環(huán)境生物學(xué)實驗課程教學(xué)改革探索

王 雯 李愛愛 馮雅健 李 妍

（天津理工大學(xué)，天津300384）

環(huán)境生物學(xué)實驗課程教學(xué)改革探索

王 雯 李愛愛 馮雅健 李 妍

（天津理工大學(xué)，天津300384）

作為高校環(huán)境科學(xué)本科專業(yè)的主干課程，環(huán)境生物學(xué)實驗是學(xué)生專業(yè)知識體系構(gòu)建的重要節(jié)點。環(huán)境生物學(xué)實驗教學(xué)中除了有生物類實驗普遍存在的教學(xué)難點，同時還有一些自身特點造成的教學(xué)問題。本文系統(tǒng)分析了當前環(huán)境生物實驗教學(xué)中存在的問題，并有針對性的提出了講做結(jié)合、合理分組、優(yōu)化實驗流程、強化預(yù)習(xí)、強調(diào)誤差分析、及時對學(xué)生反饋等教學(xué)改革措施。另外，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析和問卷調(diào)查證明上述措施改善了實驗教學(xué)的效果，為未來生物類實驗課的教學(xué)提供了思路。

環(huán)境生物學(xué)；實驗課程；教學(xué)改革

環(huán)境生物學(xué)是環(huán)境科學(xué)本科教學(xué)的專業(yè)主干課程，主要講授污染物存在下生物從大分子到生態(tài)系統(tǒng)各層級的效應(yīng)［1］，以及如何利用各類生物效應(yīng)進行污染物的生物監(jiān)測與生物凈化。通常安排在環(huán)境科學(xué)專業(yè)本科三年級學(xué)習(xí)，其先修課程為普通生物學(xué)，生物化學(xué)，生態(tài)學(xué)等。作為一門承接生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和化學(xué)的基礎(chǔ)課，同時又為后續(xù)的專業(yè)選修課及學(xué)生未來就業(yè)打下基礎(chǔ)，是環(huán)境科學(xué)本科生培訓(xùn)的重要一環(huán)。

該課程配備的實驗課一方面銜接前期的生物類實驗課程，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)和掌握基礎(chǔ)的生物操作技能［2］；同時通過實驗操作與現(xiàn)象驗證理論課中的相關(guān)概念，有助于學(xué)生形成正確認識并加深知識點印象；另一方面也對學(xué)生未來可能需要掌握的專業(yè)操作技能與測試項目進行了培訓(xùn)，是環(huán)境科學(xué)專業(yè)必不可少的實驗訓(xùn)練內(nèi)容。

本文分析了環(huán)境生物實驗課中常見的問題，提出了一些改進方法，并比較了改進前后的效果。

一、環(huán)境生物學(xué)實驗教學(xué)中存在的主要問題

和其他生物學(xué)類實驗課程教學(xué)中的情況類似，當前的環(huán)境生物學(xué)實驗教學(xué)中存在一系列的問題，同時也因為環(huán)境類課程自身的特點而有其特殊性，具體分析有以下幾點。

第一，學(xué)生在公共基礎(chǔ)課中的實驗學(xué)時少，基本操作不熟練，影響了專業(yè)課實驗的效果。環(huán)境生物學(xué)實驗中常用的基本操作包括顯微鏡的調(diào)節(jié)與顯微觀察，溶液的配制與定容，微生物的培養(yǎng)與無菌操作等［3］。這些基礎(chǔ)技能本應(yīng)是環(huán)境生物學(xué)課程的先修知識點，囊括了普通生物學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)、生物化學(xué)、微生物學(xué)等相關(guān)實驗的基本技能，但學(xué)生的實際掌握程度不佳，導(dǎo)致后續(xù)的操作不能達到實驗預(yù)期效果，對學(xué)生實驗的積極性也有影響。

第二，實驗步驟復(fù)雜，學(xué)生不能深入理解每一步的原理，影響了實驗要點的掌握。以綜合實驗“水體次級生產(chǎn)力的觀察與計算”為例，該實驗項目操作一共包括7部分內(nèi)容，其中每一部分都包含有多個操作步驟。學(xué)生需要在掌握顯微鏡的使用方法，浮游植物的顯微計數(shù)，大型蚤觀察與捕捉等多種實驗技能的基礎(chǔ)上按照實驗講義逐步完成，正常情況下耗時4小時左右，故課程設(shè)置為5個學(xué)時。作為專業(yè)課的綜合性實驗，必然是結(jié)合前期所學(xué)知識點綜合各方面技能才能完成的，從這個角度說，環(huán)境生物學(xué)實驗操作過程復(fù)雜是不可避免的，但學(xué)生在這個過程中容易混淆或遺忘步驟，嚴重影響結(jié)果準確性。

第三，生物類實驗本身具有實驗結(jié)果誤差范圍大的特點，這影響了學(xué)生對知識點的理解深度［4］。以設(shè)計性實驗“自采水樣的發(fā)光抑制急性毒性測試”為例，該項目以檢測水樣加入后發(fā)光菌的發(fā)光抑制率確定水樣的毒性大小，其中水樣和陽性對照樣品加入時的平行性、發(fā)光菌陽性對照和陰性對照的發(fā)光強度、發(fā)光菌加入體積的平行性都會顯著影響實驗結(jié)果。在工作中的實際檢測時研究人員是通過熟練的操作、設(shè)置多個平行樣、統(tǒng)計分析來解決誤差問題的，但實驗教學(xué)中無論時間、材料、或是提高學(xué)生操作的熟練程度都不可能達到這個效果，這將影響學(xué)生對急性毒性檢測方法的理解，并削弱對這種標準檢測方法的學(xué)習(xí)效果。

第四，學(xué)生對實驗結(jié)果的理解存在局限性，并不能科學(xué)全面的掌握現(xiàn)象背后的科學(xué)意義。因為預(yù)習(xí)過程不仔細，實驗結(jié)果穩(wěn)定性差，閱讀相關(guān)文獻不足，分析討論不充分等原因，學(xué)生實驗后對現(xiàn)象的理解很難擴大到更大的范圍中去，對實際工作和后續(xù)學(xué)習(xí)的指導(dǎo)意義不能很好的體現(xiàn)出來。

二、解決上述問題的幾個思路

通過上述分析，可以確定，盡管存在一些固有問題，但確實有可能通過教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計或是操作內(nèi)容的優(yōu)化來改善實驗教學(xué)效果，下面就以上述兩個環(huán)境生物學(xué)實驗項目為例提出一些解決思路。

第一，增加理論講授課時，幫助學(xué)生回憶前期學(xué)習(xí)的知識點與操作。傳統(tǒng)形式上實驗課前教師將實驗內(nèi)容抄寫在黑板上，實驗課時將授課內(nèi)容簡單講述一遍，或者只提醒重要注意事項。但對于環(huán)境生物這類操作流程較復(fù)雜的實驗，學(xué)生有可能在預(yù)習(xí)階段就不能充分回顧以往知識點，教師講授時如果不能以圖片或視頻的形式展示實驗內(nèi)容，沒有多媒體輔助設(shè)備，并不能充分調(diào)動學(xué)生的記憶。

因此，本次課程在開設(shè)實驗項目前的一次理論課授課階段即詳細回顧了與實驗項目相關(guān)的各部分內(nèi)容，尤其重點講述了實驗原理和操作重點等特別需要多媒體輔助的部分。在實驗課開課時則只介紹儀器設(shè)備實物及再次強調(diào)操作重點、注意事項等。

第二，適當對學(xué)生分組，保證操作能力得到鍛煉且實驗結(jié)果效果良好。傳統(tǒng)實驗教學(xué)管理中單人操作率是一項重要指標。一般認為設(shè)備臺套數(shù)滿足學(xué)生單人操作是教學(xué)效果最好的。但實際上在生物類實驗中有一些操作單人很難完成，強迫單人操作可能會造成因為操作不熟練，沒人配合而不能達到預(yù)期效果。

對于有無菌操作或其他復(fù)雜操作的項目，分組人數(shù)以兩人為宜，保證學(xué)生即使在操作不熟練或者不規(guī)范的情況下能夠理解操作規(guī)范的必要性。這樣既練習(xí)了關(guān)鍵步驟的操作，鍛煉了協(xié)作能力，同時還能保證操作的可靠性，不會影響實驗的效果。

第三，通過調(diào)整實驗流程，簡化操作，形成標準化程序來改善實驗效果。因為操作步驟復(fù)雜，流程不夠清晰，造成操作誤差大，環(huán)境生物類實驗的效果受到影響。通過一些實驗設(shè)計可以規(guī)避一部分的誤差。

如“水體次級生產(chǎn)力的觀察與計算”中一項誤差較大的操作是藻類計數(shù)，藻液濃度太大或太小都會增大最終實驗結(jié)果的誤差，通過合理的配制藻液，經(jīng)詳細的預(yù)實驗選定藻液濃度的合理范圍，可最大程度的減少計數(shù)誤差。圖1統(tǒng)計了該實驗流程改進之前和之后學(xué)生測得的大型蚤1小時攝食率平均值及其標準偏差。統(tǒng)計樣本為當次開設(shè)實驗的10個小組的數(shù)據(jù)。同樣，“自采水樣的發(fā)光抑制急性毒性測試”中以不同的次序向試管中剛加入發(fā)光菌菌液、滲透壓調(diào)節(jié)液和陽性對照氯化高汞溶液時可能會影響發(fā)光菌的急性毒性效應(yīng)，因而設(shè)置合理的加樣順序有利于獲得準確而穩(wěn)定的實驗結(jié)果。圖2統(tǒng)計了實驗流程改進之前和之后學(xué)生測得的陽性對照，0.1mg/L的氯化高汞對發(fā)光菌的發(fā)光抑制率，及其標準偏差。統(tǒng)計樣本為當次開設(shè)實驗的10個小組的數(shù)據(jù)。由圖1、圖2可以看出，兩個實驗項目在優(yōu)化實驗流程之后學(xué)生實驗結(jié)果的組間差異明顯減小，有助于學(xué)生獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，改善了實驗效果。

圖1 “水體次級生產(chǎn)力的觀察與計算”大型蚤攝食量變化

圖2 “自采水樣的發(fā)光抑制急性毒性測試”陽性對照氯化高汞發(fā)光抑制率變化

第四，通過課前檢查提問等形式強調(diào)學(xué)生預(yù)習(xí)過程，保證操作流暢。高效的預(yù)習(xí)對學(xué)生理解和掌握實驗至關(guān)重要。但學(xué)生的預(yù)習(xí)報告往往流于形式，簡單抄寫實驗講義，單純要求上交預(yù)習(xí)報告并不能保證學(xué)生的預(yù)習(xí)效果。應(yīng)訓(xùn)練學(xué)生高效的完成實驗預(yù)習(xí)工作。

一方面對學(xué)生強調(diào)不要簡單抄襲實驗講義，要求在預(yù)習(xí)階段看懂實驗流程的前提下簡化抄寫工作，鼓勵學(xué)生自己總結(jié)并簡化操作的文字說明；另一方面對預(yù)習(xí)報告進行檢查，同時在實驗開始前通過提問和檢查促進學(xué)生做好預(yù)習(xí)。

第五，通過強調(diào)結(jié)果討論和誤差分析，和督促學(xué)生查閱相關(guān)文獻，幫助學(xué)生建立生物統(tǒng)計學(xué)相關(guān)概念。單純的實驗過程只能鍛煉學(xué)生的操作技能，但科學(xué)思維方式的培養(yǎng)有賴于實驗后對結(jié)果的分析討論，特別是在生物實驗中，誤差的原因可以是多方面的，而單純的數(shù)據(jù)羅列并不能促進學(xué)生理解背后的實驗原理和操作細節(jié)。

通過強調(diào)結(jié)果的分析討論，引導(dǎo)學(xué)生在文獻查閱中尋找實驗現(xiàn)象的解釋、可能存在的誤差、以及類似實驗方法等。幫助學(xué)生掌握通過查閱文獻，提出問題，尋找解決方法的技巧，并樹立科學(xué)的思維方式，同時擴展了相關(guān)學(xué)科的知識面。

第六，鼓勵學(xué)生通過組間數(shù)據(jù)對比擴充實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)量，據(jù)此進行統(tǒng)計分析。短時間低頻度的課內(nèi)實驗往往不能得出具有統(tǒng)計學(xué)意義的實驗結(jié)果，這也是很多環(huán)境生物類課內(nèi)實驗效果不好的根本原因。

對于演示類、驗證類或是綜合類實驗，是有可能通過組間對比擴充實驗數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析的。不同于設(shè)計類實驗，上述三類實驗不同小組之間操作流程類似，處理方式相同，理論上說得到的結(jié)果都是平行數(shù)據(jù)，因此可以鼓勵學(xué)生搜集不同組之間的實驗結(jié)果，進行橫向比較，或是運用統(tǒng)計學(xué)方法處理數(shù)據(jù)。從而幫助學(xué)生獲得了穩(wěn)定且可解釋的研究結(jié)果，有了進行統(tǒng)計分析的素材，加深了他們對生物統(tǒng)計學(xué)的認識。

第七，在實驗過程中當面批改學(xué)生預(yù)習(xí)報告和實驗報告，及時給予學(xué)生反饋。教師批改預(yù)習(xí)報告和實驗報告一般都是在實驗結(jié)束后收回統(tǒng)一批改，一段時間之后再下發(fā)給學(xué)生，學(xué)生是否認真閱讀反饋無法控制。甚至有些學(xué)校的實驗教學(xué)管理要求存留實驗報告，老師的批改不能反饋給學(xué)生。因此學(xué)生不能很好的掌握教師對報告撰寫的要求，對自己的一些錯誤也不會再做改進。及時，面對面的反饋才能取得良好的教學(xué)效果。

教師可在開設(shè)實驗時檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)報告，并在開設(shè)下一個實驗項目的同時檢查學(xué)生上一個實驗項目完成后的實驗報告。在實驗的同時指出預(yù)習(xí)報告的錯誤或不足之處，可以明顯提高學(xué)生預(yù)習(xí)報告的質(zhì)量，有助于更好的實現(xiàn)實驗效果。開設(shè)下一個項目時檢查上一個項目的實驗報告，可以及時向?qū)W生反饋報告中數(shù)據(jù)處理的問題、誤差分析的缺陷、以及改進的方法，同時也督促了學(xué)生在查閱文獻的基礎(chǔ)上認真總結(jié)實驗結(jié)果。

三、教學(xué)改革效果分析及展望

通過兩個學(xué)期的實踐，檢驗了上述方法對教學(xué)改革的效果，教學(xué)質(zhì)量有明顯提升。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，實驗結(jié)果有明顯改善。通過對實驗流程的優(yōu)化，開課前預(yù)習(xí)工作的保證，以及學(xué)生在實驗中的協(xié)作，實驗的現(xiàn)象較原來有了明顯的改善。由圖1可看出，實驗設(shè)計的改進明顯改善了實驗效果，開設(shè)實驗的多組之間出現(xiàn)符合預(yù)期的結(jié)果的比例明顯提高，組間結(jié)果的平行性有改善，可比性更優(yōu)。這些改進方便了學(xué)生對結(jié)果的解讀，加深了知識掌握的深度。

第二，學(xué)生實驗報告的完成度提高。通過課上和實驗過程中的及時反饋，無論預(yù)習(xí)報告還是實驗報告質(zhì)量均有明顯上升。預(yù)習(xí)不再是簡單的抄寫實驗原理與步驟，而是自己總結(jié)，工作量降低的同時預(yù)習(xí)效果卻明顯提升。實驗報告不再只陳述實驗現(xiàn)象，學(xué)生在教師的鼓勵下開始主動思考并查閱相關(guān)文獻。

第三，學(xué)生對實驗課程總體評價上升。通過對比實驗課程改革前后環(huán)境生物學(xué)課的學(xué)生問卷調(diào)查，證明學(xué)生對環(huán)境生物學(xué)實驗教學(xué)的評價明顯有提升。學(xué)生對該課程總體評價為“有用有趣”的比例由改革前的50.9%上升到58.3%。特別是對四個實驗項目的結(jié)果均可以做出解釋的比例由之前的26.4%上升到了48.3%，證明學(xué)生通過觀察現(xiàn)象，查閱文獻和分析討論對實驗項目有了深入的理解。

通過上述教學(xué)方法的改革，證明了通過精細化設(shè)計實驗方案，強調(diào)實驗的預(yù)習(xí)與總結(jié)，教師及時給出反饋意見等方面可以提高環(huán)境生物實驗課程的效果。上述經(jīng)驗也可擴展應(yīng)用于其他環(huán)境類實驗課程體系或是生物類實驗課程體系。

［1］趙曉祥，楊再福，宋新山.“環(huán)境生物學(xué)”創(chuàng)新性課程體系建設(shè)探索［J］.大學(xué)教育，2013（15）.

［2］李雪，常國華，陳宏彬，等.環(huán)境生物學(xué)實驗教學(xué)模式的探索［J］.實驗室科學(xué)，2015（4）.

［3］孫慧群，徐志兵.環(huán)境生物學(xué)實驗課課程的設(shè)置［J］.安慶師范學(xué)院學(xué)報，2006（2）.

［4］馬忠麗，劉宏達，呂淑萍.理工類實驗課程教學(xué)質(zhì)量評價體系的構(gòu)建［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2009（3）.

（責任編輯：張華凡）

圖3 本科教學(xué)管理的單閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

三、基于工程控制理論的教學(xué)管理思路創(chuàng)新

1.爭議的學(xué)術(shù)問題引起對教學(xué)改革的關(guān)注

國家層面已經(jīng)制訂了“十三五”期間的發(fā)展藍圖，高等教育要主動適應(yīng)國家的發(fā)展要求，需要全體教師鉆研教學(xué)改革，提出建設(shè)性的意見和建議，推動高等教育水平的快速提升。全體教師，尤其是專業(yè)教學(xué)的教師具有很多創(chuàng)新型思維，利于教學(xué)改革的目標實現(xiàn)。

2.創(chuàng)造教研活動的群策群力氛圍

近些年，教學(xué)研討活動的重視程度在下降，這有三方面的原因：一是專業(yè)教師重科研輕教學(xué)；二是對日新月異的教學(xué)改革不知所從；三是社會科技發(fā)展的速度較快，高等教育系統(tǒng)慣性較大，轉(zhuǎn)變的滯后性較大。這三方面的原因?qū)е陆處熤魂P(guān)心自己所教授課程，不關(guān)心學(xué)生的全部教學(xué)環(huán)節(jié)。因此對教學(xué)研究的理解深度不夠，導(dǎo)致教研活動的討論結(jié)果不夠理想。將學(xué)術(shù)問題與教學(xué)問題融合，既利于學(xué)術(shù)問題的理解，也利于教學(xué)研究活動的活躍度。

3.推動教學(xué)管理的制度化和規(guī)范化

教學(xué)管理工作環(huán)節(jié)多、問題復(fù)雜。如沒有系統(tǒng)概念，眉毛胡子一把抓，則必然導(dǎo)致教學(xué)管理混亂。管理者通過分析控制系統(tǒng)的工作方式，可以掌握整個教學(xué)運行系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入量和輸出量。根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入和輸出量的要求，制定相關(guān)的教學(xué)管理制度，推動教學(xué)管理工作的制度化，這必然會提高系統(tǒng)的運行效率和教學(xué)水平。

4.探究本科專業(yè)綜合評價和工程教育專業(yè)認證的本質(zhì)

隨著經(jīng)濟全球化、教育國際化趨勢的發(fā)展，加入工程專業(yè)國際互認協(xié)議，是提高我國工程教育質(zhì)量的重要評價體系［4］。該評價體系對提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量具有重要作用。而本科專業(yè)綜合評價是另一套側(cè)重于高校招生的指標評價體系，可以作為高等學(xué)校單項教學(xué)工作評價的一個重要方面［5］。當前做好上述兩項工作對于進一步推動本科教學(xué)的制度化、規(guī)范化具有重要作用。理清這兩項工作的辦法可以借助于工程控制理論的相關(guān)知識，使得該項工作被大多數(shù)老師理解，有利于高等教育教學(xué)水平的評價和認證工作的迅速開展。

參考文獻：

［1］李拓宇，李飛，陸國棟.面向“中國制造2025”的工程科技人才培養(yǎng)質(zhì)量提升路徑探析［J］.高等工程教育研究，2015（6）：17-23.

［2］眭依凡.高等教育現(xiàn)代化的理性思考［J］.高等教育研究，2014，35（10）：1-10.

［3］李志義.如何正確認識本科教學(xué)審核評估［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2012（10）：4-8.

［4］張文雪，王孫禺，李蔚.高等工程教育專業(yè)認證標準的研究與建議［J］.高等工程教育研究，2006（5）：22-26

［5］王洪來，段玉璽，高爽，等.本科專業(yè)綜合評價指標體系運用研究［J］.高等農(nóng)業(yè)教育，2015，7（7）：18-21.

（責任編輯：張華凡）

Teaching Reform in the Experimental Course of Environmental Biology

WANG Wen，LI Aiai，F(xiàn)ENG Yajian，LI Yan
（Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

As a main course for the undergraduate major of environmental science，environmental biology experiment is an important part of the students’professional knowledge structure.Besides those common difficulties in biological experimental courses，environmental biology experiment teaching also has some unique difficulties due to its own characteristics.In this paper，some problems in the course were analyzed，teaching reformmethods，such as combining teaching and practice，scientifically grouping students，optimizing experiment process，strengthening preparation，emphasizing error analysis，and giving timely feedback to students，were proposed.Experiment data analysis and a questionnaire survey show that those methods have really improved teaching.Therefore，the teaching reform can provide some reference for future biological experiment teaching.

environmental biology；experimental course；teaching reform

G642.0

王雯（1979—），女，副教授，研究方向：污染生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)。

天津理工大學(xué)教改項目（YB13-13）。