蔡偉偉，李冬梅，賈方旭，李新洋，姚 宏

北京交通大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100044

環(huán)境工程作為一門以問(wèn)題為導(dǎo)向的學(xué)科，始終圍繞環(huán)境問(wèn)題，以工程技術(shù)與原理為手段，主張?jiān)诓灰l(fā)二次污染的原則下解決問(wèn)題。微生物學(xué)是環(huán)境工程學(xué)科非常重要的理論基礎(chǔ)課程，解決很多環(huán)境問(wèn)題均需依賴微生物的代謝活動(dòng)，比較典型的包括污水生化處理、有機(jī)固廢好氧堆肥/厭氧消化等。因此，“環(huán)境工程微生物學(xué)”是環(huán)境專業(yè)的必修課程[1-4]。

“環(huán)境工程微生物學(xué)”的教學(xué)實(shí)踐以微生物學(xué)的相關(guān)理論為主，同時(shí)還包括大量實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力以及解決問(wèn)題時(shí)的邏輯思維能力。隨著線上教學(xué)以及各種網(wǎng)絡(luò)課程的普及與發(fā)展，線上平臺(tái)能夠更好地?cái)U(kuò)展優(yōu)質(zhì)師資與課程資源，為學(xué)生提供更為開(kāi)闊的學(xué)習(xí)視野。但由于實(shí)驗(yàn)課程涉及場(chǎng)地、器材、耗材等一系列專業(yè)教具，使得實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)存在困難[5-7,1]。因此，積極開(kāi)發(fā)適合于線上教學(xué)體系的環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)課程，一方面有利于讓更多學(xué)生享受更好的教學(xué)資源，另一方面也能夠促使學(xué)生學(xué)會(huì)將理論學(xué)習(xí)與日常生活融會(huì)貫通，更好地理解環(huán)境問(wèn)題來(lái)源于生活以及解決問(wèn)題需要從理論回歸生活的道理。

1 課程目的

“環(huán)境微生物與實(shí)驗(yàn)”是環(huán)境工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程。本課程可以使學(xué)生掌握微生物學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí)以及污染物生物控制技術(shù)的相關(guān)微生物學(xué)原理，培養(yǎng)學(xué)生利用微生物學(xué)原理分析并解決環(huán)境科學(xué)和工程研究中機(jī)理問(wèn)題的能力，并為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程及開(kāi)展科研工作打下良好、扎實(shí)的基礎(chǔ)。

本課程是北京交通大學(xué)威海校區(qū)的全英文課程。北京交通大學(xué)威海校區(qū)的環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)是由北京交通大學(xué)與英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)合作共辦的，教學(xué)體系融合了中英雙方的教學(xué)特色，在課程內(nèi)容和授課方式上均促進(jìn)了中西方的相互借鑒。北京交通大學(xué)威海校區(qū)的目標(biāo)是培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型的國(guó)際化專業(yè)人才，是北京交通大學(xué)與海外著名高校合作辦學(xué)的先驅(qū)基地。環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)是北京交通大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)與蘭卡斯特大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的產(chǎn)物。其中，“環(huán)境微生物與實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)內(nèi)容既是北京交通大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)重要的理論支撐，又是蘭卡斯特大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)研究地球生物化學(xué)循環(huán)的重要組成部分。而其中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分則是學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、將理論應(yīng)用實(shí)踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，“環(huán)境微生物與實(shí)驗(yàn)”中的實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的關(guān)鍵部分。

2 案例——微生物培養(yǎng)基的制作與接種實(shí)驗(yàn)

2.1 案例實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的流程

如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)室操作流程主要包括確認(rèn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和考察學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而轉(zhuǎn)為在線教育后，實(shí)驗(yàn)課程中的部分實(shí)驗(yàn)無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室完成，因此需要對(duì)原有流程改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其符合進(jìn)行居家實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)需求。對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的改進(jìn)并沒(méi)有利用模擬軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，而是將實(shí)驗(yàn)室操作的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)之后讓學(xué)生能夠利用身邊的條件進(jìn)行居家操作。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及方案

2.2 案例實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在“環(huán)境微生物與實(shí)驗(yàn)”的課程學(xué)習(xí)中，培養(yǎng)基制備操作及微生物接種是兩項(xiàng)基本操作，也是后期進(jìn)行微生物相關(guān)研究的重要方法。在實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生能夠通過(guò)動(dòng)手操作來(lái)加深對(duì)微生物分離培養(yǎng)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)制備簡(jiǎn)單的廣譜性微生物固體培養(yǎng)基，同時(shí)，還能夠?qū)⒅鲃?dòng)采集周圍環(huán)境中的微生物接種到配制好的固體培養(yǎng)基上。該實(shí)驗(yàn)課程能夠打開(kāi)學(xué)生認(rèn)識(shí)微生物的大門，后續(xù)的微生物實(shí)驗(yàn)也可以建立在此基礎(chǔ)上，進(jìn)而進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)微生物研究過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼{(diào)整：實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕⒃谡n程的設(shè)置與安排上，結(jié)合課程大綱及課程內(nèi)容，在線教育并不會(huì)改變課程大綱及授課內(nèi)容（實(shí)驗(yàn)內(nèi)容），因此沒(méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行調(diào)整。而且，后期課程的設(shè)計(jì)和改進(jìn)都是為了實(shí)現(xiàn)原有教學(xué)目的而進(jìn)行的。

2.3 案例實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)

在培養(yǎng)學(xué)生環(huán)境保護(hù)意識(shí)與社會(huì)責(zé)任感的同時(shí)，突出鍛煉與提升其創(chuàng)新思維，尤其對(duì)于環(huán)境專業(yè)的大一新生來(lái)說(shuō)，更應(yīng)該強(qiáng)化其在建設(shè)美麗中國(guó)、實(shí)現(xiàn)綠水青山的國(guó)家戰(zhàn)略中承擔(dān)的責(zé)任與義務(wù)，提升其作為環(huán)保事業(yè)排頭兵的使命感，以此來(lái)厚植學(xué)生的家國(guó)情懷、加強(qiáng)學(xué)生的個(gè)人素養(yǎng)。

2.4 案例實(shí)驗(yàn)方法

2.4.1 專業(yè)器材替代方案設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)驗(yàn)器材獲取的難易程度，教師在講解實(shí)驗(yàn)時(shí)仍以實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)器材為主，在講解居家實(shí)驗(yàn)方案時(shí)則進(jìn)行替換。例如，加熱過(guò)程中使用的電爐可以轉(zhuǎn)為家用燃?xì)庠罨蚣矣孟灎T，也可以讓學(xué)生根據(jù)情況自行選擇可替代的器材。教師要重點(diǎn)讓學(xué)生明白操作器材的主要作用及注意事項(xiàng)，以及在選擇替代品時(shí)判斷替代品有效性及優(yōu)缺點(diǎn)的方式方法。除了利用燃?xì)庠畲鎸?shí)驗(yàn)室用具，家用煮鍋也可以替代燒杯加熱溶解培養(yǎng)基。對(duì)于培養(yǎng)基配置前對(duì)器材滅菌這一環(huán)節(jié)，教師需要告知學(xué)生如果沒(méi)有特別合適的替代方案，可以忽略該過(guò)程，但是需要考慮不滅菌會(huì)存在什么樣的風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考。若放棄滅菌，則在微生物接種過(guò)程中可以選擇干凈的棉簽進(jìn)行接種，同時(shí)考慮到家庭環(huán)境不適合培養(yǎng)純菌，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生嘗試將門把手、地板等地作為微生物的來(lái)源。但是這可能會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)基很難形成菌落。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)耗材的家用替代方案

考慮到居家條件的限制，實(shí)驗(yàn)耗材的選擇也要盡可能滿足日常容易購(gòu)買的現(xiàn)實(shí)需求。例如，瓊脂可以用果凍等含有瓊脂的食品代替，蛋白則可以用牛奶等高蛋白食物來(lái)替代。但是教師需要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)這些替代性食品不具備唯一性，學(xué)生可以根據(jù)食物成分表來(lái)判斷是否合適，并且需要考慮其可能帶來(lái)的后果，比如牛奶加熱后會(huì)變性，可能導(dǎo)致最終做出的培養(yǎng)基不透明。

2.4.3 風(fēng)險(xiǎn)控制

在培養(yǎng)基配制實(shí)驗(yàn)中，考慮到實(shí)驗(yàn)室和居家的區(qū)別，如何避免安全隱患是最重要也是最關(guān)鍵的一步。在本案例實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過(guò)程中，首先，要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生安全意識(shí)的培訓(xùn)，強(qiáng)調(diào)在家用使用燃?xì)庠?、蠟燭等帶有明火的設(shè)備時(shí)，需要盡可能與家長(zhǎng)溝通，并且最好有家長(zhǎng)監(jiān)督，同時(shí)要保證學(xué)生遠(yuǎn)程視頻，以便于教師可以隨時(shí)觀察學(xué)生的操作情況。其次，在實(shí)驗(yàn)流程上盡可能規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)較大的操作步驟，比如，在滅菌步驟中，盡管家中的高壓鍋等設(shè)備能夠起到與實(shí)驗(yàn)室滅菌鍋類似的效果，但是學(xué)生單獨(dú)使用高壓鍋等設(shè)備仍存在安全隱患。因此可以省略該步驟。同時(shí)，教師可以結(jié)合理論與視頻教學(xué)，讓學(xué)生了解到該步驟的主要作用及原理。最后，在居家操作時(shí)，實(shí)驗(yàn)中涉及?；返牟襟E同樣需要省略，并且在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該進(jìn)行步驟流程的無(wú)害化設(shè)計(jì)。

2.4.4 評(píng)估與評(píng)價(jià)

學(xué)生需要提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并且需要提供視頻以展示自己動(dòng)手制作的過(guò)程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告及視頻，教師能夠?qū)W(xué)生進(jìn)行更為全面的考核。相比線下實(shí)驗(yàn)課程，教師能夠提供更詳細(xì)且更具針對(duì)性的評(píng)估成績(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際操作后證明，本案例具備一定的可行性，但還存在諸多問(wèn)題，其中主要問(wèn)題是由于各種器材及原材料需要用替代品導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不理想，而這也是最難設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)。除此之外，如果只考慮到學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)基本原理的學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)動(dòng)手操作的鍛煉，那么這種線上教學(xué)模式基本能夠完成任務(wù)，并且學(xué)生參與的積極性更高。綜上所述，這種線上實(shí)驗(yàn)的形式一定程度上引起了大家對(duì)新教學(xué)模式的思考，比如這種模式對(duì)學(xué)生積極性的調(diào)動(dòng)是否可以在未來(lái)的線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)中繼續(xù)保持，對(duì)此，教師可以要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上完成實(shí)驗(yàn)之后，在家里進(jìn)行重復(fù)性替代性實(shí)驗(yàn)，以加深他們對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解及應(yīng)用。