“植物生理學(xué)實驗”課程創(chuàng)新教學(xué)模式探討

林鈺涓 于曉章 李艷紅 梁延鵬 董堃

[摘 要] 植物生理學(xué)是研究植物修復(fù)技術(shù)必不可少的一門基礎(chǔ)學(xué)科，因其課程內(nèi)容多、課時量少，所以無法充分體現(xiàn)其在環(huán)境類專業(yè)人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面的重要性。在傳統(tǒng)的“植物生理學(xué)實驗”課程實際教學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境類專業(yè)環(huán)境毒理學(xué)方向研究生的實際需求，重新制定教學(xué)大綱，優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容，使其更適用于環(huán)境類研究生的實際需求。此外，在實驗中引入案例式教學(xué)法、啟發(fā)式教學(xué)法及翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，同時在全教學(xué)過程中融入思想政治教育元素，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和科研能力。

[關(guān)鍵詞] 植物生理學(xué);教學(xué)方法改革;創(chuàng)新思維

[基金項目] 2018年度教育部“新工科”研究與實踐項目“新工科背景下的地方高校環(huán)境類專業(yè)多方協(xié)同育人模式改革與實踐”（教高廳函〔2018〕17號）

[作者簡介] 林鈺涓（1990—），女，廣西岑溪人，博士，桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院實驗師，主要從事環(huán)境毒理學(xué)研究;于曉章（1966—），男，新疆烏魯木齊人，博士，桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要從事有毒污染物的植物逆境生理學(xué)和環(huán)境毒理學(xué)研究;李艷紅（1975—），女，湖南漣源人，博士，桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究員/副院長，主要從事水處理生物技術(shù)與環(huán)境毒理學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）03-0061-04 [收稿日期] 2021-06-05

植物生理學(xué)是一門研究植物生命活動與環(huán)境相互作用關(guān)系的科學(xué)，涉及植物的物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)換和生長發(fā)育等生理過程。植物的不同生理變化反映不同的外界環(huán)境對植物的毒性作用，這對研究植物的逆境生理響應(yīng)具有重要作用，因此植物生理學(xué)在環(huán)境毒理學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用。近年來，植物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是污染治理領(lǐng)域的“綠色革命”，其核心技術(shù)是利用植物的吸收和代謝功能將介質(zhì)中的有毒或有害物質(zhì)進行分解、富集和固定的過程，這其中涉及很多植物生理過程?！爸参锷韺W(xué)實驗”是研究不同環(huán)境污染條件下的植物應(yīng)答機制的重要基礎(chǔ)。目前，“植物生理學(xué)實驗”教學(xué)更多地是為生物技術(shù)、生物科學(xué)、農(nóng)學(xué)、植物保護、煙草、茶學(xué)、園藝、園林等專業(yè)服務(wù)[1-3]，而其在資源與環(huán)境、環(huán)境科學(xué)等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中尚未得到足夠重視。近年來，環(huán)境毒理學(xué)是環(huán)境類專業(yè)的重要研究方向，主要研究范疇包括環(huán)境污染物對植物、微生物和動物等的危害，而植物生理學(xué)是環(huán)境毒理學(xué)研究方向的一門重要課程。因此，本文針對環(huán)境類專業(yè)的特點探討創(chuàng)新的教學(xué)模式和合適的教學(xué)內(nèi)容，通過對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程思政等方面進行改革和探討，旨在滿足研究生的實驗需求，幫助研究生盡快開展課題，提高科研效率。此外，創(chuàng)新性思維是當(dāng)下學(xué)生亟待掌握的能力，本課程著力于在日常教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和科研能力。

一、課程內(nèi)容的選擇

污染物與植物毒理響應(yīng)機制的研究多涉及光合作用、能量代謝、植物呼吸、植物水分吸收與利用、礦物質(zhì)營養(yǎng)運輸與利用、生長發(fā)育和抗逆性等生理過程[4，5]?，F(xiàn)有的植物生理學(xué)實驗教材包含的實驗項目極為廣泛，有些實驗項目在環(huán)境科學(xué)專業(yè)的適用性較低。因而，本文針對環(huán)境科學(xué)的專業(yè)特點，選擇7個適合該專業(yè)研究生的實驗教學(xué)內(nèi)容，精簡課程內(nèi)容使其更具針對性和實用性，同時通過教學(xué)方法改革以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和培養(yǎng)其創(chuàng)新性思維。選擇的課程內(nèi)容如下。

（一）植物的細(xì)胞生理

本章節(jié)分配2個實驗教學(xué)課時，選擇“植物細(xì)胞的活體染色與細(xì)胞死活的鑒定”和“植物染色體熒光原位雜交”兩個實驗。這兩個實驗教學(xué)內(nèi)容，不僅適用于觀察植物細(xì)胞在不同環(huán)境污染物下的細(xì)胞生理變化，還適用于微生物毒理學(xué)研究方向的實驗需求，從細(xì)胞和分子水平評估污染物對植物體內(nèi)部的影響。

（二）植物的水分生理

在環(huán)境毒理學(xué)研究范疇，植物的蒸騰速率和水分利用率的變化是最主要的毒理響應(yīng)，也是衡量污染物對植物的毒理效應(yīng)大小的常用指標(biāo)，適用于絕大多數(shù)污染物的植物毒理效應(yīng)研究，因此本章節(jié)選取“植物的蒸騰速率測定”和“水分利用率測定”實驗進行教學(xué)。

（三）植物的礦質(zhì)營養(yǎng)

污染物不僅影響植物細(xì)胞活性，還會通過影響植物根系的生長發(fā)育從而影響根系對營養(yǎng)元素的吸收，因此本章節(jié)選擇“植物根系活力的測定”和“鈣、鐵、鉀、鎂、鈉、磷、鋅、氮等元素的測定”這兩個實驗內(nèi)容進行教學(xué)。植物根系活力測定內(nèi)容涉及植物組織染色、研磨、脫色和比色等實驗操作技能，簡單易上手，有助于培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗操作能力和規(guī)范化訓(xùn)練。植物礦質(zhì)營養(yǎng)元素測定實驗涉及的實驗過程較為復(fù)雜，可進一步加深學(xué)生對植物生理學(xué)實驗的掌握。

（四）植物的光合與呼吸作用

本章節(jié)選擇“葉綠素的提取與測定”和“丙酮酸激酶活力的測定”實驗，引領(lǐng)學(xué)生探討不同污染物對植物光合作用和呼吸作用的影響。葉綠素是衡量植物光合作用的重要指標(biāo)之一，該實驗根據(jù)葉綠體色素提取液對可見光譜的吸收，根據(jù)不同色素的吸收峰的差異，選擇不同的波長測定其吸光度，最后根據(jù)公式計算出各色素的含量，培養(yǎng)學(xué)生各方面的動手能力和計算能力。丙酮酸激酶是呼吸作用糖酵解過程的限速酶，該酶活性可采用偶聯(lián)法、丙酮酸比色法等多種不同的方法進行測定，可鍛煉學(xué)生的實驗條件優(yōu)化與選擇的能力。

（五）植物激素

植物激素包括吲哚乙酸、茉莉酸、脫落酸、赤霉素、細(xì)胞分裂素、乙烯等，是植物中重要的信號分子，在植物生長發(fā)育和逆境脅迫應(yīng)答中起重要調(diào)控作用。植物激素的測定一般采樣高效液相色譜法和酶聯(lián)免疫吸附法測定。植物激素的提取和純化是決定實驗成敗的關(guān)鍵。因此，本章節(jié)主要講授“植物激素的提取與分離”“酶聯(lián)免疫吸附法測定植物激素含量”和“吲哚乙酸和細(xì)胞分裂素含量的測定（高效液相色譜法）”實驗內(nèi)容。

（六）植物生長發(fā)育

植物組織培養(yǎng)的基本技術(shù)和植物細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)是植物生理實驗不可或缺的基本技術(shù)，也是重要的前處理技術(shù)，為分子生物學(xué)實驗的開展培養(yǎng)重要基礎(chǔ)。環(huán)境毒理學(xué)研究方向通常需要采用分子生物學(xué)實驗進行毒理作用的分子機制研究，這兩項實驗是流式細(xì)胞術(shù)、蛋白質(zhì)免疫印跡實驗最基礎(chǔ)的步驟。

（七）植物的逆境生理

本章節(jié)選擇“植物體內(nèi)游離脯氨酸含量的測定”“植物組織中丙二醛含量的測定”“苯丙氨酸解氨酶活性的測定”和“植物超氧陰離子自由基含量的測定”，這些生理指標(biāo)均能反映植物的抗逆性，是植物逆境生理必測的指標(biāo)，這幾個實驗對于每一步反應(yīng)要求時間把握準(zhǔn)確、實驗操作誤差較小，才能保證結(jié)果的有效性。

綜上，本課程每章節(jié)2個課時，總共設(shè)置16個課時，在很大程度上簡化了植物生理學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容，遵循從簡單到復(fù)雜的教學(xué)模式，使教學(xué)目的更為明確、有針對性。

二、教學(xué)模式的改革

近年來，國家新工科建設(shè)及國家社會與環(huán)境事業(yè)發(fā)展的新常態(tài)對環(huán)境類人才培養(yǎng)提出了新的要求。新工科背景下的高校教育旨在培養(yǎng)一批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程技術(shù)人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭力提供人才支撐。環(huán)境類專業(yè)屬于交叉型、綜合型學(xué)科，傳統(tǒng)教學(xué)方式已無法滿足信息時代對人才建設(shè)的要求，因而以培養(yǎng)新工科人才為目標(biāo)的教學(xué)方法改革是當(dāng)下的必然產(chǎn)物。案例式、啟發(fā)式和翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式能有效激發(fā)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力，有利于學(xué)生對重點難點知識的掌握。因此，“植物生理學(xué)實驗”教學(xué)改革方法主要從以下方面進行。

（一）案例式教學(xué)

研究生學(xué)習(xí)植物生理學(xué)實驗主要是為了日后的研究課題做知識儲備，不僅僅要學(xué)會實驗操作，還需要在實驗設(shè)計過程中不斷創(chuàng)新，不同的植物在測相同指標(biāo)時實驗條件、反應(yīng)體系、干擾排除等均需要學(xué)生做進一步的調(diào)整和改進，因此在本課程實驗教學(xué)中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研能力。案例式教學(xué)法是一種基于實際問題解決流程進行教學(xué)的方法，最早被哈佛大學(xué)使用和推廣，其宗旨在于引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實際案例領(lǐng)悟課本知識，這種教學(xué)方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新能力。本課程的案例式教學(xué)具體措施包括：（1）教師布置5～6個研究課題，其中包括不同的植物（如水稻、小麥、油菜等）測量同一個指標(biāo)或者實驗（如植物細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)），讓學(xué)生根據(jù)不同的實驗材料優(yōu)化調(diào)整適合不同實驗材料測定的方法;（2）學(xué)生根據(jù)選題，4～5個人組建一個小組，在課前采用互聯(lián)網(wǎng)手段獲取文獻、相關(guān)書籍和視頻等資料，優(yōu)化現(xiàn)有的實驗方法和前處理過程;（3）學(xué)生采用分組討論的方式，與小組成員討論試驗方法可能存在的缺點及實驗方法改進的可行性，最終確定適合他們各自不同實驗體系的條件，在課上與主講老師討論，并在課后驗證改進實驗方法的可靠性和準(zhǔn)確性;（4）學(xué)生以PPT等形式匯報實驗結(jié)果，不同小組總結(jié)和分享實驗結(jié)果，以進一步提升團隊協(xié)作能力。

（二）啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式教學(xué)指教師針對某些知識點對學(xué)生進行啟發(fā)，讓學(xué)生在獨立思考的過程中掌握學(xué)習(xí)的方法、認(rèn)同社會價值理念，創(chuàng)新自身的思維模式，其重要任務(wù)是通過教師引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和想象能力。在講到各章節(jié)時，讓學(xué)生通過查閱文獻和相關(guān)書籍，總結(jié)與本章節(jié)相關(guān)的其他生理指標(biāo)。比如植物的逆境生理章節(jié)，除了游離脯氨酸含量、丙二醛含量、苯丙氨酸解氨酶活性和超氧離子自由基含量以外，過氧化氫的含量和電解質(zhì)滲漏率也是反映植物逆境生理的重要指標(biāo)，可引導(dǎo)學(xué)生找出更多的反映逆境生理的指標(biāo)，并結(jié)合自己的研究方向選擇適合研究主題的實驗項目，用以說明他們擬解決的科學(xué)問題，鍛煉學(xué)生的實驗設(shè)計能力。在這個過程中，如對原有試驗方法進行了改良和創(chuàng)新，則鼓勵學(xué)生進一步細(xì)化試驗步驟和條件，為后期申請專利做準(zhǔn)備。這不僅可以鍛煉學(xué)生的文獻信息收集能力，還能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，提高學(xué)生的科研能力。

（三）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

翻轉(zhuǎn)課堂指教師提前錄制視頻，通過網(wǎng)絡(luò)平臺給學(xué)生發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生課前學(xué)習(xí)，課堂中針對課前學(xué)習(xí)中存在的問題，學(xué)生與教師一起探討解決，這種授課模式可大大提高授課效率，增加學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和興趣[6]?！爸参锷韺W(xué)實驗”操作煩瑣復(fù)雜，在課上講授太多實驗細(xì)節(jié)會影響課程進度，因此可通過錄制微課供學(xué)生課前學(xué)習(xí)主要的知識點、實驗操作注意事項，以提交實驗效率，課堂內(nèi)學(xué)生有更多時間進行實驗探索和方法改進。如植物染色體熒光原位雜交實驗，教師提前在網(wǎng)上搜集視頻資料、錄制講解視頻，供學(xué)生課前學(xué)習(xí)，不僅可以保證實驗課時，還能提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

（四）課程思政

《教育部高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出，建設(shè)高水平人才培養(yǎng)體系，必須將思想政治工作體系貫通其中，必須抓好課程思政建設(shè)，解決好專業(yè)教育和思政教育“兩張皮”問題。課程思政是以課程為載體，以立德樹人為根本，充分挖掘蘊含在專業(yè)知識中的德育元素，將德育滲透、貫穿到各類課教學(xué)的全過程，促進學(xué)生全面發(fā)展。課程思政不僅是當(dāng)前思想政治教育的重要部分，而且能有效促進專業(yè)知識的教學(xué)，兩者相輔相成。“植物生理學(xué)實驗”課程思政元素可從多方面挖掘，如：在課程前言部分，結(jié)合教師在環(huán)境科學(xué)和環(huán)境毒理學(xué)的研究中所需要用到的植物生理學(xué)知識，以及其在日?？蒲兄械闹匾?，讓學(xué)生了解學(xué)習(xí)本課程的目的;講到“植物的光合作用”內(nèi)容時，引用全球變暖、低碳出行、海綿城市的作用、生態(tài)文明理念等思想政治教育元素，讓學(xué)生了解植物光合作用與CO2的關(guān)系，以及日常生活中如何保護生態(tài)環(huán)境的做法，有助于學(xué)生提升自身的使命感和歸屬感;講到“植物的逆境生理”內(nèi)容時，可通過文獻中的例子，講解植物的逆境生理能反映哪些科學(xué)問題，以啟發(fā)學(xué)生環(huán)境毒理的科研思路;在整個實驗課程教學(xué)中，使用危險化學(xué)品試劑、涉及危險操作過程時，及時對學(xué)生進行實驗室安全管理教育，避免發(fā)生嚴(yán)重的實驗事故。

根據(jù)環(huán)境科學(xué)類專業(yè)的特色選擇教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方式，有助于更好地解決“植物生理學(xué)實驗”教學(xué)內(nèi)容多、課時少及學(xué)習(xí)積極性低等問題。教師在選擇教學(xué)內(nèi)容時應(yīng)充分考慮專業(yè)特色，鼓勵學(xué)生開放性選擇感興趣的實驗項目，在不同的授課內(nèi)容多角度融入思想政治教育元素，通過實驗教學(xué)內(nèi)容更新和教學(xué)方法改革，充分發(fā)揮教師和學(xué)生的主觀能動性，全面提升學(xué)生的創(chuàng)新性思維和科研能力。

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Discussion on the Innovative Teaching Model of Plant Physiology Experiment Course： A Model Applicable to Graduate Students Majoring in Environment

LIN Yu-Juan， YU Xiao-zhang， LI Yan-hong， LIANG Yan-peng， DONG Kun

（College of Environmental Science and Engineering， Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology for Science and Education Combined with Science and Technology Innovation Base， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004， China）

Abstract： Plant physiology is an essential subject for studying phytoremediation technology. Because of its large course content and less class hours， it cannot fully reflect the importance of cultivating the innovative ability of environmental professionals. Based on the traditional teaching of Plant Physiology Experiment Course， and combined with the actual needs of environmental toxicology graduate students， we have reformulated the syllabus and optimized the experiment teaching content to make it more suitable for the actual needs of environmental graduate students. In addition， the case-based teaching method， heuristic teaching method and flipped classroom teaching model are introduced in this course. At the same time， ideological and political elements are also incorporated in the whole teaching process to stimulate students’ interest in learning and cultivate students’ innovative thinking and scientific research ability.

Key words： plant physiology; teaching method reform; innovative thinking