鄭邦曉

（廈門理工學院環(huán)境科學與工程學院，福建廈門 361024）

隨著人類活動的加劇，全球環(huán)境生態(tài)問題正日益凸顯，其中最受關注的議題無疑是生物多樣性與一健康（One Health）[1]。生物多樣性的損失不僅對地球上的生態(tài)平衡造成巨大影響，也對人類的生活方式和健康帶來了嚴重的威脅[2]。例如，不同物種的消失可能導致生態(tài)系統(tǒng)功能的下降，這進一步加劇了食物短缺、水源污染和各種疾病的傳播[3-4]。同時，人類大健康不僅僅是關乎身體健康，更包括心理、社交和環(huán)境因素，他們與生態(tài)環(huán)境息息相關[5]。

在這樣的背景下，傳統(tǒng)的環(huán)境工程教育顯然無法滿足當前社會的需求。因此，對于環(huán)境工程專業(yè)的教育模式和課程設置，必須進行深入的思考和調整。具體而言，環(huán)境工程教育不僅需要培養(yǎng)學生在工程技術方面的專業(yè)知識，更應重視生物學知識的融入和應用生物學原理的情境教學[6-7]。這樣，學生不僅可以了解到環(huán)境問題的根源，還能掌握如何運用生物學原理來解決這些問題。此外，與生物學相關的實驗和項目也應該成為環(huán)境工程課程的重要組成部分[8-9]。這不僅可以幫助學生更好地理解和應用生物學知識，還能培養(yǎng)他們的實踐能力和創(chuàng)新思維?？偟膩碚f，只有將生物學知識與環(huán)境工程教育緊密結合，才能培養(yǎng)出既懂工程技術，又具備生物學視角的復合型人才[10]，從而更好地應對全球環(huán)境生態(tài)問題的挑戰(zhàn)。

為了滿足復合型人才的需求，環(huán)境工程學生需要具備生物學基礎，傳統(tǒng)做法是為學生增加相關生物學課程，而這種做法無疑給學生增加了課業(yè)負擔。在廈門理工學院，環(huán)境生態(tài)工程系則進行了創(chuàng)新性嘗試。我們與有生物專業(yè)研究背景的老師合作，在四年教學體系中將生物學理論知識融入環(huán)境工程的項目實踐，形成一體化的教學模式。這套課程體系通過特別設計的課程和學習模塊，使學生能夠了解環(huán)境工程領域中的應用最多的生物學前沿知識。我們從學生入學開始就引導學生認識到生物學家和環(huán)境工程師之間所展開的密切合作，并將這個認知貫穿在整個四年的大學學習過程中。為了更好地滿足廈門理工學院“親產業(yè)”的辦學定位，環(huán)境生態(tài)工程系在課程設置時便與多個行業(yè)的本地企業(yè)和科研院所合作，包括生物醫(yī)學、生物技術、制藥和食品等相關的行業(yè)?？傮w來說，融合后的全新教學模式不僅為學生提供了解決工程設計問題的理論基礎，同時也培養(yǎng)了他們解決問題的整體觀和創(chuàng)新性。

1 一年級課程

在本科教育的框架下，一年級工程類課程通常被設計為“工程學導論”。不過，我們對此傳統(tǒng)模式進行了有意義的教學改革。在秋季學期（也就是學年的上半部分），我們安排學生學習基礎的工程技能，解決工程中的實際問題，培養(yǎng)團隊協(xié)作的能力，并深入探討工程師在未來職業(yè)發(fā)展中所需遵循的職業(yè)道德。到了春季學期（也就是學年的下半部分），課程內容會更加專注于工程設計的原理，尤其強調對工程設計和評估進行反向思考。

Maynard和Razatos以及他們的團隊提出了一個富有創(chuàng)見的想法，即通過示例、實際演示和實驗活動，將生物學的關鍵概念融入傳統(tǒng)的工程課程中[11]。這種方法旨在為即將畢業(yè)的工程專業(yè)學生提供處理非常規(guī)問題的能力，并關注新興研究和發(fā)展領域。在我系的核心環(huán)境工程課程中，我們也采用了這種策略，將生物學的概念整合進來。更為重要的是，我們加強了生物學理論和工程實驗之間的縱向整合，這有助于在各個課程層面上確立生物學概念、工程技能和工程模型的關聯(lián)性。

為了更直觀地說明縱向整合在課程中的運用和重要性[12]，我們特意選取了一年級工程類課程中的生物醫(yī)學工程項目作為實例。在這四個特定的實踐模塊中，學生被逐步引入到跨學科的生物醫(yī)學主題中。隨后，這些主題會在環(huán)境工程課程的更高級核心課程中得到深入的探討和討論。如表1詳細列出了這四個實踐模塊的主要內容、相關的測量指標以及工程學的基本原理。此外，縱向整合的關鍵要點也展示了這四個模塊與跨學科知識或框架的直接聯(lián)系。

表1 生物學與工程學模塊整合表

2 二年級課程

生物科學與環(huán)境工程的教師團隊攜手，為環(huán)境工程二年級學生開設了一個實驗為核心的“生物系統(tǒng)與應用”課程。該課程不僅深入介紹相關生物系統(tǒng)的理論和實驗操作，還進行了課程有效性的評估。與此課程同步，學生們還將加入為期兩學期的大二綜合實踐課程I和Ⅱ。這套課程包含了跨學科的設計與實踐方案，培養(yǎng)學生認知到工程項目所需的技術和溝通方式。學生將按照3-5人小組進行合作，共同完成一個學期的項目，其中包括自主設計微生物燃料電池等。該項目所涉及的所有理論和實際操作都建立在“生物系統(tǒng)與應用”課程知識的基礎上。在這一年級的學習過程中，第一學期更注重全面質量管理和寫作技能，而第二學期主要加強學生的知識傳遞和科學普及技巧。

3 三年級課程

學生進入大學三年級后，會通過一系列的實踐課程參與特定的研究項目中，學分為2學分。在項目中，學生們需要參與到至少一個跨學科團隊來進行分工協(xié)作，經費支持既可能來源于教師的縱向經費，也可能來自企業(yè)的橫向贊助或是企業(yè)產學研項目的支持。由于教師的研究領域或企業(yè)資金支持的方向不同，使得這些項目覆蓋了多種新興學科。在過去的課程實踐中，與生物和環(huán)境工程結合的項目數(shù)量顯著增加。而學生們在“生物系統(tǒng)與應用”課程中所獲得的訓練是他們在高年級的研究中應對與生物相關的項目最強有力的保障。

經過兩個學期的高級實踐課程活動后，學生應達到以下目標：

1）深入參與到中等復雜度的工程項目，對工程的普遍做法和專業(yè)有更深的理解。

2）在跨學科團隊中展現(xiàn)出卓越的合作能力。

3）掌握和運用新的技術技能。

4）對工業(yè)和創(chuàng)業(yè)方面有深入的了解和應用能力。

5）能夠有效地進行項目和團隊管理。

6）在他們的工作中融入工程的專業(yè)素養(yǎng)和道德標準。

7）在書面、口頭和多媒體方面的溝通技巧有顯著提高。

8）高效利用跨越不同地區(qū)和語言的信息資源。

3.1 項目舉例1：抗生素的產生研究

據報道，微生物為了維護自己的生存空間，會產生抗生素等次生代謝物來對抗其他微生物[13]?？股匾驯粡V泛應用于人類疾病的治療，并大大革新了醫(yī)學領域[14]。但由于過量或不當使用，導致相關病原體產生了藥物耐藥性[15]。隨著耐藥細菌數(shù)量的增加，現(xiàn)代醫(yī)學的治療手段受到了挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，尋找新的、有效的抗生素成為緊迫的任務。土壤作為一個天然的資源庫，有可能為我們提供具有新型抗生素生產能力的細菌[16]。

該項目的目標是從廈門市的垃圾場土壤中分離和鑒定能產生抗生素的細菌。在這項工作中，由兩名微生物學家和兩名化學家組成的研究團隊與四名專業(yè)教師（兩名微生物學和兩名化學）緊密合作。這個研究團隊在為期兩年的研究中，針對耐藥問題進行了深入探索。團隊的工作被細分為具體的研究模塊，包括對相關微生物學和化學文獻的深入研究、新型抗生素細菌的篩選與鑒定、這些新菌株生理特性和抗生素產生能力的表征以及初步的抗生素生產實驗。在這一過程中，學生和教師們不斷交流合作，確保研究的每個階段都能得到深入而細致的探討。此外，團隊還注重將研究成果與實際的醫(yī)療需求相結合，并在國內外的微生物學和化學會議上分享他們的研究進展。經過系統(tǒng)的研究，成功鑒定了兩種具有抗生素生產潛力的芽孢桿菌，它們對一系列的病原微生物都有很好的抑制作用。這一發(fā)現(xiàn)不僅為面對藥物耐藥性問題提供了新的解決策略，也為未來的抗生素研發(fā)打開了新的方向。

3.2 項目舉例2：花青素的生產研究

花青素是一種為果實和花朵提供色彩的重要植物色素[17]。這種水溶性的植物色素在食品和花卉中廣泛存在，為其提供紅色、紫色或藍色的色調[18]?；ㄇ嗨赜捎谄涮烊缓徒】档奶匦?，正逐漸成為代替合成食品著色劑的首選[19]。盡管過去的研究已經表明，花青素對人體有多種健康益處，如抗氧化、抗炎、抗癌等[20]，但如何有效提高花青素的產量仍是一個研究重點。此項目旨在探索花青素在大腸桿菌中的合成路徑，為其大規(guī)模生產提供技術支持。

在這個項目中，兩名學生（分別來自生物學和環(huán)境工程背景）與三名專任教師（包括植物生物學家、微生物學家和環(huán)境工程師）緊密合作，探索了花青素不同的人工合成策略，以實現(xiàn)在大腸桿菌中的高效花青素生產。團隊首先鑒定了植物來源的多種關鍵酶，并利用它們構建了從簡單前體如黃酮和黃烷醇到花青素的生物合成路徑。實驗結果顯示，通過優(yōu)化合成策略、調整培養(yǎng)條件并合理改造大腸桿菌的代謝網絡，成功實現(xiàn)了從前體分子到花青素的高效轉化。此外，為了進一步提高花青素的穩(wěn)定性和產量，研究團隊還采用了pH調節(jié)、融合蛋白技術等多種優(yōu)化策略。通過這些技術創(chuàng)新，成功實現(xiàn)了花青素的高產量生產，為其在食品、醫(yī)藥和化妝品等領域的應用打下了堅實的基礎。預計未來的研究將進一步完善花青素的生產工藝，并探索其在更多領域的應用潛力。

3.3 其他項目研究

除上述項目外，還有許多跨學科的研究項目在進行，涵蓋了生物學和工程學的交叉領域。例如，有的項目探討了藥物轉運技術、食品保存技術、藥物分離方法和人工器官的研究與開發(fā)。這些項目不僅增進了學術研究，還為教育課程內容的拓展提供了實踐基礎。在每個項目中，學生們都積極參與，從前期的資料收集到實驗過程的實施，再到后期的分析與總結，都充分體現(xiàn)了跨學科合作的重要性。

4 四年級課程

4.1 食品工程課程

廈門理工學院的環(huán)境生態(tài)工程系重視與地區(qū)知名企業(yè)的合作，如廈門古龍食品有限公司、廈門太古可口可樂飲料有限公司、廈門滄海萬泰生物技術有限公司等。鑒于廈門地區(qū)是這些企業(yè)的重要生產基地，學院發(fā)現(xiàn)學生對食品加工行業(yè)有濃厚的興趣，并認識到了對食品工程教學的需求。為此，環(huán)境生態(tài)工程系針對工程專業(yè)一年級新生開設了食品實驗課程，并為本專業(yè)學生設計了食品工程選修課。該課程內容包括食品科學、食品化學、食品工業(yè)操作以及食品保存技術。

4.2 生物醫(yī)學工程課程

生物醫(yī)學工程學科是基于工程師、醫(yī)生和生命科學家之間的合作而發(fā)展起來的，現(xiàn)在已經成為許多大學中增長最快的學科之一。在這一領域中，環(huán)境工程師在設計人工器官、藥物傳輸裝置等方面起到了關鍵作用。本課程旨在幫助學生深入理解化工基礎在生物醫(yī)學領域中的應用，如物質轉移、熱傳導、流體流動和化學反應。實驗部分重點研究循環(huán)系統(tǒng)、呼吸和代謝等。此外，這些基礎的生物醫(yī)學知識已經被納入到整個課程中，確保學生能夠全面理解相關的生理學和生物學概念。

4.3 制藥工程課程

控釋系統(tǒng)是一種能夠以預定速度長時間釋放生物活性劑的技術，它能有效地維持藥物濃度并減少所需的總劑量。該課程的目標是教授學生如何將化工基礎知識應用于控釋系統(tǒng)，并深入探討在制藥、農業(yè)和食品工業(yè)中材料和質量傳遞的原理。實驗部分將涉及藥物穩(wěn)定性、經皮貼片和控釋片的研究。整體上，該課程旨在加深學生對藥物輸送系統(tǒng)的認識，并重點介紹速率控制機制和藥物動力學。

5 教學融合效果分析與討論

廈門理工學院環(huán)境生態(tài)工程系根據環(huán)境工程專業(yè)的需要，為大一和大二學生設計了“生物系統(tǒng)與應用”課程，并為大三和大四學生提供了相應的研究項目，全方位地為學生未來的研究和產業(yè)工作做好準備。該系通過與多家當?shù)仄髽I(yè)和研究機構合作，完成了一系列實踐課程中的項目。這些合作伙伴涵蓋了私營公司和研究機構，為教職員工和學生帶來雙贏。學生通過這些合作項目，不僅有了更多實習機會，還為相關領域的工程師提供了與產業(yè)的連接和研究支持。此外，學生還有機會參與大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和教育部協(xié)同育人項目，進一步實踐自己的創(chuàng)新想法。

5.1 職業(yè)生涯規(guī)劃的影響

生物環(huán)境工程職業(yè)生涯的潛力是許多學生選擇環(huán)境工程專業(yè)的原因。他們對生物和工程學的交叉領域特別感興趣，這在他們對生物研究項目的參與度上有明顯體現(xiàn)。廈門理工學院的科研展示活動中，與生物工程相關的項目所占的比例也在逐年增加。同時，該校的生物系統(tǒng)與應用課程為學生在研究中提供了直接支持。隨著這些課程的進一步推進，預期將有更多高級的生物工程相關課程涌現(xiàn)。不僅如此，大部分學生也表示對深入科研有濃厚的興趣，有意繼續(xù)深造。從就業(yè)數(shù)據來看，廈門理工學院的環(huán)境工程專業(yè)畢業(yè)生中，選擇在生物技術、制藥及食品工業(yè)領域工作的比例遠高于國家平均水平。

5.2 實施過程的關鍵因素

廈門理工學院環(huán)境生態(tài)工程系的創(chuàng)新課程實施過程中，幾個關鍵因素起到了決定性的作用。首先，廈門理工學院的開放校園文化鼓勵了跨學科合作。環(huán)境生態(tài)工程系和生物科學系的友好關系，以及學院領導之間的良好互動，為課程開發(fā)創(chuàng)造了有利條件。此外，逐步實施的策略也確保了課程的順利進行。初始階段主要是在基礎課程中融入生物內容，后續(xù)則加強了高年級課程的生物工程部分。這種有序的融合策略使得學生在學習過程中得到循序漸進的培養(yǎng)，為未來環(huán)境工程領域的挑戰(zhàn)做好準備。