基于计算机发展下环境工程教学方法的改革和创新

“环境工程微生物学”是我国高等学校环境工程专业核心课程之一，该课程的理论与实践内容十分丰富。随着全球范围内的生态环境问题曰益表现出的普遍性、严重性和复杂性，环境科学与工程领域的新理论和新技术不断涌现，包括微生物学在内的生命科学也发展迅速，尤其在分子水平上的研究更是取得了丰硕的成果。这就要求“环境工程微生物学”课程的知识内容和理论体系必须随之拓展和更新，对课程教学的任务、内容和方式不断进行调整和改革，以适应社会的需求。

北京林业大学“环境工程微生物学”课程被列为环境工程专业必修课和专业基础课，总计48学时，其中理论课32学时、实验课16学时。在有限的学时内，如何使专业学生较全面地掌握环境工程微生物学的基础理论体系、核心知识内容和基本实验技术，培养学生观察和分析事物的能力、利用微生物学理论知识解决环境问题的能力和创新能力，是本课程的中心任务。基于此，笔者对该课程近几年的教学情况和成果进行了综合分析，对问题和经验进行了总结和研究。

一、课程的定位

“环境工程微生物学”在整个环境工程专业的课程体系中是一门非常重要的专业基础课。它既包括基础微生物学的知识内容（微生物的分类、形态结构、营养、代谢、生长繁殖、生态、遗传和变异等），还包括微生物在环境物质循环和环境污染控制中的作用原理（微生物在元素循环中的作用、微生物对污染物质的降解和转化等）以及微生物新技术在环境工程中的应用等方面的内容。因此，环境工程微生物学不等同于环境中的普通微生物学，也不是环境污染的生物处理工程。“环境工程微生物学”是在学生不具备微生物学的基础理论知识的背景下，通过介绍与环境科学与工程领域相关的微生物学基础知识理论和实验技术，为后续的水、空气、固体废弃物污染控制工程以及污染环境的生态修复等专业主干课程提供知识储备和理论基础。这就是“环境工程微生物学”课程学习的目的和任务。这一点对于“环境工程微生物学”课程教师的教学和学生的学习都非常重要，它决定了整个课程的逻辑结构、重点内容和教学方式。也就是说，“环境工程微生物学”的教与学，必须突出环境污染治理和生态环境保护的主题，将微生物学的知识理论和环境领域的工程实践紧密结合，才能取得良好的教学效果。

二、教学内容的设置

目前，各个学校编写了不少环境微生物学的教材。其中，周群英和王士芬编着的《环境工程微生物学（第三版）》为广大高校的环境科学与工程专业所采用，它基本可以满足一般工科类院校的教学要求。但是，在使用的同时，各学校还应根据自身的专业特色，对其中各章节的内容进行取舍，并针对各自的专业适当增加内容，比如土壤微生物、海洋微生物等，以体现学科的优势研究领域。

在“环境工程微生物学”的教学过程中，把握好基础微生物学和微生物在污染控制中的作用两部分的关系十分重要。前者是后者的理论基础，后者则是前者的工程应用，重点则是环境工程实践中的微生物学原理。如果对微生物的结构、营养、代谢等内容介绍过多，课程容易演变为细胞生物学、微生物生理学或生物化学等；而对污染控制的具体工艺过程涉及过多，又容易重复污染控制工程的课程内容。因此，在课程教学时，应合理安排这两部分的比例。另一方面，“环境工程微生物学”的教学还应处理好与其他相关课程的相互关系。北京林业大学开设的“植物学”“环境生物学”等课程与“环境工程微生物学”之间存在一定的联系，3门课程在如细胞结构、生理代谢、遗传变异等知识内容上均有一定的论述，但课程核心和重点内容各不相同。在讲解“环境工程微生物学”时，应注重强调微生物细胞、生理、遗传方面的独特性，并对这些特性在环境工程领域的应用展开详细介绍。也就是说，在教学过程中需要注意知识单元的逻辑衔接，注重课程体系的统一性，要明确课程的侧重点，避免重复。

基于当前环境科学与工程学科的飞速发展，“环境工程微生物学”的课程教学还应紧密结合当前环境污染控制和生态修复相关领域的新进展，而不能只停留在传统污染处理工艺的微生物学原理上。教师通过对最新污染控制工程理论和技术的微生物学原理进行解析，可以激发学生学习的兴趣、专业的热情，树立投身环境保护事业的志向，课程的教学效果也会随之提高。例如，在废水生物处理的微生物学原理部分，笔者介绍了这几年比较受关注的利用好氧颗粒污泥处理高负荷、强毒性有机废水的新工艺，解析了活性污泥微生物胞外聚合物在好氧颗粒污泥形成中的作用以及生物处理系统由于污泥浓度大幅增加而带来的高效性，来强调通过利用微生物的生理生化特性进行废水处理技术的革新。学生对这些新内容的反馈很活跃，也引发了很多讨论。

三、教学方法的改革和创新

随着计算机技术的迅猛发展和现代社会的快速信息化，传统的、单一的灌输式教学方法难以取得满意的教学效果，也无法满足当前创新型人才的培养要求。大学课堂的教学必须与时俱进，应借助多媒体、网络以及最新的科研成果和成功的工程实例，来丰富教学的内容和形式，提高教学效率和效果。

(一）合理使用多媒体课件

根据实验心理学的原理，对于同样的信息，图像比文字容易被信息接受者所记忆，这就是所谓的“图象优势定律”3]。在传授以叙述性为主的知识内容时，合理使用形象思维方法，可以帮助学生提高记忆力；而信息的几何形状、色彩、字符对形象思维的建立起着相当大的作用。环境工程微生物学的研究对象是肉眼看不见的微小生物，在教学中通过展现大量生动形象的微生物照片，可以使学生容易认识和区分种类繁多的微生物，印象深刻，易于激发学习兴趣。例如，在比较G+和G—细菌的结构时，通过对细胞图片的详细讲解可以清楚地说明二者的区别：G—细胞由胞外到胞内依次为外膜、细胞壁、周质空间及原生质膜，而G+则为细胞壁、原生质膜；同时，G—细菌的细胞壁上仅有一层很薄的肽聚糖，但脂肪层较厚，相反G+细菌的细胞壁含有多层肽聚糖，而脂肪却相对较少。这样，学生对G+和G—细菌细胞壁差别的认识就会十分深刻，为此后顺利开展革兰氏染色实验提供了理论基础。在介绍微生物代谢、遗传等较为抽象的知识内容时，教师可以合理采用示意图、动画等形式来进行讲解，将有效提高学生对知识的理解和掌握水平。例如，在微生物的遗传和变异一章中，笔者采用Flash动画演示了微生物遗传的经典转化实验即肺炎链双球菌感染小白鼠实验，使原本抽象难懂的概念和理论变为生动的画面，教学效果明显改善。事实上，国内外一些着名高校、环境微生物实验室的网站上和国外优秀原版微生物教材中有许多高质量的微生物图片、教学课件和研究成果，教师可以将其作为本课程的教学素材来加以使用，丰富教学内容，开阔学生视野。

(二）充分利用科研成果和工程实例

大学阶段的人才培养正日益与科学技术和社会生产的发展紧密联系，这就要求“环境工程微生物学”的教学要注重结合科学研究和工程实践，不断地加入新的科研成果和工程实例来说明课程的基本知识和基础理论。同时教师也不能脱离科学研究和工程实践而单纯地搞教学工作。只有长期参加科研实践的教师，才能使自已的教学内容更加具有前沿性、独创性和启发性，在丰富自己的教学内容的同时加深学生对知识的理解；也只有将教学与工程实践有机结合起来，才能更有效地激发学生的学习兴趣，培养学生解决实际问题的能力[4]。例如，笔者在教学过程中选取了微生物燃料电池研究中最新发现的细菌鞭毛充当“纳米导线”的现象作为背景材料，展开讨论，分析了细胞鞭毛的电子传递功能在物质转化和能量代谢中发挥的作用。这个例子在介绍微生物学知识的同时，很好地诠释了如何恰当地利用微生物的特性来解决环境问题和实现可持续发展。又如，通过介绍实际工程项目——煤气废水生物处理系统中活性污泥的驯化过程，说明了微生物遗传和变异的特性对于有毒有害工业废水处理的重要意义。

(三）改变传统教学模式

在当前大学教学中，课时的有限性与知识的增长性之间的矛盾日益突出，“环境工程微生物学”这门新兴的交叉学科尤为如此。所以，教师在授课时，应更加注重所介绍内容的质和量，将多而杂的信息进行疏理与归纳，并以更加灵活的方式传达给学生。这就要求教师在教学模式上进行变革，改变以往单一的注入式教学方法，采用多种方法有机结合的教学模式，将教师的主导作用和学生的主体地位相结合，从而在传授知识的同时提高学生的创新能力和综合素质。

研究表明，提问、引入和讨论等启发式教学方法比起传统的注入式教学模式更为吸引人，更能收到事半功倍的效果。一方面，启发式教学可以促进师生之间的互动，活跃课堂气氛，激发学生浓厚的学习兴趣；另一方面，启发式教学可以培养学生将书本知识应用于实际的思考和分析等综合能力。总体来讲，一些基础性知识的教学，可以以教师讲解为主，但讲解的内容要少而精，留一部分内容让学生自己去消化吸收。对于理解性的知识内容，教师要启发学生积极思考，有些问题要引而不发，导而不讲，让学生自己通过分析和总结来深化认识。此外，还应注意到高年级本科学生已经具有一定的自学能力，对于一些比较浅显的多门环境类课程反复涉及的章节内容或非核心知识单元，完全可以安排由学生自学来完成。例如，在讲解微生物在氮素循环中的作用时，笔者详细介绍了硝化作用、反硝化作用等生化反应过程及其影响因素，所以在讲解废水微生物的脱氮原理时，采取了“学生自学为主，教师组织讨论和总结”的教学方式。这种教学方式既节省了课时，同时又锻炼了学生的自学能力、认识能力和分析能力，为以后的科研创新打下基础。

四、实验项目和实验内容的挑选和设置

如果说理论教学的课堂容易出现“教师一学生”信息单向流动的现象，那么实验课则毫无疑问是以学生为主体进行的教学和认识活动。环境工程微生物学是一门实践性和应用性极强的学科，其实验部分的内容对整个课程教学的效果会产生重要影响。基于此，北京林业大学环境科学与工程学院从2011年开始将本门课程的实验部分从10学时提高至16学时（每学时100mm)，并单独设课，称为“环境工程微生物学实验”。“环境工程微生物学”实验课是加深学生对该门课程理论知识的理解、培养学生的微生物实验技能以及提高学生运用微生物学知识理论分析和解决环境问题能力的一个重要环节。有学者将这些实验项目分为验证性、综合性、研究性和生产实践性等4种类型，笔者认为此分类具有重要的参考价值5。验证性实验是实验课程的基础，是理解和掌握环境工程微生物学知识内容的基本保证，其实验的主要内容相对固定，比如北京林业大学环境科学与工程学院开设的“光学显微镜的操作及细菌、放线菌、霉菌的形态观察”“活性污泥微生物的显微镜观察”“革兰氏染色技术”“培养基配制及灭菌技术”“细菌纯种分离、培养和接种技术”等实验项目。其他3类实验是在不同深度和广度上对所学内容的拓展和综合运用，起着开发学生研究热情和创新欲望的作用，其具体内容的选择往往有很大差异。对于这部分内容，目前北京林业大学环境科学与工程学院已开设及计划开设的有“水中总大肠菌群的测定”“空气中微生物的测定”“土壤微生物的类型、数量及分布分析”等实验项目。这些实验项目的内容相对完整，学生需要对实验的过程进行总体设计，通过对身边的实际样品（如宿舍区污水、道路空气和校园土壤等）进行检测和分析来确定自己周边环境的质量水平，这些实验都得到了很好的教学效果。但总体上，该部分的实验内容仍在不断完善中。4种不同类别的实验对于课程的教学都十分重要，不可彼此替代，不可顾此失彼，其优化组合则可以实现“环境工程微生物学实验”实用性、趣味性、创新性的统一。各学校可以根据自身的教学条件，合理设置实验项目的具体内容和比例，从而达到专业培养目标的要求。

作者：程翔，孙德智(北京林业大学环境科学与工程学院，北京100083)