環(huán)境生物技術教學實驗設計

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摘要：環(huán)境生物技術是環(huán)境科學與工程學科領域的一門重要基礎專業(yè)課程，環(huán)境生物技術的實驗課程涵蓋了較廣泛的實驗技能。為了提高該實驗課程教學的有效性和針對性，本文在總結以往課程教學以及科研實踐經(jīng)驗的基礎上，以一項自主教學實驗設計為范例，探討了使該課程教學更為生動、有效的教學模式，為環(huán)境生物技術教學實驗的設計工作提供了參考。

關鍵詞：環(huán)境生物技術；教學實驗；設計

一、環(huán)境生物技術實驗的現(xiàn)存問題

目前，環(huán)境生物技術實驗的教材并不多，2012年劉娜等編寫的《環(huán)境生物技術實驗》系統(tǒng)地介紹了該領域的基本實驗原理和研究方法，包括基本實驗技術、綜合實驗技術、研究性實驗技術、應用實驗技術及現(xiàn)代分子實驗技術等[2]。然而受到課時以及實驗條件的影響，在實際的教學中，有相當一部分實驗無法有效開展，如微生物總DNA中的16SrDNAPCR擴增技術。且該教材中的部分內(nèi)容也與環(huán)境微生物實驗相重復，如細菌染色技術與形態(tài)觀察等。由于實驗教學是環(huán)境生物技術教學的重要環(huán)節(jié)，對學生實踐能力和科學素養(yǎng)的培養(yǎng)具有關鍵作用，因此，對實驗課程體系進行精心設計，鉆研改進，可有效提高教學成效[3]。

二、自主設計實驗案例

筆者根據(jù)自己的教學經(jīng)驗、科研背景以及本實驗室的客觀條件，對環(huán)境生物技術實驗的教學方法和內(nèi)容做了若干調(diào)整和改善，在教學模式上取得了一些經(jīng)驗。其中的主要工作就是自主設計和實施了一項教學實驗———破碎小球藻細胞提取生物油脂[4]。在當前世界范圍內(nèi)能源加劇消耗的背景下，生物質能源如生物柴油等得到了廣泛關注，以微藻為原料制取生物油脂成為近幾年新興的研究熱點[5]。其中的小球藻在天然水體中分布極為廣泛，生長快速，油脂含量高，非常適合用于提取生物油脂，以生產(chǎn)生物柴油[6，7]。“破碎小球藻細胞提取生物油脂”這一實驗可向學生們展示生物柴油生產(chǎn)過程中的一些關鍵環(huán)節(jié)。本實驗的主要內(nèi)容詳述如下：1.小球藻的培養(yǎng)與計數(shù)。實驗所需小球藻可從附近天然水體中分離，也可從藻種庫購買。在培養(yǎng)箱中采用人工照明法培養(yǎng)小球藻，所用培養(yǎng)液為BG11培養(yǎng)基，溫度控制在25℃，光暗周期為12h∶12h。在培養(yǎng)過程中，小球藻隨時間不斷增殖，為了監(jiān)控其生長速度，需每日對小球藻濃度進行測定。本教學實驗采用的小球藻細胞量測試方法有以下兩種[8]：（1）吸光度法：利用藻細胞在某一波長處的光吸收值來測定細胞密度，本實驗使用可見光分光光度計在540nm下測量小球藻混合液的吸光度。（2）細胞計數(shù)法：將小球藻懸濁液混合均勻，使用細胞計數(shù)板，又稱血球計數(shù)板，在光學顯微鏡下對小球藻細胞進行目測計數(shù)，并計算小球藻在懸濁液中的濃度。根據(jù)每日小球藻細胞量的檢測結果，可繪制其生長趨勢圖，觀察總結其生長曲線，并分析特點。2.小球藻的破碎。將小球藻培養(yǎng)一個月后，小球藻細胞數(shù)量可達到實驗要求，此時可進行細胞破碎操作。本教學實驗采用超聲波細胞破碎機對小球藻進行破碎。超聲波法是實驗室常見的破碎微生物細胞的技術，在液體介質中，超聲波造成的空化效應可在氣泡周圍的液體中產(chǎn)生強大的機械剪切力，致使細胞破碎[9]。超聲破碎的功率與時間可根據(jù)實際情況進行設定和改變。在適當條件下，小球藻的細胞壁和細胞膜會得到有效破碎。3.小球藻中生物油脂的提取。小球藻細胞破碎后，細胞內(nèi)的有機物，如脂類、多糖及蛋白質都會釋放入周圍水溶液中，此時可進行生物油脂的提取。本實驗采取有機溶劑萃取法進行小球藻油脂的提取，具體方法為：以體積比為1∶1的正己烷和乙酸乙酯混合有機溶劑對小球藻混合液進行液-液萃取，萃取后將有機相置于真空旋轉蒸發(fā)器中，將有機溶劑全部揮發(fā)后，所余物質即為小球藻油脂。將其稱重，可計算出小球藻的含油率（以提取物占小球藻干重的百分比計算）。4.實驗注意事項。本實驗周期比較長，步驟較多，同時涉及到了環(huán)境生物技術中較多的知識點，對學生的基礎實驗技能有著較高的要求。在學習環(huán)境生物技術實驗之前，需要掌握的課程基礎包括微生物學，有機化學，生物化學，分析化學等。在實驗過程中，學生需要分組合作，并在管理上實行組長負責制，教師應及時對其提供指導和支持，保證實驗有序順利進行。為了提高學生的思考能力，應鼓勵學生對實驗中遇到的問題進行獨立自主的解決，并在課堂上進行討論與交流。實驗教學的最后一環(huán)是實驗報告的書寫，在這一環(huán)中，應要求學生嚴格按照實驗報告模板進行書寫，翔實記載實驗內(nèi)容、實驗現(xiàn)象、實驗結果、并進行數(shù)據(jù)整理與分析，這也是對學生進行創(chuàng)新性培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)。

三、結語

作為專業(yè)授課教師，須在教學實踐中不斷探索，在適應現(xiàn)代環(huán)境科學與工程領域人才培養(yǎng)要求的同時，適應實際工作和社會的需求，提高環(huán)境生物技術的教學質量?！捌扑樾∏蛟寮毎崛∩镉椭边@一教學實驗來自于科研實踐，結合了環(huán)境生物技術的課程特點，具有較高的科學性和綜合性。該實驗涉及到了環(huán)境生物技術中較多的知識點，對學生的基礎實驗能力有著較高的要求。通過對該實驗進行學習和操作，學生們可掌握的技術要點包括微生物培養(yǎng)，細胞計數(shù)，細胞破碎，生物油脂提取等。這些實驗操作與知識點交織結合，可有效地鍛煉學生的動手能力，促進學生對相關內(nèi)容的記憶和理解，激發(fā)其學習興趣，端正其學習態(tài)度，為未來可能從事的科研以及技術工作打下良好基礎。

參考文獻：

[1]王建龍,文湘華.現(xiàn)代環(huán)境生物技術[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2]劉娜,任何軍,張婷娣.環(huán)境生物技術實驗[M].1ed.北京:清華大學出版社,2012.

[3]吳兵,張徐祥.環(huán)境生物技術實驗課程內(nèi)容與教學模式改革實踐[J].教育教學論壇,2018,52(12):

作者：黃遠星 單位：上海理工大學 環(huán)境與建筑學院