植物生理學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)與實(shí)踐

閆小紅 吳琴玉 周 兵 胡文海 李曉紅

（1井岡山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西 吉安 343009；2吉安縣第三中學(xué)，江西 吉安 343199）

植物生理學(xué)是生物類、農(nóng)學(xué)類及林學(xué)類等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，是研究植物生命活動(dòng)規(guī)律及其與環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)，一般包括光合作用、植物代謝、植物呼吸、植物水分生理以及植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)等方面內(nèi)容，其任務(wù)是研究和了解植物在各種環(huán)境條件下進(jìn)行生命活動(dòng)的規(guī)律和機(jī)制，并將研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中[1]。植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)是其課堂理論的延續(xù)和深化，相較理論教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)具有直觀性、趣味性等特點(diǎn)，學(xué)生對(duì)知識(shí)更容易掌握與接受[2-4]。高校開設(shè)的植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)還存在一些需要完善的地方，比如教學(xué)方法靈活性，教學(xué)內(nèi)容多樣性，教學(xué)項(xiàng)目設(shè)置合理性，系統(tǒng)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占比較大，綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)較少，考核方式多樣化等方面[5-6]。為此，相關(guān)教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了一系列的教學(xué)改革，有基于學(xué)生創(chuàng)新能力、科研能力和綜合能力等方面的探索[5，7-8]。李璐等[5]將考核設(shè)置為基本實(shí)驗(yàn)技能考核、綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰己撕蛣?chuàng)新性實(shí)驗(yàn)技能考核3個(gè)方面的內(nèi)容，積極發(fā)揮課程考核杠桿作用，提高學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。還有基于教學(xué)方法[9-10]、考核體系[6，11]，以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)方面的改革[12-13]。

傳統(tǒng)的植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)依據(jù)理論課程的知識(shí)設(shè)置了8個(gè)方面的內(nèi)容，包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、演示性實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生具有一定的基本知識(shí)和基本技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多方面的知識(shí)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合型實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究、合作精神、自我發(fā)展和學(xué)習(xí)意識(shí)及能力[14]。光合作用是植物的重要生理功能之一，也是植物生理學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容之一，包括光反應(yīng)、暗反應(yīng)兩個(gè)階段，涉及光吸收、電子傳遞、光合磷酸化和碳同化等重要反應(yīng)步驟[1]。如何讓學(xué)生通過課堂理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)快速、牢固地掌握相關(guān)知識(shí)一直是教育工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，部分實(shí)驗(yàn)之間存在連續(xù)性和關(guān)聯(lián)性，可以將原來的驗(yàn)證性或演示性實(shí)驗(yàn)調(diào)整為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，一方面可以有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，另一方面也可提高課時(shí)效率。為此，本研究以“葉綠素a、b含量測(cè)定”和“植物光合強(qiáng)度的測(cè)定”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例進(jìn)行改進(jìn)實(shí)踐，將“葉綠素a、b含量測(cè)定”和“植物光合強(qiáng)度的測(cè)定”整合成一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，探討葉綠素含量與植物光合強(qiáng)度的關(guān)系，以及不同光環(huán)境條件下，葉綠素a、b 與植物光合作用之間的關(guān)系，不僅可以讓學(xué)生更好地掌握植物光合作用的理論知識(shí)，而且對(duì)于提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)及科學(xué)創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改革提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)

1.1 植物材料的選擇

由授課教師引導(dǎo)，學(xué)生設(shè)計(jì)整理實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)分析討論后確定植物材料。充分考慮到學(xué)生課程多、學(xué)習(xí)任務(wù)重等因素，選取校園內(nèi)自然生長(zhǎng)的野生或綠化植物為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)班級(jí)所有學(xué)生進(jìn)行分組，以4～6 人為一組，一個(gè)班級(jí)學(xué)生可分為6～8 組，每組在校園內(nèi)自選生長(zhǎng)基本一致、沒有病蟲害為害的健康植物材料若干，并選擇在兩種不同光環(huán)境條件下生長(zhǎng)的植株，隨機(jī)選取同種植物不同植株相同部位的葉片進(jìn)行光合作用強(qiáng)度和葉綠素含量的測(cè)定。

1.2 光合作用強(qiáng)度的測(cè)定

之前的光合作用強(qiáng)度測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法常為改良半葉法，由于其準(zhǔn)確性不高等因素，這一方法在實(shí)際的科研實(shí)驗(yàn)中基本不再使用。為此，本次光合作用強(qiáng)度測(cè)定改進(jìn)為光合作用測(cè)定系統(tǒng)法，利用LI-6400XT 便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)進(jìn)行光合作用相關(guān)指標(biāo)參數(shù)的測(cè)定，并通過測(cè)定光合光響應(yīng)曲線來確定植物的光合作用強(qiáng)度。

1.3 葉綠素含量的測(cè)定

之前葉綠素含量測(cè)定主要是測(cè)定單位鮮重葉片中的葉綠素含量，提取方法為加入丙酮進(jìn)行研磨，該方法存在一定的局限性。丙酮的揮發(fā)性大，研磨處理加速了丙酮的揮發(fā)，單位鮮重研磨損失較大，造成的誤差相對(duì)較大，同時(shí)，揮發(fā)性物質(zhì)丙酮對(duì)人體皮膚和呼吸道也會(huì)產(chǎn)生損傷。為此，葉綠素含量測(cè)定調(diào)整為測(cè)定單位葉面積葉綠素含量，研磨法調(diào)整為浸泡法，將采集的葉片剪碎后，置于有蓋的離心管內(nèi)，用定量丙酮黑暗處浸提24 h，待葉片發(fā)白即可測(cè)定，丙酮浸提液溶液澄清，不需要進(jìn)行離心，可直接吸取其浸提液進(jìn)行葉綠素a、b 含量的測(cè)定，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，降低了誤差，減少了丙酮揮發(fā)對(duì)人體的傷害，并且通過測(cè)定單位葉面積葉綠素含量，再結(jié)合測(cè)定的光合光響應(yīng)曲線，可以進(jìn)一步理解單位葉面積葉綠素含量與光合作用強(qiáng)度之間的關(guān)系，揭示植物的光合作用機(jī)制。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

2.1 數(shù)據(jù)的處理

在以往的實(shí)驗(yàn)中，獲得的數(shù)據(jù)一般未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，只是對(duì)所獲得結(jié)果的數(shù)據(jù)大小進(jìn)行比較和描述，為了提高學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和分析能力，理解數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析在生物學(xué)研究中的重要性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)，要求每組測(cè)定葉綠素含量和光合光響應(yīng)曲線至少3次重復(fù)，并利用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 光合光響應(yīng)曲線的擬合及相關(guān)光合參數(shù)的計(jì)算

本次光合作用強(qiáng)度測(cè)定采用光合作用測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定的方法進(jìn)行，測(cè)定后要利用相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行光合光響應(yīng)曲線擬合，以獲得最大凈光合速率（Pmax）、飽和光強(qiáng)（PARsat）等參數(shù)。利用Ye 等[15]光合作用對(duì)光響應(yīng)的機(jī)理模型（由模型建立者葉子飄博士提供，模型的計(jì)算軟件網(wǎng)頁版（http：//photosynthetic.sinaapp.com/index.html））擬合光合光響應(yīng)曲線，依據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算出Pmax和PARsat等光合指標(biāo)，并以此為依據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果分析討論植物光合作用強(qiáng)度的高低。

2.3 不同光環(huán)境條件下葉綠素a、b含量的差異分析

本次實(shí)驗(yàn)改變了以往只單純測(cè)定葉片葉綠素a、b 含量的方式，增加了不同光環(huán)境條件下葉片葉綠素a、b含量的測(cè)定以及葉綠素a、b比值的計(jì)算，以此來反映葉綠素a、b 含量與不同光環(huán)境之間的關(guān)系，并結(jié)合光合光響應(yīng)曲線及光合參數(shù)，來判斷不同光環(huán)境條件下光合作用強(qiáng)度和葉綠素含量之間的關(guān)系，以便更好地理解植物的光合作用。

2.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的改進(jìn)

本次實(shí)驗(yàn)報(bào)告采用科技論文的形式進(jìn)行撰寫，包括標(biāo)題、作者、摘要、關(guān)鍵詞、前言、材料與方法、結(jié)果與分析、結(jié)論與討論以及參考文獻(xiàn)等，幫助學(xué)生掌握科技論文撰寫的基本要求，提升學(xué)生科技論文的寫作水平，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。

3 效果評(píng)價(jià)分析

3.1 辦公軟件的使用

在本次實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生利用Microsoft Excel軟件結(jié)合SPSS 22.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，利用Microsoft Word 對(duì)論文進(jìn)行撰寫，可以進(jìn)一步熟練使用Office等辦公軟件。指導(dǎo)老師對(duì)小論文進(jìn)行了修改，重點(diǎn)講述科技論文的寫作方法和寫作的規(guī)范性等，學(xué)生積極性較高，其間會(huì)提出問題并與老師展開討論，有效培養(yǎng)了學(xué)生的科研素養(yǎng)。

3.2 LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)的原理及使用方法

在本次實(shí)驗(yàn)中，教師講解了LI-6400XT 便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)的測(cè)定步驟、注意事項(xiàng)及原理，使學(xué)生知其然，也知其所以然，有助于進(jìn)一步理解植物的光合作用，并學(xué)會(huì)正確使用該儀器，能夠熟練測(cè)定植物的光合光響應(yīng)曲線。圖1為課堂上學(xué)生分組在野外對(duì)植物進(jìn)行光合作用測(cè)定。

圖1 校園內(nèi)植物光合作用的測(cè)量

3.3 光合光響應(yīng)曲線的擬合及光合參數(shù)計(jì)算

獲得數(shù)據(jù)后，要求學(xué)生利用測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行光合光響應(yīng)曲線的擬合，并依據(jù)公式計(jì)算相關(guān)光合參數(shù)。如圖2 所示，講解了光合光響應(yīng)曲線擬合軟件的使用和計(jì)算方法，并逐一進(jìn)行實(shí)操，提高了學(xué)生對(duì)軟件的操作熟練度。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，部分同學(xué)向老師提出了一些設(shè)想與心得體會(huì)，并想在自己的畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)及以后的科學(xué)研究中繼續(xù)使用光合測(cè)定系統(tǒng)。此次綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)提高了學(xué)生的科研和創(chuàng)新能力，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。

圖2 光合計(jì)算軟件的使用操作演示

3.4 統(tǒng)計(jì)分析軟件的使用

在本實(shí)驗(yàn)中，老師指導(dǎo)學(xué)生使用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，讓學(xué)生走出數(shù)據(jù)分析的誤區(qū)，理解并不是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的大小比較，就可以得出兩者之間是否有差異，而是采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行差異分析，以此準(zhǔn)確判斷數(shù)據(jù)之間差異是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。通過本次綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生掌握了單因素方差分析以及成對(duì)或獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法。

3.5 團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也是本課程的課程目標(biāo)之一。本次實(shí)驗(yàn)采取分組進(jìn)行，學(xué)生在進(jìn)行野外測(cè)量時(shí)，由于儀器少，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)定程序相對(duì)較復(fù)雜，如何合理安排，明確分工對(duì)實(shí)驗(yàn)的有序有效進(jìn)行至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)過程中各組成員分工明確具體，確保整個(gè)班級(jí)實(shí)驗(yàn)有序進(jìn)行，在發(fā)揮各成員特長(zhǎng)的同時(shí)，充分體現(xiàn)出較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生之間的溝通與交流，培養(yǎng)了學(xué)生交際和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，形成自我發(fā)展和學(xué)習(xí)的意識(shí)及能力。

4 結(jié)語

植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)是高校生物類專業(yè)中的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置對(duì)于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)至關(guān)重要。堅(jiān)持立德樹人根本任務(wù)，基于OBE理念，本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)整合成綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性、科學(xué)性，讓學(xué)生了解了學(xué)科領(lǐng)域中相對(duì)領(lǐng)先的測(cè)定技術(shù)，有效地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、科研能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，對(duì)于植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升起到了很好的作用，今后可在實(shí)驗(yàn)考核方式等方面制定簡(jiǎn)便有效的評(píng)價(jià)機(jī)制，使課堂教學(xué)和考核方式有效結(jié)合，使學(xué)生能夠真正在植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)有所獲，學(xué)有所用。