河南科技大學(xué)“植物生理學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)”課程開設(shè)探討

胥華偉，王征宏，呂淑芳，趙杏利，郭麗麗，黃 華

（河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471000）

植物生理學(xué)是研究植物生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，隨著科學(xué)研究的飛速發(fā)展，植物生理學(xué)的內(nèi)容也日益豐富，涵蓋了植物的生長(zhǎng)發(fā)育與形態(tài)建成、物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化、信息傳遞和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等多個(gè)方面。植物生理學(xué)的教學(xué)上承基礎(chǔ)知識(shí)下啟專業(yè)課的相關(guān)知識(shí)［1］，是農(nóng)林類高等院校農(nóng)學(xué)、生物科學(xué)及生物技術(shù)等多個(gè)專業(yè)的必修課程，是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)好植物生理學(xué)對(duì)學(xué)生將來的科學(xué)研究非常重要。同時(shí)植物生理學(xué)又是一門實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生在學(xué)好理論課的同時(shí)如何通過實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)理論課程內(nèi)容的理解、增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、培養(yǎng)學(xué)生勤于思考和善于思考的能力尤為關(guān)鍵［2-4］。

傳統(tǒng)植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)往往由于實(shí)驗(yàn)室及教學(xué)時(shí)間等的限制，很多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是由老師提前準(zhǔn)備好，學(xué)生上課只是機(jī)械地操作，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性得不到發(fā)揮［5］。植物生理學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)是我們針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端，在本校開展的一門綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，綜合性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生們?cè)谝恢艿臅r(shí)間內(nèi)在固定的實(shí)驗(yàn)室完成一系列的實(shí)驗(yàn)，盡可能地讓學(xué)生體驗(yàn)到真正的科研過程。植物生理學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)集植物生理學(xué)課程的綜合知識(shí)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)于一體，內(nèi)容主要涵蓋植物生長(zhǎng)生理、代謝生理及抗性生理，目的是使學(xué)生在掌握植物生理學(xué)研究的基本技能和方法，學(xué)會(huì)植物生理學(xué)研究相關(guān)儀器設(shè)備的正確操作方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和科學(xué)思維能力，訓(xùn)練學(xué)生客觀地對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察、比較、分析和綜合的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、合作精神和解決實(shí)際問題等研究型學(xué)習(xí)的能力。課程的開展取得了良好的效果，學(xué)生普遍反映效果好，在促進(jìn)學(xué)生操作技能和科研素質(zhì)的提高方面取得了一定的效果。

1 課程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 方案設(shè)計(jì)

植物生理學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)是在完成了植物生理學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)后開展進(jìn)行的，學(xué)生已經(jīng)具備了一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，基本掌握了常?guī)儀器的操作。針對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不確定性，為確保學(xué)生有足夠的時(shí)間進(jìn)行思考和重復(fù)實(shí)驗(yàn)等，綜合性實(shí)驗(yàn)不再局限于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，集中一周的時(shí)間展開各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，允許實(shí)驗(yàn)失敗并針對(duì)失敗原因進(jìn)行重復(fù)。植物生理學(xué)的開設(shè)時(shí)間一般是大學(xué)二年級(jí)第一學(xué)期，學(xué)生學(xué)過相應(yīng)的基礎(chǔ)性課程，但專業(yè)課大部分尚未開設(shè)，學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握還非常有限，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不能太過于復(fù)雜，要以學(xué)生能充分理解原理、同時(shí)密切結(jié)合植物生理學(xué)理論內(nèi)容的基礎(chǔ)上展開。

綜合性實(shí)驗(yàn)首先以材料準(zhǔn)備和試劑配制起始，后續(xù)主要是各種生理生化指標(biāo)的測(cè)定和分析。內(nèi)容主要包括種子生活力的快速測(cè)定和種子發(fā)芽材料的培養(yǎng)、種子萌發(fā)過程中的碳氮代謝變化研究、鹽脅迫下植物的保護(hù)酶活性的變化和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化研究等。由于時(shí)間的限制，實(shí)驗(yàn)材料一般選擇生產(chǎn)中常見、生長(zhǎng)迅速、容易栽培、同時(shí)學(xué)生都熟悉的植物種類，如小麥、玉米、水稻等作為實(shí)驗(yàn)材料，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及專業(yè)的興趣。

將學(xué)生分成若干小組，每組4～5人，每個(gè)小組選出小組長(zhǎng)1 名，負(fù)責(zé)整體協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)整體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)分析。以組為單位進(jìn)行材料的培養(yǎng)、溶液的配制及具體實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定。

為了提高實(shí)驗(yàn)的成功率，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式一般采用講授結(jié)合演示的方法，具體的實(shí)驗(yàn)原理、步驟、結(jié)果計(jì)算都詳細(xì)講解，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中需要用到的試劑、耗材及材料都是老師提前準(zhǔn)備并分配到每一小組，學(xué)生只需要按照步驟操作即可，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作非常重要，如實(shí)驗(yàn)試劑的配制、實(shí)驗(yàn)材料及耗材的準(zhǔn)備等會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)跨過這些重要步驟而直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)大大增加了學(xué)生對(duì)老師的依賴性，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，導(dǎo)致學(xué)生只是機(jī)械性地操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)缺乏自己的理解和思考，印象不深同時(shí)效果也大打折扣。

為了使學(xué)生更深切地體會(huì)現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)過程，我們?cè)诰C合性實(shí)驗(yàn)中采用啟發(fā)式教學(xué)模式［6］，對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)步驟不再詳細(xì)講解，在每天的實(shí)驗(yàn)開展前，首先提出幾個(gè)問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)中遇到問題不是直接給予解答，而是多問幾個(gè)為什么，讓學(xué)生帶著問題去查閱文獻(xiàn)，思考解決的辦法。如在植物組織中可溶性蛋白質(zhì)含量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中可提問“如果在實(shí)驗(yàn)過程中考馬斯亮藍(lán)沾到手上會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象，請(qǐng)分析是什么原因？”學(xué)生們?cè)诜治鰡栴}的同時(shí)也會(huì)聯(lián)想到實(shí)驗(yàn)過程中要注意不要將試劑沾到手上或皮膚上，增加實(shí)驗(yàn)操作的安全性。同時(shí)針對(duì)各個(gè)小組的數(shù)據(jù)的不同，要求學(xué)生們分析最終結(jié)果差異的可能原因，使學(xué)生們能夠全面理順實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)一步加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和掌握。

1.2 方案實(shí)施

1.2.1 材料培養(yǎng)和試劑配制

實(shí)驗(yàn)中選用小麥作為實(shí)驗(yàn)材料，各個(gè)小組獨(dú)立準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料，后期所有實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定都需要使用各自培養(yǎng)的材料，這就要求學(xué)生們?cè)谇捌诘臏?zhǔn)備階段就必須高度重視，有助于培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真實(shí)驗(yàn)的態(tài)度。

試劑配制同樣是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素，只有試劑配制正確才可能得到科學(xué)合理的結(jié)果。學(xué)生按照試劑配制要求配制實(shí)驗(yàn)中所需要的試劑。實(shí)驗(yàn)中需要的試劑種類較多，共涉及幾十種試劑的配制，全部都由學(xué)生獨(dú)立配制完成。在配制試劑的過程中，學(xué)生們需要全面了解試劑的計(jì)算配制方法，如濃度計(jì)算中有的是計(jì)算摩爾濃度，有的是計(jì)算重量體積比，液體之間更多的是體積比。此外，有些試劑的配制需要加熱才能溶解，有的可能需要通過調(diào)pH 值才能溶解。配制好的試劑要合理保存，如超氧化物歧化酶活性測(cè)定中用到的氮藍(lán)四唑等試劑需要避光保存，有些試劑需要低溫保存，讓學(xué)生們了解試劑的性質(zhì)及保存條件，用完后及時(shí)放歸原處，配好的試劑要標(biāo)明濃度、名稱及配制時(shí)間等信息，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中所需要的各種耗材器皿統(tǒng)一放置到規(guī)定位置，需要各個(gè)小組獨(dú)立解決，合理分配，用完的器皿要求按規(guī)定清洗后放歸原處，這些都需要學(xué)生獨(dú)立思考解決，合理分工，充分體驗(yàn)到實(shí)驗(yàn)不是簡(jiǎn)單地按步操作，實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作及實(shí)驗(yàn)后的整理工作同樣重要，學(xué)生們之間加強(qiáng)了交流，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

在實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生不僅要理解實(shí)驗(yàn)的基本原理，還要熟練掌握實(shí)驗(yàn)步驟，這樣才可能獲得合理的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。要求學(xué)生在做的過程中仔細(xì)觀察，遇到問題及時(shí)解決。實(shí)驗(yàn)中的事項(xiàng)如試劑配制、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作步驟及實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)等都可以隨時(shí)記錄到實(shí)驗(yàn)記錄本。實(shí)驗(yàn)記錄本要體現(xiàn)記錄的即時(shí)性，記錄本必須隨時(shí)記錄。每天實(shí)驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)一檢查記錄情況，督促學(xué)生養(yǎng)成記錄的好習(xí)慣。

實(shí)驗(yàn)中涉及到多種儀器的使用，如水浴鍋、電子天平、高速離心機(jī)和分光光度計(jì)等常規(guī)儀器。學(xué)生需掌握儀器的正確使用方法才可能得到正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生在操作離心機(jī)及分光光度計(jì)等儀器時(shí)，老師可在一旁觀察并及時(shí)指導(dǎo)，糾正學(xué)生們的錯(cuò)誤操作。

實(shí)驗(yàn)過程中的安全問題同樣尤為重要。如使用水浴鍋時(shí)要注意提醒學(xué)生避免高溫燙傷，使用離心機(jī)時(shí)注意配平再離心等，安全問題無小事，將一切危險(xiǎn)因素消滅在萌芽狀態(tài)。此外，實(shí)驗(yàn)中用到的一些試劑可能會(huì)有一定的危險(xiǎn)性，如可溶性總糖含量的測(cè)定中需要用到濃硫酸，需要學(xué)生們明確配制方法，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，老師可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不時(shí)巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，確保學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的安全。

1.3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)完成后要求學(xué)生獨(dú)立撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入的分析。不同于基因克隆等分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，植物生理學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)涉及的實(shí)驗(yàn)都需要進(jìn)行結(jié)果的計(jì)算與分析，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行計(jì)算與分析。學(xué)生不僅要知道如何計(jì)算，更要理解為什么要這樣計(jì)算。很多植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)都涉及到酶活性和代謝物含量的測(cè)定，在最終計(jì)算時(shí)一定要深刻理解每一步計(jì)算公式的推導(dǎo)過程和含義，這樣才能正確地將各個(gè)數(shù)據(jù)代入公式，在以后的實(shí)驗(yàn)中才可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)體系靈活運(yùn)用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果固然重要，但針對(duì)結(jié)果的進(jìn)一步分析更為重要，只有經(jīng)過分析比較才能明確結(jié)果是否正確和可靠，不同組之間的數(shù)據(jù)比較也可使學(xué)生明確數(shù)據(jù)分析的重要性，同時(shí)要求學(xué)生根據(jù)最終數(shù)據(jù)作圖進(jìn)行比較，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生數(shù)據(jù)分析及作圖的能力。如果數(shù)據(jù)與其他小組差異較大，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體操作過程分析差異產(chǎn)生的原因，在時(shí)間充足的前提下可以再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)以進(jìn)一步驗(yàn)證排除干擾因素。

1.4 討論與總結(jié)

1.4.1 討論

每天實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，組織學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象和問題進(jìn)行討論，由學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和可能出現(xiàn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象查閱相關(guān)文獻(xiàn)，理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的生物學(xué)本質(zhì)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)思考問題和解決問題。各個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可能不盡相同，甚至差別較大，學(xué)生們要深入討論測(cè)定數(shù)據(jù)差異化的原因，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能因素，使學(xué)生們明白實(shí)驗(yàn)操作的重要性。同時(shí)使學(xué)生們明白植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)分析的重要性及數(shù)據(jù)的合理性，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有時(shí)可能由于實(shí)驗(yàn)操作等原因?qū)е抡`差太大，故而也不完全是正確的。

1.4.2 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)切忌盲目推進(jìn)，每做完一個(gè)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)中的各種問題及時(shí)總結(jié)，找出實(shí)驗(yàn)中的不足或失敗原因，這樣才能在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中盡量避免，不斷完善個(gè)人操作等實(shí)驗(yàn)技能?？偨Y(jié)不僅僅包括討論部分涉及的數(shù)據(jù)分析方面的問題，更要求學(xué)生針對(duì)個(gè)人的操作及儀器的使用等進(jìn)行總結(jié)，找出操作中的不足，總結(jié)儀器使用的注意事項(xiàng)；同時(shí)從整體考慮小組在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的人員協(xié)調(diào)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面的缺陷，讓學(xué)生不僅真正掌握植物生理的研究思路方法，加深學(xué)生對(duì)植物生理理論的理解，更進(jìn)一步體會(huì)團(tuán)隊(duì)合作以及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要性。

1.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫

不同于實(shí)驗(yàn)記錄本的隨時(shí)記錄，考慮到學(xué)生們實(shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)比較緊張，盡可能使學(xué)生們的時(shí)間用在實(shí)驗(yàn)上，實(shí)驗(yàn)報(bào)告不要求每天整理，可以在實(shí)驗(yàn)全部結(jié)束后統(tǒng)一整理，有助于學(xué)生再次理順?biāo)悸罚仡檶?shí)驗(yàn)，分析問題，找出不足。同時(shí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告還需附一份個(gè)人的心得體會(huì)，學(xué)生們可以對(duì)整體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提出個(gè)人的建議，對(duì)綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式提出建設(shè)性意見及個(gè)人的收獲等。

2 課程實(shí)施效果

植物生理學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)的開展對(duì)于學(xué)生的動(dòng)手能力、思考能力及數(shù)據(jù)分析能力等科研素質(zhì)的提高是一次有益的探索。在整個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，學(xué)生通過獨(dú)立進(jìn)行材料培養(yǎng)、試劑配制、耗材及器皿的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)整理分析等過程切身體會(huì)科研實(shí)驗(yàn)的全過程，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教學(xué)理念。在這個(gè)過程中，教師主要起啟發(fā)、引導(dǎo)和監(jiān)督的作用，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，在一周的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生全身心參與到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中。結(jié)合植物生理學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)植物生理學(xué)理論知識(shí)的理解，實(shí)驗(yàn)前后銜接也使學(xué)生明白各個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不是相互獨(dú)立的，而是緊密聯(lián)系在一起，對(duì)于學(xué)生綜合理解理論知識(shí)、前后貫通所學(xué)內(nèi)容有很大的幫助，增加了學(xué)生對(duì)本專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。

植物生理學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)綜合了植物生理學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合生物統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等方面的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，以啟發(fā)式教學(xué)為主充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，讓學(xué)生獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)的整理分析并最終撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，為學(xué)生們提供了一個(gè)獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)及一個(gè)全方位的綜合實(shí)驗(yàn)技能提升平臺(tái)。植物生理學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)的開展，不僅可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力、分析問題和解決問題的能力，并進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)植物生理學(xué)綜合知識(shí)的理解掌握，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)研究興趣，為進(jìn)一步的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)和科研項(xiàng)目的開展奠定了基礎(chǔ)。