林學(xué)學(xué)科“植物逆境生理生態(tài)”研究生課程教學(xué)改革
——以甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)為例

種培芳 單立山 黃海霞 蘇世平 馬彥軍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，蘭州 730070)

逆境是指植物生存發(fā)育過程中存在的各種不良環(huán)境因素，包括低/高溫、干旱、洪澇、鹽堿、強光，重金屬以及熱脅迫等非生物因素和病蟲害等。近年來，隨著大氣CO2濃度的升高、溫室效應(yīng)、極端降水、環(huán)境污染等現(xiàn)象對全球生態(tài)系統(tǒng)影響的日益加劇，使得這些逆境已成為植物生長發(fā)育的主要限制因素。因此，研究逆境和植物之間的關(guān)系對于人類應(yīng)對全球氣候變化具有一定的指導(dǎo)意義。在此背景下，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院自2016年開始，在研究生人才培養(yǎng)方案中增設(shè)了“植物逆境生理生態(tài)”課程，主要研究惡劣的生物和非生物因子等不利生境對植物生長活動的影響，以及植物有機體如何通過各種措施來抵御或適應(yīng)不利生境。

一、“植物逆境生理生態(tài)”研究生課程教學(xué)特點

(一)課程教學(xué)內(nèi)容豐富

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)學(xué)科研究生的專業(yè)方向主要包括林木遺傳育種、森林培育、森林保護學(xué)、野生動植物保護與利用、園林植物與觀賞園藝和水土保持與荒漠化防治、林業(yè)和風(fēng)景園林等。這些專業(yè)方向的研究對象都與植物有關(guān)，研究內(nèi)容大多與影響植物生長及生理的高溫、干旱、洪澇、鹽堿、強光、重金屬以及熱脅迫等各種逆境現(xiàn)象有密切關(guān)系[1]。所以“植物逆境生理生態(tài)”課程在研究生課程體系中占有較為重要的位置，成為林學(xué)學(xué)科林木遺傳育種、森林培育、水土保持與荒漠化防治等專業(yè)的學(xué)術(shù)碩士研究生學(xué)位課程和林業(yè)專業(yè)碩士研究生的選修課程。林學(xué)學(xué)科的學(xué)術(shù)碩士研究生人數(shù)每年在30人左右，而林業(yè)專業(yè)碩士研究生每年也有近20余人選擇這個課程，以筆者教授的“植物逆境生理生態(tài)”課程為例，每次上課人數(shù)多達50余人?；谶x課研究生不同的專業(yè)背景，在授課內(nèi)容上必須考慮到每個專業(yè)的特點，因此筆者在設(shè)置課程教學(xué)內(nèi)容時涉及了逆境與森林植物、經(jīng)濟林植物、園林植物、荒漠植物等多種類型植物的關(guān)系，課程教學(xué)內(nèi)容較為豐富，信息量較大。

(二)課程內(nèi)容與相關(guān)學(xué)科課程知識的交叉較多

林學(xué)學(xué)科的“植物逆境生理生態(tài)”課程教學(xué)內(nèi)容與植物學(xué)、生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、遺傳育種學(xué)、土壤學(xué)以及分子學(xué)等多個學(xué)科知識息息相關(guān)[2]。其課程教學(xué)主要是圍繞林學(xué)學(xué)科各專業(yè)所涉及的植物在西北地區(qū)典型的干旱、鹽堿、強光及重金屬污染等各種逆境下的生長情況展開，具有與多學(xué)科知識相交叉的特點。

(三)課程教學(xué)具有較強的實踐性

“植物逆境生理生態(tài)”課程主要介紹了林木逆境生理生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，最新技術(shù)，林木干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬污染響應(yīng)及抗逆機制，氣體交換和葉綠素?zé)晒庠诹帜灸婢成砩鷳B(tài)研究中的應(yīng)用，林木代謝物質(zhì)和滲透調(diào)節(jié)物及其與植物抗逆性的關(guān)系及應(yīng)用案例分析等內(nèi)容。而干旱、高溫、鹽堿、重金屬污染等逆境環(huán)境是林業(yè)生產(chǎn)實踐中經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，如何減少或減輕逆境對林木的傷害是課程教學(xué)的重要內(nèi)容。學(xué)生只有結(jié)合區(qū)域位置和地方特色，通過大量的生產(chǎn)實踐，才能了解植物在逆境條件下的生理反應(yīng)、探索植物生態(tài)機制，找到逆境下植物生長的方法，因此課程教學(xué)具有較強的實踐性。

二、“植物逆境生理生態(tài)”研究生課程教學(xué)存在的問題

(一)課程教學(xué)學(xué)時偏少

“植物逆境生理生態(tài)”課程僅有36學(xué)時，但教學(xué)卻涉及了水分脅迫、鹽脅迫、溫度、光照、化感作用、重金屬等多方面內(nèi)容，加之相關(guān)學(xué)科知識的交叉滲透，使得課程教學(xué)內(nèi)容也在不斷更新和豐富，但課時并沒有隨之增加。同時，來自不同專業(yè)的研究生在本科期間所學(xué)課程不同，部分學(xué)生并沒有接觸過“植物逆境生理生態(tài)”的前期基礎(chǔ)課程知識，因此學(xué)時少及前期基礎(chǔ)課程知識的缺乏無形中加大了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度和教師的教學(xué)難度。

(二)缺乏實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

目前“植物逆境生理生態(tài)”研究生課程教學(xué)中存在著重理論、輕實踐的傾向，雖然教學(xué)也結(jié)合了一些實際事例，但是缺少系統(tǒng)性，導(dǎo)致學(xué)生的知識應(yīng)用能力較低，影響了課程教學(xué)效果。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的缺乏，使研究生只能被動接受知識，不具備獨立研究的能力和創(chuàng)新能力，也無法解決生產(chǎn)實際問題，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

(三)師資力量薄弱

自從“植物逆境生理生態(tài)”課程開課以來，學(xué)院僅有2名教師承擔(dān)教學(xué)任務(wù)。盡管這2名教師投入了極大的精力，但終因力量薄弱、專業(yè)背景單一等問題，使課程教學(xué)無法滿足學(xué)生對知識的需求，也達不到最佳的教學(xué)效果。

三、“植物逆境生理生態(tài)”研究生課程教學(xué)改革的措施

(一)優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

改革前，“植物逆境生理生態(tài)”課程教學(xué)重點介紹的是逆境的概念和類型、逆境對植物生理特性的影響、化感作用、植物毒素、病原菌、光損害、多胺和脯氨酸代謝等內(nèi)容[3]。但是隨著全球氣候的變化，大氣CO2濃度的升高、降水格局變化及工業(yè)化程度加劇等對林木的生理生長的影響越來越嚴(yán)重，尤其是林木和這些逆境之間的相互關(guān)系逐漸成為當(dāng)前研究的熱點。因此原有的教學(xué)內(nèi)容已不適應(yīng)當(dāng)今全球氣候變化的趨勢，對課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化勢在必行。

首先，針對甘肅省地處西北內(nèi)陸區(qū)，環(huán)境條件相對惡劣，干旱、極端溫度、高輻射、高鹽堿、環(huán)境污染等許多逆境均會對林木產(chǎn)生危害的現(xiàn)狀，結(jié)合全球氣候變化導(dǎo)致這些逆境出現(xiàn)的頻率及脅迫的程度越來越大以及強降水、高溫、霜凍、旱害及地下水位降低等生態(tài)環(huán)境問題，學(xué)院對課程教學(xué)內(nèi)容進行了優(yōu)化，重新修訂了課程教學(xué)大綱，將國內(nèi)外有關(guān)植物逆境的最新研究動態(tài)以及現(xiàn)代植物逆境生理生態(tài)的研究方法等融入課程教學(xué)內(nèi)容。同時，重點介紹了各種環(huán)境因子包括水分、鹽份、溫度、光照、CO2濃度、風(fēng)沙、病蟲害等不斷變化下的植物生物生理變化和生態(tài)適應(yīng)性。這些內(nèi)容的革新在幫助學(xué)生用所學(xué)知識解決實際問題方面具有一定的優(yōu)勢。此外，筆者還將植物逆境的最新研究方法補充進課程教學(xué)，例如干旱脅迫的研究方法原來采取的是田間直接鑒定方法、盆栽法、干旱棚法，在此的基礎(chǔ)上，筆者又介紹了人工智能氣候室法和PEG等化學(xué)藥劑模擬的干旱法。學(xué)生對植物逆境研究方法有了充分的了解，可以在后期開展干旱實驗時運用多種方法，得出更精準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)。

(二)實施案例教學(xué)

為了讓學(xué)生能充分掌握課程知識，筆者在課程教學(xué)中實施了案例教學(xué)。案例教學(xué)又稱“蘇式教學(xué)法”，最早由古希臘哲學(xué)家蘇格拉底提出的[4]，是一種以討論問題的方式開展教學(xué)的方法。

1.教學(xué)案例的選擇

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院教師根據(jù)自己的學(xué)科方向和研究領(lǐng)域，對多種植物開展了逆境生理生態(tài)的研究，如荒漠植物紅砂和白刺、經(jīng)濟林植物核桃和枸杞、園林觀賞植物牡丹和河北楊等。這些研究成果為“植物逆境生理生態(tài)”課程教學(xué)儲備了大量的資料。任課教師將這些研究成果通過收集匯總和整理，編制成典型教學(xué)案例，并逐步建立起課程教學(xué)案例庫，為案例教學(xué)的實施奠定了基礎(chǔ)。

教師在進行課程教學(xué)案例的選擇時應(yīng)遵循由簡單到復(fù)雜，由綜合到專業(yè)的原則。既可以將一個完整的案例分割成多個子案例，由整體到部分進行案例教學(xué)，也可以先選擇一些綜合性案例，再結(jié)合自己的研究方向進行案例教學(xué)?！爸参锬婢成砩鷳B(tài)”的教學(xué)案例分為兩大類，一是以綜合性理論為主的案例，二是以具體專業(yè)知識為主的案例。以綜合性理論為主的教學(xué)案例的選擇要考慮學(xué)生的不同專業(yè)背景和研究方向，案例應(yīng)以綜述或總結(jié)性為主，重點介紹有關(guān)植物逆境的研究熱點、研究前沿、研究動態(tài)等。這類教學(xué)案例多以植物逆境生理生態(tài)重大發(fā)現(xiàn)或突破為主，如有關(guān)植物抗旱性研究進展、抗污染研究進展等案例，涵蓋了目前的新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)，如抗旱逆境蛋白的發(fā)現(xiàn)、抗旱基因的測序等。選擇這類教學(xué)案例的目的是幫助學(xué)生在了解前人所做工作的基礎(chǔ)上，掌握當(dāng)前學(xué)科研究的前沿動態(tài)。以具體專業(yè)知識為主的教學(xué)案例的選擇要考慮到每個學(xué)生不同的專業(yè)背景和研究方向，將西北常出現(xiàn)的逆境環(huán)境和常見栽培林木作為對象，具體介紹干旱、鹽堿、溫度等逆境的處理方法。每一個教學(xué)案例都要圍繞一個主體而設(shè)定，并可以衍生出幾個相關(guān)的小案例。最后將這些案例整理成冊，可以作為學(xué)生后期的畢業(yè)設(shè)計的參考資料。

2.案例教學(xué)的組織實施

案例教學(xué)是圍繞一定的教學(xué)目標(biāo)，以學(xué)生為中心、以案例為基礎(chǔ)、以模擬創(chuàng)新為突破口，將理論方法與實踐技能緊密結(jié)合起來，最終達到提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。與傳統(tǒng)教學(xué)法相比，案例教學(xué)法具有靈活、應(yīng)用性強、能快速提升學(xué)生動手能力的特點。以干旱逆境案例為例，筆者在實施案例教學(xué)的前1周，先把這個教學(xué)案例發(fā)給學(xué)生，使學(xué)生了解案例的詳情，并要求學(xué)生在課前查閱有關(guān)干旱逆境研究的最新文獻，為課堂討論作好前期準(zhǔn)備；在課上，筆者先介紹了有關(guān)干旱逆境脅迫對植物影響的理論內(nèi)容，之后對教學(xué)案例進行了詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上提出問題，例如“同一個生理指標(biāo)在不同的植物上是否都可以作為抗旱鑒定指標(biāo)，原因是什么”等，之后組織學(xué)生開展課堂討論。筆者將學(xué)生分組，3～4名學(xué)生為一小組，學(xué)生以小組為單位對問題進行討論，尋找問題的答案。在討論過程中，教師應(yīng)進行適當(dāng)指導(dǎo)；討論結(jié)束后，各小組匯報本組討論結(jié)果，并開展學(xué)生自評、互評和教師點評等活動。教師根據(jù)各個小組的討論意見和結(jié)果進行總結(jié)，并將好的建設(shè)性意見歸納補充到案例中，以提升案例教學(xué)的理論水平。通過案例教學(xué)，學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容非常關(guān)注，并會主動查詢有關(guān)植物逆境的最新研究動態(tài)，與教師一起使教學(xué)案例的建設(shè)始終處于更新狀態(tài)。

案例教學(xué)的實施，使學(xué)生對干旱脅迫下的西北地區(qū)林木的現(xiàn)狀有了清楚的認(rèn)識，對植物逆境的最新研究成果以及未來研究的方向或熱點問題都有了一定的了解，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍認(rèn)為教學(xué)案例內(nèi)容與學(xué)生專業(yè)的相關(guān)性可達到97%，對學(xué)生科研創(chuàng)新的啟發(fā)性可達到92%。

(三)構(gòu)建課程教學(xué)團隊

由于“植物逆境生理生態(tài)”課程教學(xué)內(nèi)容與許多相關(guān)學(xué)科知識有著密切交叉，所以需要構(gòu)建一支具有學(xué)科背景深厚、教學(xué)經(jīng)驗豐富、職稱層次較高的課程教學(xué)團隊，幫助學(xué)生深入理解和掌握課程知識，培養(yǎng)學(xué)生具備綜合實踐能力。目前甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院教師針對植物類型的研究可以分為水土保持和荒漠化防治植物、經(jīng)濟林植物、園林觀賞植物、森林植物等；在逆境類型方面的研究主要以西北地區(qū)典型的環(huán)境為主，包括干旱脅迫、鹽堿脅迫、寒害、大氣污染、CO2濃度升高、紫外線輻射、病蟲害等方面；在生物研究方向上涉及了分子、細(xì)胞、個體、群體水平等幾個方面；在植物生理研究方向上包含了水分、光合、滲透調(diào)節(jié)、抗氧化酶、逆境蛋白、核酸等。可以說，林學(xué)院教師的研究方向及內(nèi)容較為廣泛而豐富，所以“植物逆境生理生態(tài)”課程教學(xué)可以充分利用學(xué)院教師的研究成果，豐富課堂教學(xué)，提升教學(xué)效果。此外，學(xué)院還聘請林木遺傳育種、水土保持、森林培育等研究方向的教師以專題講座的方式，將自己在植物逆境生理生態(tài)方面的研究成果分享給研究生。由多學(xué)科、多研究方向教師組成的教學(xué)團隊開展課程教學(xué)，不僅豐富了課程教學(xué)內(nèi)容，而且學(xué)生可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容與任課教師開展討論和交流，極大地提升了學(xué)生解決林木生產(chǎn)和林業(yè)建設(shè)中的實際問題的能力。

四、“植物逆境生理生態(tài)”研究生課程教學(xué)改革的效果

(一)有助于學(xué)生構(gòu)建完整的課程知識體系

逆境和植物之間的關(guān)系是本課程研究的重點。通過教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和案例教學(xué)的實施，使學(xué)生充分了解了課程教學(xué)研究的對象是什么，并對植物用途、植物類型以及對逆境的適應(yīng)性等有所掌握。例如，植物材料類型包括荒漠植物紅砂、沙拐棗、白刺、裸果木、胡頹子；經(jīng)濟林植物類型有枸杞、黑果枸杞、核桃、油橄欖、花椒；觀賞植物類型有牡丹、鼠尾草、風(fēng)箱果、錦帶、金葉女貞等。研究的對象主要包括種子、幼苗、成株等；研究的部位包括葉片、枝條、根系等；研究指標(biāo)主要包括植物水勢、植物含水量、自由水、束縛水、光合速率、蒸騰速率、水分利用效率、葉綠素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性糖蛋白等；逆境程度包括輕度、中度和重度等。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生構(gòu)建了完善的課程知識框架。森林培育專業(yè)的一位學(xué)生的畢業(yè)論文“模擬CO2濃度升高及降雨量變化對荒漠植物紅砂的生理特性研究”就是通過這門課程的學(xué)習(xí)，選擇了荒漠植物紅砂為研究對象，通過人為控制CO2和水分的處理方式對幼苗進行了根、莖、葉等生理指標(biāo)的研究，從而分析出CO2濃度升高及降雨量對紅砂生理變化的調(diào)控機制。

(二)提升了課程教學(xué)效果

“植物逆境生理生態(tài)”課程教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考的能力、創(chuàng)新能力、科研能力、團隊協(xié)作精神，達到了應(yīng)有的教學(xué)目的，尤其是學(xué)生的課程考試成績較以往有大幅度提高，平均成績由2018年的75.4分提高到2019年的83.6分；學(xué)生的實驗設(shè)計能力也有一定的提升，學(xué)生能根據(jù)教學(xué)案例合理制定自己的研究方案，減少了實驗的失敗率。