“新工科”背景下凸显专业特征的教学改革探讨与实践

宋晓红 李艳红 张立浩

[摘 要] 在新工科建设背景下，针对“水处理生物学实验”课程的实际问题，教学团队以学生为中心，以“金课”标准为指引，紧跟学科前沿与行业发展，开展实验教学改革，不断提高实验教学地位，打造实验室安全文化，融入实际案例和科研成果，开发新型数字化教学素材，线上线下丰富实验教学资源，层层递进串联整合实验内容，开展项目式综合创新实验，凸显“水处理”专业特征，搭建多层次教学考核体系，培养学生综合素质和创新应用能力，提高教学质量。

[关键词] 水处理生物学实验;新工科建设;“水处理”专业特征;教学改革

[基金项目] 2020年度广西高等教育本科教学改革工程项目“‘新工科背景下基于信息化的环境类本科微生物学实验教学改革与实践”（2020JGA195）;2019年度广西研究生教育改革课题“新工程教育改革背景下资源与环境领域专业学位型研究生培养模式的改革与探索”（JGY2019090）;2020年度桂林理工大学本科教学改革工程立项项目“环境微生物实验虚拟仿真教学资源的专项整合与建设”（2020B06）

[作者简介] 宋晓红（1990—），女，广西荔浦人，硕士，桂林理工大学环境科学与工程学院实验师，主要从事环境毒理学研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）18-0088-04    [收稿日期] 2020-12-20

随着城镇污水处理不断提质增效，对水行业的工程人才需求迫切。“新工科”建设、工程教育专业认证和学科评估的开展，对工程应用型人才的培养提出了更高需求。“金课建设”计划的施行，为实验教学改革指明了方向，如何将“水课”建设为“金课”，提高教学质量，是高校教师需要认真思考的问题。

“水處理生物学实验”是给排水科学与工程学科的重要的专业基础课。该课程的教学目标是使学生熟悉微生物、水生动植物等在水体净化和水处理工程中的作用机理和规律[1] （P136），具备运用实验方法与技术研究水处理生物学相关问题的独立思考与工作能力。随着微生物学知识的不断更新与丰富，其在水处理领域中的应用愈加广泛。2020年疫情的爆发，给人类的生存和经济社会发展造成了极大影响，汇聚各大医院、城市生活废水的污水处理系统也成为疫情防控的重点关注对象，更突显出微生物学知识的重要性。

“互联网+教育”的发展深刻改变着高校师生的教学方式、学习方式、思维方式和交流方式[2]。传统的“水处理生物学实验”教学模式已经不能满足学生的需求，目前教学状况主要存在以下问题：实验教学体系专业特征不强，学生不能学以致用;实验教学资源匮乏选择有限，学生预习不够充分;实验教学手段单一模式落后，教学效果不尽如人意;实验教学评价不够系统科学，教学驱动力量不足。

为突显“水处理”专业特征，培养应用型的创新人才和具有时代特征的水行业卓越工程师，教学团队顺应发展趋势，契合行业人才需求，以“金课”标准为指引，注重提高课程的高阶性、创新性和挑战度，相应修订了人才培养方案和教学大纲，调整实验内容，优化教学方式，对“水处理生物学实验”开展了教学改革与实践（见下图1）。

一、实验教学与课程思政有机结合，打造实验教学安全文化

授课教师是专业知识的传授者，更是学生思想政治教育的实施者。需不断增强课程的思想深度和情感温度，引导学生构建正确的价值观，打通课程思政教育的“最后一公里”。

桂林理工大学给排水科学与工程专业2018年顺利通过了住建部第三次本科专业评估认证，2019年入选国家级一流本科专业建设点，所在学院围绕着“水污染控制”开展了多年的教学建设和改革，获批了“水污染控制国家级实验教学示范中心”和“水污染控制工程国家级教学团队”，为本课程的教学改革提供了有力支撑。教学团队依托环境污染防治与生态保护国家级虚拟仿真实验教学示范中心和水污染控制国家级实验教学示范中心，加强实验室的建设，人文环境与实验环境并重，启用“实验室安全培训与管理系统”开展实验室安全培训，增设了实验室安全标识、安全视频、广告，努力营造实验室安全氛围，隐性渗透培养学生的安全意识。课堂上，以“生态文明、生物安全、生物伦理”为核心思想，结合微生物实验的特点和各类实事案例，强调学生的实验室安全，养成良好的实验习惯和科学严谨的学习态度。

二、挖掘专业核心特征，“产教融合”线上线下丰富实验教学资源

（一）编撰本科国家级规划教材“水处理工程实验技术”应用于实际教学

教学团队编著了本科国家级规划教材“水处理工程实验技术”作为本课程的教材，其中第三篇为“水处理微生物实验”，包括“水处理微生物的基本研究方法”“水处理相关的微生物学实验”“水处理微生物常用的生理生化鉴定”和“水处理相关的分子生物学实验”4部分，共计45个实验内容，教材与课程内容紧密联系、匹配度高，为必修实验部分的预习和实验操作提供参考，也拓展了学生的知识面，方便学生第二课堂的创新实验参阅。

（二）针对实验教学重点难点，建立多种类型实验教学资源素材库

建立水处理微生物分类图谱：微生物种类繁多、形态各异，微生物识别与分类始终是实验教学的重点和难点。教学团队利用微生物智能鉴定系统，基于历年科研与教学的积累，建立水处理中常见的典型菌胶团、原生动物、后生动物等微生物数字化图谱，编撰鉴别指南，为实验过程中微生物的分类识别及活性污泥活性评价提供实际依据和样本。

建设实验现象与实验结果图库：结合各个实验的重点内容，针对性地整理实验现象和结果图库，让学生预习阶段对实验形成直观印象，提高预习效果。例如，“水中大肠菌群数的测定”实验中，提供总大肠菌群、耐热大肠菌群，大肠菌群的不同菌落形态图片等，让学生在预习阶段即可形成清晰的认识。教学团队经过课堂实践对比发现，提供实验结果的参考图谱后，学生学习目的清晰、实验操作更准确快速，无须教师的反复指导和讲解，教学效率提高，教学效果显著。

丰富实验操作视频库：根据实验内容设置基础性实验操作的视频库，如显微镜的使用、细菌的无菌操作、高压蒸汽灭菌锅的使用、无菌平板和斜面的制备等，直观展示实验操作技巧和关键步骤，有助于学生把握实验细节，切实提高实验操作技能。

（三）加强不同课程的联系，共享优秀精品课程和丰富的虚拟仿真实验教学资源

基于学院的国家级精品课程“水污染控制工程”、国家级精品视频公开课“水污染控制工程——典型案例解析”和国家级精品资源共享课“水污染控制工程”为学生提供网络教学资源，在预习阶段学习与水处理微生物相关的章节，为课堂实验的开展奠定基础。

学院基于现代信息技术，建设了《基于高排放标准的城市生活污水净化典型AAO工艺实验实训》虚拟仿真实验项目，项目的教学网站设置了大量水处理工艺相关的虚拟仿真教学资源。学生课前在教学网站上学习AAO水处理工艺，再在课堂上开展好氧池微生物的观察，可提升学生的学习兴趣，加强不同课程或实验项目之间的有机联系。

（四）科教融合，产教结合，整合实验内容相关学术文献和工程实例

教学促进科研，科研反哺教学。基于高校与企业的合作，增强与污水厂、水厂、环保单位及企业、环境监测部门的交流，让最新科研成果和实际工程案例走进课堂，将现行国家标准方法融入教材，建设优质实验教学项目，增加课程实用性。

在课前预习阶段，为学生提供跟课程内容相关的科研文献、水质标准等学习资料，拓展学生的学术视野和专业知识。基于本校“高盐度采油废水生物处理技术研究及应用”“高硫高氮有机废水处理中功能性微生物组合工艺关键技术研究及应用”“典型城市污水处理厂提标改造模式研究与应用”等历年“水处理方向”获得广西科技进步奖的项目，为学生提供典型的水处理工程案例和科研实践，激发学生科研兴趣、提高学生科研潜力、建立学生科研思维。

三、提升实验教学内容连贯性，结合实际开展项目式实验教学

课程教学改革提升了实验教学的地位，增加了实验教学的比重，本课程独立成课，实验学时增加到16学时。围绕着“水处理”核心，优化了实验教学体系，融入实际案例，开展项目式实验教学。目前课堂教学开设了7个实验，实验教学内容分为基础性实验和综合创新实验。

（一）理论知识联系实际案例，注重基础夯实根本，培养扎实的操作技能

基础性实验要求学生学会使用显微镜、配置培养基、灭菌物品的洗涤和包装准备、高压蒸汽灭菌等基本操作，为综合创新实验学习阶段夯实基础。微生物是污水处理的重要工作，运用污水处理的微生物生物相诊断技术，有助于科学合理的调控污水处理工艺。在活性污泥微生物的观察实验，教师为学生准备了桂林市污水厂AAO处理工艺中活性污泥实际样品，通过菌胶团、原生动物、后生动物等生物类群的观察和分类识别，根据微生物的状态评价污水厂活性污泥活性和工艺运行状况。本实验课前预习阶段，要求学生先复习其他课程所讲述的关于城市污水处理工艺的知识，为学生提供“AAO污水处理工艺”相关的模拟动画或视频，让学生对形成感性认识。教学中，将实际案例引入课堂，应用情景式教学法，引导学生进行污水厂技术人员的角色扮演，开展活性污泥状态的日常镜检工作，有效提高了学生的学习热情。本课程基于实验室的微生物数码互动系统[3]，通过计算机实现图像、语音的网络互动，实现师生间的直观、即时、有效的交流，将讲解、示教、观察、问答等各个环节有机地结合。

（二）有机整合实验内容，开展项目式综合创新实验，凸显“水处理”专业特征

综合实验部分主要围绕着桂林理工大学雁山校区污水处理站开展实验。该污水站用于集中处理校区的生活污水和景观水，通过中水回用工程解决校园绿化用水量大、景观用水蒸发量大的问题。本课程结合污水处理站的运行工艺和中水回用水质监测，将课程零散的实验单体项目有机串联，设置了“桂林理工大学雁山校区污水处理站污水处理的微生物监测”综合实验。

围绕饮用水水质标准中所有的微生物检测指标，参考相关企业單位的监测实践，学生自行采集污水站进水、出水（中水回用景观水）和自来水3类水处理工艺不同阶段的水体，运用最新的国标法开展水中细菌总数测定与大肠菌群数的测定实验项目，通过细菌的分离纯化，观察不同培养基上各类细菌的形态特征，对培养的细菌开展革兰氏染色和生理生化特性测定。其中，污水中大肠菌群数的测定实验部分，还精心设计了不同浓度氯消毒对大肠菌群的杀菌效果比较环节，模拟污水处理站的氯消毒工艺，梯度性的实验结果让学生直观明了的观察氯消毒的杀菌效果。学生将5个实验内容的结果以小论文的形式整理成综合实验报告，根据水质指标进行结果讨论，进一步锻炼了学生的数据分析、科研思维和写作能力。

教学团队在有限的课时内，尽量增加学生的学习元素和知识点，基于思维导图将7个实验串联成一个有机整体，各个实验环环相扣、层层递进，开展项目式教学，让学生明晰各个实验之间的联系，提升对实验的理解。通过显微镜的直接检测分别观察了活性污泥中的大型微生物和菌胶团的形态，这些都是水处理过程中的重要工作主体;通过培养基的制备和灭菌实验，学生小组合作共同准备后续5个实验所需实验用品，增强了学生的责任感;综合创新实验中，学生参与了采样、检测水质微生物指标、分离培养细菌、测定自己培养的细菌的生理生化特性等整个过程，通过细菌的连续培养，提升了学生的融入性和成就感，建设了浓厚的专业气氛，凸显“水处理”的专业特征，有效提升教学成效。

四、搭建全过程考核与反馈评价的实验教学质量保障体系

多层次实验教学考核：按照实验实施过程开展实验预习考核、课堂出勤考核、基本操作考核、实验报告考核、创新能力考核多层次考核体系。预习报告注重对学生的学习态度的考核，考察其是否认真预习;课堂上除了注意学生基本操作是否规范，还要结合实验习惯是否良好予以评判，引导学生形成严谨的科研作风;实验报告分为基础实验报告和综合性实验报告，重点关注学生对数据的处理和实验结果的分析，考察其对实验的理解程度，以培养学生独立思考和综合创新能力。

注重實验教学过程管理：应用“铭牌制度”增强学生对实验课程的归属感，利于“一对多”课堂下教师对学生的客观和有效评价，并针对性地分类指导;开展反向教学，展示错误操作和结果，对比正确的操作，引导学生勤于思考，达到规范操作的目的;建立实验考核题库、评分准则和《实验指导手册》，培养学生实验安全环保理念、实验卫生习惯。

完善实验教学质量评价：搭建结构合理的实验教学团队，开展教师同行评价、督导组检查和学生网络评价，教学评统一，通过课堂实时问卷形式开展学生对实验场所、教师授课、课程安排的满意度，学生学习兴趣、学习难点等学情调查，以学生学习效果为依据，不断改进实验教学。

五、结语

针对“水处理生物学实验”实验教学的问题，教学团队结合新工科建设的人才培养需求，以“金课”标准为指引更新教学理念，紧跟学科前沿与行业发展，围绕“水处理”专业特性，开展“课前预习—课上学习—课后复习”全过程教学改革与探讨。融入科研成果和工程实例，开发新型数字化教学素材，将纸质教材与网络衔接，线上线下丰富实验教学资源，整合实验内容，提高实验项目之间的连续性，开展项目式综合创新实验，搭建多层次教学考核体系，促进学生知识和实验技能的内化，着力培养和提高学生的科研思维和创新应用能力。

参考文献

[1]顾夏声，胡洪营，文湘华，等.水处理生物学（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]张大良.运用现代信息技术促进教学改革和资源共享

[J].中国高等教育，2016（10）：1.

[3]李艳红，曾鸿鹄，林华.基于应用型人才培养的“水处理生物学”教学改革[J].当代教育理论与实践，2012，4（11）：91-92.

Research and Practice of the Teaching Reform Highlighted with Professional Characteristics under the

Background of “Emerging  Engineering Education”： Taking the Course of Water Treatment Biology Experiment as an Example

SONG Xiao-hong1，2， LI Yan-hong1，2， ZHANG Li-hao1，2

（1. College of Environmental Science and Engineering， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004， China; 2. Science and Education Combined with Science and Technology Innovation Base， Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology， Guilin， Guangxi 541004， China）

Abstract： Under the background of“emerging engineering education” construction， we took a student-centered experimental teaching reform guided by the “gold course” standard to solve the actual problems in the course of Water Treatment Biology Experiment. We try to keep up with the frontiers of the discipline and the development of the industry， carry out experimental teaching reform， constantly improve the status of experimental teaching， construct a good safety culture， incorporate actual cases and scientific research results into the course， enrich online and offline experimental teaching resources， progressively integrate experimental content， carry out project-based comprehensive innovation experiments， and build a multi-level teaching assessment system， highlighting the professional characteristics of “water treatment”， so as to cultivate students comprehensive quality and innovative application ability， and to improve the teaching quality.

Key words： Water Treatment Biology Experiment course; “emerging engineering education” construction; “water treatment” professional characteristics; teaching reform