微生物资源开发学综合性实验的设计与教学实践-以微生物絮凝剂综合实验项目设计为例

微生物资源开发学综合性实验的设计与教学实践——以微生物絮凝剂综合实验项目设计为例摘要:微生物资源开发学综合性实验是学生在掌握微生物实验基础知识和技能的前提下设计的3个8学时的综合性实验项目。其中以"微生物絮凝剂综合实验项目设计”为例，设计从不同样品中分离筛选微生物絮凝剂产生菌，通过高岭土混浊液进行絮凝验证，从而得到絮凝性较高的微生物絮凝剂；然后开展不同影响因素对菌株絮凝效果的影响探究实验，评价微生物絮凝剂的絮凝性能。实验项目的实施强化了学生的知识运用能力、创新能力和逻辑思维能力，使学生较全面地了解了无菌操作、微生物分离培养、培养基的选择等微生物知识，为学生毕业论文和大学生创新创业实验奠定基础。关键词：微生物资源开发学；微生物絮凝剂；综合实验设计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、实验设计的背景及意义综合性实验通常是能将实验课程中每个实验较为分散的知识有机融合的一种系统性项目，其具有一定的整体性、关联性和学科交叉性$植物生产类教学质量标准》中明确指出它是应用生物科学专业的必修环节，实验课程体系建设必须将基础实验和综合实验有机结合，让学生掌握实验的基础知识和技能的同时,具备自我学习能力⑵，并能运用其所学的专业知识和技能，掌握解决问题的思路和方法,培养学生的主动学习能力、知识运用能力和创新能力。《微生物资源开发学实验》课程是我校针对应用生物科学专业学生所开设的一门专业核心课，它是学生在学习了生物化学实验、有机化学实验、无机及分析化学实验等基础实验课程的体系后，掌握了一定的理论知识和实验技能的情况下所开展的课程。其课程教学目标是筛选和鉴别各类培养基的制备以及从不同的环境中分离纯化生产所需的功能微生物，掌握对微生物进行功能验证的方法和流程，了解微生物资源开发应用的基本流程和基础方法，强化学生基础知识，开拓学生将微生物实验技术应用于日常生活、生产实践中的应用能力⑶。传统的《微生物资源开发学实验》更多的是注重知识的验证，在项目的安排上大多以培养基的制备、无菌操作、微生物形态观察、计数、生长曲线等验证性项目考察为主;综合性实验也通常只会选择一些以环境因素影响微生物生长这类易操作固定项目进行。虽然这样的实验安排易于课堂实施,但各个实验项目之间相对较为独立，并不利于学生综合能力的培养。因此，设计具有系统性和学科交叉性的综合实验项目是当前微生物资源开发学实验应急需解决的问题，将与生产实际紧密贴合的项目与基础实验项目融合是解决这一问题的有效方法。一方面，这类综合性项目一般都应用了最新的技术手段，将学术研究前沿与基础技能实验有机融合，具有研究性和应用性⑷，打破了传统的以教师固定实验项目的教学思路。另一方面，将解决生产实际问题类的综合性项目引入实验教学,还能将其创新的科学研究思维引入课堂教学，增加综合性实验项目的创新性，激发学生主动学习的热情和科研创新意识⑸。鉴于此，作者所在教学团队从项目模块和项目安排方面上进行了建设和改革,将原来以单个验证项目为主的48学时课程体系重新构建为2个模块体系，每一模块24学时。其中一模块为基础实验项目模块,主要是培养基的配置、无菌接种技术、微生物生长曲线测试等基础实验，着力培养学生的微生物基础技能，建立“有菌观念、无菌技术、纯种分离、培养技术和显微观察”等关键核心技术知识体系。另一模块是由3个独立的8学时综合性实验项目组成，其中涉及污水处理、农业生产和食品开发等生产领域,重点是突出对学生解决实际问题能力和创新研究能力的培养。本文将以综合项目模块中“微生物絮凝剂综合实验项目设计”为例，该项目包括分析化学实验、生物化学实验和环境化学实验等知识体系，内容上包含了微生物絮凝剂絮凝机理的了解，文献的查阅，培养基的选择，目标微生物的分离筛选及絮凝功能的验证和絮凝效果的比对,实现了综合性实验的教学目的。二、实验设计（一） 实验目的通过查阅文献，掌握微生物絮凝剂的基本概念、原理及其应用领域。通过查阅文献和教材，熟悉巩固不同样品微生物的采集方法、梯度稀释法和平板分离划线的方法及注意事项等，尤其是注意高压灭菌锅的使用注意事项。巩固微生物富集培养、扩大培养、分离纯化、菌株的生长曲线和絮凝效果的测定等操作技能。掌握絮凝率的测定方法，学会处理及分析相关实验数据，研究分离菌对不同处理对象的絮凝机理等。了解电子显微镜、可见分光光度计等仪器的基本原理及操作，学会分析相关数据。（二） 实验原理微生物絮凝剂是一类由微生物代谢活动产生的具有絮凝活性的次生代谢产物，其絮凝是由微生物生长过程中胞外聚合物的合成而形成的一个动态过程⑹。微生物絮凝剂一般可以分为三类，第一类为微生物细胞壁提取物，如褐藻酸、葡聚糖、蛋白质、N-乙酰葡萄糖胺等;第二类为微生物细胞代谢产物，如多肽、蛋白质、脂类等;第三类为微生物细胞，如能利用表面的荚膜和黏液即能沉淀废水中的悬浮物和胶体类的某些细菌、霉菌、放线菌和酵母"随着工业的发展，污水量的增加，絮凝剂的需求量也与日剧增,其主要是运用在含有悬浮颗粒和胶体物质水体的处理过程中，絮凝剂能与这些颗粒物质及色素、重金属离子等污染物结合，形成较大絮凝体沉降至水底，以净化水体［10-13］"（三）实验试剂和仪器实验试剂牛肉膏蛋白胨培养基、PDA培养基、絮凝剂分离培养基、标准发酵培养基、氯化钙、蒸馏水。实验仪器与设备恒温振荡培养箱、分光光度计、电子天平、恒温水浴锅、霉菌培养箱、便携式pH测定仪、高压蒸汽灭菌锅、电子秤、超净工作台。三、实验内容（一）培养基配制富集培养基牛肉膏蛋白胨培养基问：牛肉膏3g，蛋白胨10g，氯化钠5g，水1000mL，pH值7.2~7.4。分离培养基PDA固体培养基［15-16］：马铃薯200g，葡萄糖20g，琼脂15~20g，水1000mL，pH值7.0~7.2；细菌分离培养基［14-16］：脲0.5g,酵母膏5.0g,蔗糖20p，K2HPOe5.0p，KH2POe2.0g，MgSO42.0g，NaCl10g，琼脂15g，水1000mL，pH值7.0~7.2；放线菌分离培养基［14-16］:可溶性淀粉20g，KNO31g，K2HPO45.0g，FeSO4-7H2O0.01g，NaCl0.5g，MgSO40.5g，琼脂15g，水1000mL，pH值7.4~7.6；酵母菌分离培养基S'：酵母膏10g，蛋白胨20g，葡萄糖20g，琼脂15~20g，水1000mLo发酵培养基葡萄糖20g，酵母粉5.0g，牛肉膏2.0g，K2HPO45.0g，KH2PO42.0g，MgSO42.0g，NaCl10g，水1000mL*］。（二） 菌株的筛选步骤样品来源选择校园周边的不同环境的腐殖土作为微生物絮凝剂的筛选来源，如不同树木下的土壤、玉米地、蔬菜地、污泥等;以校园周边的制药废水、生活污水、屠宰废水和湖水等为处理对象。初筛取2g不同土壤样品，分别加入到98mL牛肉膏蛋白胨液体培养基和PDA液体培养基中，分别于37°C、150r/min和300摇床振荡富集培养24h「19〕。取富集培养液，用无菌水稀释一定比例后，取不同梯度的稀释液0.1mL分别涂布于分离培养基上，于富集培养温度条件下培养48h"培养后观察菌落形态,挑选表面光滑且大而带黏性的菌落，随后采用平板划线法进行分离纯化，于40冰箱保存备用。复筛将初筛得到的菌株接入到100mL标准发酵培养基中，分别于相对应的筛选温度下，150r/min摇床振荡培养72h后取菌液。絮凝活性的验证称取0.5g高岭土至无菌三角瓶中，加入5mL的1%CaCl2溶液,蒸馏水80mL,调pH为7.2,然后在不同废水的处理量中分别加入不同来源的菌液，置于磁力搅拌器上搅拌5mm后，静置一定的时间,再吸取适量清液，用722型分光光度计于550nm处测定吸光度（以%表示）纣,以不加微生物的培养液的吸光度（以&表示）为对照，来确定培养液的絮凝程度，并通过以下公式来计算絮凝率的大小：絮凝率=X100%。%（三） 不同影响因素对菌株絮凝效果的探究设计微生物絮凝剂的投入量对絮凝效果的影响通过向浓度为4g/L一定处理量的高岭土悬浊液中分别投加不同量的微生物絮凝剂,pH为定值，待静置一定时间后，测定絮凝率，重复3次。其中,pH值和静置时间由学生自行设计。培养时间对絮凝效果的影响在同上高岭土悬浊液中，以上述实验中絮凝效果较好的絮凝剂投加量,pH不变，分别培养不同的时间后，测定其不同培养时间下的絮凝率，重

复3次。pH值对絮凝效果的影响在同上高岭土悬浊液中，以上述实验中絮凝效果较好的投加量和培养时间，调节不同的pH值，测定不同pH下的絮凝率，重复3次。不同废水对絮凝效果的影响通过采取不同来源的废水，处理量保持不变，以上述实验中絮凝效果较佳时的絮凝剂投加量、培养时间和pH值为反应条件，测定反应后对不同废水的絮凝率，重复3次。四、教学实施过程及效果（一）教学实施过程文献汇报指导过程文献学习是学生独立开展综合性实验项目的必要前提邸，即本项目执行前以小组为单位，分别对微生物絮凝剂絮凝机理以及应用研究进展进行文献汇报。一方面是学生通过课前阅读文献,对微生物絮凝剂的筛选方法、应用范围和絮凝机理等进行深入学习；另一方面是学生通过文献归纳总结，能独立设计实验流程、实验材料和仪器。在文献汇报过程中,重点让学生挖掘文献中所提出的科学问题、解决方案、实施过程和预期结果,再通过文献汇报的方式，提高学生的自我学习能力、发现问题的能力和归纳总结能力，为开展大学生创新创业项目研究申报和毕业论文的选题奠定一定的基础。具体执行过程见表1"表1文献汇报环节教学活动设计及执行过程教师活动 学生活动 意图【回答】1.【回答】1.规模化问题、可行性和经济性等问题;2.絮凝剂产生菌代谢物成分分析、几种絮凝剂产生菌絮凝功能对比验证、微生物絮凝剂在重金属吸附上的应用等;3.微生物絮凝剂的研究具有多样性、长期性和验证性+学生互评】各小组从表达、逻辑、组织等方面开展互评1.学生自行分组，然后选定文献查阅内容;2.查文献;3.制作PPT各小组5min内完成文献现场汇报，并安排2min钟答辩环节【示例】学生提问：LpH大于9时影响微生物絮凝对铬的去除率的原因是什么？2.为何絮凝剂在不同的温度下其热稳定性和形成的絮凝团差异较大？小组同学通过对文献知识的归纳总结回答：pH影响金属离子形态、温度影响其絮凝剂有效活性成分等方面听讲【布置分组任务,学习微生物絮凝剂絮凝机理、不同来源微生物絮凝剂的分离筛选及鉴定方法、絮凝剂应用于不同废水处理等相关文献【听汇报,听学生的文献总结、记录学习过程中存在的问题【提问,围绕文献涉及的微生物絮凝剂的种类、机理和实验方法等知识，组织学生相互提问+讲解】L重点讲解微生物絮凝剂的机理;2.目前从自然界获取微生物絮凝剂的实验手段【延伸提问】1.目前微生物絮凝剂的开发存在的问题;2.从文献学习中，认为可以进一步开展微生物絮凝剂的探究实验有哪些？3.从文献汇报中获得的实验启发是什么？+总结】1.对各小组汇报过程优缺点进行现场总结;2.指出文献归纳能力欠缺和评而不述的问题;3.指出学习态度问题1.培养学生的合作意识;2.让学生了解国内外微生物絮凝剂应用研究动态1.培养学生的归纳总结能力和表达能力;2.观察学生对微生物絮凝剂相关知识的吸收和理解1.观察学生对知识快速的吸收能力;2.引导学生尊重其他同学的学习成果1.引入微生物絮凝剂“桥联机理"学说“电性中和”学说和“化学反应"学说三大学说;2.对比可培养和不可培养的方法，以及目前分子手段在微生物领域中的应用1.引导学生分析微生物资源开发到实际应用面临的问题;2.培养学生深层次思考能力;3.为开展絮凝剂综合实验的设计作铺垫1.总结学生的学习态度;2.通过互评，让学生建立自我反省意识实验项目实施指导过程本项目课时为8学时，每组实验人数为2人。为确保学生有序开展综合实验项目，本项目实验的实施过程见表2"实验开题学生根据参考文献，按照开题报告和项目申报书的形式撰写实验方案，其中包括题目、实验研究背景和意义、主要实验内容、实验方法、实验步骤、技术路线和数据处理方法等，并明确土壤样品的采集和处理方法、化学试剂和仪器设备等。不仅培养了学生的学习能力，还培养了学生的规划意识和严谨的科学精神。实验方案答辩按照开题答辩流程进行实验方案答辩，要求学生能清楚地解释实验设计的目的和各个环节的意义,并通过教师和同学的提问指出设计不合理和欠缺的地方，学生根据所提出的问题返回后再修改。此环节一方面引导学生主动思考项目实施过程需提前准备和掌握的环节，实现培养学生的思考能力和组织策划能力；另一方面让学生提前了解毕业论文和项目申报的流程,真正的实现将毕业论文和创新创业实践融入到专业课堂教学。实验实施待实验教师同意方案可行后，学生方可开展实验。本项目整个实施过程从耗材的准备、样品的采集以及絮凝效果的验证等,均以学生为主、教师为辅的形式进行,教师应及时指出学生在安全知识和意识、实验错误操作等方面存在的问题，同时培养学生的自我纠错能力。实验报告的撰写和答辩学生将按照小论文的形式撰写实验报告，其中包括摘要、实验材料和方法、实验结果与分析、讨论和参考文献等，然后再进行答辩。以上4个环节不仅考查了学生的学习能力、知识运用能力和创新能力，更考查了学生的学习态度，以更大程度地发挥学生的主观能动性。表2实验项目实施环节教学活动设计及执行过程教师活动学生活动意图1.观察学生的知识运用能力；2.1.观察学生的知识运用能力；2.观察学生对前面基础实验和综合实验的结合能力；3.有助于培养学生对自己整个实验的规划意识和科学严谨的精神。1.培养学生的创新能力和知识运用能力;2.引导学生严谨的思维和科学的态度；3.培养学生的逻辑思维能力。1.观察学生对前面基础实验的掌握程度;2.观察学生的安全防范意识和规范操作能力；3.观察学生解决问题的能力【实验开题报告,1.制定开题报告格式要求;2.要求实验目标明确具体、实验方案在课堂内执行可行；【实验方案答辩】L评阅各小组的开题报告的格式和开题论证是否合理等，如采样是否具有代表性？培养基的选择和培养温度是否满足产生菌的生长需求？絮凝功能验证方法是否科学等;2.提问学生影响因素指标和参数的设计依据，如培养时间、温度、pH等+学生现场实验指导】1.观察各小组实验准备的有序性、无菌操作的规范性、安全意识等;2.纠正学生错误的操作和提醒学生安全事项【撰写开题报告】根据参考文献，撰写实验项目方案，其中包括实验涉及题目、实验研究背景和意义、主要实验内容、实验方法、实验步骤、技术路线、数据处理方法、完成期限以及实验安全事项等，其中实验方法里面就明确了样品的选择、化学试剂和仪器设备等。+回答,1.培养基种类和配方的选择根据细菌、放线菌和真菌营养需求进行,培养温度一般情况采用细菌370、放线菌和真菌280;2.不同培养时间下微生物的生长规律;3.不同pH对微生物生长的影响;4.不同微生物絮凝原理等【动手操作,1.实验准备;2.产生菌的筛选、絮凝功能的验证和对比实验【学生撰写实验报告和答辩环节】【学生撰写实验报告和答辩环节】1.培养学生的自我反思能力；2.培养学生的分析能力+总结,1.分析絮凝率不高的问题;2.分析产生菌筛选过程污染问题;3.自我分析絮凝效果差异性不大的问题实验项目考核内容的设计与考核方式制定符合学生学情和教学目标的科学合理的考核体系是评价实验教学效果的重要环节山。综合性项目考核的是学生安全防范能力、基本操作能力、微生物絮凝剂的知识理解能力和运用能力。因此，本项目将结合学生安全卫生意识、文献自主学习情况、实验开展过程有序情况、实验现场操作和实验结果等方面，通过学生与教师共同检查、现场评阅及提问、现场操作检查等方式开展过程考核，不仅有效地杜绝了学生抄袭、坐享其成和不独立思考等学习问题囱,同时还能及时了解学生对各知识环节的掌握程度。由于项目的整个实施环节均由学生独立完成,为杜绝实验安全事故的发生，因此在考核比例设置中,95%的考核为项目实施考核（具体见表3），5%的考核为安全卫生操作考核，重在培养学生的安全防范意识。表3主要考核内容、分值占比和考核方式项目考核内容占比比例考核方式1.目前关于絮凝剂的研究种类，产生絮凝特性的微生物种类;被一致认同的现场评阅及提微生物絮凝絮凝机理问考核（考核剂文献学习2.微生物絮凝剂目前应用的研究领域25%学生的微生物及汇报微生物絮凝剂主要应用的废水领域和效果，不同处理对象的絮凝机理已报道的影响微生物絮凝剂絮凝作用的因素实验方案设计的合理性,实验目的明确方案明确微生物絮凝剂样品来源和采集处理方式,基础实验在产生絮凝功絮凝剂知识理解力）现场评阅及提问考核（考核学生微生物絮凝剂相关知识的运用能力和实验开题、能菌的分离培养方法、絮凝功能验证手段、絮凝效果的验证上的综合运用体操作和实验现;影响絮凝作用因素的设计创新体现35%报告3.实验数据处理。产生絮凝性能菌的形态特征分析;絮凝功能分析和可能的机理分析，不同废水处理对象的絮凝效果分析;不同因素对絮凝效果的分析；数据处理能力创新能力）实验现场操作的考核和实验结果的考核：1.重点考核基础操作技能、操作规现场考核（考实验现场范性和熟练程度，如无菌操作、正确的平板划线和梯度稀释操作、高压灭菌锅35%核学生的基本考核和分光光度计的规范使用等;2.实验结果考核，评价絮凝功能产生菌的筛选操作能力和实和絮凝现象验分析能力）（二）教学效果本实验项目的实施无论是从教师方面，还是学生方面,都获得了较好的教学效果。教师教学方面的效果教师在察觉到学生对各个实验项目之间知识衔接不牢的情况下，积极主动地进行探索。为了打破传统的单一实验项目的教学模式，教师更新了教学观念,将学生的学习需求和困惑放在第一位，设置了能将基础项目之间的知识和技能融会贯通的综合性实验项目,使学生在项目执行过程中能将24学时的基础实验知识和技能在综合项目中关联运用，实现了知识之间的衔接。在整个