环境生物技术实验课程研究

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摘要：环境生物技术实验课程涵盖的实验技能范围广，需要根据生物技术进步和学科需求动态调整课程内容及教学模式。本文介绍了笔者所在教学小组在环境生物技术实验课程内容及教学模式改革等方面的实践。课程教学内容改革以解决实际环境问题为导向，将基因工程、高通量毒性评估等新型生物技术领域中不同实验技能交叉融合形成了3个综合型实验，采用了“以研代练”的实验教学方法，结合多元考核模式对学生实验技能和科研思路进行综合评估，激发了学生的自主学习动力和创新思维。

关键词：环境生物技术实验课程；教学模式；教学改革

环境生物技术实验是环境专业本科生的一门综合性实验课程，以微生物学、生物化学及分子生物学等课程实验技能为基础，讲授现代生物技术的环境领域应用方法，培养学生解决实际环境问题的综合能力与创新思维[1]。环境生物技术是实践性很强的学科，因此，实验教学是环境生物技术教学的重要环节，对学生实践能力、创新能力和科学素养等的培养具有重要作用，是提高学生对所学理论知识理解和学以致用的主要途径。课程体系和教学模式是影响实验课程教学效果的两大重要因素。环境生物技术发展迅猛，新技术、新应用层出不穷，实验课程体系如不能与时俱进，则会与理论教学内容和实际问题脱节。同时，实验教学模式改革不仅要提升学生的技能水平，更应注重学生创新思维和实践能力的培养。为适应生物技术进步和新形势下环境学科发展需求，笔者所在教学小组根据学生已有的知识储备和已掌握的实验技能等对环境生物技术教学内容进行了重新设计，采用了“以研代练”的实验教学方法，结合多元考核模式对学生实验操作、科研思路和创新能力进行综合评估。上述改革与实践增强了学生在实验教学中的主动性，提高了科研素养和创新精神[2]。

一、课程体系改革实践

1.现存问题。南京大学环境生物技术实验课程最早采用本课程创建人程树培教授1995年编写的《环境生物技术实验》为教材。本教材按技术类型将实验分为四个体系：（1）环境遗传工程技术生物技术，主要涉及分子克隆、原生质体融合等污染防控中使用的现代生物技术方法；（2）污染物处理生物技术方法，主要包括废水生物处理工艺的动力学参数测定等；（3）废物资源化与能源化生物技术方法，涉及单细胞蛋白工程、产氢工程、产甲烷工程等实验；（4）环境监测和评价生物技术方法，涉及微生物群落检测、污染物毒性评估等实验。因为课程内容范围广，受课时和实验条件的限制，实际教学中主要开展了污染物处理生物技术和废物资源化领域的相关实验。这些实验设计简单，多以COD、BOD和生物量等为检测指标，检测仪器单一，且部分实验内容与环境生物学和环境工程等课程实验重复。随着生物技术的不断发展更替和现代分析仪器的广泛使用（定量PCR仪、多功能酶标仪等），相对陈旧的实验内容无法满足新形势下环境生物与环境工程专业学生的培养需求。2.改革措施。针对环境生物技术实验课程新形势下的发展现状，教学小组对课程体系从前沿性、实用性、系统性等角度进行了改革，选择具有专业特色的综合型实验，构建了涵盖基因工程、体外细胞高通量评估、微生物检测等实验系列体系，具体的实验内容如下：•实验体系1：环境中目标基因的定性定量分析。包括了环境样品基因组抽提与电泳分析、目标功能基因PCR扩增与鉴定、PCR产物纯化、目标DNA重组（酶切、片段回收和连接重组DNA的转化与质粒DNA抽提）、目标基因的实时定量PCR分析等5个部分。•实验体系2：目标污染物或水体的体外细胞高通量评估。包括了体外人源细胞的传代培养方法、细胞增殖抑制率检测、细胞RNA提取及基因表达检测等。•实验体系3（选做实验）：活性污泥中微生物的活力检测。包括活死微生物检测、微生物的降解动力学检测。上述综合型实验教学内容改革基于以下几个方面原则：（1）针对前期多以单个实验开展的实验内容相对独立，实验技能之间无法有效衔接的问题，本次教学内容改革以解决实际环境问题为导向，将不同实验技能交叉融合，设置综合型实验[3]，每个实验体系分为多个相对独立又前后紧密相关的实验。比如在实验系列1中，第一个实验提取的环境总DNA是第二个实验PCR扩展的样本，也是第五个实验定量PCR检测的目标。（2）现在生物技术已经发展成为系列生物高新技术相融合的综合体系，这些技术在实际环境污染防控中已成为常规科研手段，以科研技术和项目转化为实验教学案例，通过“以研代练”的思维转变，实现教学与科研实践“无缝对接”，提升学生的科研思维与解决实际问题的能力[4]。（3）实验课程内容改革兼顾前沿性和实用性。通过基因工程技术和体外细胞毒性监测评估技术让学生了解生物技术前沿，同时保留活性污泥降解动力学实验，增加活死微生物检测试验等选做试验，巩固学生对传统污染物防控生物技术的理解。

二、教学模式改革实践

1.授课模式改革。针对实际教学中学生独立思考和解决实际问题能力培养不足等问题，基于综合性大实验课程体系，建立以学生为主体的教学模式[5]。要求学生自己熟悉实验相关内容，独立完成实验操作。教师作为辅助人员在实验前不再对实验内容进行讲解，而是让学生根据实验所用试剂盒的说明书（中文或英文原版）等自主了解实验内容及相关流程；教师在实验过程中给予学生必要的技术指导，引导学生独立思考、分析问题、解决问题。实验结束后，任课老师再对实验内容进行系统回顾，进一步提高学生的理解。这种自主实验教学模式改变了学生按照任课老师讲解的实验原理和步骤被动地“照葫芦画瓢”操作完成实验并获得预期结果的传统实验课程授课模式[6]，调动了学生学习的积极性，提高了学生发现问题、分析问题及解决问题等的能力[7]。在实验操作过程中，2名学生组成一组，每位组员独立完成自己的实验样品，在需要协作处理的过程中进行协作。如在实验体系1中，提取样品总DNA和进行PCR扩增时，每人单独进行，但在基因重组并提取质粒DNA后，每组选择质量较好的质粒DNA作为后续定量PCR的标准品，以提高实验的准确度。此外，全班在完成同一样品的不同目标DNA定量分析后，所有人数据汇总在一起共同完成一篇科研论文的书写，内容包括了目标基因的研究意义、测定结果的数理统计及结果的分析讨论等。上述授课模式既培养了学生的实验技能又增强了研究协作能力。学生在完成既定的研究内容外，还鼓励他们根据自己的兴趣，进行更深入的自主设计实验。如在细胞毒性评估实验系列中，学生掌握基于吸光度的细胞增殖抑制率分析后，可自由进行基于荧光探针的细胞毒性分析，包括采用DCF探针检测细胞内氧化自由基，采用JC1探针检测细胞线粒体膜电位等。通过自主实验充分调动学生的科研积极性和兴趣。2.考核模式改革。实验课成绩多是以实验报告为打分的依据，这种考核模式对学生要求很低，导致了学生缺乏主动思考的动力，也让任课老师无法对学生实验过程的真实参与度进行评估[6]。环境生物技术实验课程体系和授课模式改革后，每位学生都有自己单独的样品，需独立理解实验步骤、独立操作完成并获得实验结果，每个小实验的结果在同一实验体系中又相互关联。这些有效杜绝了课上不认真操作，课后不认真总结的不良现象，教师对教学效果有了真实客观的掌握和了解。环境生物技术实验课程学生学习质量考核主要包括实验课程出勤率（25%）、实验过程操作规范（30%）、实验报告书写及结果分析（30%）和实验系列论文书写（15%）等4部分。通过多元考核督促学生对实验课的参与度，并充分了解学生动手能力、协作能力和科研思维能力情况，最终对学生实验过程整体把握和评估[8]。在对学生开展实验课程体系、教学模式和考核模式满意度的调查中，学生给出了较高的评价，近五年的学生评估均分在4.93以上（总分为5分）。

三、结语

基于生物技术发展趋势、硬件仪器条件、学科发展需求等，南京大学环境学院环境生物技术实验课程内容从侧重于污染物处理生物技术的单一独立实验体系改革为基因分析技术和生物监测为主的综合型大实验，适应了环境污染防控从达标、提标到健康转变需求和人才培养新要求。建立了学生为实验主导，教师为辅助人员的实验课程授课模式，通过多元化的考核体系，激发了学生的自主学习动力。同时，也需要认识到环境生物技术实验课程体系及教学模式应关注国家需求和技术进步，实行动态调整，以适应环境领域复合型、创新型人才培养的需求。

参考文献：

[1]常金荣,邝枣园,谭宇蕙,等.生物技术专业开放与自主实验教学模式初探[J].教育教学论坛,2018,(13):155-156.

[2]鲁逸人,刘宪华,朱能,等.环境学科的生物化学实验教学改革探索[J].实验室研究与探索,2009,28(12):155-156,170.

[3]姜红霞,王凤泽,常正尧,等.提高生化实验教学质量夯实生物技术专业基础[J].实验室科学,2018,21(1):150-152.

[4]钱洁,房健民,陈志宏.生物技术专业综合性和设计性实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2014,33(1):207-210,224.

[5]曾琦,谢晖,陈丹,等.生物技术大实验课程教学改革与实践[J].生物学杂志,2017,34(6):116-119.

[6],吕金龙,刘新萍,等.农业生物环境与能源工程专业本

作者:吴兵 张徐祥 单位:南京大学