備工作中,要求學(xué)生學(xué)會合理選用實驗材料、工具,科學(xué)計算實驗試劑用量,避免低效和浪費現(xiàn)象。

實驗準(zhǔn)備工作完成后,正式進入實驗項目實施階段。實驗實施過程要求學(xué)生以實驗小組(通常每小組成員為3～5人)為單位獨立協(xié)作完成實驗操作、現(xiàn)象記錄、數(shù)據(jù)分析及結(jié)果討論等實驗內(nèi)容。在實驗過程中,同一內(nèi)容允許反復(fù)多次實驗,直至獲得滿意結(jié)果為止。

實驗結(jié)束后,要求學(xué)生撰寫實驗總結(jié)報告,并以小組為單位進行總結(jié)交流與報告展示。實驗評定以評分形式進行,由教師、助教和各小組組長從實驗方案的設(shè)計、可行性、實驗執(zhí)行情況,以及實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論分析等多方面進行打分評價。

實驗項目實施流程如圖2所示。

圖2 實驗項目實施流程圖

2.3 實驗項目的效果

通過開放式實驗項目的實踐,學(xué)生能夠有系統(tǒng)、有深度、有規(guī)劃地完成實驗內(nèi)容,在實驗設(shè)計、方案實施、結(jié)果分析等方面得到了全方位的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

具體實效主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 學(xué)生通過文獻調(diào)研和現(xiàn)場調(diào)查國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)及學(xué)科前沿動態(tài),掌握了關(guān)于微生物學(xué)、分子生物學(xué)及環(huán)境工程微生物學(xué)等相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識和現(xiàn)代生物技術(shù),培養(yǎng)了學(xué)生獨立創(chuàng)新的科學(xué)研究能力。

(2) 在實驗方案設(shè)計和實驗實施過程中突出了學(xué)生的主體地位,激發(fā)了學(xué)生的求知欲望和科研熱情,增強了學(xué)生獨立思考和分析解決問題的能力,提高了學(xué)生的工程意識和科學(xué)素養(yǎng)。

(3) 通過開放式實驗項目的開展,調(diào)節(jié)了學(xué)生學(xué)習(xí)時空,為學(xué)生提供了更自由寬廣的空間,有利于學(xué)生安排自己的業(yè)余時間。

(4) 采用分組形式自主設(shè)計實驗方案,有助于學(xué)生明確職責(zé)、分工協(xié)作,形成凝聚力較強的團隊,也有助于保證實驗實施過程中的組織性和紀(jì)律性,培養(yǎng)了學(xué)生獨立實踐能力和綜合素質(zhì)。

開放式實驗教學(xué)模式和實驗項目的開展,不僅使學(xué)生掌握了基本的實驗技能,更重要的是激發(fā)和調(diào)動了學(xué)生的實驗興趣和科研熱情,既提高了學(xué)生的科研素質(zhì)與能力,又增強了師生的溝通和理解。同時學(xué)生對環(huán)境工程微生物學(xué)應(yīng)用也有了更深入的認(rèn)識,將所學(xué)的知識融會貫通到環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科領(lǐng)域,進而研究解決工程實際問題,取得了良好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語

開放式實驗教學(xué)模式是實驗教學(xué)改革的必然要求和發(fā)展方向,堅持“以人為本”的教育理念,開展“以學(xué)生為主體”的教學(xué)模式,在實驗時間、實驗內(nèi)容、實驗人員和實驗資源利用等方面高度體現(xiàn)了教學(xué)的實踐性、應(yīng)用性和綜合性。

開放式實驗教學(xué)模式以學(xué)生為中心,突出學(xué)生的主體地位[16],學(xué)生根據(jù)自己的興趣自主選題、查閱資料、設(shè)計和制訂實驗方案、驗證實驗的可行性、完成實驗并給出結(jié)論。實驗過程中涉及的實驗前準(zhǔn)備、實驗中操作及實驗后分析均由學(xué)生自主完成。同時,實驗室對學(xué)生實行全天開放,學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容可以合理利用課余時間開展實驗工作。

開放式實驗項目的實施更加注重實驗實踐環(huán)節(jié),學(xué)生在背景調(diào)研、方案設(shè)計、數(shù)據(jù)處理結(jié)果表達和報告展示等多個環(huán)節(jié)都得到了訓(xùn)練和提高,同時學(xué)生開闊了視野,提高了創(chuàng)新意識,強化了分析問題、解決問題的能力。