新工科背景下“环境工程微生物学”课程教学改革探索

［摘 要］ 分析了“环境工程微生物学”课程在新工科背景下面临的教学挑战，针对教学内容与形式单一、创新实践能力培养和信息技术运用能力不足等问题，提出多元化全过程的教学方法及考核形式，优化评价体系，以提升学生独立思考和解决实际问题的能力。通过营造良好的科研氛围、强化导师制度并提供创新创业实践机会，培养学生的科学素养。以多种现代信息技术为载体，增强学生学习的互动性和实践性，激发学生的学习兴趣和主观能动性，实现个性化、全方位的教学模式，为环境工程领域培养具有创新精神的新工科专业人才提供了有力支撑。

［关键词］ 环境工程微生物学；新工科；教学改革；创新能力

［课题项目］ 2023年度杭州师范大学课程思政示范课堂建设项目；2024年度杭州师范大学教学改革项目

［作者简介］ 范念斯（1990—），女，河南新乡人，博士，杭州师范大学工学院副教授，硕士生导师，主要从事环境微生物研究；金仁村（1979—），男，浙江温州人，博士，杭州师范大学工学院教授，副院长，博士生导师（通信作者），主要从事废水生物处理工程和环境生物技术研究。

一、新工科背景下“环境工程微生物学”课程概况及存在问题

“环境工程微生物学”是环境工程专业必修的一门专业基础课。该课程在介绍一般性微生物的基本类群、细胞结构、生理代谢功能等知识的基础上，着重阐述栖息在水体、土壤、大气、城市生活污水、工业废水和城市有机固体废物生物处理，以及排放废气生物处理中的微生物及其生态意义，微生物对生态环境中现存物质的转化，水体和土壤的自我净化，污废水、废气和有机固体废弃物的微生物净化原理。通过“环境工程微生物学”课程的了解学习，可以提高学生对环境中存在的主要和常见微生物类群，环境污染与自修复微生物的内在联系，微生物对污染物质等环境中现存物质的转化，污染物处理设施中微生物的作用，环境微生物的检验、监测和调控手段等内容的掌握程度。为后续“环境影响评价”“水污染控制工程”“环境污染生态学”等环境相关专业课的学习奠定基础。在新工科背景下，“环境工程微生物学”课程作为工学专业的一部分，应适应工程技术的迅猛发展、强调实践应用和跨学科整合的趋势［1］。“环境工程微生物学”在教学中也出现了新的挑战和困境。

（一）教学内容与形式单一

教学模式僵化是目前“环境工程微生物学”培养过程中的一大问题。目前，许多高校理论课程的教材内容没有及时更新，不能反映新的研究成果和技术进展，导致学生无法接触到新的理论知识，难以跟上科学发展的前沿。在教学形式上，主要以讲授法为主，仍旧是“我教你学，我讲你记”，缺乏针对性和互动性的教学内容，限制了学生独立思考与解决问题的能力发展。一方面，过于强调理论知识，缺少实际应用的项目和案例的深入解析，导致学生对实际工程问题的解决能力薄弱；另一方面，学生对环境工程和微生物学的基础知识掌握程度可能存在较大差异，这对教师进行个性化教学提出了更大的挑战。

（二）创新实践能力培养不足

对于实践性和操作性极强的工科学生来说，缺少足够的实践训练和教育培训将导致教师对学生的知识传递过程受到阻碍。创新人才的培养要借助实施创新教育的途径来实现，素质教育的重点内容是创新教育，而创新教育的基本价值取向为培养学生的自我创新意识、敢于创新精神和独立创新能力。从心理学角度来说，以往的教学经验越有效，思维定势也越强烈，这种习惯性对学生的创造力发挥是巨大障碍。部分教师可能在创新实践教育方面的经验和能力有限，缺乏创新实践项目设计和指导的专业知识，而学生对微生物学在环境工程中的实际应用认识不足，没有对环境问题提出创新解决方案的意识。其主要原因在于课程设置相对固定，缺乏灵活性，难以适应快速变化的技术和工程实践需求，且课程评价体系主要侧重于传统的期中和期末考试，较少注重学生的创新实践和解决实际问题的能力。

（三）信息技术运用能力不足

尽管信息技术在教育领域中的应用已经为教学带来了前所未有的便利和创新，但在实际的教学过程中，其应用的深度和广度仍然存在一定的不足。一方面，部分教师由于年龄、教育背景或技术接受度等原因，对在线教学平台、虚拟实验室、数字化教学资源等新兴的信息技术工具掌握不够熟练，导致在应用中遇到各种问题和挑战，从而限制了信息技术在教学中的有效应用。另一方面，信息技术的引入与现有课程内容和教学方法的有效整合也是一大挑战。在实际教学中，很多教师虽然引入了信息技术工具，但往往只是简单地将传统的教学内容转移到线上，或将信息技术作为辅助手段使用，而未能将其与课程内容、教学方法和学生的学习需求进行深度融合。这可能导致学生在使用信息技术时感到困惑，无法将其与所学知识联系起来，从而影响了教学效果的发挥。

二、基于新工科的教学改革思路与策略

（一）以目标为导向，优化课程设置

1.授课方式的改革。授课方式的改革旨在打破传统的课堂讲授模式，引入更富有互动性和实践性的教学手段。首先，我们鼓励教师设置问题解答环节，通过提出实际问题来激发学生深入思考，提升他们的学习兴趣和积极性。这种方式有助于加强师生之间的互动，促进知识更好地传递和理解。其次，课堂讨论也是授课方式改革的重要组成部分。通过组织小组讨论，学生可以分享彼此的见解和思路，培养团队协作与沟通能力。最后，通过结合现代科技手段，例如，在线课程、基于MOOC资源的翻转课堂等，拓展学生获取知识的途径，提高学生学习的灵活性［2］。翻转课堂对于促进教学资源的有效利用与研发是非常有利的，围绕学生为中心展开，学生可以掌控自己看教学视频的进度，可以提出自己的问题和想法，与教师或同学交流，从而获得学习上的主动权［3］。这种创新的授课方式不仅符合学生对多样化学习方式的需求，也有助于培养他们利用技术手段解决实际问题的能力。总之，授课方式的改革在“环境工程微生物学”课程中是一项积极且必要的举措。通过引入更多交互和实践元素，激发学生的学习热情，培养其批判性思维和实际应用能力，有助于他们更好地适应未来环境工程领域的挑战。

2.实践教学的改革。实践教学的改革着眼于提供更为真实和贴近实际工作场景的学习体验。通过模拟实验的设计与开展，让学生在实验室中进行具体的微生物实验。通过亲自操作设备、采集数据和分析结果，学生能够深入了解微生物学的实际应用场景，锻炼实验设计和操作的技能。这样有助于将抽象的理论知识转化为实际解决问题的能力。目前的环境工程微生物实验多为验证性实验，需要设计更多探索性实验和综合性实验，原先实验课程体系中较为简短的验证性实验可以放在理论课堂上由教师进行展示，使学生更好地理解理论知识。另外，通过组织学生去污水处理厂、堆肥厂等实地考察，让学生亲身感受环境工程微生物学在实际工程中的应用。这种实地考察不仅加深了学生对理论知识的理解，还培养了他们对实际环境的观察能力和分析能力。

3.考核方式的改革。传统的“唯试卷”考核方式不能全面地反映学生的发展情况和潜能，更无法衡量新工科人才的创新实践能力。这种只注重结果而忽视过程的考核也助长了学生不求甚解、投机取巧的不良学风。“环境工程微生物学”课程不仅要考查学生环境工程、微生物学等方面的专业知识，还要关注学生的工程实践能力和自主学习能力。因此，在考核方式上应突出过程评价，将课程考核贯穿至整个教学的过程中。课程成绩按百分制计算，平时成绩和期末卷面成绩各占50%。在卷面考核时，部分题目需考查学生的综合能力，如工艺设计等与实践相关试题。在过程考核中继续丰富平时成绩的类型，如出勤率、课堂问答情况、课后作业、小组讨论、分享报告等内容。通过考核方式的改革，更加公平公正地评价学生的综合发展，强化学生的专业素质，为他们未来的职业发展提供更为真实和有针对性的评价，使其更好地应对实际工程领域的挑战。

（二）以学生为中心，培养综合能力

1.科研学术能力的培养。为了培养环境工程专业本科生的科研学术能力，首先要明确建立科研文化的重要性。通过在新工科课程中融入科研元素，开设“环境导论”等课程，向学生介绍本专业的基本概念、主要方法和研究意义。通过举办学术讲座、学科前沿论坛等活动，让学生紧跟科研热点，了解前沿动态，以培养他们对科研的兴趣。其次，注重导师制度的建设。导师是学生科研学术能力培养的关键角色，导师团队包括在业界有丰富经验的专业导师和充满创新思维的年轻导师，旨在提供不同层次的指导和支持。通过导师的耐心指导，使学生更好地理解科研的全过程，通过引导学生独立完成实验、数据分析和研究报告撰写，使之更好地理解科研的全过程，培养学生实际操作能力。再次，提供项目式学习与实践机会。通过实验室科研项目与工程实践项目结合的方式，让学生运用所学知识，培养实际问题解决和团队协作的能力。鼓励工科学生与其他学科的学生合作开展科研项目，不仅培养学生的团队协作能力，还使他们更具全球视野。最后，鼓励并支持学生参与主流的大型学术会议。这种实践机会不仅培养学生的学术表达能力，还能够积累其在学术圈的影响力，为日后的科研工作奠定基础。

2.创新创业能力的培养。在新工科背景下，培养学生的创新创业能力是教育的重要任务之一。为了使学生更好地适应快速变化的社会和市场需求，需要采取一系列创新性的措施，以培养学生在创新与创业领域的综合素养。一方面，注重创新课程体系。通过融入创新创业元素的课程，我们致力于激发学生的创新思维和创业意识。这些课程旨在培养学生对新技术、新理念和新市场的敏感性，使他们能够在未来的职业生涯中更好地应对挑战。另一方面，注重提供实践机会。通过组织创业实训和校企合作项目，让学生在真实的工作环境中进行创业实践。这不仅包括从事创新项目的设计和开发，还包括了解企业运作、市场推广和商业运营等方面的实际操作。这些实践机会为学生提供了独特的平台，让他们能够在实践中培养创业技能。在此基础之上，指导学生参加各种类型的创新创业大赛，如“挑战杯”“环境生态科技创新大赛”等，探索一种以创新创业大赛检验学生能力的引领育人模式。

（三）以信息为载体，强化教学效果

在信息时代的浪潮中，教学已不再是单一的知识灌输，而是转变为以信息为载体的全方位互动过程。通过多元化信息的呈现，学生的感官被全方位激活，学习兴趣被极大激发。同时，我们鼓励学生主动参与、积极探究，通过在线讨论、项目合作等方式，培养他们的批判性思维和团队协作能力。我们不仅传授了知识，更培养了学生终身学习的能力和适应未来社会的综合素质。

通过信息技术的应用，我们能够更灵活、高效地进行课程教学，创造更丰富、互动性更强的学习体验，激发学生的学习兴趣，增强教学改革的实际效果。首先，信息技术提供多样化的教学资源。教师通过视频、音频、图像等多媒体手段，为学生提供更广泛深入的学习资源。例如，可以利用高清显微镜拍摄微生物的图像和视频，通过多媒体设备展示给学生，让他们直观地观察到微生物的形态、结构和生长过程。此外，我们还可以利用动画模拟技术，展示微生物在环境工程中的作用过程，例如，废水处理中的生物降解、土壤修复中的微生物反应等，使学生更深入地理解微生物在环境工程中的重要性。其次，信息技术提供了多样化的教学方法。教师可以生动地呈现抽象的理论概念，利用在线讨论、博客、微博等社交媒体平台以及小规模限制性在线课程（small private online course，SPOC）［4］，激发学生思考，促进交流与合作，实现教学的互动性。最后，信息技术提供了个性化学习的可能。通过学习管理系统（learning management system，LMS）等智能化工具［5］，教师可以根据学生的兴趣和水平，推荐个性化的学习资源，也可以更好地了解学生的学习情况，进行个性化的辅导与引导，提高学生的学习效果。

三、改革成效分析

在丰富教学形式的同时，优化了课程考核体系，加强了过程考核和素质教育，在课堂分组讨论、课后小组作业及汇报等多方面评价学生的综合发展水平，使学生的整体学习风气大幅改善，脱离了期末“临阵磨枪”的强化学习模式。从期末总评成绩来看，2022级相较于上一年级有显著的提高，特别是平时成绩和期中汇报的过程表现。此外，学生参加各类学科竞赛的积极性也逐年递增，如“挑战杯”“生态环境大赛”“环境生态科技创新大赛”等科技竞赛。不论是参赛人数的增多还是类别的多样化，均能体现学生综合素质的提升。基于此，以本科生为第一作者发表高水平SCI期刊论文也实现了“零的突破”。一方面，通过课程教学过程中的演讲汇报，锻炼学生在公共场合展示自我的能力，增强自信心，为其在后续学科竞赛中的展示做铺垫；另一方面，随着多种现代信息技术的融入，增强学生对理论知识的理解和对专业的认同感，坚定其理想信念，为其将来在本领域的深造和发展奠定基础。