國(guó)家工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下生物工程專業(yè)《微生物生態(tài)學(xué)》教學(xué)改革探討

孟德龍 夏令 尹華群 劉學(xué)端

摘要：生態(tài)文明建設(shè)和國(guó)家工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求下，對(duì)《微生物生態(tài)學(xué)》的教學(xué)提出了更高的要求，也對(duì)本科學(xué)生所要求掌握的知識(shí)內(nèi)容有了更寬、更深以及與應(yīng)用相結(jié)合的要求。在生物信息學(xué)和測(cè)序技術(shù)快速發(fā)展的世代，《微生物生態(tài)學(xué)》有了新的內(nèi)涵、寬度和深度，而現(xiàn)有并沒(méi)有形成關(guān)于二代和三代測(cè)序技術(shù)條件下微生物生態(tài)學(xué)知識(shí)的教學(xué)體系，該文就國(guó)家工程專業(yè)知識(shí)認(rèn)證背景下《微生物生態(tài)學(xué)》的教學(xué)改革和提升進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：生物工程微生物生態(tài)學(xué)教學(xué)改革本科學(xué)生

中圖分類號(hào)：G64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract：Under the requirements of ecological civilization construction and national engineering education professional certification， higher requirements are put forward for the teaching of 《Microbial Ecology》. The knowledge content required by undergraduate students is wider， deeper and combined with application. In the generation of rapid development of bioinformatics and sequencing technology， 《Microbial Ecology》 has new connotation， width and depth， but there is no teaching system for microbial ecology knowledge under the condition of second-generation and third-generation sequencing technology. This paper discusses the teaching reform and promotion of ' microbial ecology ' under the background of national engineering professional knowledge certification.

Key Words： Bioengineering; Microbial ecology; Teaching reform;Undergraduate students

國(guó)家工程教育專業(yè)認(rèn)證是成果導(dǎo)向教育（Outcome-based education， OBE），OBE以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果（learning outcomes）為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施，該成果強(qiáng)調(diào)學(xué)生在最終學(xué)習(xí)過(guò)程后證明自己真正具備的能力，而非單一的學(xué)生的考試分?jǐn)?shù)。因此，在課程教育教學(xué)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，提升學(xué)生應(yīng)具備的綜合素質(zhì)（專業(yè)素質(zhì)和道德素質(zhì)）和職業(yè)發(fā)展能力?！段⑸锷鷳B(tài)學(xué)》課程學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生把生態(tài)文明建設(shè)擺在個(gè)人工作的首位、有助于學(xué)生形成以解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)題為核心目標(biāo)的科研思維、有助于建設(shè)生態(tài)文明、推動(dòng)綠色低碳循環(huán)發(fā)展，同時(shí)對(duì)學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)生態(tài)文明建設(shè)的重要意義，正確處理個(gè)人發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的關(guān)系。

微生物生態(tài)學(xué)定義為研究微生物與其生存的生物和非生物環(huán)境之間的相互關(guān)系及作用機(jī)理的一門學(xué)科，是生態(tài)學(xué)和微生物學(xué)發(fā)展形成的交叉學(xué)科，也是生態(tài)學(xué)的分支學(xué)科。微生物生態(tài)學(xué)不僅與生態(tài)學(xué)和微生物學(xué)的發(fā)展密不可分，還與土壤學(xué)、化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、食品科學(xué)、農(nóng)林學(xué)、公共衛(wèi)生及微生物流行病學(xué)等有著密切聯(lián)系，因此微生物生態(tài)學(xué)的教學(xué)提升可有效提升學(xué)生在以上學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)綜合素質(zhì)。同時(shí)，《微生物生態(tài)學(xué)》課程內(nèi)容設(shè)計(jì)多學(xué)科交叉內(nèi)容，《微生物生態(tài)學(xué)》教學(xué)是培養(yǎng)具有交叉學(xué)科思維的創(chuàng)新人才的重要過(guò)程。國(guó)家工程教育專業(yè)認(rèn)證中生物工程專業(yè)中要求學(xué)生畢業(yè)五年后預(yù)期達(dá)到：具有生物學(xué)和工程學(xué)理論應(yīng)用的能力、具有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和較強(qiáng)的獨(dú)立工作能力、具有系統(tǒng)解決生物工程專業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題的能力、具有良好的職業(yè)道德和綜合素養(yǎng)等培養(yǎng)目標(biāo)?！段⑸锷鷳B(tài)學(xué)》教學(xué)的提升對(duì)學(xué)生契合工程認(rèn)證中培養(yǎng)目標(biāo)要求具有重要意義，但目前《微生物生態(tài)學(xué)》教學(xué)過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題，思考教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出解決方案，是工程認(rèn)證中持續(xù)改進(jìn)的重要內(nèi)容。

隨著分子生物學(xué)、微生物學(xué)、生物信息學(xué)研究手段的快速發(fā)展，微生物生態(tài)學(xué)知識(shí)、理論呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng);同時(shí)生態(tài)文明建設(shè)思想的發(fā)展對(duì)《微生物生態(tài)學(xué)》教學(xué)提出了更高的要求?！段⑸锷鷳B(tài)學(xué)》課程教學(xué)中凸顯出了一系列問(wèn)題，現(xiàn)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行如下敘述。

1 ?微生物生態(tài)學(xué)知識(shí)和理論發(fā)展迅速

近年來(lái)，隨著測(cè)序技術(shù)的高速發(fā)展，以及生物信息學(xué)、高通量技術(shù)在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用[1]，微生物分子生態(tài)研究中常用的技術(shù)由之前的核酸探針、分子雜交（原位雜交、分子克隆等）和分子指紋（T-RFLP、RAPD、AFLP等多態(tài)性分析技術(shù)）等技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄繙y(cè)序、宏基因組等技術(shù)，對(duì)微生物生態(tài)的研究更加精細(xì)和全面[1]。生物信息學(xué)時(shí)期微生物生態(tài)學(xué)的知識(shí)具有數(shù)據(jù)量大、統(tǒng)計(jì)方法多、生態(tài)學(xué)概念更復(fù)雜等特點(diǎn)[2]。因此，對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握要求也更高，不但要求學(xué)生有深厚的分子生物學(xué)和微生物學(xué)等知識(shí)，還對(duì)學(xué)生在生物信息學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科方向有所拓展，能夠掌握基于大數(shù)據(jù)的微生物分子生態(tài)分析手段（擴(kuò)增子高通量測(cè)序、基因芯片和宏基因組等），以及對(duì)分析數(shù)據(jù)的深入解讀和更深地理解數(shù)據(jù)中存在的生態(tài)學(xué)問(wèn)題。但是由于基于高通量（二代和三代）測(cè)序和生物信息學(xué)的微生物生態(tài)學(xué)知識(shí)起步于21世紀(jì)初（特別是454焦磷酸測(cè)序技術(shù)[3]發(fā)展和mothur軟件[4]開(kāi)發(fā)后），近十年來(lái)逐步完善和深入，在《微生物生態(tài)學(xué)》本科教學(xué)的教材、教案中并沒(méi)有大量涉及新興的內(nèi)容和知識(shí)，對(duì)新的知識(shí)沒(méi)有系統(tǒng)的整理和歸納，很難系統(tǒng)地將近十年來(lái)的知識(shí)融入教學(xué)體系中，提升學(xué)生對(duì)新知識(shí)的了解。雖然，在個(gè)別課堂教學(xué)中會(huì)加入少量有關(guān)基于測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)的微生物生態(tài)知識(shí)，但是這些知識(shí)還沒(méi)有形成體系，而且缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。如需解決以上問(wèn)題，需要形成更新的《微生物生態(tài)》教材和教案，在課程體系中不僅僅局限于傳統(tǒng)的微生物生態(tài)知識(shí)，而是將傳統(tǒng)《微生物生態(tài)》和《現(xiàn)代分子微生物生態(tài)》有機(jī)結(jié)合，合理配比兩部分知識(shí)內(nèi)容，體現(xiàn)傳統(tǒng)與現(xiàn)代的結(jié)合，以及新知識(shí)、新理論的突破。

2 ?《微生物生態(tài)學(xué)》部分內(nèi)容應(yīng)在《微生物學(xué)》等課程的基礎(chǔ)上深入，賦予更深的內(nèi)涵

《微生物生態(tài)學(xué)》中對(duì)為不同環(huán)境中微生物的種類、微生物的適應(yīng)性做了大量的介紹，但是這部分內(nèi)容比較基礎(chǔ)，而且在《微生物學(xué)》及其拓展內(nèi)容中有大量介紹。此外，有關(guān)微生物間的生態(tài)關(guān)系在《微生物生態(tài)學(xué)》和《微生物學(xué)》中內(nèi)容基本重合[5]。在《微生物生態(tài)學(xué)》中應(yīng)該賦予微生物生態(tài)關(guān)系更深的內(nèi)涵和知識(shí)要點(diǎn)，應(yīng)從如何利用理論計(jì)算、大數(shù)據(jù)模擬、科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究闡明微生物的生態(tài)關(guān)系，微生物生態(tài)關(guān)系如何賦予微生物適應(yīng)性和生態(tài)功能，如何通過(guò)微生物生態(tài)關(guān)系知識(shí)了解微生物的生態(tài)位，如何利用生態(tài)學(xué)理論體系賦予微生物生態(tài)關(guān)系更深的內(nèi)涵等方面更深層次地闡述微生物生態(tài)關(guān)系，就《微生物學(xué)》課程體系中微生物生態(tài)關(guān)系進(jìn)行拓展和深入。此外，更應(yīng)結(jié)合生物信息學(xué)時(shí)代微生物生態(tài)學(xué)的新內(nèi)涵和新知識(shí)，合理地分配《微生物生態(tài)學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)要點(diǎn)，使《微生物生態(tài)學(xué)》的教學(xué)不局限于什么環(huán)境有什么微生物，而結(jié)合分子進(jìn)化學(xué)、群落組裝等知識(shí)更加深入地了解這些微生物為何會(huì)在特定環(huán)境中存在[6]，以及如何存在，甚至是微生物如何形成特定的群落。

3 ?《微生物生態(tài)學(xué)》教學(xué)需要實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和計(jì)算機(jī)課時(shí)的支撐

工程認(rèn)證背景下，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在最終學(xué)習(xí)過(guò)程后證明自己真正具備的能力，特別是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，但是現(xiàn)有的《微生物生態(tài)學(xué)》教學(xué)體系中只有理論教學(xué)，而沒(méi)有實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和計(jì)算機(jī)模擬課時(shí)?！段⑸锷鷳B(tài)學(xué)》在環(huán)境（環(huán)境微生物生態(tài)）、人類健康（如腸道微生物生態(tài)）、農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)微生物生態(tài)學(xué)）、工業(yè)（工業(yè)微生物生態(tài)學(xué)）等許多領(lǐng)域都有特定的含義和應(yīng)用價(jià)值，也與地球演變[7]、生物地球化學(xué)循環(huán)[8]等過(guò)程密切相關(guān)。以上知識(shí)在學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中有很廣闊的應(yīng)用前景，但是由于缺乏實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程教學(xué)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中只注重考點(diǎn)內(nèi)容，沒(méi)有課后的延伸延展，且在學(xué)習(xí)過(guò)程中由于沒(méi)有直觀的理解，死記硬背的方式不能讓學(xué)生真正理解微生物生態(tài)知識(shí)，從而不能使《微生物生態(tài)課程》與自己的職業(yè)生涯規(guī)劃和社會(huì)需求有機(jī)聯(lián)系在一起，對(duì)本科生綜合素質(zhì)提升作用比較有限。在教學(xué)過(guò)程中增設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，深入了解微生物生態(tài)學(xué)在環(huán)境、人類健康、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域的重要作用，可以讓學(xué)生講課程知識(shí)與其應(yīng)用現(xiàn)狀、前景相結(jié)合，更加直觀地理解《微生物生態(tài)學(xué)》的理論知識(shí)要點(diǎn)和應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵，提升學(xué)生綜合素質(zhì)，符合國(guó)家工程教育專業(yè)認(rèn)證的目標(biāo)導(dǎo)向。另外一方面，在《微生物生態(tài)學(xué)中》有大量的生物信息學(xué)分析、大數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)分析和理論計(jì)算知識(shí)，需要深入的計(jì)算機(jī)知識(shí)儲(chǔ)存，而且還有大量的R語(yǔ)言、Perl、Python等計(jì)算機(jī)程序。在《微生物生態(tài)學(xué)》中如果能有效地結(jié)合生物信息學(xué)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等相關(guān)知識(shí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境中的微生物的生態(tài)模型進(jìn)行模擬，得出微生物生態(tài)學(xué)的普適結(jié)論，不但有利于學(xué)生掌握《微生物生態(tài)學(xué)》的理論知識(shí)，而且有利于提升學(xué)生綜合素質(zhì)。

4 ?《微生物生態(tài)學(xué)》教學(xué)內(nèi)容與手段需要有效創(chuàng)新

《微生物生態(tài)學(xué)》這門課程知識(shí)覆蓋范圍極為廣泛，對(duì)各領(lǐng)域的發(fā)展意義重大，教師要加強(qiáng)對(duì)教學(xué)內(nèi)容與手段的把握。以海洋微生物的相關(guān)知識(shí)教學(xué)為例，針對(duì)海洋環(huán)境中的微生物特點(diǎn)以及未來(lái)的海洋資源開(kāi)發(fā)前景，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拓展，幫助學(xué)生掌握一些前沿的操作技能和理論性知識(shí)[7]。海洋微生物學(xué)理論教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)關(guān)注不同學(xué)科之間在內(nèi)容上的交叉性，并通過(guò)綜合性的實(shí)踐任務(wù)幫助學(xué)生掌握這些知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。生物信息學(xué)、生物海洋學(xué)﹑海洋生物形態(tài)學(xué)、生化和遺傳學(xué)﹑海洋生物生理等內(nèi)容的交叉部分不能作為了解性內(nèi)容被一帶而過(guò)，而是以此為切入點(diǎn)為學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)踐任務(wù)[8]，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)生對(duì)微生物生態(tài)學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探索，幫助學(xué)生掌握其基本應(yīng)用規(guī)律。此外，《微生物生態(tài)學(xué)》教學(xué)內(nèi)容還應(yīng)包括一些前沿的新興技術(shù)，促使學(xué)生了解其發(fā)展并掌握其應(yīng)用。教師要意識(shí)到這些新技術(shù)將會(huì)推動(dòng)海洋微生物研究領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中有更多的新發(fā)現(xiàn)，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用能力，促使他們了解實(shí)踐應(yīng)用方面創(chuàng)新成果。

5 ?結(jié)語(yǔ)

國(guó)家工程教育認(rèn)證背景下，本科生綜合素質(zhì)能力是教育能力提升的直接體現(xiàn)，大學(xué)的教育的目標(biāo)是提升本科生的綜合素質(zhì)能力。國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)和“雙碳經(jīng)濟(jì)”條件下，《微生物生態(tài)學(xué)》的教育尤為重要，提升《微生物生態(tài)學(xué)》教育教學(xué)水平，為祖國(guó)乃至全世界培養(yǎng)綜合型生物工程人才。以課程體系為紐帶，提升本科生專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力，整合學(xué)校和社會(huì)資源，提升學(xué)生的職業(yè)發(fā)展能力，對(duì)提升生物工程專業(yè)學(xué)生的就業(yè)和產(chǎn)出（Output）水平意義重大，進(jìn)行課程教學(xué)改進(jìn)，有助于生物工程專業(yè)教育認(rèn)證通過(guò)。

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