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摘要：文章论述了基于大学生科技创新的“水处理生物学实验”课程教学改革路径，包括构建多层次、模块化 实验教学体系;探索实验教学与科技创新相结合的教学模式;建立多平台的资源共享机制及开放式的运行 机制。
随着碳达峰和碳中和(以下简称“双碳”)战略的 提出与实施，我国对污水处理的质效要求变得更为严 格，因此水行业对工程人才的要求也在不断提高[1-2]。 目前，“双碳”背景下的新工科建设、工程教育专业认 证及学科评估、国家一流专业建设的快速开展，使给 排水科学与工程专业的课程教学改革面临巨大挑战。
为实现最新的专业人才培养目标，亟须在各课程的教 学内容、教学方式等方面进行改革 。其中，“水处理生 物学实验”课程是给排水科学与工程专业的学科基础 课。该课程的教学目标是让学生了解水处理工程和水 质净化工程中涉及的生物学问题(尤其是微生物学 问题)，熟悉微生物的作用机理和规律，并将生物学的 理论知识应用到解决水处理相关专业问题中[3-4]，同时 注重培养学生独立设计、开展相关实验的能力。
近年来，“互联网+教育”的发展深刻改变着高校 教师的教学方式、思维方式和交流方式，且“互联网+ 教育”能够为学生构建多样化的信息渠道、提供更多 优质的交流平台、营造更高效的学习氛围，也有利于 激发大学生创新创业意识、培养学生创新创业精神 、 提升学生创新创业能力，这就为“水处理生物学实验” 课程教学改革提供了创新性元素、注入了新鲜血液 ， 可以更好地满足学生的学习需要 。但目前“水处理生 物学实验”教学仍存在以下主要问题：一是课程教学 体系单一，层次不分明，如教学内容固定、验证性实验 比重大、缺失培养学生创新能力的实验内容;二是科 技创新元素不足，如实验数据分析及挖掘不够，导致学生学习兴趣较低、学习主动性不强;三是平台资源 利用率低，如课程中设置的创新实验项目少，导致学 生创新意识淡薄等[5-6] 。对此，教师需在教学资源重新 统筹规划的基础上， 突出实验教学中的创新性元素， 完善多实验平台的资源共享机制，进行“水处理生物 学实验”课程教学改革 。具体实施过程如下：针对现有 的实验教学体系层次不分明、创新实验资源不足等问 题，修订教学大纲、调整教学内容、改进教学方式，旨 在构建多层次、模块化的教学体系;突破传统的固化 实验教学方式，注重学生科技创新意识的培养，推进 实验教学与科技创新相结合的教学模式实施;从多个 平台的资源利用不充分等实际问题出发，规划实验教 学、教师科研和创新创业训练项目及专业竞赛等多平 台的资源共享机制及开放式的运行机制。
一、构建多层次、模块化实验教学体系
“水处理生物学实验”课程教学目标主要包括以 下三个方面：①学生能够掌握与水处理相关的(微) 生 物学基本知识，掌握微生物、水生植物、水生动物等在 水体净化与水处理中的作用机理和规律，学习水中微 生物的检测方法等;②学生能够掌握课程的基本理 论、基础知识并具备独立设计、开展相关实验的基本 能力，以便为后续课程学习打下基础;③学生能够系 统地掌握水处理生物学基础理论、基本知识和基本技 能，初步具备应用生物学理论和技术解决给水排水相 关工程实际问题的能力，同时要了解本领域最新发展 动态，培养独立思考和分析解决问题的能力，提高创新性思维和工程实践能力。该课程的参考教材为国家 级规划教材《水处理工程实验技术》，主要涉及教材中 的水处理微生物实验篇。此篇内容与理论知识联系紧 密，既可满足基础实验的参考要求，又可为学生的创 新实验开拓思路。
根据上文所述，可将“水处理生物学实验”课程实 验分为基础性、综合性、创新性三类，形成基本、提高 和创新三个层次的实验教学内容。基础性实验项目包 括验证性实验和设计性实验，均为必修实验 。基础性 实验项目的教学设计思路是基于专业基本技能训练， 强化独立操作和分析解决问题能力的多重培养目标， 以验证性实验为主，并对验证性实验进行拓展;遵循 从基本实验操作和方法出发的原则， 融合不同自然组 的实验结果和数据，分析总结实验结果，预判可能的实 际工程问题场景 。通过对基本层次实验的学习，学生 可以在教师的指导下完成基础性实验项目，从而具备 基本的科研素养、专业的基本技能、独立操作的实践 能力。
综合性实验项目属于提高层次的实验项目，大多 为必修实验。该部分实验是以提高专业素养和实现知 识体系的灵活运用为培养目标，更注重学生对专业知 识运用的训练 。针对同一实验的目的和对象，从实验 步骤出发，采取不同的途径或步骤完成，再从点到面、 从面到点地分析因果关系 。在此过程中，学生需对实 验项目的可行性、实用性、创新性进行分析，教师则要 给予相应的指导 。实验项目确定后，学生应按照自己 拟定的实施方案自主完成实验，实施过程中若遇到问 题，教师要组织学生进行讨论，并给予学生启发性的 引导。此类实验的开展可以培养学生针对同一实际问 题提出多角度解决方案的思维能力，提高学生对知识 的灵活运用能力 。 同时，教师通过渗透实验的创新方 法，可初步培养学生的实验创新能力。“水处理生物学 实验”课程教学中，要求学生必须完成基本和提高两 个层次的实验，且达到规定的实验考核标准。
创新性实验项目的培养目标为培养学生的创新 精神和科研能力，强化其独立工作的能力 。此类实验 项目根据学生的能力和兴趣，以实际的工程问题为依 托，从实验目的出发，让学生自行选定实验对象、自主 设计实验方案，开发新的技术方法或新工艺，并解决 相关的工程问题。创新性实验项目更注重培养学生应 用已掌握的技术方法解决实际问题的创新意识、探索 精神和科研能力 。当前，大学生创新能力培养是高等教育改革的重要内容，而创新创业训练项目是培养学 生创新精神的重要途径，但本科生的科研能力不足是 大学生创新创业训练项目申请和完成过程中的关键 难题。对此，在教学改革中适当增加创新性实验项目， 可为大学生创新创业训练项目的孵化提供良好的纽 带和平台。一方面，可以培养学生独立科研的能力;另 一方面，可以帮助学生拓展相关的专业内容、获取创 新项目的灵感、设计可行的实施方案等。
基于上述实验教学内容，可分为教学设计思路、 实施步骤及预期效果三个模块。教学设计思路模块内 容如下：对照培养目标，修订教学大纲，对本实验教学 内容重新整合，同时编写多样化的实验报告手册，完 善课程的考核制度和管理机制。实施步骤模块则通过 对学生进行“表层→ 内在→外在”的心理塑造，建立促 进学生自我思考和培养创新意识为主导的新教学理 念 。即基于学生在教学内容下的教学效果(表层)，从 心理学的角度引导学生创新思维和自主学习意识的 培养(内在)，之后进一步帮助学生提高学习兴趣及坚 定完成学习任务的信念(外在) 。在课程教学的过程中， 教师教学遵循循序渐进的事物认识规律，由浅入深、 由简到繁地进行 。从最基本的验证性实验开始，引导 学生产生科研的基本认知，激发科研兴趣和求知欲， 实现教、学、研的相长 。在此期间，教师要及时收集学 生反馈信息，抽取其中的典型案例进行剖析，并实时 根据反馈中的具体问题，制定相应的教学改革措施。 另外，要充分利用理论研究法、调查研究法、行动研究 法、实证研究法等提高教学的创新性。只有这样，才能 实现培养科学素质、掌握科研方法、开展科技创新项目三个方面的预期效果 。概言之，教师要从多层次的 实验教学内容的确定，模块化的教学设计思路、实施 步骤及预期效果的设定等方面完成多层次、模块化的 “水处理生物学实验”课程教学体系的构建。
二、探索实验教学与科技创新相结合的教学模式
“互联网+教育”的发展改变了当今师生的教学方 式和学习方式。如今的工科专业实验教学仍存在以下 主要问题：实验教学的内容固定，实验数据单一，难以 激发学生兴趣;实验过程不够规范，科技创新活动脱 离实际，超出学生本身的能力;创新精神欠缺，创作意 识淡薄;等等 。 同时，传统教学模式下，学生以教师和 指导书为标准，在已经给出实验操作步骤的情况下机 械地进行实验，这种教学方法磨灭了学生的创造力，也 消减了学生的学习热情，教学效率非常低 。因此，传统的“水处理生物学实验”课程教学模式已经满足不了 学生当前的学习需求及人才培养需要， 亟须进行创 新。具体来说，要转变教师和学生角色，让学生变成课 程实施的主角，教师要减少过量的示范，不再进行逐 一讲解，只需要讲明实验的关键点和注意事项，以帮 助者和协作者的身份启发、引导学生即可。与此同时， 多层次实验项目的实施为创新创业训练项目的顺利 开展提供了契机和平台， 突出了人才培养的创新需 要，故在保证教学质量的基础上，教师要积极开展对 学生创新创业训练项目的指导， 给予学生足够的自 由，让学生自己去探索、发现，并动手设计自己感兴趣 的科技创新项目，这是培养学生学以致用、举一反三、 开拓创新能力的有效方法[7]。另外，课程的开展是学生 对水处理领域中生物学相关知识的积累储备过程，在 前期理论教学知识的储备基础上，还包括实验原理的 理解、实验方法和步骤的强化、实验方案的设计及创 新意识和创新思维的培养等方面的内容，这可为学生 顺利开展创新创业训练项目奠定基础。
“水处理生物学实验”课程教学改革力争探索实验 教学与科技创新相结合的新教学模式，具体实施过程 如下。一是知识理解与掌握。在实验教学的过程中，教 师从知识点出发，采用举例或实际案例分析等多样化 的教学方法，帮助学生对知识点进行理解和掌握。二是 问题引导。教师要有意识地引导学生将相应的知识内容 与工程实践问题联系起来，引发学生的思考，使学生提 炼出需要解决的科学问题。三是方案设计。以科学问题 为中心，学生自主分成若干方案设计小组，开展问题剖 析、实验设计并明确实施路线等，以确定解决问题的方 案。四是问题解决。学生根据方案设计，完成相应的实验 实施、数据提取、整理分析、提炼拓展、归纳总结等实验 步骤，进而获得具体的解决方案。五是能力提升。学生能 力提升阶段需要回归到科学问题上，并推测其可能存在 的机制或机理，进一步提升科技创新与发现能力。六是 成果输出。结合课程实验项目和创新创业训练项目的研 究内容及数据，撰写实验报告及创新创业训练项目的可 研性报告，并将研究数据及结论以论文或专利的形式 呈现，此过程可进一步提升学生的科技创新能力。
三、建立多平台的资源共享机制及开放式的运行 机制
创新创业训练项目已经成为大学生科技创新教 育的重要内容，项目的开展除需要制度保障、教师指 导、经费支持外，必要的实验场地和实验仪器设备等平台资源也是非常重要的条件保障[8-9]。“水处理生物 学实验”课程的实验教学平台不仅给学生提供了水处 理过程中的微生物学问题的解决途径，还可以为学生 开展相关创新创业训练项目及专业竞赛提供良好的 环境支持，使得教学资源得到更加充分的利用。同时， 科研平台的资源为学生创新创业训练项目及专业竞赛 提供了重要的保障。教师在上述平台的资源共享中发 挥着指挥棒的关键作用。首先，教师具有丰富的项目指 导经验， 可以弥补学生因自身专业知识和科研能力的 局限而不能独立进行创新创业训练项目及专业竞赛的 缺陷，即从创新创业训练项目的立项、实施到结项，都 离不开教师的指导;其次，教师是项目管理的关键责任 人，指导、评价并考核学生对创新创业训练项目及专业 竞赛项目的完成;最后，教师拥有的科研资源可为学生 创新创业训练项目的实施提供有力的支持和帮助 。实 验教学平台、教师科研平台与创新创业训练项目及专 业竞赛之间具有密切的联系 。创新创业训练项目及专 业竞赛的开展可为教师的实验教学和科研项目的实施 提供部分数据基础， 而实验教学平台和教师科研平台 的资源共享可为学生创新创业训练项目及专业竞赛提 供重要的保障。在创新创业训练项目及专业竞赛的实 施过程中，可实现学生实践能力、科研能力和创新能 力的综合提升 。另外，基于学生创新创业训练项目及 专业竞赛， 能够形成创新创业训练及专业竞赛平台。 为保证各平台资源的充分利用，并实现各平台的资源 共享，需建立有序高效的资源共享机制及开放式的运 行机制，具体设计思路如图 1 所示。
为进一步提高学生创新创业训练项目的管理水 平，充分发挥其在人才培养方面的作用，在多平台共 享教学资源时，可以采取线上与线下相结合的模式，使 “互联网+教育”更深地融入教学与创新训练实践[10] 。 各平台的使用申请均采用线上预约、分级审批的管理 模式，相较传统的线下申请，线上申请更为简单高效 。 各平台项目的实施则采用“线上+线下”的融合方式 ， 与单一 的线下实践相比，线上实践具有“更加节省时 间、资源更为丰富”的优势，故利用这种融合方式，学 生不仅可以利用碎片化时间进行能力提升，而且也符 合当代年轻人学习的习惯 。在“互联网+教育”环境影 响下，越来越多的高校学生积极投入“互联网+教育” 环境形成的创新创业浪潮中 。因此，课程可尝试改变 单一线下的传统授课方式，使用“线上+线下”相结合 的教学模式 。在这种教学模式下，线下开展实践教学仍占主导地位，但在线下实践教学的同时辅以一定的 线上实践，可使学生在达成教学目标的同时，真正在能 力上有所提升。“线上+线下”的融合授课与实践是未 来教学的发展趋势，故“双碳”背景下课程可以采用此 模式，以期使学生的实践创新能力得到更大的提升。
在新的教学背景下，以学生创新性实验项目为支撑，将各类专业竞赛活动与学生创新能力、自主学习 能力的培养结合起来，通过多平台的资源共享和开放 式运行，鼓励学生进入实验室进行学习和实践，按照 学习、研究和工作一体化模式，开展以探索前沿科学 问题与实际问题等为导向的学习，可有效增强学生的 创新意识和实践能力。
综上所述，“水处理生物学实验”课程是给排水科 学与工程专业的一 门实践应用性非常强的课程，教师 可以通过实验教学帮助学生强化理论知识，提高实践 操作能力 。针对该课程教学存在的问题，本文基于大 学生科技创新，对“水处理生物学实验”课程教学进行 了如下改革 。即结合新工科建设的人才培养需求，以 “金课”标准为指导，更新教学理念，紧跟学科前沿与 行业发展，围绕专业特性，通过多层次、模块化实验教 学体系的构建，弥补了原有实验教学体系的不足 。通 过实验教学与科技创新相结合的新教学模式的探索， 进一步明确了人才培养目标，提升了学生的科技创新 能力。在教学改革过程中，融入科研成果和工程实例， 进行新型数字化素材的教学，并将纸质教材与网络衔 接，紧抓“互联网+教育”环境提供的创新创业教育机 遇， 进而提出了增强学生创新创业主体性的实施策 略 。借助实验教学、教师科研及创新创业训练等多平 台的资源共享及开放式运行机制的设计，在保证学生 有序完成课程实验、科技创新等科研活动的同时，有 效提高了学生解决实际工程问题和独立科研创新的 能力。此外，利用“线上+线下”相结合的模式丰富实验 教学资源，开展创新创业训练项目及专业竞赛，可促 进学生对于知识和实验技能的内化，提高学生的科研思维水平，进而使教师明确实验教学定位，从而达到 实验教学与科技创新融为一体的教学改革的目的。
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