1. 引言
近年来“人工智能+ (AI+)”教育正加速推进教育数字化转型，人工智能这一战略性技术对高校教育教学影响与日俱增。培养适应人工智能时代的创新型复合型人才，已成为当前高等教育的核心要求[1]。因此，借助“AI + 教育教学”促进学生主动学习、鼓励动手实践和引导科学研究是培养大学生创新能力的三条保障[2]。
微生物学实验作为生物专业的核心主干实践课程，是学生掌握、巩固微生物学基础知识，应用微生物技术动手实践解决实际问题的重要手段，是培养学生将课堂所学到的理论知识灵活运用到实际情境分析解决问题的思路，培养学生创新思维和实践能力的重要环节[3]。但由于条件限制，不少地方院校在实际教学方面仍存在许多不足，传统实验项目与行业需求应用脱节，无法很好地培养学生的创新思维和真正提高解决实际问题的能力。现有教学模式仍以灌输式为主，学生学习兴趣不高，已不适应AI+时代背景下人才培养的要求和时代发展的需要。因此，本文以广东石油化工学院生物工程专业为例，积极探索AI+时代背景下微生物学实验教学模式改革，旨在帮助学生真正理解微生物在生命科学和工程研究技术中的重要功能角色，更好地提升学生的创新思维和实践能力，同时，也对地方院校培养顺应时代的生物专业领域创新性人才具有积极推动作用。
2. AI+背景下微生物学实验教学存在的主要问题
2.1. 实验教学体系设计不合理
目前，普遍地方高校的微生物学实验内容主要以验证性实验为主，综合性、设计性实验项目极少，实验内容有重复，实验学时不够，导致教师和学生都不够重视实验教学，上课流于机械形式，不利于学生动手操作能力、创新实践能力和学习兴趣的提高。例如，我校生物工程专业原微生物学实验为20学时，其中验证性项目占80%，综合性项目占20%，没有设计性实验项目，无法满足AI+时代背景下微生物学实验教学要求，学生很难体会微生物与生命科学相关领域的作用。另外，原有教学内容与学科前沿技术结合甚少，学生无法通过课程学习理解掌握微生物最新研究技术手段，不能有效激发学生学习主动性和创造性[4] [5]。
2.2. 教学方法和考核方式单一
微生物学实验传统教学普遍仍以教师讲解演示，学生机械操作为主，实验材料和试剂药品由实验员课前准备，学生未参与实验准备。这种教学模式会导致一些自觉性差的学生课前不预习，不清楚实验原理、步骤和注意事项等，无法很好分析讨论所得到的实验结果，理论与实践脱节，不利于学生分析、解决问题能力的培养。
原有实验教学考核方式一般以出勤和实验报告组成，该考核方式没有过程性评价，忽视对学生实验操作技能和综合能力的考核。由于班级人数和分组较多，教师课上无法兼顾到每一位学生，导致有部分学生并没有真正认真开展实验，甚至未得到实验结果，直接“借鉴”他人的实验报告反而可能得到较高的课程成绩[6]。这会大大打击上课认真、积极动手思考的学生的积极性。因此，单靠出勤和实验报告来评定学生成绩，并不能真实反映学生的掌握情况和实际教学效果[7]。
3. AI+背景下微生物实验教学改革
实验教学是本科人才培养课程教学体系中重要的一环，对培养学生创新精神和实践能力起着关键作用，也是高校实现应用创新型人才培养目标的主要途径[8]。
3.1. 优化实验教学内容
教学内容的改革是教学改革的中心[9]。完整的实验教学体系是保证实验教学质量的基础。但原有的实验教学体系难以满足以培养学生创新思维和实践能力为导向的教学改革需要。因此，我们将微生物学实验内容调整为基础性、综合性和设计性三大模块，依据“以基础知识和基本技能为基础，以创新实践能力培养为核心，实验内容与科研前沿相结合为重点”的原则，构建了“基础–综合–创新设计”为主线的多层次、开放式实验教学新体系[10]。
其中基础性模块包括培养基的配制，无菌操作、微生物接种与培养、细菌革兰氏染色和显微镜使用观察等内容，这些安排在教学进程的最前面，要求每位学生通过课前预习指导书、线上预先发布的操作视频和实验指导老师课上操作讲解演示后，单独操作考核，完成相应的实验环节，掌握最基本的微生物实验技术。对于综合性模块，要求学生在掌握基础性实验后，结合生活中的真实案例，自行查阅文献或利用学校环境资源等方式，通过分组合作，自主选择合适且实验室能满足的实验条件，教师线上线下指导相结合、该模块可在教学时间或课余时间灵活安排完成，如我们开展微生物分离纯化与鉴定、糖发酵实验和生物样品中大肠杆菌群等来源于生活和环境中的现实问题。例如，硝酸盐可作为许多植物和微生物的营养因子，而且有些微生物可将其作为电子受体进行呼吸代谢，其既可作为微生物的氮源，也是缺氧条件下微生物最常用的电子受体。在缺氧或厌氧环境中，大部分微生物可利用硝酸盐作为电子受体进行厌氧呼吸并耦合有机物的降解转化。学生以此为背景，提出了“硝酸盐还原菌的分离与纯化”的综合性探究实验。学生前期已经学习培养基的配制与灭菌、微生物接种、革兰氏染色、显微镜使用及微生物观察等基础实验，具备了微生物学实验的基础知识和技能，可进行“硝酸盐还原菌的分离、纯化”课题实验。本课题具体的教学环节包括：(1) 成立4~5人实验合作小组；(2) 要求学生提前掌握显微镜的使用、培养基的配制和灭菌、倒平板、平板划线、稀释涂布、样品采集、硝酸盐浓度测定方法等；(3) 指导学生学习文献检索方法、研读前沿性文章，掌握硝酸盐还原菌的最新研究进展，引导学生思考如何进行硝酸还原菌的分离、纯化及应用，要求学生提出硝酸盐还原菌的应用情景，并设计实验，形成实验方案和预习报告；(4) 实验方案经教师和学生共同讨论修改后，按实验方案进行实验材料的准备，经过实验室安全培训后开展实验，并根据实验过程及结果撰写实验报告；(5) 采用课题答辩的方式对该组学生的研究情况进行过程性考核。
设计性模块是培养学生创新实践和科研能力的核心。该模块需教师根据教学团队正在研究的相关研究课题和当前热点问题，设置一些可操作性、难度适宜的自主性研究专题供学生选择，学生自行组队3~4人/组，确定研究主题后，查阅文献资料，进行研究方案设计。各组设计的方案经实验指导老师审核具有可行性之后，可利用课余时间独立开展实验和完成研究性实验报告并展示汇报。通过该模块不仅训练了学生的团队精神和管理时间能力，学生也成为实验教学的主人，充分调动学生的积极性，使学生的创新实践能力和动手能力都有了很大的提高。
3.2. 改进实验教学方法和教学手段
教学是教与学双向互动的过程。人工智能等信息技术的发展使得线上教学成为传统教学模式的有效补充[11]，近年来，全国各高校纷纷探索线上线下混合式实践教学新模式。其形式包括理论原理讲解与实验视频教学演示相结合、线上教学与线下实验操作相结合和线下教学与虚拟仿真实验平台相结合的混合教学模式。教师课前利用“学习通”或雨课堂等平台发布相关内容和学习资料，将枯燥的知识内容转化成生动可视化的动画和视频演示，提高学生对实验内容的感性认识。在线上实时与学生交流答疑，通过平台数据反馈，了解学生的学习情况和建议等，使学生进入实验室前对实验相关知识原理和操作过程及注意事项有较清晰认识。另外，我们也充分利用实验教学中心配备的智能化实验室虚拟仿真平台，例如具有智能化水体中总大肠菌群的检验、细菌菌落总数的测定和微生物的分离与纯化等模块，通过“以虚补实、以虚促实”也弥补了因涉及昂贵精密仪器或某些致病性微生物而无法开展项目内容的缺憾。而且，在教学过程中，授课教师针对不同教学环节、不同学生采用个性化的教学方法和手段，如项目式、同伴教学式、小组协作式、目标问题导向式等，坚持以学生为中心，丰富了实验教学形式，实现了传统实验教学从识记、被动理解到探究，创新，辨证和科学素养养成的转变。
3.3. 建立开放实验室
为充分发挥学生的自主性和能动性，保证所有学生能顺利开展完成各个实验项目，我们建立了本科生开放实验室。为此我们制定了实验室安全准入制度，对学生进行安全环保培训，实验室安全考试和实验项目风险评估，学生获得安全准入证书后方可预约进行实验操作，保障实验探究安全开展，此外，我们还制定了开放实验室安全管理制度、仪器设备使用管理制度、化学品管理使用制度等管理体系。
借助开放实验室，可使实验教学突破教材文本、教学时间和教学空间的限制，将实验内容、方法技术与当前生物技术研究现状更好地有机结合，使实验教学不再是刻板的重复与验证模式，而是师生关系融洽、气氛活跃、和谐平等、充满探究活力的教学新生态，以民主、开放的教学方式渗透创新素质的培养，有助于学生开展自主创新训练，学生有机会自己去发现、探索、独立思考，能更全面训练学生的创新思维和实践动手能力。例如根据学校地处岭南水果之乡和盛产罗非鱼等特色，有学生设计了罗非鱼养殖尾水中的某抗生素降解菌分离筛选课题，借助开放实验室，学生通过团队合作，最终分离筛选出若干株高效抗生素降解菌，并研究了其最适培养条件，后续学生沿着该课题完成毕业论文，并取得了较好的研究结果。这种全开放式、研究式的实验教学模式，师生角色发生改变，更加注重学生在实验教学中的主体性地位，使每位学生都有动手操作的机会，其角色由知识输入者转化为知识探索者，真正成为实验各个过程的主体，大大激发了学生进行自主学习和研究性学习的积极性，提高了学生的科研素养和创新能力。
3.4. 改革实验教学考核模式
实验课程考核是检验学生实践动手能力和综合素质的重要指标，一套科学合理的实验考核模式不仅能使学生端正学习态度，获得良好的实验教学效果，更重要的是能够激发学生的实验积极性和学习兴趣[12]。本课程构建了过程性与总结性、线上与线下相结合的全过程多元评价方式，分别由课前预习(10%)、课堂表现(30%)、设计性实验(20%)、实验报告(20%)和期末考评(20%)这5部分组成，最终成绩按百分制给分，60分为及格。课前预习是保证实验教学效果的重要手段。但以往的预习方式主要要求学生写预习报告，大部分学生只是将实验内容机械地抄写一遍应付，这种方式不仅预习效果差，还加重学生负担影响学生的学习热情。因此，我们借助学习通和虚拟仿真软件等在线平台将学习内容提前一周上传，学生课前可在电脑端或手机端进行自主学习并测试提交所有答题，即可完成预习模块。
课堂表现考核包括学习态度和实验操作技能两方面，微生物实验所必备的基本操作技能，如无菌操作技术，显微镜观察技术、革兰氏染色技术等无法从实验报告直接评判学生是否能规范操作并熟练掌握，通过课堂操作技能和过程性考核，不仅可及时交流纠错，端正学习态度，还可杜绝少部分学生不愿动手，懒于思考总结，做好做坏都无所谓、抄袭别人实验结果等不良现象。设计性实验考核主要从方案设计合理性，创新性、实验操作技能的规范熟练程度、分析解决问题能力和团队合作能力、实验结果的分析总结和个人贡献度等方面进行综合评分。该部分考核注重发展学生的自主性、主动性和创造性，引导学生体验、质疑、反思、探究、创新。实验报告考核是评价学生实验结果进行分析解决问题的重要标准。期末考核则是所有实验项目结束后，由学生现场抽取的某个实验操作项目，实验老师观察学生操作后现场评分以及限时单独完成一些实验原理，现象分析等理论试题这两部分。新的考核评价方法加强了实验操作过程性的考查，对学生有了清晰明确的要求，提高了学生动手实践操作的积极性和主动性，更好地达成教学目标，提高实验教学效果。
3.5. 融合科研项目和实践基地
高质量的科研工作永远是提高教学水平的助推剂，将科研与实验教学有机结合是提高教学质量的有效途径之一，高等院校在实验教学中越来越重视将科研内容转化为优质教学资源[13]，将不同类型的科研项目融入微生物实验教学，有利于提高学生的科研创新能力和培养理论和实践兼备的应用型人才，更好地为区域绿色产品和高效能产业链发展服务。教学过程中利用课程团队教师及学院教师承担的各类科研项目，通过双向选择，主动吸收学生参与项目研究，同时指导学生组团申报大学生创新创业和互联网+等各种学生大赛项目，将科研资源和比赛项目转化为实验教学资源，教学相长，激发学生对科学研究的热情，提升学生创新能力和专业技能、提高其自主学习能力和分析解决实际问题的能力。从而，达到“科研反哺教学、以赛促学”的效果，教师在指导学生过程中，也须不断学习，努力拓展自身专业领域技术，达到“以研促教、教促成长”的良好效果。例如，有学生开展的“微生物菌群ZY1对磷酸三甲苯酯三种同分异构体的降解及分子机制研究”和“好氧反硝化菌的分离纯化及其脱氮性能探究”创新设计模块就是来源于课程团队教师的国家自然科学基金项目和学生立项的国家级创新创业训练项目。
另外，结合教学实践基地，如组织学生去本市水产养殖厂、生物制药公司、水产饲料公司和食品卫生检验检疫局等单位现场了解学习微生物在水产养殖、生产工艺技术和在食品卫生安全监测的重要作用，并且根据需要学生可现场采样回来自主开展综合性和设计性实验，有效培养了学生自主探索、分析、研究、解决复杂工程问题的能力。
4. 结束语
经过不断的探索和实践，微生物学实验教学的效果明显提升，学生的创新实践能力和团队合作能力都有了显著提高。但在教学改革过程中也遇到了一些问题，例如，学校对开放实验室使用明确要求，学生开展实验必须有老师全程在场，导致实验指导老师和实验室管理员的工作量大大增加，且学生实验所需的耗材也增加不少。因此，我们在教学实践中仍需不断探索优化，坚持以人工智能赋能实验教学，加强探索研究，持续改进，切实贯彻以学生为中心的理念，争取多方面和学校相关部门的大力支持，使微生物实验教学更契合国家一流专业建设要求和生物工程专业认证标准的人才培养目标，为新时代改革发展培养具有学习能力、实践能力、创新能力和能够主动适应人工智能时代的应用型生物产业创新人才。
基金项目
1) 广东省本科高校教学质量与教学改革工程(编号：粤教高函[2023] 4号-329)；
2) 广东石油化工学院校级教育教学改革研究项目(编号：JY202336)；
3) 广东省自然科学基金面上项目(编号：2020A1515010518，2023A1515012411)；
4) 茂名市科技计划项目(编号：2021637)。
NOTES
*通讯作者。