新农科背景下的实验教学“四引导三拓展”改革探索——以微生物学实验教学实践为例.pdf

新农科背景下的实验教学“四引导三拓展”改革探索以微生物学实验教学实践为例魏蜜（），姜晓谦，谭金芳（）中山大学农学院，深圳，518107摘 要：在新农科建设背景下，探索如何培养适应未来发展的新农科高素质人才是高等农林教育的重要课题。中山大学农学院以微生物学实验教学为例，提出了“四引导三拓展”创新实验教学体系从思政引导、基础引导、前沿引导、创新引导四个层次加强课程思政建设和多学科交叉能力培养，引导学生全面发展，并从理念拓展、内容拓展、方法拓展三个维度提升教学成效。实践表明，这种创新实验教学体系可全方位、多层次提升学生的思政修养、专业水平与创新能力，且具有良好的可操作性，可推广至其他相关实验课程教学，为新农科背景下的实验教学与高素质人才培养提供有益启示。关键词：新农科，微生物学实验，四引导三拓展，教学改革“Four Guidance and Three Expansion”Reform and Exploration in Experimental Teaching Under the Background of New AgricultureTaking Microbiology Experiment Teaching as an ExampleWEI Mi（），JIANG Xiao-qian，TAN Jin-fang（）School of Agriculture，Sun Yat-sen University，Shenzhen 518107，China高校生物学教学研究（电子版）2023 年 4 月，13（2）：47-52ISSN 2095-1574 CN 11-9307/R DOI 10.3868/j.issn.2095-1574.2023.02.012专题实践教学收稿日期：2022-07-29；修回日期：2023-05-16基金项目：2021 年广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目（粤教高函202129 号）；2023 年中山大学校级本科教学质量工程项目（77000-12220011）通讯作者：魏蜜，E-mail：；谭金芳，E-mail：作为农林教育体系的专业必修课程之一，微生物学实验在农林人才培养中发挥着重要作用1。与传统农学不同，新农科具有显著的学科交叉和新技术融合特征，给微生物学实验教学提出了新的挑战和要求2。本文以中山大学农学院微生物学实验教学为例，论述新农科背景下如何开展微生物学实验教学，阐述了“四引导三拓展”创新实验教学体系，为微生物学实验教学与人才培养提供新的思路。1“四引导”培养学生全面发展“四引导”是一种以学生为主体、教师起引导作用的创新实验教学策略，其内涵分别为思政引导、基础引导、前沿引导和创新引导，代表着微生物学实验教学的四个不同层次，这四个层次环环相扣、层层递进（图 1）。其中思政引导体现立德树人的根本任务，是教师引导作用中最核心的部分；基础引生物（23年4月刊）-正文.indd 472023-6-12 15:21:3948 魏蜜等：新农科背景下的实验教学“四引导三拓展”改革探索以微生物学实验教学实践为例导主要表现为对基本概念、原理与实验技能的掌握，强调夯实基础；教师结合学科发展前沿，在教学中引导学生了解相关领域的最新研究进展和发展方向，开拓学术视野，此为前沿引导；针对前沿热点话题，尤其是尚未解决的重要科学问题，鼓励学生大胆提出自己的设想，并引导其设计实验研究方案进行验证，培养学生的创新意识和解决问题的能力，即为创新引导。“四引导”相辅相成、缺一不可，共同服务于新农科人才培养。1.1 思政引导教育部印发的高等学校课程思政建设指导纲要（教高20203 号）对农学类专业课程的思政教育提出了明确的要求和建议。如何在微生物学实验教学中对学生进行思政引导，实现育人目标，是本课程的重要教学任务之一。结合本课程的教学内容和学习特点，可从以下 4 个方面开展思政引导：（1）心怀祖国的赤子情怀。通过讲述我国微生物学先驱们放弃原本可以在国外享有的优越条件，毅然选择为一穷二白的祖国和苦难深重的同胞艰苦创业、攻坚克难，奉献自己的青春热血和聪明才智的英雄事迹，厚植学生为中华民族伟大复兴而努力学习的远大抱负与家国情怀。例如在世界上率先发现沙眼衣原体、被誉为我国疫苗之父的汤飞凡，开创我国临床细菌学和临床真菌学的林宗扬，在我国最早系统研究青霉和曲霉菌分类的施有光等。通过介绍这些科学家的卓越功绩和奉献精神，增强微生物实验教学课堂的感染力，激发学生的学习热情。（2）服务“三农”的责任意识。在微生物学实验教学中，把科教兴农作为教学的一项重要任务，通过设计实地实验任务、参加农林类创新创业竞赛等方式，把知农爱农兴农教育落到实处，帮助学生全面了解农业、农村、农民的相关政策，以沉浸式教育方式引导学生从内心深处走进农村、关心农业，增强服务“三农”的使命感和荣誉感。（3）实事求是的科学精神。部分学生为了获得高分成绩，往往追求“标准答案”或“漂亮结果”，甚至可能会罔顾实验事实，这是严重的科学精神缺失的体现。教师要优化评价标准，强调尊重实验事实，引导学生就实验现象和实验结果进行深入分析与讨论，培养学生实事求是的科学精神。（4）理性客观的思辨精神。通过讲述历史上典型的具有思辨和怀疑精神的科学家的事迹，引导学生运用所学知识客观分析，科学判断，敢于质疑。例如，法国化学家 Louis Pasteur 敢于质疑以法国博物学家、巴黎科学院通讯院士 Felix Pouchet 为代表的“自然发生说”，用经典的“曲颈瓶实验”证实了空气中确实含有微生物，否定了自然发生说倡导的“生命来源于非生命的物质”，并最终建立了病原学说，成为微生物学发展的奠基人。同时，可从日常生产生活中寻找素材，例如针对时下流行的“可调控肠道菌群”的减肥餐、代餐，组织学生对此展开讨论，分析这些产品是否真有其所宣称的效果，是否具有科学依据。1.2 基础引导基础引导主要体现在课堂上对重要基础知识和基本实验技能的讲解和示范，根据实验教学内容的特点，可针对性采取启发式、探究式、归纳式、情景式、合作学习等教学策略4-5。例如，在开展微生物的生理生化鉴定实验中，可采用启发式教学策略，启发学生通过实验设置巧妙地避免实验操作带图 1“四引导”的基本含义生物（23年4月刊）-正文.indd 482023-6-12 15:21:39魏蜜等：新农科背景下的实验教学“四引导三拓展”改革探索以微生物学实验教学实践为例 49来的误判，并充分分析实验操作要点，从而引导学生形成注重细节、规范操作的良好实验习惯。在开展环境因素对食品相关微生物生长发育的影响实验时，可采用探究式策略，引导学生通过观察紫外线、渗透压、化学消毒剂等环境条件对供试微生物的生长发育的影响差异，总结环境因素影响微生物生长发育的规律及内在机制。而在观察微生物显微形态时，可采用归纳式策略，引导学生区分细菌、放线菌、酵母、霉菌和伞菌的细胞形态和大小，总结原核和真核微生物细胞的一般结构与特殊结构的特性及功能。同时，新农科强调多学科交叉融合，在基础引导中，还应适当将计算机科学与技术、机械工程、人工智能等学科的基本方法与微生物学相融合，打造多学科交叉微生物学实验课程。1.3 前沿引导微生物学实验技术正在向自动化、智能化和集成化方向发展。教师应当与时俱进，引导学生掌握最新的实验技术，使用最新的实验设备，使其能够适应当前科研和社会生产的需求。例如，微生物基因组测序在微生物分类、微生物的结构与功能、理解生命的发生与发展中具有重要意义，这种新型测序方法可以对大量的遗传信息进行高效、快速地检测和分析6。又如，基于高通量测序技术，研究人员绘制了“全球空气微生物分布图”，不仅为相关物种如何与地表环境进行相互作用以及它们未来可能产生的变化提供新的见解，更为未来的公共卫生研究提供了宝贵的资源7。同时，引导学生认识到知识和技术在不断更新，没有绝对的真理，例如提出问题：“不可培养”微生物是不是真的不可培养？激励学生大胆设想、仔细求证，努力创造新的知识和技术。环境微生物学家在 2020 年发现了以金属锰为食的细菌，并将其作为热量来源，这种通过代谢金属产生能量的现象给现有关于生命进化方式的认知体系带来了冲击8。此外，我国学者揭示了植物相关微生物促进广陈皮活性成分单萜合成和积累的生物学机制，为中药材道地性评价提供了全新思路9。1.4 创新引导在引导学生了解学科和技术发展前沿的基础上，教师要鼓励学生针对目前尚未解决的科学问题或技术瓶颈，大胆提出自己的解决思路，并开放实验室供学生进行探索，教师对学生的研究方案和研究过程给予指导。这种源于课堂而高于课堂的创新引导，不仅有助于学生进一步加深对基础知识和前沿领域的认识，而且极大地锻炼了学生的创新思维和动手能力，提高了学生的学习热情，全面提升了学生的综合素质。例如，在探究环境因素对微生物生长代谢影响的实验中，教师提出当前很多功能微生物菌剂存在稳定性差的问题，引导学生分析内在原因，并思考可能的解决路径。有学生提出开展功能微生物群落在不同土壤类型中的适应性研究，并以此课题申请了大学生创新创业项目，在教师的指导下，该学生团队研究了黄壤、红壤、黑壤三种不同土壤条件对功能微生物功能发挥的影响及内在原因。2“三拓展”提升教学成效2.1 以学生为主体，促进全面发展的教学理念传统的教学理念强调由教师主导课堂并传授知识，忽视了学生的主动性，针对传统教学理念的弊端，从以下两个方面进行了拓展：摒弃了“教师负责教，学生只管学”的传统教学理念，拓展为学生为主体、教师为引导的教学理念。在这种新的教学理念中，首先突出了学生的主体地位。在实验教学中，学生是进行实验设计、实验操作、发现问题、思考问题、解决问题、分析总结实验的主体。同时注重调动学生的主动性，激发他们的探索精神，让其从被动地接受知识、接受训练转变为主动地寻求知识、实践知识，实现高质量人才培养。同时，教师的引导作用也至关重要，教师的指导方式将直接影响学生主体作用的发挥和学生培养质量10-11。摒弃了“只管传授知识，忽略思想育人”的传统教学理念，拓展为“专业能力与思政育人并重，引导全面发展”的教学理念12-13。通过教师的引导作用，实现从传授专业知识到培养专业能力的跨越。通过思政引导与专业能力引导相结合，实现立德树人。例如，鼓励学生关注我国农业、农村发展和特色农业的重大需求，围绕农业生产、新农村建设等面临的现实问题，灵活运用所学微生物学理论知识生物（23年4月刊）-正文.indd 492023-6-12 15:21:3950 魏蜜等：新农科背景下的实验教学“四引导三拓展”改革探索以微生物学实验教学实践为例与实验技术，开展创新性研究和探索，逐步形成可服务国家“三农”建设的专业能力。2.2 适应新农科人才培养要求的教学内容传统的微生物学实验教学内容已经难以满足新农科对于多学科交叉复合型人才的培养需求，因此在教学内容上进行适当的拓展势在必行14。微生物学实验设置了面向新农科培养模式的课程大纲，拓展后的教学内容包括五个主要模块：微生物显微技术模块、微生物无菌技术模块、绿色防控专题模块、耕地保护与培肥模块和食品安全与人类健康模块。各模块包含的实验项目及实验目的与要求如附表 1 所示。与传统的微生物学实验教学相比，面向新农科的微生物学实验教学内容的拓展主要表现在以下几个方面：第一，充分体现微生物学在农学的应用。例如设置绿色防控专题模块，包含植物病害识别、病原物分离、纯化、科赫实验及生理生化与分子鉴定等内容。设置不同类型土壤微生物类群与功能微生物的筛选鉴定实验，分析在不同类型土壤中根际微生物的群落结构，寻找能够增强土壤肥效、促进作物养分获取的功能微生物，指导学生明确微生物代谢与功能之间的关系，启发他们利用有益微生物开展耕地保护与培肥。第二，在食品安全与人类健康模块，增加食品卫生领域的微生物学检测分析技术，例如增设“纯净水和自来水中微生物的检测分析”“酸奶中细菌的检查和酸奶的制作”等实验内容，不仅密切联系生活实际，而且加深了学生对于不同灭菌技术和环境条件对微生物生长繁殖影响的理解，增强了学生对专业的学习兴趣和认同感，使学生更明确微生物学在现实生活中的重要应用价值。第三，还可根据实验条件，设置微生物与人体健康、先进制造等领域相关的实验内容。例如认识病原微生物的生物学特性与致病性，学习与微生物有关的疾病的诊断方法，以微生物个体或群体为材料用于增材制造等。2.3 灵活多变、相得益彰的教学方法根据教学内容及特点灵活采用多种教学手段，包括操作示范、微视频、心得分享、观点辩论等，全方位培养学生综合素质15。例如在无菌操作、培养基的配制与灭菌等操作性较强、细节不易把握的实验中采用操作示范和虚拟仿真相结合的方式。在显微镜的构造与原理、微生物形态观察与比较等实验中可采用观看微视频和实际操作相结合的方式。在介绍微生物生理生化及分子鉴定、微生物保藏方法时，对于一些无法现场演示的方案可采用制作微视频的方式，加深学生的理解。在食品微生物检测与功能评价等实验中，将生活元素、科研进展融入课堂，激发学生学习兴趣和热情。在实验结束后，鼓励学生对不同的现象与结论展开课堂辩论，培养学生严谨的逻辑思维能力和团队意识，提升学生的综合能力。3“四引导三拓展”实验教学体系3.1“四引导”与“三拓展”的关系“四引导”充分体现了高等教育立德树人的根本任务，体现了新农科对于人才培养的要求16。“三拓展”是基于现有微生物学实验教学的局限，使其更加符合新农科建设的要求。“四引导”是“三拓展”的基础与表现形式，而“三拓展”是“四引导”的必然要求与趋势（图 2），两者相辅相成、辩证统一，既有不同侧重，又相互协同，形成一个完整的、可移植的实验教学体系。图 2“四引导三拓展”实验教学体系生物（23年4月刊）-正文.indd 502023-6-12 15:21:39魏蜜等：新农科背景下的实验教学“四引导三拓展”改革探索以微生物学实验教学实践为例 513.2“四引导三拓展”实验教学体系的实施“四引导三拓展”实验教学体系在微生物学实验教学中发挥了重要作用。以绿色防控专题模块为例，在实验教学过程中，以水稻稻瘟病、小麦赤霉病、玉米纹枯病、番茄黄萎病等农作物病害图片和视频为例，展示当今重要农作物病害在世界范围内暴发和流行的现状，唤起学生投身植物病害防治的使命感和服务“三农”的责任意识。结合植物样品，讲解植物病害的识别、病原微生物的分离与纯化、科赫法则、病原菌的形态学、生理生化以及分子鉴定的概念、方法和原理，夯实学生专业基础；通过介绍最新研究进展对学生进行前沿引导。引导学生大胆设想，开展重要作物病害致病性或者绿色防控相关研究，鼓励他们积极申报大学生创新创业课题，对其进行创新能力的引导。强调以学生为主体的教学理念，在教师引导下，学生全程参与实验设计、实验操作、结果分析与讨论等。在教学内容上，设置了绿色防控等专题模块，加强了在教学内容深度和广度上的拓展。在教学方法上，通过教师在田间拍摄的农作物病害发生视频、样品的现场观摩、主要实验环节视频分步展示，以及学生课前资料收集和调研、学生代表实验结束后主要现象和结果汇报等多种形式，帮助学生全方位理解和掌握该模块学习的要点和难点，显著提升教学效果。上述教学过程充分体现了“四引导、三拓展”在微生物学实验教学中的作用，是“四引导三拓展”实验教学体系在微生物学实验教学中实施和运用的缩影。3.3 教学成效分析通过“四引导三拓展”教学体系的运用，从课程思政、专业能力培养以及综合素质提升等方面实现对学生的全面培养，提高人才培养质量，实现立德树人的育人目标。首先，在课程思政方面成效显著。通过在微生物学实验教学中有机融合课程思政元素，以润物细无声的方式培养了学生的家国情怀、三农意识、科学精神、思辨精神等。例如，学生们利用假期和课外时间积极投身社会实践和大学生创新创业训练，运用微生物学知识，建立防病促生功能微生物与兰科珍稀药用植物金线莲的共培养体系，利用微生物技术解决金线莲人工栽培效率低的问题，为贵州和云南金线莲的栽培和品质提升提供方案，助力乡村振兴。其次，实现多层次专业能力的培养。通过基础引导、前沿引导、创新引导，循序渐进地对学生的专业能力进行培养，使学生不但具备扎实的专业知识，还具备广阔的学术视野，以及良好的创新能力。2020 年，学生们报名参加了粤港澳大湾区（海珠湿地）植被生态修复科考大赛，对海珠湿地水体质量、水体浮游微生物和主要果树病虫害进行调查分析，全面认识了广州市上涌生态科学园的生态情况，为下一阶段制定生态修复方案提供依据。学生们的优秀表现最终在 45 支队伍中拔得头筹，荣获本次比赛的特等奖。此外，全面提升学生的综合素质。在“四引导三拓展”实验教学体系中，除了专业技能，学生还培养了勤奋刻苦、脚踏实地的个人品质，提升了分析和解决问题的能力，实现全面发展。4 结语在新农科建设背景下，农林相关专业的微生物学实验课程要走学科交叉发展道路，使微生物学实验内容充分融合理、工、医和信息技术相关内容。课程思政是落实高等教育立德树人根本任务的重要措施，中山大学农学院积极落实课程思政与新农科建设要求，在专业课程教学上进行了改革探索。在微生物学实验教学实践中，形成“四引导三拓展”实验教学体系，实现对学生专业能力的多层次培养，既夯实专业基础，又拓宽专业视野，同时提高创新能力，并在思政引导的基础上，最终实现立德树人的育人目标，为新农科背景下的微生物学实验教学与人才培养提供新的思路。参考文献1徐晖，魏培莲，申秀英，等.微生物学实验教学改革与创新能力培养J.实验室研究与探索，2019，38（5）：200-203.生物（23年4月刊）-正文.indd 512023-6-12 15:21:3952 魏蜜等：新农科背景下的实验教学“四引导三拓展”改革探索以微生物学实验教学实践为例2王正加，王晨，黄坚钦，等.新农科背景下农林类专业实践教学探索与实践J.实验室研究与探索，2021，40（3）：203-207.3吕新，张泽，侯彤瑜，等.“新农科”背景下农学类专业创新人才培养模式研究J.教育现代化，2019，68（6）：16-18，51.4刘海苹，杨扬，孙玉英.“以学生为中心”的高校课堂教学策略研究J.黑龙江教育（高教研究与评估），2019，（8）：75-76.5张西莎.促进学生主动学习的大学课堂教学策略研究D.杭州：杭州师范大学，2017.6FENG G，HAN W，SHI J，et al.Analysis of the application of a gene chip method for detecting Mycobacterium tuberculosis drug resistance in clinical 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522023-6-12 15:21:39附页魏蜜等：新农科背景下的实验教学“四引导三拓展”改革探索以微生物学实验教学实践为例附表 1 面向新农科培养模式的微生物学实验课程教学大纲模块项目编号实验项目名称实验目的与要求模块一：微生物显微技术模块01显微镜油镜的使用及细菌形态观察掌握微生物制片，油镜的使用和保养方法02真菌（以酵母和霉菌为例）的形态观察；酵母死活细胞染色与鉴别观察比较不同霉菌的形态特征并绘图；掌握酵母及子囊孢子的染色方法、原理及死活细胞的辨别；学会显微照片的拍摄03细菌染色技术（单染色和革兰氏染色技术）了解革兰氏染色原理；学习并掌握革兰氏染色的方法；提高辩证思维能力04微生物的显微镜直接计数法掌握微生物血细胞计数板法的原理及操作技术模块二：微生物无菌技术模块05培养基的配制与灭菌掌握培养基的配制方法，学会灭菌锅的使用，掌握倒平板方法、超净工作台的使用；各种常用培养基的配制、高压灭菌及斜面的摆放等06无菌操作技术与微生物接种技术掌握微生物划线和稀释分离技术，斜面、平板之间的接种技术等07不同类型的微生物的保藏方法掌握细菌、真菌常用的保藏技术和方法；理解低温对微生物生长繁殖的营养和原理模块三：绿色防控专题模块（选做）08农作物重要病害分离、纯化和科赫实验掌握从农作物叶片及根茎组织分离、纯化微生物菌种的方法，理解和掌握科赫法则的原理和应用价值09病原微生物的形态学和生理生化鉴定将显微技术灵活运用于对特定微生物形态学鉴定，掌握微生物生理生化反应的原理和应用10病原微生物的分子鉴定掌握微生物 DNA 提取、PCR 反应和凝胶电泳实验等分子鉴定方法模块四：耕地保护与培肥模块（选做）11开展不同类型土壤（黄壤、红壤和黑壤）微生物类群检查掌握从不同环境土壤中分离、纯化微生物菌种的方法；对比分析不同类型土壤微生物类群的差异和内在原因12从黄壤、南方红壤和黑壤中分离、纯化和鉴定具有活化土壤营养元素的功能微生物掌握微生物分离、纯化和鉴定的原理和方法，理解微生物代谢产物对应的功能模块五：食品安全 与 人 类 健 康模块13纯净水和自来水中微生物的检测掌握从水中分离、培养微生物的方法；对比分析纯净水和自来水微生物类群和数量14酸奶中细菌的检查和酸奶的制作掌握从新鲜酸乳中分离乳酸菌的原理与方法；了解乳酸菌发酵的原理和方法生物（23年4月刊）-正文.indd 532023-6-12 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