自主开放式实验教学模式探究

自主开放式实验教学模式探究——“环境微生物学实验”课程

胡宝兰　梁璐怡　朱　亮　郑　平
　环境与资源学院

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—环境科学与工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:“融会贯通，学以致用，探索创新”。通过本课程的教学，不但使学生能熟悉环境中微生物的主要类群，牢固掌握环境微生物学实验的基本操作技能，而且也使学生初步掌握微生物对环境中污染物的降解与转化及环境监测中的微生物学相关方法；还能培养学生观察、思考及独立分析问题和解决问题的能力，启迪学生的创新思维。

（2）教学内容:“环境微生物学实验”主要介绍显微镜的使用，无菌操作；微生物染色制片技术；微生物各种接种技术；微生物培养、分离、纯化技术；微生物生理生化检测技术；常规微生物计数方法和有关利用微生物降解环境中的污染物以及环境监测中微生物学的相关方法。

4.教学对象

环境工程专业和环境科学专业三年级本科生。每年开设一次，每班人数控制在30人以下。

5.教学时数与教学场景

（1）课程时数:实验教学32学时。

（2）教学场景:在环境与资源学院实验教学中心环境微生物学实验室。

二、课程教学重点解决的问题

环境微生物学实验不仅要验证“环境微生物学”课堂所学的理论知识、培养学生的基本操作技能，更重要的是要用所掌握的操作技能去探索和解决未知的环境科学与工程问题。本课程拟通过建立验证技能性实验（包括操作性实验、示范性实验、参观性实验、多媒体演示实验）和自主设计性实验（简称自主性实验）模块，制定“强基础，重实用”的实验教学内容，建立自主设计性实验菜单，调动学生的实验积极性，强化学生创新性实践能力训练的意识，提高学生的实践能力和创新能力。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

“环境微生物学实验”是环境微生物学课程理论知识与实践应用的纽带，是培养学生应用环境微生物学的理论和技术探索和解决环境问题的有效手段。在以往的实验教学活动中，教师“照方抓药”，按照实验教材对学生进行灌输式的教学，学生“按部就班”，被动地、机械地按照教师的讲解和演示进行实验，而且实验内容以验证性为主。因此，实验课程往往无法激发学生学习的积极性和主动性，无法培养学生将所学的知识进行融会贯通，以整体性、联系性、创造性的思维去解决问题的能力。鉴于此，本教改课题对环境微生物学实验教学体系进行了完善，设立了自主性实验教学模式，提高了学生综合运用所学知识和技能的能力，以引导学生探究式学习，养成求知创新习惯。

（1）完善了环境微生物学实验教学体系。

以“融会贯通，学以致用，探索创新”为课程培养目标，完善了环境微生物学实验教学体系，构建了环境微生物学实验教学新模式，将现有的实验分为验证技能性实验（包括操作性实验、示范性实验、参观性实验、多媒体演示实验）和自主设计性实验（简称自主性实验）两个模块。验证技能性实验旨在巩固课堂所学知识、训练基本操作技能，自主性实验旨在应用所学的知识和技能解决实际环境科学与工程问题。根据课时，合理配置操作性实验、示范性实验、参观性实验、多媒体演示实验和自主性实验。新的环境微生物学实验教学体系旨在突出课程专业地位，优化实验教学方式，完善人才培育理念。相关的内容“环境微生物学实验教学模式改革”已在实验技术与管理（2012，29（9）:126—128）上正式发表。

（2）建立了自主设计性实验菜单。

根据学生掌握的实验技能，结合当前环境科学与工程领域的热点问题，设置4～5个设计性实验，建立设计性实验菜单，让学生自主选择，以满足学生的个性化追求，拓宽学生的专业视野，强化学生综合能力与创新能力的训练，提高教学绩效。目前我们以“水质的细菌学检测”、“空气中微生物的监测”、“发光细菌毒性实验”、“厌氧菌的分离培养研究”、“藻类生长特性研究”等作为待选的研究项目供学生选择。有些选题贴近生活，能引起学生的研究兴趣，如对不同品牌的纯净水或饮料进行细菌学检测，对校园典型场所（图书馆、食堂、宿舍、操场）微生物的时空分布规律进行研究，对染发剂、洗发水、化妆品等进行发光细菌法毒性测定；有些选题是对课堂教学的延伸，如课堂教学中微生物的分离和培养内容主要针对好氧微生物，而在自主开放实验阶段学生根据自己的兴趣，以“酸奶中乳酸菌的分离、培养及鉴定”、“厌氧纤维素降解菌的分离、培养及鉴定”、“反硝化菌的分离、培养及鉴定”等作为对厌氧菌研究的项目，不仅加深了对微生物分离培养流程的认识，还自主学习了厌氧菌的分离和培养方法，并通过对厌氧菌的研究，了解厌氧菌在污染物降解、环境修复、废弃物资源化利用等方面发挥的作用；有些选题能激发学生探索性的尝试，如在“发光细菌毒性实验”的选题中，有学生将微生物学的知识与电学、工程学的知识相结合，探索性地制作了简易毒性计，将该毒性计用于废水的毒性检测，并对其特性、可行性进行了评价。整个实验过程是想象力、创造力与实践力的完美结合，有效地培养了学生主动思考、综合利用所学知识解决实际问题的能力。

（3）学生完全独立自主完成实验。

自主性实验采用开放式教学模式，由教师设置实验选题范围，学生根据个人兴趣自主选题，5～8名学生组成一个实验小组。通过文献查阅，学生自行设计实验方案，根据自己的实验方案，自己选择并准备实验器皿，学生自主安排实验时间并完成实验，实验老师及实验教辅人员给予指导与帮助。学生通过文献查阅、方案设计、材料准备、实验操作、影像摄录、现象观察、结果分析、报告撰写、课件制作、演讲汇报等一系列环节来完成整个实验过程，给予学生充分思考和想象的空间，能够充分展现学生的智慧和才华，教师充当引导和服务的角色。

2.具体实施方法举例

2011—2012学年，环境工程教学班学生27人，在自主实验菜单中选择了“水质的细菌学检测”、“空气中微生物的检测”和“发光细菌毒性实验”三个实验，分成三组进行了自主实验，具体如下:

（1）水质的细菌学检测实验:共有7位同学选择了这个实验，他们分别检测了西湖水、虎跑泉水、西溪湿地河水以及紫金港校区自来水中的细菌总数和大肠菌群总数，检测得到如下结论:西湖水属于清洁水体，虎跑泉水属于清洁水体，西溪水属于清洁水体，而紫金港校区自来水符合生活饮用水水质标准。

通过这样一次开放实验，学生对自己关心及感兴趣的杭州市典型的地表水体及自己日常饮用的自来水进行了水质的细菌学检测，检测结果让他们对各类水体的洁净程度都有所了解，不仅锻炼了他们进行实验的技能，也锻炼了他们综合的科研能力，因此实验结束，学生也有很多的心得和体会:

本次实验完全由我们学生自行设计，自行实验，取样、检测的时间间隔较长，其实也是整个实验时间没有较好的统筹规划的缘故。由此认为，今后不管是个人，还是团队，都需要对“工程”事先进行细致的安排，这样不但可以提高工作效率，还能事先避免不必要的失误，如实验材料不够等。

从所查得的水质标准看出，一般不将总菌数纳入检测标准，而本实验设计者，为图方便，大肠菌群仅检测了自来水和虎跑水，对于西溪湿地水和西湖水，没有对大肠菌群数进行检测，从而不能根据国标判断水质，这是事先未查阅相关标准所导致的。当然，造成这种失误也是因为小组成员之间未做好充分的交流，且对整个实验安排未形成总体认识，便开始盲目听从“指挥”所造成的。可见，团队协作不够，会导致整体工作效率不佳。

通过实验的取样，体会了环境监测的“实地操作”，明白理论和实际的差距，觉得在扎实掌握专业知识的同时，也需要在实际操作中灵活应用，因地制宜。另外，取样过程引起了周围市民的围观，顿时体会到作为环境工作者肩上的一份责任和光荣，而与此同时，在湿地周围所看到的一些白色垃圾，也使我感觉我们所选择的事业，可谓路漫漫其修远兮。

（2）空气中微生物的检测:共有10位同学选择了这个实验，他们对紫金港校园内具有代表性的10个不同功能区域的环境空气质量进行微生物检测分析，用以了解和评价校园空气的微生物污染状况（见表1）。并且，对实验室内的空气进行了沉降法、滤过法和撞击法三种方法的比较检测，用来评价三种采样方法对于空气中微生物数量检测结果的影响。

表1　采样点的设置、编号、环境特征情况及结果

对于空气微生物学检测结果发现垃圾中转站的空气已受到了污染，食堂、男生寝室空气的微生物含量较其他点多，需要加强防范。其他公共场所，诸如图书馆、校医院等的空气微生物学质量均为清洁，对学生的健康有益。

检测结果让大家对紫金港校区内不同场所空气微生物状况有了一定的了解，也对自己的生活方式和生活习惯提出了一定的要求:

针对这一次调查实验，我们可以发现，在我们看似清洁的生活环境中隐藏着许多潜在的威胁因素。然而空气是人类生命中十分重要的物质，它的清洁程度与我们的身心健康息息相关。所以我们要从自身做起，保持良好的卫生习惯，给自己和他人都增添一份健康。

据实验过程与小组讨论，发现影响环境空气微生物学质量的因素有人员密度、人员活动的时间规律、气候条件、建筑构造（如采光能力、通风状况）、个人习惯等。

空气是生命依赖的重要物质，其清洁程度与我们的身心健康息息相关，作为一个大集体中的一员，我们应当从自身做起，保持良好的卫生习惯，避免生活环境受到污染。我为人人，人人为我。为他人，更为自己，创造一个美好校园。

实验过程中组员之间的协调合作十分重要，组员之间分工明确，才能够更快更好地完成任务。实验之前必须要有明确的计划，更要考虑到各种细节，不能到实验时才手忙脚乱。像这次实验过程中就出现了要进行操作了才发现灭菌过的培养皿不够的情况，从而影响了实验的进度。

（3）发光细菌毒性实验:共有10位同学选择了这个实验，他们分别对游泳池消毒剂的毒性、两种特种香皂和一种洗衣皂的杀菌和抑菌效果、白猫洗洁精的杀菌效果和毒性、不同品牌防晒霜的毒性进行了试验。大家针对自己感兴趣的实验内容设计了实验方案，再根据自己的实验方案实施，虽然在实验过程中碰到了许多的困难，但学生都尽自己的努力克服了实验中的困难，并对实验中获得的数据进行了统计分析，最终得出了自己的结果。虽然实验结果只能作为特定样品的单项结果，但学生们还是对自己的结果表示满意。在实验过程中，同学们针对自己的实验内容和方案以及自主实验的方式有不少的感触:

这次实验是自己设计、独立完成的一次实验，有机会让我们将自己的想法付诸实践，这是以前从未有过的。发光细菌毒性试验的实验原理和步骤都比较简单，但是需要精准的时间计算和大量的重复操作，还需要进行大量的预实验来确定合适的样品初始浓度。真正自主完成一次实验是需要时间和耐心的，书本中每个实验的实验设计、实验步骤和实验条件的确定都是前人花费大量时间精力摸索出来的。

通过这次实验，除了掌握发光细菌的测定方法以外，还培养了我们自主实验的能力，这是我们完成的一个完整的实验，我们正需要这样的锻炼，而不是像平常那样只知道没有任何想法地按照书本上的和老师说的做。我觉得这样的一个实验好过平时的三个实验。

此实验需要良好的配合，熟练的实验操作，所以对于第一次做的我们来说，要做好还是有一定难度的。我们选取的品牌不够多，稀释的浓度点也不够多，组内平行也并不是很好，导致可用数据并不多，数据的准确性也有待商榷。因而需要更多的实验与数据做统计分析后才能得到更可靠的结论。虽然如此，但还是具有一定的参考性的。这点在分析里也有提到。第一支菌剂竟然失效不能用，幸亏用了国标的方法进行了检测，才发现不可用，不然就会浪费大量的时间还找不到原因。这在实验书上并没有，所以还是国标比较正规一些。建议下次实验书上可以提一下国标的方法。其余组做的胶水、肥皂液等各有各的难点，但是最终大家都克服了。为我们的成果而感到开心。

这个开放性实验看起来比较简单，但是实际操作起来需要去克服很多问题。很多防晒霜是脂溶性的，不能溶于3%NaCl溶液，因而无法进行实验。在选择了水溶性相对较好的3种样品之后，也无法全部溶解，因而形成悬浊液。起初我们选择用移液枪定量取防晒霜，老师给我们建议:防晒霜比较黏稠，还是用称重法比较好，因而选取称重法。但是称量多少，稀释多少倍都是未知的，需要我们去探索，但是发光细菌一旦复苏必须马上用完，对我们进行预实验是个挑战。我们只能采取多稀释多浓度梯度来保证至少有可用的数据，可以呈现一定的结果。像周旭组便由于稀释倍数不够而导致基本无可用数据，需要重做。因而我们的第一次相对还是比较成功的。剩余发光浓度落在较好的范围内。悬浊液在稀释时如何比较使浓度比较均匀又是另一个问题。我们最后选择静置后取下清液，但是这个分层效果也不是很好，静置也无法分离，因而只能吸取悬浊液。由于待测样品很多，所以需要很好的配合以及计时者清晰的头脑。测初始发光浓度→加菌液→加塞摇匀拔塞→等待10min→加样品→加塞摇匀拔塞→等待15min→测量剩余发光浓度，此为一个循环。因为菌液加入量为10μL，所以要小心，不要吸空，也不要加入时沾到其他样品或者瓶塞处。从容量瓶中吸取1mL样品也要迅速，并且不要弄混哪些已加，哪些未加。动作不够快或者有一次加液有失误便会连累到其他样品，甚至全部的时间错乱。实验时没有带精确的秒表，只是大致用手表的指针对照一下。10min以及15min的计时也并没有精确到秒，所以造成误差较大。一开始并未想到色度校正，在黄曜与助教的提醒下才发现我们均是乳白色液体，应该按照国标做色度校正。做色度校正时，因为该法使用对象是有色液体，对于这样的悬浊液无法确定校正效果。而且悬浊液分布有很大影响，造成结果有很大差异。

3.教学方法特点分析

本课程教学内容虚实结合，既有示范性实验、参观性实验、多媒体演示实验，也有学生基本操作性实验，还有自主开放性实验，不仅拓宽了学生的专业视野，训练了学生的专业技能，而且对学生的创新性综合实践能力进行了训练，强化了学生的自主意识和创新能力。其主要特点如下:

（1）验证性实验与自主开放性实验相结合。验证性实验旨在让学生掌握基本的实验操作技能，自主开放性实验旨在让学生把基本实验技能与平时的科研技能融会贯通，培养学生的综合创新能力。

（2）强调自主式学习。自主开放性实验完全由学生自主完成整个实验内容，给予学生充分思考和想象的空间，能够充分展现学生的智慧和才华，教师充当引导和服务的角色。

（3）强化科研创新意识。将科研前沿引入实验中，并将科研应用于实践中，既激发了学生的学习兴趣和求知欲，又促使教师自身不断地进行教学研究，理论上提高和充实自身，实践上持续探索和完善。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

课程成绩（100分）由下面几部分组成:

（1）平时作业（20%）:平时作业是本学期各实验的平均成绩，每个实验的成绩包括实验过程和实验报告的撰写。

（2）自主开放性实验（40%）:自主开放性实验以实验设计方案、实验操作情况以及实验报告情况评定。

（3）期末（40%）:期末成绩以实验操作考试评定。

总体考核学生掌握基本技能、实验效果以及运用所学知识分析问题和解决问题的能力。

2.教学支撑手段

环境与资源学院实验教学中心平台仪器设备保证参观性实验的实施。

显微视频系统及多媒体演示系统保证演示实验的实施。

实验中心足够的器皿和设施保证自主开放性实验的实施。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

在新型教学模式下开展教学实践活动，取得了多方面的成效。

（1）培养了学生扎实的基本功。从验证型的基本实验到综合型的课程实验再到探索型的自主开放实验，学生的基本操作技能不断得到强化和提升。较强的动手能力是开展课程实验、解决实际问题，乃至将创意与设想变为现实的重要保证。

（2）培养了学生的综合素质。在实验活动中，有效地训练了学生的自学能力、设计能力、沟通协调能力、团队协作能力、分析归纳能力、写作能力、演讲能力以及创新思维能力，而这些能力的重要性不仅体现在实验活动中，或是后续的科研活动中，更体现在社会活动中。这些是学生毕业后迈入社会所应具备的能力，也是社会对高校人才培养的客观要求。

（3）实验教学充分利用和依托了现有的资源，教学与科研紧密结合。随着学校对本科教学投入力度的不断加强，微生物实验室的仪器设备得到更新，尤其是一批代表前沿实验技术的先进仪器进驻实验室。我们以此为契机，增加新的实验内容，将新仪器运用到实验教学中，引导学生采用先进的实验手段来解决问题。此外，充分利用本学院良好的科研平台与浓厚的学术氛围，鼓励学生去科研实验室取经，将获得的启发和灵感在开放实验阶段得以实践，这样使得实验教学延伸至科研，并以学生的主观能动性作为纽带，将两者融合起来，不仅消除了学生对科研的神秘感，而且提高了学生对科研的兴趣以及从事科研的自信。

（4）教学相长。在加强学生能力培养的同时，对教师的业务水平提出了更高的要求。教师不仅要熟悉专业知识，更要不断学习，及时跟踪现代环境微生物学发展的新趋势，充分发挥引导者的作用，总结教学成果，提升教学质量，使课程建设进入良性发展的轨道。

2.推广性分析

该教学方法在2010年开始系统实施，每学期对实施情况进行反馈修正，现逐渐完善。受益学生数量80人/年左右，学生评价优秀。

面向学生学习的教学方法的改革，既激发了学生的求知欲，又促使全体教师不断地进行教学研究。相关的教改内容已正式发表。依托“环境微生物学”国家精品课程建设，环境微生物学的自主开放性实验将进一步推广和完善。

六、课程教材及实验参考书

［1］郑平.环境微生物学实验指导.杭州:浙江大学出版社，2005

［2］王家玲.环境微生物学实验.北京:高等教育出版社，1988