生態(tài)學(xué)研究性實(shí)習(xí)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

朱利霞 陳居田 常云霞 郭婕 王紅星

摘要：生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究性實(shí)習(xí)對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)具有重要作用。以不同類型生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳礦化潛力研究為例，介紹了生態(tài)學(xué)研究性實(shí)習(xí)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐過程。土壤有機(jī)碳礦化與養(yǎng)分循環(huán)、全球變化等緊密聯(lián)系，其涉及的實(shí)習(xí)方法簡單，可操作性強(qiáng)，實(shí)習(xí)內(nèi)容有很好的拓展空間。研究性實(shí)習(xí)可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：生態(tài)學(xué);土壤;有機(jī)碳礦化;研究性實(shí)習(xí)

生態(tài)學(xué)是研究生物與環(huán)境相互關(guān)系的學(xué)科，其目的是指導(dǎo)人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。生態(tài)學(xué)教學(xué)內(nèi)容具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和綜合性，實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)是生態(tài)學(xué)教學(xué)過程中重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，對于學(xué)生理論認(rèn)知的提高具有重要作用。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)的需求越來越大，在可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代背景下，社會(huì)對生態(tài)學(xué)專業(yè)人才的需求也逐漸增加。在生態(tài)學(xué)發(fā)展面臨良好機(jī)遇的同時(shí)，也對生態(tài)學(xué)教學(xué)提出了更高的要求。

一、研究性實(shí)習(xí)的提出

目前大學(xué)畢業(yè)生在工作及學(xué)習(xí)上的主動(dòng)性不夠，自主學(xué)習(xí)能力較差，而這種能力的培養(yǎng)正是我國教育模式中所忽視的。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，野外實(shí)習(xí)是生態(tài)學(xué)教學(xué)中必不可少的內(nèi)容，也是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生態(tài)學(xué)野外實(shí)習(xí)不僅可以鞏固和充實(shí)課堂理論教學(xué)的內(nèi)容，又可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立開展研究的能力，有利于培養(yǎng)生態(tài)學(xué)專業(yè)創(chuàng)新人才。然而，長期以來，生態(tài)學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)被認(rèn)為是理論教學(xué)的輔助，在很多高校常常只設(shè)置生態(tài)學(xué)理論課程，而沒有設(shè)置獨(dú)立的生態(tài)學(xué)實(shí)踐教學(xué)課程，尤其是野外實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。由于長期以來不夠重視，導(dǎo)致生態(tài)學(xué)實(shí)習(xí)基地建設(shè)不完善、實(shí)習(xí)教師隊(duì)伍不能保障、經(jīng)費(fèi)短缺等問題，使生態(tài)學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)不能收到良好的教學(xué)效果，沒有實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生科研素養(yǎng)和綜合素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)。

研究性學(xué)習(xí)和教學(xué)是目前我國教學(xué)改革的熱門課題，然而在實(shí)際的實(shí)踐教學(xué)中，往往是以固定模式進(jìn)行：教師介紹實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容、方法和注意事項(xiàng)等，學(xué)生按部就班完成實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)。這樣的實(shí)踐教學(xué)在一定程度上鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，但無法提高學(xué)生參與課程的興趣和積極性，導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)和接受知識(shí)，久而久之導(dǎo)致學(xué)生思維缺乏創(chuàng)造性和靈活性。因此，為了更好地開展生態(tài)學(xué)野外實(shí)習(xí)教學(xué)，通過該過程將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中去，培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。在學(xué)生掌握生態(tài)學(xué)野外實(shí)習(xí)的基本方法后開展研究性實(shí)習(xí)是很有必要的，研究性實(shí)習(xí)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一種有效的教學(xué)方法，但目前仍處于探索階段。針對教師講解為主的傳統(tǒng)模式，進(jìn)行學(xué)生為主、教師指導(dǎo)的實(shí)習(xí)模式，綜合開展研究性和探索性的野外實(shí)習(xí)教學(xué)。以筆者長期從事土壤有機(jī)碳礦化的研究為基礎(chǔ)，開展結(jié)合院校周邊環(huán)境設(shè)置“不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤有機(jī)碳礦化潛力研究”的研究性實(shí)習(xí)。該實(shí)習(xí)內(nèi)容成本低，具有較強(qiáng)的可操作性，并且與物質(zhì)循環(huán)、全球變化等生態(tài)學(xué)熱點(diǎn)相結(jié)合，具有一定的示范性。

二、研究性實(shí)習(xí)目標(biāo)

研究性實(shí)習(xí)更注重學(xué)生探索能力的培養(yǎng)，因而具有更強(qiáng)的研究性、探索性、科學(xué)性和實(shí)踐性。整個(gè)過程需要學(xué)生全程參與，從確定實(shí)習(xí)課題后學(xué)生查閱文獻(xiàn)開始，制定合理的實(shí)習(xí)方案、實(shí)習(xí)內(nèi)容的完成、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析及最終實(shí)習(xí)報(bào)告的撰寫等環(huán)節(jié)需要小組成員相互合作共同完成，這種研究性實(shí)習(xí)能夠有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

土壤有機(jī)碳是土壤的重要組成部分，顯著影響土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特征，土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)可以影響到土壤碳向大氣的排放量，進(jìn)而與當(dāng)前氣候變化密切相關(guān)。土地利用變化對土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響是其中的一個(gè)關(guān)鍵因素。土壤有機(jī)碳礦化是土壤生物通過自身活動(dòng)、分解和利用土壤中活性有機(jī)碳組分來完成自身代謝，同時(shí)釋放二氧化碳的過程，該過程在土壤碳循環(huán)中發(fā)揮著重要的生態(tài)功能。由于人類的活動(dòng)使土地利用方式發(fā)生很大變化（林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦丶巴烁€林還草等），這些活動(dòng)都會(huì)對土壤碳產(chǎn)生一定的影響。因此，開展不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤有機(jī)碳礦化的研究性實(shí)習(xí)，可以很好地將實(shí)習(xí)內(nèi)容與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和全球變化等聯(lián)系在一起，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。如，通過開展“不同類型生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳礦化潛力研究”，擬達(dá)到如下實(shí)習(xí)目標(biāo)：初步了解不同類型生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳礦化的基本方法;初步掌握生態(tài)學(xué)研究的步驟和方法;了解不同生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳礦化的特征并深入理解不同類型生態(tài)系統(tǒng)在生物圈中的作用;明確土壤資源保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的必要性。

三、研究性實(shí)習(xí)的過程

本研究性實(shí)習(xí)選取不同類型的生態(tài)系統(tǒng)，如，人工林生態(tài)系統(tǒng)、人工草地生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)習(xí)內(nèi)容主要為土壤有機(jī)碳礦化測定，主要包括實(shí)習(xí)前準(zhǔn)備、野外實(shí)習(xí)和實(shí)習(xí)總結(jié)三個(gè)環(huán)節(jié)。

（一）實(shí)習(xí)前準(zhǔn)備

前期準(zhǔn)備要營造研究性氛圍，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。實(shí)習(xí)前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)主要由教師設(shè)計(jì)研究課題，經(jīng)集體討論修改完善后發(fā)布給學(xué)生;學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣采用自由組合的方式組成小組，每組5-8人，小組選擇研究性實(shí)習(xí)課題。之后學(xué)生在教師指導(dǎo)下，通過數(shù)據(jù)庫查閱文獻(xiàn)，了解當(dāng)前的研究現(xiàn)狀和實(shí)驗(yàn)方法。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)，了解測定土壤有機(jī)碳礦化的野外原位測定法和室內(nèi)培養(yǎng)法。最后，小組內(nèi)討論并最終確定設(shè)計(jì)方案。該過程可以促使學(xué)生初步理解研究性實(shí)習(xí)的科學(xué)問題和研究意義。

（二）野外實(shí)習(xí)過程

野外實(shí)習(xí)過程采用研究性教學(xué)方法和學(xué)生自主、合作的學(xué)習(xí)模式。該野外實(shí)習(xí)主要開展不同類型生態(tài)系統(tǒng)的成員組成和有機(jī)碳礦化兩方面的研究，涉及研究方法、實(shí)施方案和數(shù)據(jù)整理等，這對于缺乏生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究訓(xùn)練的本科生而言具有一定的挑戰(zhàn)性。該過程指導(dǎo)教師要引導(dǎo)學(xué)生思考開展實(shí)習(xí)內(nèi)容需要注意的問題，并根據(jù)文獻(xiàn)資料和實(shí)習(xí)的具體情況確定土壤有機(jī)碳礦化的測定方法，測定后的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行整理與分析。經(jīng)過討論，最后確定選用室內(nèi)培養(yǎng)法測定土壤有機(jī)碳的礦化。

采用室內(nèi)培養(yǎng)法和靜態(tài)堿液吸收法測定不同類型生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳礦化，其具體步驟如下：在每個(gè)樣地，地勢平坦的地點(diǎn)隨機(jī)選擇10個(gè)位置，在每個(gè)位置設(shè)置一個(gè)1m×1m的樣方，在每個(gè)樣方中將土壤表層凋落物輕輕拂去，使之露出土壤。采集表層0～20 cm土壤樣品，先測定土壤的含水量;再取出新鮮土壤樣品50 g，置于塑料瓶中，瓶內(nèi)放置盛有氫氧化鈉溶液的小燒杯，用以吸收土壤有機(jī)碳礦化釋放的二氧化碳，用封口膜密封后置于培養(yǎng)箱內(nèi)黑暗培養(yǎng)，以不加土壤的空白作為對照。分別在培養(yǎng)的第2、4、7、11、16、22和27d更換氫氧化鈉溶液，在培養(yǎng)過程中根據(jù)土壤初始含水量以稱重法補(bǔ)充土壤水分。將燒杯內(nèi)的氫氧化鈉溶液洗入三角瓶內(nèi)，加入氯化鋇溶液沉淀碳酸鈉，之后加入幾滴酚酞指示劑，用標(biāo)定的稀鹽酸滴定剩余的氫氧化鈉，直至溶液由粉紅色變?yōu)闊o色，記錄溶液變?yōu)闊o色時(shí)消耗的鹽酸體積，根據(jù)c0：的釋放量計(jì)算培養(yǎng)過程中土壤有機(jī)碳的礦化量。土壤有機(jī)碳礦化量的計(jì)算公式如下：

W=（V1-V2）×C×n×44/1000

w為溶液中c02的釋放量，v1為樣品溶液消耗的鹽酸體積，V2為空白溶液消耗的鹽酸體積，c為稀鹽酸的濃度，44/1000為二氧化碳的毫摩爾質(zhì)量，n為分取倍數(shù)。

由于該實(shí)習(xí)過程中土壤培養(yǎng)時(shí)間僅一個(gè)月左右.其礦化的碳主要是活性有機(jī)碳，應(yīng)用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程分析土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)：

Y=Cp×（1-exp^-kt）

Cp為土壤有機(jī)碳礦化潛力，k為有機(jī)碳礦化速率常數(shù)，t為天數(shù)，Y為土壤培養(yǎng)時(shí)間t時(shí)的有機(jī)碳礦化量。

（三）實(shí)習(xí)總結(jié)

指導(dǎo)學(xué)生按照科研論文的格式撰寫實(shí)習(xí)總結(jié)，這是研究性實(shí)習(xí)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。實(shí)習(xí)總結(jié)的書寫是科學(xué)研究必不可少的內(nèi)容，認(rèn)真做好這個(gè)寫作環(huán)節(jié)可以受益無窮。撰寫實(shí)習(xí)總結(jié)能鍛煉學(xué)生的科研寫作能力，在此過程中要改變對實(shí)習(xí)總結(jié)只注重結(jié)果正確性的傳統(tǒng)做法，重視對結(jié)果分析部分撰寫的合理性，融入科研設(shè)計(jì)的基本思路和寫作的基本要求，為學(xué)生以后撰寫科研論文奠定基礎(chǔ)。

野外實(shí)習(xí)結(jié)束后，教師指導(dǎo)學(xué)生利用Excel和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用Excel軟件作圖標(biāo)注分析結(jié)果，完成研究性實(shí)習(xí)總結(jié)。指導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)報(bào)告的形式進(jìn)行撰寫，內(nèi)容包括標(biāo)題、摘要、關(guān)鍵詞、引言、材料與方法、結(jié)果分析、討論與結(jié)論、參考文獻(xiàn)等幾個(gè)部分，使學(xué)生的實(shí)習(xí)總結(jié)能夠清楚且恰當(dāng)?shù)捏w現(xiàn)整個(gè)研究性實(shí)習(xí)的內(nèi)容及過程。由于土壤在控制溫度和濕度的條件下進(jìn)行，有機(jī)碳礦化量的差異可以反映不同土壤中易被利用的有機(jī)碳有效性及土壤環(huán)境因素的差異，所以，學(xué)生通過分析不同類型生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳礦化潛力的變異，系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)不同土地利用方式土壤有機(jī)碳礦化特征，為進(jìn)一步揭示土壤碳匯功能的變化和土壤資源保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。通過撰寫研究性實(shí)習(xí)總結(jié)，加深學(xué)生對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)因子相關(guān)生態(tài)學(xué)知識(shí)的理解。

科學(xué)、完整的實(shí)習(xí)總結(jié)，能夠清晰完整地表述整個(gè)過程和獲得的結(jié)果，能夠?qū)⑺媒Y(jié)果與已知的生態(tài)學(xué)知識(shí)和原理相關(guān)聯(lián)，并闡述該研究的價(jià)值和意義。清晰完整地表述實(shí)驗(yàn)過程，保證了其可重復(fù)性，以便他人借鑒應(yīng)用。對于本科生而言，如何將所得結(jié)果與其他知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)有一定的難度。因此，教師可以指導(dǎo)學(xué)生從以下幾個(gè)方面人手：與前人研究結(jié)果比較分析其異同，指出結(jié)果一致或產(chǎn)生差異的原因（可能性或是必然性的）;對所得結(jié)果進(jìn)行推論，并得出結(jié)論;對研究的問題進(jìn)行展望，或指出本研究需要改進(jìn)的地方。針對實(shí)習(xí)總結(jié)圖表中容易出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)學(xué)生呈現(xiàn)圖表的一些細(xì)節(jié)，力求使圖表能夠直觀的呈現(xiàn)結(jié)果，標(biāo)題要簡潔，并能夠概括圖或表的意思，列出必要的符號(hào)、單位及注釋等。

（四）實(shí)習(xí)考核與評價(jià)

對每位學(xué)生的實(shí)習(xí)成績評定，從動(dòng)手實(shí)踐能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)習(xí)總結(jié)的撰寫等進(jìn)行較為全面的評價(jià)與考核。激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的發(fā)展?jié)摿?，提升學(xué)生參與各個(gè)環(huán)節(jié)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，以達(dá)到讓學(xué)生成為實(shí)習(xí)的主體的目的，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)和科研素養(yǎng)的提高。

四、研究性實(shí)習(xí)的可行性及重要性

相對于其他生態(tài)學(xué)實(shí)習(xí)，不同類型生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳礦化潛力的研究涉及到的實(shí)習(xí)方法簡單，可操作性強(qiáng)，實(shí)習(xí)過程中用到的器材均是學(xué)生開展其他實(shí)驗(yàn)所用到的，試驗(yàn)所用方法——靜態(tài)堿液吸收法也是酸堿滴定法的延伸，不需要精密儀器和設(shè)備，成本低。該研究性實(shí)習(xí)具有一定的可行性和可推廣性。

在整個(gè)研究性實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生在老師指導(dǎo)下獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)的整理與分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)揭示其中的生態(tài)學(xué)規(guī)律，最后按照科研論文的格式提交研究性實(shí)習(xí)總結(jié)。通過研究性實(shí)習(xí)的開展，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)思考問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科研興趣。該過程的訓(xùn)練可以讓學(xué)生掌握文獻(xiàn)檢索技巧，學(xué)會(huì)使用相關(guān)的統(tǒng)計(jì)軟件和作圖軟件，并能夠通過查閱文獻(xiàn)資料找到解決問題的方法?？傊ㄟ^研究性實(shí)習(xí)的開展，學(xué)生可以初步了解如何進(jìn)行科學(xué)研究、撰寫科技論文，為今后畢業(yè)論文的撰寫和科學(xué)研究的開展奠定基礎(chǔ)。