微生物資源開發學綜合性實驗的設計與教學實踐——以微生物絮凝劑綜合實驗項目設計為例摘要:微生物資源開發學綜合性實驗是學生在掌握微生物實驗基礎知識和技能的前提下設計的3個8學時的綜合性實驗項目。其中以"微生物絮凝劑綜合實驗項目設計”為例，設計從不同樣品中分離篩選微生物絮凝劑產生菌，通過高嶺土混濁液進行絮凝驗證，從而得到絮凝性較高的微生物絮凝劑；然后開展不同影響因素對菌株絮凝效果的影響探究實驗，評價微生物絮凝劑的絮凝性能。實驗項目的實施強化了學生的知識運用能力、創新能力和邏輯思維能力，使學生較全面地了解了無菌操作、微生物分離培養、培養基的選擇等微生物知識，為學生畢業論文和大學生創新創業實驗奠定基礎。關鍵詞：微生物資源開發學；微生物絮凝劑；綜合實驗設計DesignandTeachingPracticeofComprehensiveExperimentof

MicrobialResourceExploitation—ACaseStudyofDesigningComprehensiveExperimentalProjectofMicrobialFlocculantAbstract:Onthepremiseofmasteringthebasicknowledgeandskillsofmicrobialexperiment,thestudentsdesignedthree8-hourcomprehensiveexperimentprojects.With"microbialflocculantcomprehensiveexperimentalprojectdesign"asacase,thedesignseparatesandscreensmicrobialflocculantproducingbacteriafromdifferentsamples,verifiestheflocculationthroughkaolinturbidityliquid,andobtainsmicrobialflocculantwithhighflocculationability.Then,theeffectsofdifferentfactorsontheflocculationeffectofbacterialstrainswereinvestigatedtoevaluatetheflocculationperformanceofmicrobialflocculants.Theimplementationoftheexperimentprojectstrengthensthestudents'abilityofknowledgeapplication,innovationandlogicalthinking,sothatthestudentshaveacomprehensiveunderstandingofasepticoperation，microbialseparationandcultivation，theselectionofculturemediumandothermicrobialknowledge,whichlaysafoundationforthegraduationthesisandcollegestudents'innovationandentrepreneurshipexperiment.Keywords：DevelopmentofMicrobialResources;Microbialflocculant;ComprehensiveExperimentalDesign一、實驗設計的背景及意義綜合性實驗通常是能將實驗課程中每個實驗較為分散的知識有機融合的一種系統性項目，其具有一定的整體性、關聯性和學科交叉性$植物生產類教學質量標準》中明確指出它是應用生物科學專業的必修環節，實驗課程體系建設必須將基礎實驗和綜合實驗有機結合，讓學生掌握實驗的基礎知識和技能的同時,具備自我學習能力⑵，并能運用其所學的專業知識和技能，掌握解決問題的思路和方法,培養學生的主動學習能力、知識運用能力和創新能力?！段⑸镔Y源開發學實驗》課程是我校針對應用生物科學專業學生所開設的一門專業核心課，它是學生在學習了生物化學實驗、有機化學實驗、無機及分析化學實驗等基礎實驗課程的體系后，掌握了一定的理論知識和實驗技能的情況下所開展的課程。其課程教學目標是篩選和鑒別各類培養基的制備以及從不同的環境中分離純化生產所需的功能微生物，掌握對微生物進行功能驗證的方法和流程，了解微生物資源開發應用的基本流程和基礎方法，強化學生基礎知識，開拓學生將微生物實驗技術應用于日常生活、生產實踐中的應用能力⑶。傳統的《微生物資源開發學實驗》更多的是注重知識的驗證，在項目的安排上大多以培養基的制備、無菌操作、微生物形態觀察、計數、生長曲線等驗證性項目考察為主;綜合性實驗也通常只會選擇一些以環境因素影響微生物生長這類易操作固定項目進行。雖然這樣的實驗安排易于課堂實施,但各個實驗項目之間相對較為獨立，并不利于學生綜合能力的培養。因此，設計具有系統性和學科交叉性的綜合實驗項目是當前微生物資源開發學實驗應急需解決的問題，將與生產實際緊密貼合的項目與基礎實驗項目融合是解決這一問題的有效方法。一方面，這類綜合性項目一般都應用了最新的技術手段，將學術研究前沿與基礎技能實驗有機融合，具有研究性和應用性⑷，打破了傳統的以教師固定實驗項目的教學思路。另一方面，將解決生產實際問題類的綜合性項目引入實驗教學,還能將其創新的科學研究思維引入課堂教學，增加綜合性實驗項目的創新性，激發學生主動學習的熱情和科研創新意識⑸。鑒于此，作者所在教學團隊從項目模塊和項目安排方面上進行了建設和改革,將原來以單個驗證項目為主的48學時課程體系重新構建為2個模塊體系，每一模塊24學時。其中一模塊為基礎實驗項目模塊,主要是培養基的配置、無菌接種技術、微生物生長曲線測試等基礎實驗，著力培養學生的微生物基礎技能，建立“有菌觀念、無菌技術、純種分離、培養技術和顯微觀察”等關鍵核心技術知識體系。另一模塊是由3個獨立的8學時綜合性實驗項目組成，其中涉及污水處理、農業生產和食品開發等生產領域,重點是突出對學生解決實際問題能力和創新研究能力的培養。本文將以綜合項目模塊中“微生物絮凝劑綜合實驗項目設計”為例，該項目包括分析化學實驗、生物化學實驗和環境化學實驗等知識體系，內容上包含了微生物絮凝劑絮凝機理的了解，文獻的查閱，培養基的選擇，目標微生物的分離篩選及絮凝功能的驗證和絮凝效果的比對,實現了綜合性實驗的教學目的。二、實驗設計（一） 實驗目的通過查閱文獻，掌握微生物絮凝劑的基本概念、原理及其應用領域。通過查閱文獻和教材，熟悉鞏固不同樣品微生物的采集方法、梯度稀釋法和平板分離劃線的方法及注意事項等，尤其是注意高壓滅菌鍋的使用注意事項。鞏固微生物富集培養、擴大培養、分離純化、菌株的生長曲線和絮凝效果的測定等操作技能。掌握絮凝率的測定方法，學會處理及分析相關實驗數據，研究分離菌對不同處理對象的絮凝機理等。了解電子顯微鏡、可見分光光度計等儀器的基本原理及操作，學會分析相關數據。（二） 實驗原理微生物絮凝劑是一類由微生物代謝活動產生的具有絮凝活性的次生代謝產物，其絮凝是由微生物生長過程中胞外聚合物的合成而形成的一個動態過程⑹。微生物絮凝劑一般可以分為三類，第一類為微生物細胞壁提取物，如褐藻酸、葡聚糖、蛋白質、N-乙酰葡萄糖胺等;第二類為微生物細胞代謝產物，如多肽、蛋白質、脂類等;第三類為微生物細胞，如能利用表面的莢膜和黏液即能沉淀廢水中的懸浮物和膠體類的某些細菌、霉菌、放線菌和酵母"隨著工業的發展，污水量的增加，絮凝劑的需求量也與日劇增,其主要是運用在含有懸浮顆粒和膠體物質水體的處理過程中，絮凝劑能與這些顆粒物質及色素、重金屬離子等污染物結合，形成較大絮凝體沉降至水底，以凈化水體［10-13］"（三）實驗試劑和儀器實驗試劑牛肉膏蛋白胨培養基、PDA培養基、絮凝劑分離培養基、標準發酵培養基、氯化鈣、蒸餾水。實驗儀器與設備恒溫振蕩培養箱、分光光度計、電子天平、恒溫水浴鍋、霉菌培養箱、便攜式pH測定儀、高壓蒸汽滅菌鍋、電子秤、超凈工作臺。三、實驗內容（一）培養基配制富集培養基牛肉膏蛋白胨培養基問：牛肉膏3g，蛋白胨10g，氯化鈉5g，水1000mL，pH值7.2~7.4。分離培養基PDA固體培養基［15-16］：馬鈴薯200g，葡萄糖20g，瓊脂15~20g，水1000mL，pH值7.0~7.2；細菌分離培養基［14-16］：脲0.5g,酵母膏5.0g,蔗糖20p，K2HPOe5.0p，KH2POe2.0g，MgSO42.0g，NaCl10g，瓊脂15g，水1000mL，pH值7.0~7.2；放線菌分離培養基［14-16］:可溶性淀粉20g，KNO31g，K2HPO45.0g，FeSO4-7H2O0.01g，NaCl0.5g，MgSO40.5g，瓊脂15g，水1000mL，pH值7.4~7.6；酵母菌分離培養基S'：酵母膏10g，蛋白胨20g，葡萄糖20g，瓊脂15~20g，水1000mLo發酵培養基葡萄糖20g，酵母粉5.0g，牛肉膏2.0g，K2HPO45.0g，KH2PO42.0g，MgSO42.0g，NaCl10g，水1000mL*］。（二） 菌株的篩選步驟樣品來源選擇校園周邊的不同環境的腐殖土作為微生物絮凝劑的篩選來源，如不同樹木下的土壤、玉米地、蔬菜地、污泥等;以校園周邊的制藥廢水、生活污水、屠宰廢水和湖水等為處理對象。初篩取2g不同土壤樣品，分別加入到98mL牛肉膏蛋白胨液體培養基和PDA液體培養基中，分別于37°C、150r/min和300搖床振蕩富集培養24h「19〕。取富集培養液，用無菌水稀釋一定比例后，取不同梯度的稀釋液0.1mL分別涂布于分離培養基上，于富集培養溫度條件下培養48h"培養后觀察菌落形態,挑選表面光滑且大而帶黏性的菌落，隨后采用平板劃線法進行分離純化，于40冰箱保存備用。復篩將初篩得到的菌株接入到100mL標準發酵培養基中，分別于相對應的篩選溫度下，150r/min搖床振蕩培養72h后取菌液。絮凝活性的驗證稱取0.5g高嶺土至無菌三角瓶中，加入5mL的1%CaCl2溶液,蒸餾水80mL,調pH為7.2,然后在不同廢水的處理量中分別加入不同來源的菌液，置于磁力攪拌器上攪拌5mm后，靜置一定的時間,再吸取適量清液，用722型分光光度計于550nm處測定吸光度（以%表示）紂,以不加微生物的培養液的吸光度（以&表示）為對照，來確定培養液的絮凝程度，并通過以下公式來計算絮凝率的大?。盒跄?X100%。%（三） 不同影響因素對菌株絮凝效果的探究設計微生物絮凝劑的投入量對絮凝效果的影響通過向濃度為4g/L一定處理量的高嶺土懸濁液中分別投加不同量的微生物絮凝劑,pH為定值，待靜置一定時間后，測定絮凝率，重復3次。其中,pH值和靜置時間由學生自行設計。培養時間對絮凝效果的影響在同上高嶺土懸濁液中，以上述實驗中絮凝效果較好的絮凝劑投加量,pH不變，分別培養不同的時間后，測定其不同培養時間下的絮凝率，重

復3次。pH值對絮凝效果的影響在同上高嶺土懸濁液中，以上述實驗中絮凝效果較好的投加量和培養時間，調節不同的pH值，測定不同pH下的絮凝率，重復3次。不同廢水對絮凝效果的影響通過采取不同來源的廢水，處理量保持不變，以上述實驗中絮凝效果較佳時的絮凝劑投加量、培養時間和pH值為反應條件，測定反應后對不同廢水的絮凝率，重復3次。四、教學實施過程及效果（一）教學實施過程文獻匯報指導過程文獻學習是學生獨立開展綜合性實驗項目的必要前提邸，即本項目執行前以小組為單位，分別對微生物絮凝劑絮凝機理以及應用研究進展進行文獻匯報。一方面是學生通過課前閱讀文獻,對微生物絮凝劑的篩選方法、應用范圍和絮凝機理等進行深入學習；另一方面是學生通過文獻歸納總結，能獨立設計實驗流程、實驗材料和儀器。在文獻匯報過程中,重點讓學生挖掘文獻中所提出的科學問題、解決方案、實施過程和預期結果,再通過文獻匯報的方式，提高學生的自我學習能力、發現問題的能力和歸納總結能力，為開展大學生創新創業項目研究申報和畢業論文的選題奠定一定的基礎。具體執行過程見表1"表1文獻匯報環節教學活動設計及執行過程教師活動 學生活動 意圖【回答】1.【回答】1.規?；瘑栴}、可行性和經濟性等問題;2.絮凝劑產生菌代謝物成分分析、幾種絮凝劑產生菌絮凝功能對比驗證、微生物絮凝劑在重金屬吸附上的應用等;3.微生物絮凝劑的研究具有多樣性、長期性和驗證性+學生互評】各小組從表達、邏輯、組織等方面開展互評1.學生自行分組，然后選定文獻查閱內容;2.查文獻;3.制作PPT各小組5min內完成文獻現場匯報，并安排2min鐘答辯環節【示例】學生提問：LpH大于9時影響微生物絮凝對鉻的去除率的原因是什么？2.為何絮凝劑在不同的溫度下其熱穩定性和形成的絮凝團差異較大？小組同學通過對文獻知識的歸納總結回答：pH影響金屬離子形態、溫度影響其絮凝劑有效活性成分等方面聽講【布置分組任務,學習微生物絮凝劑絮凝機理、不同來源微生物絮凝劑的分離篩選及鑒定方法、絮凝劑應用于不同廢水處理等相關文獻【聽匯報,聽學生的文獻總結、記錄學習過程中存在的問題【提問,圍繞文獻涉及的微生物絮凝劑的種類、機理和實驗方法等知識，組織學生相互提問+講解】L重點講解微生物絮凝劑的機理;2.目前從自然界獲取微生物絮凝劑的實驗手段【延伸提問】1.目前微生物絮凝劑的開發存在的問題;2.從文獻學習中，認為可以進一步開展微生物絮凝劑的探究實驗有哪些？3.從文獻匯報中獲得的實驗啟發是什么？+總結】1.對各小組匯報過程優缺點進行現場總結;2.指出文獻歸納能力欠缺和評而不述的問題;3.指出學習態度問題1.培養學生的合作意識;2.讓學生了解國內外微生物絮凝劑應用研究動態1.培養學生的歸納總結能力和表達能力;2.觀察學生對微生物絮凝劑相關知識的吸收和理解1.觀察學生對知識快速的吸收能力;2.引導學生尊重其他同學的學習成果1.引入微生物絮凝劑“橋聯機理"學說“電性中和”學說和“化學反應"學說三大學說;2.對比可培養和不可培養的方法，以及目前分子手段在微生物領域中的應用1.引導學生分析微生物資源開發到實際應用面臨的問題;2.培養學生深層次思考能力;3.為開展絮凝劑綜合實驗的設計作鋪墊1.總結學生的學習態度;2.通過互評，讓學生建立自我反省意識實驗項目實施指導過程本項目課時為8學時，每組實驗人數為2人。為確保學生有序開展綜合實驗項目，本項目實驗的實施過程見表2"實驗開題學生根據參考文獻，按照開題報告和項目申報書的形式撰寫實驗方案，其中包括題目、實驗研究背景和意義、主要實驗內容、實驗方法、實驗步驟、技術路線和數據處理方法等，并明確土壤樣品的采集和處理方法、化學試劑和儀器設備等。不僅培養了學生的學習能力，還培養了學生的規劃意識和嚴謹的科學精神。實驗方案答辯按照開題答辯流程進行實驗方案答辯，要求學生能清楚地解釋實驗設計的目的和各個環節的意義,并通過教師和同學的提問指出設計不合理和欠缺的地方，學生根據所提出的問題返回后再修改。此環節一方面引導學生主動思考項目實施過程需提前準備和掌握的環節，實現培養學生的思考能力和組織策劃能力；另一方面讓學生提前了解畢業論文和項目申報的流程,真正的實現將畢業論文和創新創業實踐融入到專業課堂教學。實驗實施待實驗教師同意方案可行后，學生方可開展實驗。本項目整個實施過程從耗材的準備、樣品的采集以及絮凝效果的驗證等,均以學生為主、教師為輔的形式進行,教師應及時指出學生在安全知識和意識、實驗錯誤操作等方面存在的問題，同時培養學生的自我糾錯能力。實驗報告的撰寫和答辯學生將按照小論文的形式撰寫實驗報告，其中包括摘要、實驗材料和方法、實驗結果與分析、討論和參考文獻等，然后再進行答辯。以上4個環節不僅考查了學生的學習能力、知識運用能力和創新能力，更考查了學生的學習態度，以更大程度地發揮學生的主觀能動性。表2實驗項目實施環節教學活動設計及執行過程教師活動學生活動意圖1.觀察學生的知識運用能力；2.1.觀察學生的知識運用能力；2.觀察學生對前面基礎實驗和綜合實驗的結合能力；3.有助于培養學生對自己整個實驗的規劃意識和科學嚴謹的精神。1.培養學生的創新能力和知識運用能力;2.引導學生嚴謹的思維和科學的態度；3.培養學生的邏輯思維能力。1.觀察學生對前面基礎實驗的掌握程度;2.觀察學生的安全防范意識和規范操作能力；3.觀察學生解決問題的能力【實驗開題報告,1.制定開題報告格式要求;2.要求實驗目標明確具體、實驗方案在課堂內執行可行；【實驗方案答辯】L評閱各小組的開題報告的格式和開題論證是否合理等，如采樣是否具有代表性？培養基的選擇和培養溫度是否滿足產生菌的生長需求？絮凝功能驗證方法是否科學等;2.提問學生影響因素指標和參數的設計依據，如培養時間、溫度、pH等+學生現場實驗指導】1.觀察各小組實驗準備的有序性、無菌操作的規范性、安全意識等;2.糾正學生錯誤的操作和提醒學生安全事項【撰寫開題報告】根據參考文獻，撰寫實驗項目方案，其中包括實驗涉及題目、實驗研究背景和意義、主要實驗內容、實驗方法、實驗步驟、技術路線、數據處理方法、完成期限以及實驗安全事項等，其中實驗方法里面就明確了樣品的選擇、化學試劑和儀器設備等。+回答,1.培養基種類和配方的選擇根據細菌、放線菌和真菌營養需求進行,培養溫度一般情況采用細菌370、放線菌和真菌280;2.不同培養時間下微生物的生長規律;3.不同pH對微生物生長的影響;4.不同微生物絮凝原理等【動手操作,1.實驗準備;2.產生菌的篩選、絮凝功能的驗證和對比實驗【學生撰寫實驗報告和答辯環節】【學生撰寫實驗報告和答辯環節】1.培養學生的自我反思能力；2.培養學生的分析能力+總結,1.分析絮凝率不高的問題;2.分析產生菌篩選過程污染問題;3.自我分析絮凝效果差異性不大的問題實驗項目考核內容的設計與考核方式制定符合學生學情和教學目標的科學合理的考核體系是評價實驗教學效果的重要環節山。綜合性項目考核的是學生安全防范能力、基本操作能力、微生物絮凝劑的知識理解能力和運用能力。因此，本項目將結合學生安全衛生意識、文獻自主學習情況、實驗開展過程有序情況、實驗現場操作和實驗結果等方面，通過學生與教師共同檢查、現場評閱及提問、現場操作檢查等方式開展過程考核，不僅有效地杜絕了學生抄襲、坐享其成和不獨立思考等學習問題囪,同時還能及時了解學生對各知識環節的掌握程度。由于項目的整個實施環節均由學生獨立完成,為杜絕實驗安全事故的發生，因此在考核比例設置中,95%的考核為項目實施考核（具體見表3），5%的考核為安全衛生操作考核，重在培養學生的安全防范意識。表3主要考核內容、分值占比和考核方式項目考核內容占比比例考核方式1.目前關于絮凝劑的研究種類，產生絮凝特性的微生物種類;被一致認同的現場評閱及提微生物絮凝絮凝機理問考核（考核劑文獻學習2.微生物絮凝劑目前應用的研究領域25%學生的微生物及匯報微生物絮凝劑主要應用的廢水領域和效果，不同處理對象的絮凝機理已報道的影響微生物絮凝劑絮凝作用的因素實驗方案設計的合理性,實驗目的明確方案明確微生物絮凝劑樣品來源和采集處理方式,基礎實驗在產生絮凝功絮凝劑知識理解力）現場評閱及提問考核（考核學生微生物絮凝劑相關知識的運用能力和實驗開題、能菌的分離培養方法、絮凝功能驗證手段、絮凝效果的驗證上的綜合運用體操作和實驗現;影響絮凝作用因素的設計創新體現35%報告3.實驗數據處理。產生絮凝性能菌的形態特征分析;絮凝功能分析和可能的機理分析，不同廢水處理對象的絮凝效果分析;不同因素對絮凝效果的分析；數據處理能力創新能力）實驗現場操作的考核和實驗結果的考核：1.重點考核基礎操作技能、操作規現場考核（考實驗現場范性和熟練程度，如無菌操作、正確的平板劃線和梯度稀釋操作、高壓滅菌鍋35%核學生的基本考核和分光光度計的規范使用等;2.實驗結果考核，評價絮凝功能產生菌的篩選操作能力和實和絮凝現象驗分析能力）（二）教學效果本實驗項目的實施無論是從教師方面，還是學生方面,都獲得了較好的教學效果。教師教學方面的效果教師在察覺到學生對各個實驗項目之間知識銜接不牢的情況下，積極主動地進行探索。為了打破傳統的單一實驗項目的教學模式，教師更新了教學觀念,將學生的學習需求和困惑放在第一位，設置了能將基礎項目之間的知識和技能融會貫通的綜合性實驗項目,使學生在項目執行過程中能將24學時的基礎實驗知識和技能在綜合項目中關聯運用，實現了知識之間的銜接。在整個