学科交叉与研学结合开展研究型实验的探索

许　华, 朱敏杰, 李志鹏

(北京师范大学 珠海分校 生物技术系, 广东 珠海　519087)



学科交叉与研学结合开展研究型实验的探索

许华, 朱敏杰, 李志鹏

(北京师范大学 珠海分校 生物技术系, 广东 珠海519087)

为了满足生物技术专业实验教学和创新需要,以教师科研课题为基础,根据生物化学实验与食品化学实验教学需要,设计了一项题为“两种鼠尾草耐NaCl胁迫能力及生理机制的比较研究”的研究型实验,要求学生利用课内和课外时间查阅文献、设计实验方案、测定实验指标,最终以学术论文的形式完成该研究型实验。教学效果显示,学生的学习主动性、研究能力、创新能力和综合素质得到了显著提高。

研究型实验; 学科交叉； 研-学结合

高校的实验教学一般包括3个层次,即基础实验、综合性实验和研究型实验[1-2]。为了加强学生创新研究能力培养,必须强化研究型教学的意识[3],转变教学方式,通过科研与教学互动,来推动创新型人才的培养[4-6]。同时,学科交叉已成为知识创新的时代特征,大学交叉学科的建设成为了培养创新人才的基本途径[7]。

我校生物技术专业的人才培养方向为食品安全与检测,生物化学实验和食品化学实验是学生的专业必修课。生物化学实验具有实践性强的特点[8],食品化学实验具有集综合性和技术性一体的特点[9]。多年来,这两门实验课单独开课、平行教学。学生通过两门实验课的学习后,虽然具备了较高的实验技能,但科学素养不高、研究能力和创新能力不强。为了培养学生的科学创新意识、提高学生的研究能力,对食品化学实验和生物化学实验进行了改革,将两门实验课进行交叉,并结合自己正在开展的科研课题,将研究型实验植入到教学活动中,取得了较好的教学效果。

1　教改思路的形成

我们选用的食品化学实验教材是“食品化学实验与习题”,食品叶绿素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游离氨基酸含量的测定是固定的实验教学项目。生物化学实验是自编的一套实验讲义,SOD、POD和CAT活性的测定是其固定的教学内容。我们承担一项研究不同鼠尾草植物抗逆性的课题,尝试通过比较胁迫条件下不同鼠尾草植物光合色素含量、渗透调节物质含量和保护酶活性的变化趋势,来评价不同鼠尾草植物的抗逆性,从而筛选出抗逆性较强的鼠尾草植物用于药用和园艺。

由于本专业的食品化学实验和生物化学实验的教学任务均由笔者承担,且两门实验课在同一学期开课。因此,将上述两门实验课的教学内容相结合并与现行的科研课题相联系,不仅可以通过两个学科的交叉来培养学生的综合素质和研究能力,而且可以将教师的科研课题植入到教学活动中达到以研促教的目的。于是,设计了一项研究型实验的教学方案见表1。

表1　研究型实验的教学方案

设计实验时主要考虑教学工作开展的可操作性、实验内容与科研工作的相关性、实验方法的科学性。

1.1教学工作开展的可操作性强

食品化学实验和生物化学实验两门实验课同一学期开课且均由笔者授课,只需对这两门实验课的教学进度进行适当调整,使上述实验项目的教学在4周内完成,便可以使学生掌握这些实验项目的测定方法和技术,为学生在后期开展鼠尾草植物的抗逆性研究奠定基础。而且,这4周的时间正好是鼠尾草NaCl胁迫处理所必需的处理时间,学生也可以利用这段时间对后期的研究工作进行充分的准备。

1.2实验内容与科研工作紧密相关

叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量不仅是评价食品品质、食品营养和食品风味的重要指标,同时也是植物重要的渗透调节物质,对于植物在胁迫环境下提高水分的吸收能力至关重要；SOD、POD和CAT是植物重要的保护酶,主要起到清除活性氧保护生物膜的作用。因此,在科研工作中上述指标一般作为植物品种抗逆性评价的重要参数。

1.3实验方法的科学性强

食品化学实验教材中,叶绿素含量的测定采用乙醇提取比色法,可溶性蛋白质含量的测定采用考马斯亮蓝G-250法,可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法,游离氨酸含量的测定采用酸性茚三酮比色法。生物化学实验讲义中,SOD活性测定采用氮蓝四唑光还原法,CAT活力测定采用高锰酸钾滴定法,POD活性测定采用愈创木酚法。这些实验方法基本上是众多学者在进行科学研究时所采用的方法,具有较强的科学性和普遍的认可度。

2　教学方案的实施

2.1设定题目

2014年2月,在食品化学实验课和生物化学实验课开课第1周,给学生设定了题为“两种鼠尾草耐NaCl胁迫能力及生理机制的比较研究”的研究课题,并将全班20人分成5个研究小组,每组4人,每组确定一名小组长,负责本小组研究工作的组织和协调工作。给学生提供了实验开展所需的仪器和试剂等,向学生简单介绍叶绿素、渗透调节物质(可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸)和保护酶(SOD、POD和CAT)与植物抗逆性之间的关系,并要求学生通过 “CNKI系列数据库”和“Springer数据库”查阅文献,了解国内外学者在植物抗逆性研究中的方法和结论等具体知识,并要求学生在第3周给出具体的实验设计方案,第4周布置两种鼠尾草的NaCl胁迫实验。

2.2确定实验方案

第2周周末,召集5名小组长,检查5个研究小组的工作进度,重点检查学生对所查阅文献的理解程度、对本研究的目的和意义的认识程度和初步研究思路,对学生的理解误区进行及时纠正。第3周周末召集小组长,检查每个研究小组的最终研究思路和实验方案,对研究方案进行最后的确定,主要包括NaCl浓度梯度的设置、实验处理重复次数以及NaCl胁迫的处理时间和处理次数。我们在此过程中主要起把关的作用,稍有失误将导致学生的实验设计出现问题从而使研究丧失科学性。

2.3提供实验条件

(1) 植物材料：美丽鼠尾草和贵州鼠尾草,由中国科学院上海辰山植物园提供。

(2) 栽培器皿、基质和温室：花盆和栽培基质购置于花卉市场,温室由学院提供。

(3) 仪器：高速冷冻离心机(5424R,德国Eppendor)、紫外-可见分光光度计(752型,上海精仪)、组织匀浆机、恒温水浴锅等。

(4) 试剂：考马斯亮蓝G-250、蒽酮、茚三酮、氮蓝四唑、愈创木酚法、高锰酸钾、30%过氧化氢、无水乙醇、丙酮、氯化钠等。

2.4布置实验

第4周周末,我们召集全班学生并指导学生布置实验,每个研究小组各自布置实验。由于大多数学生都没有栽培植物的经验,于是向学生示范了鼠尾草的栽培方法,以免因学生栽培方法不当而增加鼠尾草的死亡率,影响后期的研究工作。在布置实验的过程中,给学生讲授了每个处理设置重复的重要性、花盆随机排列的科学性。实验布置完毕后,要求学生每天观察并拍照记录每盆植株的外部形态,并进行日常的水分管理,讲授判断植物是否需要浇水的依据,强调每盆植物必须要同时等量浇水。

2.5预实验的开展

第5—第8周以美丽鼠尾草和贵州鼠尾草为实验材料,在食品化学实验课堂教学中训练叶绿素含量、可溶性糖、可溶性蛋白、游离氨基酸含量测定技术,在生物化学实验课堂教学训练SOD、POD和CAT活性测定技术。此教学过程不仅可以完成既定的教学任务,而且可以作为后期学生研究型实验的预实验阶段,为实验结果的准确性提供了重要的保障。在这段教学过程中,笔者综合各研究小组的实验现象和实验结果,与学生进行一起分析讨论后确定最适的测定条件见表2。在此过程中,主要起纠正错误的作用,以免因学生对实验某些步骤的理解偏差而导致实验操作的错误。同时,在这期间给学生讲授统计软件的使用方法、图表的制作方法和学术论文的写作方法,为学生后期的论文写作打下基础。

表2　最适度的测定条件

2.6研究型实验的开展

第9周学生对实验材料进行收获并保存于-70 ℃冰箱,一周内完成上述指标的测定。由于测定的指标较多,学生不可能在第9周的课堂上完成,必须利用课外时间开展实验,因此需要事先与实验室管理人员进行协商,延长实验室开放时间。各研究小组的小组长要对研究工作进行科学分工并协调好组员的时间,保证实验的顺利按时完成。在此过程中教师主要起监督考查作用,认真记录学生的参与情况和对研究工作的贡献情况,作为研究型实验成绩的评分依据。

2.7研究论文的写作

第10—18周学生完成实验数据的处理、分析以及论文的写作。这期间,教师的作用主要是引导学生对实验结果进行科学合理的分析和讨论。

各小组对实验数据处理结束后,对5个研究小组的实验数据进行了汇总，见表3。5个研究小组所记录的两种鼠尾草的生长状况以及叶绿素含量、渗透调节物质含量和保护酶活性虽略有差异,但变化趋势均十分相近,表明该研究型实验的可重复性好,也间接证明各研究小组在整个研究过程中没有出现较大错误。鼓励学生通过查阅文献,对自己的实验数据进行合理的分析,从文献中寻找支撑自己观点的依据。对汇总后的实验结果进行分析后,仅从大方向上引导学生从植物的光合潜力、渗透调节能力和保护酶调节能力的角度去揭示美丽鼠尾草和贵州鼠尾草耐NaCl胁迫能力差异的生理机制。

表3　两种鼠尾草在NaCl胁迫下受害程度与各生理指标的变化趋势

在第18周之前,各研究小组经过反复的讨论、大量的文献查阅和多次的修改后对论文做了最终的定稿,并于第18周提交论文。教师对学生的研究结论进行了汇总,虽然各自的论据有所差异,但学生普遍的观点可以总结为：在高浓度的NaCl胁迫下,贵州鼠尾草加强保护酶调节能力、减弱渗透调节能力,分配更多的有机渗透调节物质用于植株生长发育,减轻NaCl胁迫造成的伤害,是贵州鼠尾草对高浓度NaCl胁迫的适应策略。

2.8研究型实验成绩的评定

参考刘贤靑等[10]的实验竞赛评分标准、钟广蓉等[11]的实验报告评分标准和袁月梅等[12]的毕业论文评分标准,设置了本次研究型实验成绩的评定指标和所占比重，见表4,对学生的研究型实验成绩进行了科学的评定,并将研究型实验成绩作为食品化学实验和生物化学实验两门课最终成绩的重要组成部分。

表4　研究型实验成绩的评定指标和所占比重

3　教学改革的效果

3.1提高了学生的实验兴趣

教师承担的科研课题大多理论联系实际,有一定的本学科的前沿水平,有较强的应用前景。2015年2月,实施了第二次研究型实验教学,给学生设定的题目为“两种鼠尾草耐酸雨胁迫能力及生理机制的比较研究”。经过2年的“研学”结合教学改革实践,从学生的评教反馈看,学生对研究型实验教学的评价是积极的。将科研课题中代表性的内容与实验教学过程中的重要知识相联系并应用于实验教学,以研究带动教学,开拓了学生的学术视野,培养了学生的实验兴趣,激发了学生的科研热情和创新潜能,很多学生主动与教师联系，希望能在教师的科研课题上开展研究。

3.2提高了学生的研究能力

学生通过研究型实验的训练后,科研素质得到了较大的提升。例如：8名对科研课题有兴趣的学生,2014年申请到2项广东省大学生创新训练基金项目,对感兴趣的科学问题进行更深入的研究；3名学生参与撰写的项目获得了2015年珠海市社科联基金项目的资助；2名学生参加了2015年“广东省生物化学实验技能大赛”并获得三等奖。

3.3提高了学生的综合素质

学生通过研究型实验的训练,可将多门课程所学的知识和技能进行有机的结合,综合素质得到了提高。学生可以掌握：

(1) 文献检索与科技论文写作(本专业的专业选修课)的基本方法和技巧；

(2) 实验设计与生物统计学(本专业的专业基础课)的基本方法和软件(SPSS)的使用；

(3) Word和Office等软件(学校的公共基础课)制作图表的方法和技巧；

(4) 食品化学实验(本专业的专业方向课)中营养物质和风味物质的提取方法、测定原理和方法；

(5) 生物化学实验(本专业的专业基础课)中酶的提取方法、活性测定的原理和方法；

(6) 植物栽培技术；

(7) 多种仪器设备的操作使用方法。

3.4提高了学生的学习主动性

研究型实验教学突出了学生在教学活动中的主体地位[13]。教师只给出实验的题目、目标和任务,要求学生利用课外时间围绕这一特定项目进行文献查阅和实验方案设计,学生通过课堂和课外讨论理清实验思路并明确实验方案的可行性后,才被准许开展具体的实验研究。学生积极主动地参加了实验的准备工作,如实验材料的购买、准备、处理和试剂的配制等,全面了解整个研究过程。教师只对实验有关的注意事项进行提示,关键性的步骤进行演示,在学生遇到问题时给予解答,对学生操作中的错误给予纠正。通过这种教学方式,学生的动手机会和动脑机会明显增多,学生对知识的学习方式由被动接受转变为主动获取。

3.5培养了学生的团队协作精神

从实验的设计、开展、完成以及数据的处理分析、图标的制作到论文的完成,整个过程是一个系统的过程,各研究小组通过科学分工和紧密协作完成了研究项目。经历整个研究过程后,学生对团队协作的重要性有了深刻认识,为毕业工作后与他人进行良好的沟通和协作打下了基础。

3.6培养了学生严谨的科学态度

各小组获得的实验数据略有差异,在获得笔者的认可、鼓励和引导后开始了论文写作。学生结合各自的实验数据,通过查阅文献,寻找论据来支持自己对的观点,而不人云亦云,说明学生具备了严谨的科学态度。这一过程的训练也增强了学生的思维能力,提高了学生分析和解决问题的能力。

4　结语

学生的研究兴趣具有多样性,只有更多的教师将自己的科研课题植入到实验教学中才能满足学生的研究兴趣,这就需要更多的教师积极参与。教师之间不同的科研课题会形成较多的交叉研究领域,为学生的创新研究提供更多的空间。然而,如何将科研课题与相关实验课打通,需要相关教师的认真思考,更需要各系教学主管的支持。同时,研究型实验的教学工作量大,需要配套一定的激励机制来调动广大教师参与的积极性。今后我们将继续探索研究型实验改革的新思路和新方法,为提高生物技术专业的实验教学水平和创新研究型生物技术人才的培养做出贡献。

References)

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Exploration and practice on developing research-oriented experiment with interdiscipline and research-education combination

Xu Hua, Zhu Minjie, Li Zhipeng

(Department of Biotechnology,Beijing Normal University Zhuhai Compus,Zhuhai 519087, China)

Based on the scientific research projects of teachers, through teaching combination between biochemistry and food chemistry experiments, a research-oriented experiment named “Comparative study on the tolerance to NaCl stress and physiological mechanisms of two Salvia plants” was designed in order to satisfy the experimental teaching and innovation demand of the major in biotechnology. Students were required to exploit the class time and extracurricular time to consult literatures,design experimental schemes, and determine the experimental indexes. Eventually,students finish the research-oriented experiment with academic papers. Teaching effects show that the teaching approach can significantly improve the students’ learning initiative,comprehensive quality, and research and innovation ability.

research-oriented experiment; interdiscipline； research-education combination

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.008

2015- 11- 22修改日期：2016- 01- 04

广东省高等学校教育教学改革项目(GDGJ20142513)

许华(1981—)，男，湖北仙桃，硕士，副教授，主要从事食品化学和生物化学实验教学、植物生理生态研究.

E-mail：xuhua04@mail.nankai.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)5- 0024- 04