例談高校生物類(lèi)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展及其意義

張 悅 常雅寧

華東理工大學(xué)生物工程學(xué)院發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 （上海 200237）

認(rèn)知教學(xué)法也被稱(chēng)為“認(rèn)知-符號(hào)法”。它以認(rèn)知心理學(xué)為理論依據(jù)，重視感知、理解、邏輯思維等智力活動(dòng)在獲取知識(shí)過(guò)程中的積極作用，強(qiáng)調(diào)對(duì)規(guī)則的理解，著眼于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際運(yùn)用知識(shí)的綜合能力?，F(xiàn)代認(rèn)知學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程就是學(xué)生運(yùn)用原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)同化新知識(shí)的過(guò)程，亦即認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建構(gòu)、轉(zhuǎn)換、發(fā)展和重建的過(guò)程。因此，要促進(jìn)學(xué)生的有效學(xué)習(xí)，必須根據(jù)學(xué)生的原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換與重建，從而達(dá)到完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)、開(kāi)發(fā)學(xué)生智力的目的[1]。整個(gè)教學(xué)過(guò)程分為復(fù)習(xí)舊知、啟發(fā)生疑、以疑引探、總結(jié)歸納、鞏固遷移5個(gè)階段[2]。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、專(zhuān)業(yè)知識(shí)傳遞、發(fā)散思維培養(yǎng)等方面具有重要作用[3]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助學(xué)生形成概念、理解和鞏固生物學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生觀(guān)察現(xiàn)象并提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、辯證地思考問(wèn)題和用發(fā)展的眼光看待事物的能力，既有利于學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提高，又有利于學(xué)生個(gè)性特長(zhǎng)的發(fā)展，更重要的是在探索性實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中學(xué)會(huì)如何去學(xué)習(xí)、獲得知識(shí)和信息，為探索未知領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)[4]。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中建構(gòu)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過(guò)程包括幾個(gè)階段：（1）設(shè)計(jì)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。認(rèn)知心理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，好的問(wèn)題可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)同樣如此，無(wú)論是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，還是探索性實(shí)驗(yàn)，在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)之前，教師要精心設(shè)計(jì)具有啟發(fā)性和指導(dǎo)性的問(wèn)題，激活學(xué)生頭腦中已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，為接受和加工新的信息做好準(zhǔn)備。（2）強(qiáng)化注意，使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)做好心理準(zhǔn)備。要使學(xué)習(xí)獲得所希望的結(jié)果，必須使學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)具有接受刺激的傾向和準(zhǔn)備，教師可以運(yùn)用強(qiáng)化等手段來(lái)刺激和形成學(xué)生適當(dāng)?shù)淖⒁鈨A向和動(dòng)機(jī)。（3）直接提出適當(dāng)?shù)拇碳?。?）反饋準(zhǔn)備。教師需把學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴他們，然后通過(guò)評(píng)價(jià)、打分，甚至點(diǎn)頭、微笑或者示意其繼續(xù)進(jìn)行下一項(xiàng)工作等，達(dá)到強(qiáng)化學(xué)生行為的目的。

1 認(rèn)知實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的必要性

生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)，因?qū)W科涵蓋面廣、研究對(duì)象較多、使用技術(shù)較廣、交叉領(lǐng)域較大，大多數(shù)學(xué)校在擬定教學(xué)計(jì)劃時(shí)安排了很大比例的實(shí)驗(yàn)課程，但是都在大二以后開(kāi)展，學(xué)生在大一階段專(zhuān)業(yè)課也較少，課程大多是高等數(shù)學(xué)等公共基礎(chǔ)課和現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)生在大一一整年接觸不到專(zhuān)業(yè)時(shí)的困惑容易與初入大學(xué)校門(mén)時(shí)對(duì)未來(lái)的憧憬產(chǎn)生激烈碰撞，迸發(fā)出消極、迷茫、不知所措等情緒。這一負(fù)面情緒一旦產(chǎn)生，對(duì)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)信心的建立和學(xué)生積極性的培養(yǎng)都非常不利。華東理工大學(xué)生物工程學(xué)院發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心考慮到這一情況，認(rèn)為有必要結(jié)合學(xué)生高中時(shí)期的生物學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備、大學(xué)專(zhuān)業(yè)課知識(shí)結(jié)構(gòu)及當(dāng)前學(xué)業(yè)任務(wù)，從知識(shí)性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性、趣味性4個(gè)方向出發(fā)，選擇難易適中且具有代表性的實(shí)驗(yàn)，每月定時(shí)開(kāi)展，感興趣的學(xué)生可自由選擇實(shí)驗(yàn)參加。

2 認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展

2.1人類(lèi)ABO血型測(cè)定——知識(shí)性

人類(lèi)ABO血型測(cè)定是遺傳學(xué)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容與生活較為接近，可以很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，實(shí)驗(yàn)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)危險(xiǎn)因素，安全性高，成本較低。實(shí)驗(yàn)所需試劑等用品也較少，僅包括白瓷板、采血筆、采血針、酒精棉球、抗A抗體、抗B抗體[5]，如圖1所示。

圖1 ABO血型測(cè)定實(shí)驗(yàn)所需用品

對(duì)已報(bào)名學(xué)生進(jìn)行分組后，講解相關(guān)知識(shí)，如血液的組成、血型的遺傳背景、血型測(cè)定的基本方法及自身血型測(cè)定的注意事項(xiàng)。血液由血漿和血細(xì)胞組成，血細(xì)胞分為紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板。血型是指血液中紅細(xì)胞膜上存在的特異抗原的類(lèi)型，該抗原的類(lèi)型由一對(duì)復(fù)等位基因決定。若僅具有產(chǎn)生乙酰半乳糖胺基轉(zhuǎn)移酶基因，則為A型；若僅具有半乳糖基轉(zhuǎn)移酶基因，則為B型；若同時(shí)具備以上兩種基因，則為AB型；若兩種基因均無(wú)，則為O型。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中著重介紹了血型測(cè)定的步驟及注意事項(xiàng)：清洗雙手后取用酒精棉球擦拭左手無(wú)名指，然后將采血針安裝進(jìn)入采血筆頭部凹槽，蓋上筆帽，將筆對(duì)準(zhǔn)左手無(wú)名指，右手摁藍(lán)色正方形按鈕，采血針被彈簧彈出并刺入手指，擠壓傷口，將血分別擠入白瓷板上藍(lán)色和黃色液體（分別為抗A和抗B血型定型試劑）中，用牙簽輕微攪動(dòng)，待其發(fā)生凝集反應(yīng)。若僅藍(lán)色液體發(fā)生凝集，則為A型；若僅黃色液體發(fā)生凝集，則為B型；若兩種液體均發(fā)生凝集，則為AB型；若二者均不發(fā)生凝集，則為O型[6]。

實(shí)驗(yàn)操作完成后，學(xué)生興高采烈地端著白瓷板圍在老師周?chē)懻撟约旱难图案改傅难?，有學(xué)生主動(dòng)提出為什么要選擇左手無(wú)名指采血，萬(wàn)能受血者和萬(wàn)能授血者分別為哪個(gè)血型以及獻(xiàn)血的利弊等較為深入的問(wèn)題。這些問(wèn)題的提出是實(shí)驗(yàn)效果最直接的體現(xiàn)。

2.2酸奶的制作——應(yīng)用性

與血型測(cè)定的理論性相比，酸奶的制作著意向應(yīng)用性?xún)A斜。講述發(fā)酵和微生物純培養(yǎng)的概念以及酸奶發(fā)酵的步驟[7-8]，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，引導(dǎo)學(xué)生挖掘?qū)嶒?yàn)室現(xiàn)有替代品及操作，完成相應(yīng)工藝，如：牛奶等原料的殺菌由工廠(chǎng)的巴氏殺菌改為電磁爐加熱至沸騰數(shù)秒，發(fā)酵容器改為一次性杯子，密閉性由保鮮膜和橡皮筋實(shí)現(xiàn)，溫度控制由培養(yǎng)箱完成，菌種改為市售酸奶，學(xué)生可根據(jù)自己口味選擇酸奶種類(lèi)及加糖量。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生掌握了發(fā)酵工業(yè)的精髓——不斷優(yōu)化每個(gè)工藝流程，爭(zhēng)取產(chǎn)量最大化、產(chǎn)物最優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還給學(xué)生展示了華東理工大學(xué)國(guó)家生化工程技術(shù)研究中心發(fā)酵罐及其配套設(shè)備的圖片，在視覺(jué)上給予學(xué)生更加強(qiáng)烈的沖擊，有學(xué)生當(dāng)即表示很喜歡發(fā)酵這一由反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的神奇過(guò)程。

酸奶經(jīng)過(guò)24 h發(fā)酵后，每位學(xué)生按要求完成一份感官評(píng)價(jià)表，從色、香、味的角度評(píng)價(jià)發(fā)酵后的酸奶，并且通過(guò)最簡(jiǎn)單的pH測(cè)定計(jì)算產(chǎn)酸速率，讓學(xué)生有意識(shí)地通過(guò)參數(shù)檢測(cè)判斷發(fā)酵終點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的感官評(píng)價(jià)，就是通過(guò)品嘗的方式給予學(xué)生必要的嘗試和體驗(yàn)，讓味蕾刺激加深其印象。

2.3植物切花保鮮——?jiǎng)?chuàng)新性

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了植物切花保鮮，從什么是切花及為什么要進(jìn)行切花保鮮、切花衰老的原因、如何進(jìn)行切花保鮮、保鮮效果的鑒定及凋謝生成物質(zhì)的鑒定、實(shí)驗(yàn)對(duì)植物生理學(xué)學(xué)習(xí)的啟發(fā)、實(shí)驗(yàn)對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的啟發(fā)、生活中的切花保鮮等問(wèn)題出發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入切花的世界開(kāi)始一場(chǎng)漂亮的衰老對(duì)抗賽。學(xué)生由人及花，爭(zhēng)相發(fā)表自己的看法，有同學(xué)提出了水分和能量物質(zhì)的重要之處，有同學(xué)認(rèn)為乙烯的產(chǎn)生促使植物加快成熟，是導(dǎo)致其衰老的主要原因，還有同學(xué)提出微生物污染是花朵腐敗的主要因素之一[9-10]。切花衰老的原因及對(duì)策如表1所示。實(shí)驗(yàn)課老師給出了康乃馨保鮮液的配方：2 mmol/L銀離子，5%蔗糖，100 mg/L 8-羥基喹啉，200 mg/L檸檬酸，100 mg/L外源激素6-BA。該配方又引出了新一輪的思考，如：配方中的每樣物質(zhì)分別起什么作用？為什么用檸檬酸而不用其他酸調(diào)節(jié)pH？為什么不用葡萄糖而用蔗糖作能源物質(zhì)？保鮮液成本與鮮花成本的比例分別是多少，如何達(dá)到較低的總成本和更好的保鮮效果？個(gè)別學(xué)生由本次康乃馨保鮮想到了其他名貴花種的保鮮，并從中發(fā)現(xiàn)商機(jī)；研發(fā)成本低且效果好的保鮮液，可作為畢業(yè)后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的內(nèi)容，在促成自身就業(yè)的前提下帶動(dòng)就業(yè)，實(shí)現(xiàn)自我的同時(shí)為社會(huì)盡綿薄之力。

表1 切花衰老的原因及對(duì)策

2.4微生物作畫(huà)大賽——趣味性

微生物是一類(lèi)普遍存在的生物，它存在于空氣、水、土壤等自然環(huán)境中，存在于人體的皮膚、口腔、消化道等部位，既是人類(lèi)的朋友，也是人類(lèi)的敵人。微生物學(xué)是生物類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課，有必要在學(xué)生入學(xué)之初進(jìn)行初步介紹[11]。大賽利用微生物菌落豐富的顏色及微生物生長(zhǎng)從肉眼不可見(jiàn)到肉眼可見(jiàn)的直觀(guān)視覺(jué)效果，結(jié)合以接種針模擬畫(huà)筆的新奇之處，設(shè)計(jì)了該實(shí)驗(yàn)。講解先從微生物的定義開(kāi)始，到目鏡、低倍鏡、高倍鏡、油鏡的使用、視野的尋找、用后清理等。隨后介紹了微生物的分類(lèi)及特點(diǎn)，如：細(xì)菌最小，長(zhǎng)得最快，有臭味，有球狀、桿狀、螺旋狀；放線(xiàn)菌較大、絲狀、有土腥味；酵母菌橢圓形、有酒香味；霉菌絲狀、有霉味。之后介紹了不同微生物的食物及接種方式、培養(yǎng)方式，特別是實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基在成分和pH上的特殊之處——既要滿(mǎn)足白色的啤酒酵母、紅色的紅酵母的生長(zhǎng)需求，又要滿(mǎn)足黃色的四聯(lián)球菌的生長(zhǎng)需求。學(xué)生盡情發(fā)揮想象力設(shè)計(jì)圖案，培養(yǎng)結(jié)果如圖2所示：左上為Hello kitty圖案；右上為一只抓著胡蘿卜的小兔子圖案，紅色（兔子的眼睛、耳朵及胡蘿卜）的點(diǎn)綴讓這只兔子更加栩栩如生；左下為花朵圖案；右下為華東理工大學(xué)校徽?qǐng)D案。

圖2 微生物作畫(huà)大賽作品

實(shí)驗(yàn)完成之后，引導(dǎo)學(xué)生就剛才的操作進(jìn)行新一輪的思考，如：微生物有顏色嗎？微生物會(huì)游泳嗎？微生物如何吃東西？微生物的家在哪里？冰箱里有微生物嗎？微生物是好還是壞？每張紙幣帶多少微生物？人體體表及體內(nèi)存在多少微生物？老師在逐一解答疑問(wèn)的同時(shí)也引導(dǎo)學(xué)生思考這些問(wèn)題中的關(guān)鍵因素，當(dāng)然學(xué)生的疑問(wèn)也直接表明了其在這種課堂形式下的收獲。

3 認(rèn)知實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的意義

3.1 加深學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)的了解

認(rèn)知實(shí)驗(yàn)是在大一新生對(duì)專(zhuān)業(yè)不了解的基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的。就4次實(shí)驗(yàn)課的課堂氣氛和學(xué)生提問(wèn)問(wèn)題的方向來(lái)講，學(xué)生對(duì)生物工程、生物技術(shù)、生物科學(xué)專(zhuān)業(yè)的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行了了解，也通過(guò)動(dòng)腦思考、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)加深了對(duì)專(zhuān)業(yè)的了解，并培養(yǎng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，為大學(xué)生活開(kāi)了好頭。

3.2 提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的工作能力

俗話(huà)說(shuō)，實(shí)踐出真知。高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員目前的工作狀態(tài)多數(shù)傾向于按照傳統(tǒng)工作內(nèi)容及工作方式定位自身價(jià)值，設(shè)計(jì)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)表明他們能夠積極關(guān)注當(dāng)前學(xué)生狀況及專(zhuān)業(yè)課程安排情況，主動(dòng)服務(wù)大一學(xué)生這個(gè)特殊群體，在此過(guò)程中不僅提高了自身工作能力，也提升了自身價(jià)值。類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)思路在以后的工作中，在其他高校及實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的工作中，還可以得到深入的思考和運(yùn)用。

3.3 提高實(shí)驗(yàn)室使用效率

如何提高實(shí)驗(yàn)室及儀器的使用效率，使教學(xué)資源得到充分使用，是每一個(gè)實(shí)驗(yàn)室管理者及實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員都在思考的問(wèn)題。文中所述認(rèn)知實(shí)驗(yàn)均選擇周五下午開(kāi)展，一是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間是學(xué)生短學(xué)期自由學(xué)習(xí)的時(shí)間，學(xué)校不會(huì)安排其他教學(xué)內(nèi)容；二是因?yàn)閷W(xué)校不在這個(gè)時(shí)間安排常規(guī)實(shí)驗(yàn)課程，那么利用這個(gè)時(shí)間段開(kāi)設(shè)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)則提高了實(shí)驗(yàn)室的使用效率。

4 結(jié)語(yǔ)

選取的人類(lèi)ABO血型測(cè)定、酸奶的制作、植物切花保鮮、微生物作畫(huà)大賽4個(gè)實(shí)驗(yàn)，均與專(zhuān)業(yè)相關(guān)，分別從知識(shí)性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性、趣味性4個(gè)方向出發(fā)，為新生開(kāi)展，有針對(duì)性地引導(dǎo)了學(xué)生的思路，有效地幫助學(xué)生了解專(zhuān)業(yè)內(nèi)容、認(rèn)識(shí)專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)；學(xué)生可結(jié)合自身興趣，為未來(lái)發(fā)展方向提前進(jìn)行自我定位。該類(lèi)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展也在一定程度上提高了生物工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的利用率，提升了實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)水平，為更好地服務(wù)學(xué)生的本科實(shí)驗(yàn)添磚加瓦。