河南科技大學“植物生理學綜合性實驗”課程開設探討

河南科技大學“植物生理學綜合性實驗”課程開設探討摘要為了克服傳統(tǒng)本科生實驗教學中學生對實驗過程理解不全面、動手和思考分析能力提升不足的缺陷，河南科技大學特開展為期一周的植物生理學綜合性實驗課程。實驗教學采用啟發(fā)式教學，通過設置一系列涵蓋植物生長、物質(zhì)代謝和抗性生理等內(nèi)容的實驗，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，調(diào)動學生的積極性，盡可能讓學生獨立完成實驗過程。實施結(jié)果表明，植物生理學綜合性實驗課程既能提高學生分析問題和解決問題的能力，又能培養(yǎng)學生的探索精神。關(guān)鍵詞植物生理學；綜合性實驗；啟發(fā)式教學;實驗教學1.11.1方案設計植物生理學綜合性實驗是在完成了植物生理學理植物生理學是研究植物生命活動規(guī)律的科學，隨著科學研究的飛速發(fā)展，植物生理學的內(nèi)容也日益豐富，涵蓋了植物的生長發(fā)育與形態(tài)建成、物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)化、信息傳遞和信號轉(zhuǎn)導等多個方面。植物生理學的教學上承基礎(chǔ)知識下啟專業(yè)課的相關(guān)知識⑴，是農(nóng)林類高等院校農(nóng)學、生物科學及生物技術(shù)等多個專業(yè)的必修課程，是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，學好植物生理學對學生將來的科學研究非常重要。同時植物生理學又是一門實驗性很強的學科，學生在學好理論課的同時如何通過實驗課程進一步加深學生對理論課程內(nèi)容的理解、增強學生的動手能力、培養(yǎng)學生勤于思考和善于思考的能力尤為關(guān)鍵[24]O傳統(tǒng)植物生理學實驗往往由于實驗室及教學時間等的限制，很多相關(guān)的實驗內(nèi)容都是由老師提前準備好，學生上課只是機械地操作，學生的積極性和主動性得不到發(fā)揮⑸。植物生理學綜合性實驗是我們針對傳統(tǒng)實驗教學的弊端，在本校開展的一門綜合性實驗項目，綜合性實驗要求學生們在一周的時間內(nèi)在固定的實驗室完成一系列的實驗，盡可能地讓學生體驗到真正的科研過程。植物生理學綜合性實驗集植物生理學課程的綜合知識和相關(guān)實驗技術(shù)于一體，內(nèi)容主要涵蓋植物生長生理、代謝生理及抗性生理，目的是使學生在掌握植物生理學研究的基本技能和方法，學會植物生理學研究相關(guān)儀器設備的正確操作方法的基礎(chǔ)上，進一步培養(yǎng)學生動手能力和科學思維能力，訓練學生客觀地對實驗結(jié)果進行觀察、比較、分析和綜合的能力，提高學生的創(chuàng)新意識、合作精神和解決實際問題等研究型學習的能力。課程的開展取得了良好的效果，學生普遍反映效果好，在促進學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課程設計要點論與實驗教學后開展進行的，學生已經(jīng)具備了一定的實驗能力，基本掌握了常規(guī)儀器的操作。針對實驗時間的不確定性，為確保學生有足夠的時間進行思考和重復實驗等，綜合性實驗不再局限于傳統(tǒng)的實驗教學，集中一周的時間展開各個實驗項目，允許實驗失敗并針對失敗原因進行重復。植物生理學的開設時間一般是大學二年級第一學期，學生學過相應的基礎(chǔ)性課程，但專業(yè)課大部分尚未開設，學生對專業(yè)知識的理解和掌握還非常有限，實驗的設計不能太過于復雜，要以學生能充分理解原理、同時密切結(jié)合植物生理學理論內(nèi)容的基礎(chǔ)上展開。綜合性實驗首先以材料準備和試劑配制起始，后續(xù)主要是各種生理生化指標的測定和分析。內(nèi)容主要包括種子生活力的快速測定和種子發(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。由于時間的限制，實驗材料一般選擇生產(chǎn)中常見、生長迅速、容易栽培、同時學生都熟悉的植物種類，如小麥、玉米、水稻等作為實驗材料，可以培養(yǎng)學生對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及專業(yè)的興趣。將學生分成若干小組，每組4~5人，每個小組選出小組長1名，負責整體協(xié)調(diào)實驗進程，同時在實驗結(jié)束后對整體實驗進行總結(jié)分析。以組為單位進行材料的培養(yǎng)、溶液的配制及具體實驗指標的測定。為了提高實驗的成功率，傳統(tǒng)的實驗教學模式一般采用講授結(jié)合演示的方法，具體的實驗原理、步驟、結(jié)果計算都詳細講解，同時實驗中需要用到的試劑、耗材及材料都是老師提前準備并分配到每一小組，學生只需要按照步驟操作即可，而實際實驗前期的準備工作非常重要，如實驗試劑的配制、實驗材料及耗材的準備等會直接影響實驗結(jié)果，傳統(tǒng)實驗跨過這些重要步驟而直接進入實驗操作環(huán)節(jié)大大增加了學生對老師的依賴性，學生參與實驗的程度遠遠不夠，導致學生只是機械性地操作，對實驗缺乏自己的理解和思考，印象不深同時效果也大打折扣。為了使學生更深切地體會現(xiàn)實中的實驗過程，我們在綜合性實驗中采用啟發(fā)式教學模式⑹，對具體的實驗步驟不再詳細講解，在每天的實驗開展前，首先提出幾個問題，讓學生帶著問題進行實驗，提高學生的積極性和主動性。實驗中遇到問題不是直接給予解答，而是多問幾個為什么，讓學生帶著問題去查閱文獻，思考解決的辦法。如在植物組織中可溶性蛋白質(zhì)含量的測定實驗中可提問“如果在實驗過程中考馬斯亮藍沾到手上會出現(xiàn)什么現(xiàn)象，請分析是什么原因？”學生們在分析問題的同時也會聯(lián)想到實驗過程中要注意不要將試劑沾到手上或皮膚上，增加實驗操作的安全性。同時針對各個小組的數(shù)據(jù)的不同，要求學生們分析最終結(jié)果差異的可能原因，使學生們能夠全面理順實驗過程，進一步加深對實驗的理解和掌握。1.2方案實施1.2.1材料培養(yǎng)和試劑配制實驗中選用小麥作為實驗材料，各個小組獨立準備實驗材料，后期所有實驗指標的測定都需要使用各自培養(yǎng)的材料，這就要求學生們在前期的準備階段就必須高度重視，有助于培養(yǎng)學生認真實驗的態(tài)度。試劑配制同樣是實驗成功的關(guān)鍵因素，只有試劑配制正確才可能得到科學合理的結(jié)果。學生按照試劑配制要求配制實驗中所需要的試劑。實驗中需要的試劑種類較多，共涉及幾十種試劑的配制，全部都由學生獨立配制完成。在配制試劑的過程中，學生們需要全面了解試劑的計算配制方法，如濃度計算中有的是計算摩爾濃度，有的是計算重量體積比，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定中用到的氮藍四唑等試劑需要避光保存，有些試劑需要低溫保存，讓學生們了解試劑的性質(zhì)及保存條件，用完后及時放歸原處，配好的試劑要標明濃度、名稱及配制時間等信息，養(yǎng)成良好的實驗習慣。同時實驗中所需要的各種耗材器皿統(tǒng)一放置到規(guī)定位置，需要各個小組獨立解決，合理分配，用完的器皿要求按規(guī)定清洗后放歸原處，這些都需要學生獨立思考解決，合理分工，充分體驗到實驗不是簡單地按步操作，實驗前的準備工作及實驗后的整理工作同樣重要，學生們之間加強了交流，增強了團隊合作意識。1.2.2實驗指標的測定在實驗的過程中，學生不僅要理解實驗的基本原理，還要熟練掌握實驗步驟，這樣才可能獲得合理的實驗指標。要求學生在做的過程中仔細觀察，遇到問題及時解決。實驗中的事項如試劑配制、實驗現(xiàn)象、操作步驟及實驗中的注意事項等都可以隨時記錄到實驗記錄本。實驗記錄本要體現(xiàn)記錄的即時性，記錄本必須隨時記錄。每天實驗結(jié)束后統(tǒng)一檢查記錄情況，督促學生養(yǎng)成記錄的好習慣。實驗中涉及到多種儀器的使用，如水浴鍋、電子天平、高速離心機和分光光度計等常規(guī)儀器。學生需掌握儀器的正確使用方法才可能得到正確的實驗數(shù)據(jù)。學生在操作離心機及分光光度計等儀器時，老師可在一旁觀察并及時指導，糾正學生們的錯誤操作。實驗過程中的安全問題同樣尤為重要。如使用水浴鍋時要注意提醒學生避免高溫燙傷，使用離心機時注意配平再離心等，安全問題無小事，將一切危險因素消滅在萌芽狀態(tài)。此外，實驗中用到的一些試劑可能會有一定的危險性，如可溶性總糖含量的測定中需要用到濃硫酸，需要學生們明確配制方法，避免危險的發(fā)生。整個實驗過程中，老師可在實驗室內(nèi)不時巡視，及時發(fā)現(xiàn)問題，確保學生實驗過程中的安全。1.3結(jié)果分析實驗完成后要求學生獨立撰寫實驗報告，對實驗結(jié)果進行深入的分析。不同于基因克隆等分子生物學實驗，植物生理學綜合性實驗涉及的實驗都需要進行結(jié)果的計算與分析，要求學生在實驗結(jié)束后及時進行計算與分析。學生不僅要知道如何計算，更要理解為什么要這樣計算。很多植物生理學實驗都涉及到酶活性和代謝物含量的測定，在最終計算時一定要深刻理解每一步計算公式的推導過程和含義，這樣才能正確地將各個數(shù)據(jù)代入公式，在以后的實驗中才可以根據(jù)實驗體系靈活運用。實驗結(jié)果固然重要，但針對結(jié)果的進一步分析更為重要，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)比較也可使學生明確數(shù)據(jù)分析的重要性，同時要求學生根據(jù)最終數(shù)據(jù)作圖進行比較，進一步鍛煉學生數(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，要求學生根據(jù)實驗的具體操作過程分析差異產(chǎn)生的原因，在時間充足的前提下可以再次重復實驗以進一步驗證排除干擾因素。1.4討論與總結(jié)1.4.1討論每天實驗結(jié)束后，組織學生根據(jù)實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象和問題進行討論，由學生總結(jié)實驗現(xiàn)象和可能出現(xiàn)的問題，引導學生根據(jù)實驗現(xiàn)象查閱相關(guān)文獻，理解實驗現(xiàn)象的生物學本質(zhì)，讓學生學會思考問題和解決問題。各個小組的實驗數(shù)據(jù)可能不盡相同，甚至差別較大，學生們要深入討論測定數(shù)據(jù)差異化的原因，根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)可能影響實驗結(jié)果的可能因素，使學生們明白實驗操作的重要性。同時使學生們明白植物生理學實驗數(shù)據(jù)科學分析的重要性及數(shù)據(jù)的合理性，真實的實驗數(shù)據(jù)有時可能由于實驗操作等原因?qū)е抡`差太大，故而也不完全是正確的。1.4.2總結(jié)實驗切忌盲目推進，每做完一個實驗，要求學生針對實驗中的各種問題及時總結(jié)，找出實驗中的不足或失敗原因，這樣才能在后續(xù)的實驗中盡量避免，不斷完善個人操作等實驗技能?？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，更要求學生針對個人的操作及儀器的使用等進行總結(jié)，找出操作中的不足，總結(jié)儀器使用的注意事項；同時從整體考慮小組在整個實驗過程中的人員協(xié)調(diào)及實驗設計等方面的缺陷，讓學生不僅真正掌握植物生理的研究思路方法，加深學生對植物生理理論的理解，更進一步體會團隊合作以及實驗設計的重要性。1.5實驗報告撰寫不同于實驗記錄本的隨時記錄，考慮到學生們實驗時間相對比較緊張，盡可能使學生們的時間用在實驗上，實驗報告不要求每天整理，可以在實驗全部結(jié)束后統(tǒng)一整理，有助于學生再次理順思路，回顧實驗，分析問題，找出不足。同時實驗報告還需附一份個人的心得體會，學生們可以對整體的實驗設計提出個人的建議，對綜合性實驗的教學模式提出建設性意見及個人的收獲等。2課程實施效果植物生理學綜合性實驗的開展對于學生的動手能力、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。在整個綜合性實驗實施過程中，學生通過獨立進行材料培養(yǎng)、試劑配制、耗材及器皿的準備、實驗操作及數(shù)據(jù)整理分析等過程切身體會科研實驗的全過程，充分體現(xiàn)了以學生為主體的教學理念。在這個過程中，教師主要起啟發(fā)、引導和監(jiān)督的作用，對實驗過程中出現(xiàn)的問題與學生進行互動交流，調(diào)動學生的積極性，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，在一周的時間內(nèi)讓學生全身心參與到整個實驗過程中。結(jié)合植物生理學綜合性實驗，可以進一步加深學生對植物生理學理論知識的理解，實驗前后銜接也使學生明白各個實驗內(nèi)容不是相互獨立的，而是緊密聯(lián)系在一起，對于學生綜合理解理論知識、前后貫通所學內(nèi)容有很大的幫助，增加了學生對本專業(yè)的學習興趣。積極性，讓