于彩虹 王建兵 馬妍 王春榮

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院特聘教授曲久輝院士在2020年11月22日的采訪中提到環(huán)境學(xué)是一門交叉學(xué)科，其核心基礎(chǔ)知識包括化學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)等。生物學(xué)基礎(chǔ)在環(huán)境學(xué)領(lǐng)域的水、氣、固廢處置、生態(tài)修復(fù)中均發(fā)揮著非常重要的作用[1]。目前在環(huán)境及其他工科專業(yè)中，生物課程教學(xué)中普遍存在4個問題：首先，在有限學(xué)時下，如何實現(xiàn)學(xué)生完整生物基礎(chǔ)知識體系的構(gòu)建？其次，在課程內(nèi)容抽象的前提下，如何提升學(xué)生興趣及其自主探究能力？再次，如何實現(xiàn)以學(xué)生為中心的差異教學(xué)？最后，在工科生物教學(xué)中，如何靠攏金課、滿足工程認(rèn)證理念要求以及全方位實現(xiàn)課程思政？針對4個問題，探索通過頂層設(shè)計打通課堂界限，精簡重復(fù)內(nèi)容，穩(wěn)固基礎(chǔ)并提升內(nèi)容前沿性，深度備課設(shè)計教學(xué)，使課程思政貫穿全程，并充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和線上教學(xué)資源，采用共鳴式智慧教學(xué)和以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，運用創(chuàng)新的教學(xué)模式和方法從課堂內(nèi)、外兩個維度構(gòu)建具有創(chuàng)新性立體化生物基礎(chǔ)課程教學(xué)體系，以實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)和價值的四維課程教學(xué)目標(biāo)。

教學(xué)過程中存在的問題

1.課程層面

（1)課時不足

以中國礦業(yè)大學(xué)為例，生物基礎(chǔ)課程僅開設(shè)了《生物化學(xué)》、《環(huán)境工程微生物學(xué)》2門共計64學(xué)時理論課程及16學(xué)時的實驗課程。按照傳統(tǒng)教材流程講授，存在學(xué)時嚴(yán)重不足的問題，難以完成環(huán)境工程專業(yè)生物基礎(chǔ)知識體系的系統(tǒng)構(gòu)建。

（2)內(nèi)容抽象

課程內(nèi)容涉及蛋白質(zhì)、糖、核酸和脂類4大生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能、性質(zhì)，內(nèi)容微觀、抽象、不易理解；動態(tài)生物化學(xué)部分的物質(zhì)和能量代謝途徑復(fù)雜難懂，該方面知識點的學(xué)習(xí)具有較大的難度。

2.學(xué)生層面

（1)認(rèn)同感弱

專業(yè)主干課程學(xué)時多、學(xué)生投入時間也較多，與專業(yè)主干課程相比，同學(xué)們主觀上對生物課程不太重視，花時間較少，認(rèn)同感較弱。

（2)學(xué)生差異大

由于高考改革，不同地區(qū)學(xué)生的生物基礎(chǔ)不同，部分學(xué)生高中沒有學(xué)過生物或化學(xué)，從而出現(xiàn)學(xué)習(xí)困難，甚至喪失學(xué)習(xí)興趣的現(xiàn)象，更不用談自主探究學(xué)習(xí)。另外，學(xué)生對生物方面的興趣和投入也存在較大差異。

（3)課堂人數(shù)多

幾個班的學(xué)生一起上課使得無法開展研討式學(xué)習(xí)及自主探究學(xué)習(xí)，而且考勤及學(xué)生學(xué)習(xí)情況難以掌握。

3.時代挑戰(zhàn)

（1)金課的要求

“兩性一度”即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。高階性要求課程教學(xué)不是簡單的知識傳授，而是知識、能力、素質(zhì)的有機融合，從而注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維；創(chuàng)新性要求課程內(nèi)容具有前沿性和時代性，教學(xué)形式體現(xiàn)先進性和互動性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個性；挑戰(zhàn)度需要教師和學(xué)生共同投入更多的時間去思考。

（2)工程認(rèn)證要求

以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進的教育理念。成果導(dǎo)向更注重的是學(xué)生學(xué)到了什么，而不是教師教了什么；側(cè)重研究型而非灌輸型教學(xué)模式；特別強調(diào)個性化的教學(xué)，制定不同的教學(xué)方案，提供不同的學(xué)習(xí)機會。這些都要求從灌輸課堂向?qū)υ捳n堂、封閉課堂向開放課堂、知識課堂向能力課堂、重學(xué)輕思向?qū)W思結(jié)合轉(zhuǎn)變，從重教輕學(xué)向教主以學(xué)轉(zhuǎn)變。

（3)課程思政要求

課程思政對于實現(xiàn)知識傳授和價值引領(lǐng)同頻共振具有重要的意義，是落實立德樹人根本任務(wù)的重要舉措。學(xué)生是實現(xiàn)中華民族復(fù)興的中堅力量，把他們的思想教育融合到專業(yè)課程領(lǐng)域是非常重要的。

新型教學(xué)體系構(gòu)建思路

針對本課程在教學(xué)和學(xué)生層面存在的主要問題，本團隊按照金課的要求，將工程認(rèn)證需求作為教學(xué)理念，通過頂層設(shè)計打通《生物化學(xué)》和《環(huán)境工程微生物》兩門課程的界限，重塑課程內(nèi)容，在保證基礎(chǔ)的同時突出前沿和挑戰(zhàn)性。將課程教學(xué)深度融合現(xiàn)代化信息技術(shù)，實現(xiàn)課程內(nèi)外共鳴式智慧教學(xué)。重視線下教學(xué)資源，運用創(chuàng)新教學(xué)模式和方法從課堂內(nèi)、外兩個維度構(gòu)建立體化的生物基礎(chǔ)課程創(chuàng)新教學(xué)體系，詳細(xì)分為以下兩點。

1.重視課堂教學(xué)主戰(zhàn)場

通過深度設(shè)計課堂教學(xué)教案，挖掘課程中的經(jīng)典案例、著名人物軼事等相關(guān)熱點開展課程思政；結(jié)合課程特點運用多種創(chuàng)新型的教學(xué)手段，如課程教學(xué)中探索引導(dǎo)式及科研案例式教學(xué)模式，通過“問題導(dǎo)入→啟發(fā)思考→共同分析→構(gòu)建知識體系→知識的運用”培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，構(gòu)建以學(xué)生為中心的教育理念[2,3]；將生物知識點與生活實際相關(guān)聯(lián)，通過提升學(xué)習(xí)興趣加強學(xué)習(xí)效果并且加深對生命的理解，通過加強對健康的認(rèn)識來提升人文素養(yǎng)。這些教學(xué)手段一方面提升學(xué)生對基礎(chǔ)知識、理論的理解和應(yīng)用，進一步實現(xiàn)知識培養(yǎng)的目標(biāo)，另一方面?zhèn)戎嘏囵B(yǎng)自主探究、分析和創(chuàng)造的能力，以實現(xiàn)課程的能力和素質(zhì)目標(biāo)，通過深度背課并且挖掘課程中的經(jīng)典案例、人物及歷史背景和時政熱點來實現(xiàn)思政育人。

2.將環(huán)境生物基礎(chǔ)教學(xué)延伸至課堂外

充分利用網(wǎng)上慕課等線上學(xué)習(xí)資源來鞏固課堂上的教學(xué)內(nèi)容，彌補課堂教學(xué)學(xué)時有限的問題[4]。同時與暑期實踐、科研選題競賽、大學(xué)生創(chuàng)新實驗及學(xué)科競賽等創(chuàng)新育人載體深度融合，為生物基礎(chǔ)好并有濃厚興趣的學(xué)生提供環(huán)境生物類課題和項目。體現(xiàn)差異性教學(xué)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力及運用生物基礎(chǔ)原理和技術(shù)解決環(huán)境工程領(lǐng)域問題的能力，培養(yǎng)具有一定生物基礎(chǔ)知識的環(huán)境工程拔尖人才。

黨的十八大報告將“立德樹人”首次確立為教育的根本任務(wù)，十九大報告中指出“要全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務(wù)”。當(dāng)前，面對新的國際國內(nèi)形勢和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)，大學(xué)人才培養(yǎng)更應(yīng)該重視培養(yǎng)人才的國際化視野，國際交流與合作順應(yīng)了時代的發(fā)展，這一要求也鞭策高校要加大力度，培養(yǎng)有專業(yè)素質(zhì)，同時具備全球視野、創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才，以服務(wù)于國家整體發(fā)展需求。也就是說，人才培養(yǎng)，既要有專業(yè)素質(zhì)，又要具有國際視野。

新型教學(xué)體系實踐措施

1.授課內(nèi)容的創(chuàng)新性規(guī)劃

針對學(xué)時短的問題，從整個學(xué)科體系培養(yǎng)人才的高度去看問題，將《生物化學(xué)》和《環(huán)境微生物》兩門課程內(nèi)容打通，凝練理順知識點，精簡重復(fù)內(nèi)容，將教學(xué)核心放到內(nèi)容的重點和難點上。如，《生物化學(xué)》課程側(cè)重生物大分子的組成結(jié)構(gòu)特點及物質(zhì)和能量的代謝問題；《環(huán)境工程微生物》側(cè)重微生物的基本形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生態(tài)特性和微生物學(xué)基本原理在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用。針對兩門課程的每一章節(jié)的內(nèi)容進行梳理，找出重點和難點內(nèi)容，在課堂上重點講解，而課程中相對容易的內(nèi)容簡要講解，由學(xué)生借助網(wǎng)上免費的慕課資源進行學(xué)習(xí)。

創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性主要體現(xiàn)在將課程內(nèi)容擴展到工程實踐、生活和科研前沿中，讓學(xué)生通過了解生物基礎(chǔ)理論如何應(yīng)用于工程實踐中，進而深化對基礎(chǔ)理論的認(rèn)識。更重要的是培養(yǎng)學(xué)生解決問題的思維方式，提升他們運用本學(xué)科的理論來解決實際工程問題的能力。

2.課堂上采用共鳴式智慧教學(xué)理念

針對班級人數(shù)多，不易開展討論式教學(xué)的問題，使用“雨課堂”、“騰訊課堂”等現(xiàn)代化手段進行課前預(yù)習(xí)、課中互動和課后拓展。在課前針對性預(yù)習(xí)，用手機掃碼進入課堂，解決考勤費時問題。課堂中實時提問，讓學(xué)生發(fā)送彈幕回答并活躍氣氛，加強互動；通過隨機點名和實時測試，了解學(xué)生對知識點掌握程度，提升課堂學(xué)習(xí)的交流與效率。在課后通過微信群將課件、習(xí)題發(fā)給學(xué)生，同時通過線上互動為他們答疑解惑，做到聽課不停聯(lián)，師生交流隨時在線。同時，充分利用線下資源，可以對基礎(chǔ)差的學(xué)生進行補習(xí)，也可以拓展基礎(chǔ)好的學(xué)生的學(xué)習(xí)廣度及深度。

3.深度備課，創(chuàng)新課程教案

結(jié)合課程的內(nèi)容深度挖掘課程中的經(jīng)典案例、人物軼事等相關(guān)歷史背景并從社會、國家、職業(yè)及個人4個層面強化“立德樹人”內(nèi)涵，設(shè)置課程思政內(nèi)容。比如在緒論里通過介紹屠呦呦因研發(fā)青蒿素獲得諾貝爾獎、我國對新冠疫情的防控等相關(guān)實例提升學(xué)生的民族自信和對國家制度的認(rèn)可；在講蛋白質(zhì)化學(xué)內(nèi)容時通過講授燙發(fā)的原理和自身經(jīng)歷說明知識的儲備對將來走向工作崗位的重要性；在講蛋白質(zhì)變性時通過介紹吳憲教授在蛋白質(zhì)變性理論研究中歷時11年發(fā)表12篇論文的事跡讓他們認(rèn)識到堅持及嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度的重要性。同時結(jié)合教學(xué)目的和要求從板書設(shè)計、教學(xué)形式與手段進行精心設(shè)計，大大提升課堂講授的效率和效果。保證了課堂教學(xué)主戰(zhàn)場的高效性和高質(zhì)量。

4.創(chuàng)新教學(xué)形式和教學(xué)手段

（1)理論聯(lián)系實際設(shè)計思路

盡可能將生化中涉及的基礎(chǔ)知識和相關(guān)理論放到學(xué)生熟悉且具體的現(xiàn)象和事例中。生物化學(xué)中的理論與生活接觸緊密，在講授相關(guān)內(nèi)容時，盡可能結(jié)合生活中實例，如通過介紹燙發(fā)原理形象地講授蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)α螺旋與β折疊的互換；酒精消毒、豆腐制作涉及蛋白質(zhì)變性問題；重金屬中毒涉及蛋白質(zhì)等電點的問題等，這些問題不僅激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，還提升他們對知識點的理解和掌握，同時增加生活常識和健康理念。

（2)問題探究式的教學(xué)模式

按照“問題導(dǎo)入、啟發(fā)思考、共同分析、構(gòu)建知識體系、知識應(yīng)用”的教學(xué)模式，將前面學(xué)過的知識進行復(fù)習(xí)回顧，并和新知識點進行對比分析。這種教學(xué)方式可以讓學(xué)生跟上教師的思路，更重要的是在教學(xué)過程中，以學(xué)生為中心，通過自主思考進行知識的歸納總結(jié)，讓教師在課堂上盡量扮演引路人的角色。

（3)針對學(xué)科經(jīng)典著名事件進行案例教學(xué)

如遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)之旅，通過介紹英國生物學(xué)家弗雷德里克·格里菲斯的肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實驗、美國微生物學(xué)家奧斯瓦爾德·艾弗里、阿爾弗萊德·赫爾希的噬菌體侵染實驗以及沃森和克里克的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)過程，和學(xué)生一起分析當(dāng)時實驗背景、實驗采用方法、實驗過程以及研究者的思路。結(jié)合科研項目與課程相關(guān)內(nèi)容，讓他們了解本課程體系對于專業(yè)的重要性，提升解決復(fù)雜工程問題的能力。

5.構(gòu)建課堂外的立體化創(chuàng)新教學(xué)體系

針對生物基礎(chǔ)好，對生物學(xué)科有強烈興趣的學(xué)生，將其吸引到暑期實踐、科研選題競賽、大學(xué)生創(chuàng)新實驗及學(xué)科競賽中，通過參與環(huán)境生物方面的課題與項目，達(dá)到生物基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)與創(chuàng)新環(huán)節(jié)相融合，從而提升學(xué)生創(chuàng)新能力、科研素養(yǎng)，實現(xiàn)差異教學(xué)[5]，培養(yǎng)具有一定生物基礎(chǔ)知識的環(huán)境工程拔尖人才。在此過程中，學(xué)生通過運用生物基礎(chǔ)知識來解決環(huán)境專業(yè)中問題的能力得到提升。以學(xué)生為中心落實到課程上就要求圍繞學(xué)生發(fā)展來設(shè)計課堂，將培養(yǎng)目標(biāo)與課程性質(zhì)、學(xué)生興趣等結(jié)合起來，力爭讓每一節(jié)課成為學(xué)生能力成長的一個臺階。在教學(xué)過程中，嘗試改變以往單一的教學(xué)模式（如課堂講授)，不斷吸收新的教育教學(xué)理念與現(xiàn)代化技術(shù)（研究型課程、課題式教學(xué))，實現(xiàn)教學(xué)模式的多樣化，同時促進不同課程之間的有效對接、互補，優(yōu)化課程群建設(shè)，最終形成多元化的教學(xué)體系，以期促進人才培養(yǎng)質(zhì)量的真正提高。

效果及推廣應(yīng)用

通過“立體化生物學(xué)基礎(chǔ)課程創(chuàng)新教學(xué)體系的構(gòu)建”，課堂教學(xué)主戰(zhàn)場得到加強，體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高、課堂互動參與度高等方面。2019年環(huán)境工程專業(yè)認(rèn)證專家組組長在進?？疾楝F(xiàn)場聽取了《生物化學(xué)》課程，對課堂的教學(xué)效果、學(xué)生的參與度以及教案的精心準(zhǔn)備給予了高度評價。

在課堂外創(chuàng)新育人載體中，近年來環(huán)境工程專業(yè)每年有接近20%學(xué)生參與環(huán)境生物有關(guān)的暑期實踐、科研選題訓(xùn)練及大學(xué)生創(chuàng)新實驗等實踐項目并了解了指導(dǎo)教師的科研項目。這些課外的創(chuàng)新教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新科學(xué)研究思維和實踐動手能力的最佳載體，而各種學(xué)科競賽成為展現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)新意識和動手能力的優(yōu)秀舞臺。專業(yè)學(xué)科競賽激發(fā)了學(xué)生應(yīng)用所學(xué)生物專業(yè)理論知識來解決生產(chǎn)實際中存在問題的挑戰(zhàn)和熱情，獲得了良好成果。

注

本文系2020年度中國礦業(yè)大學(xué)（北京)本科教育教學(xué)改革與研究重點項目“以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的環(huán)境科學(xué)與工程育人體系建設(shè)”（課題編號:J20ZD11)和2020年度教育部新工科研究與實踐項目“能源礦業(yè)類高校煤炭潔凈利用相關(guān)專業(yè)多學(xué)科交叉復(fù)合改造升級探索與實踐”（課題編號:E-KYDZCH20201801)基金資質(zhì)。