综合性高校动物生物学课程的探究性实验教学改革

李元刚

(宁夏大学 生命科学学院基础生物学实验中心， 银川 750021)

综合性高校动物生物学课程的探究性实验教学改革

李元刚

(宁夏大学 生命科学学院基础生物学实验中心， 银川 750021)

为了适应动物生物学教学改革的要求，根据该课程体系及实验室条件，在开设验证性实验基础上，设计了3个探究性实验：①观察文昌鱼和蛙的早期胚胎发育；②陆生脊椎动物骨骼系统与运动系统结构功能与适应；③打开脊椎动物的大脑。学生根据探究活动内容查阅文献资料,书写实验设计方案并开展实验，最后写出实验报告和总结。实验成绩占期末总成绩的25%。通过近3年的实践与探索，实验内容趋于完善。学生学习的热情与积极性高，动手能力、表达能力通过实验的准备、操作与汇报训练后有所提高，2016年期末成绩平均分比2015年提高19%。探究性实验把教材上的知识综合并融合到实验中，突出实验的趣味性，连续性和创新性，使学生牢固掌握动物主要类群从低级到高级演化的框架与主线，达到了课程大纲的学习要求。

动物生物学； 课程； 探究实验； 改革

0 引 言

动物生物学是实验的科学，它是研究动物形态结构及生命活动规律的科学。理论与实验密不可分，都是生物学基础教育的重要环节[1]。通过对具体动物及实验材料的研究，课堂教学的理论知识可以被验证和巩固，并在一定程度上加以综合、凝练和提高。而且通过实验操作和训练，学生可以掌握动物生物学基本理论与方法，提高观察、分析和解决问题能力，树立动物进化的基本观点。所以加强实验教学，才能培养具有创新能力的人才[2]。随着新时期生物教学改革的开展，我院尝试设计并采用部分探究实验，在有限的课时内对学生进行能力训练，提高学生获取信息、分析、操作及表达能力，还有利于激发学习兴趣，避免由于动物生物学知识点多，出现学生厌学及成绩普遍较低的情况，同时改革考核方法，加大实验成绩比重，促进实验教学效果[3]，培养具有扎实理论水平及一定创新能力的学生。

1 动物生物学课程开展探究实验的必要性和内涵

动物生物学理论教学与实践教学是相辅相成不可分割的两部分,具有同等重要的作用。近年来随着学校本科教学的各项改革，课时大幅度压缩，动物生物学理论及实验课时由原来85学时降到68学时，要求在48学时的理论教学和20学时实验教学内，完成全部教学过程。这样在有限的时间内学习21章内容，包括11个动物门、6个纲动物类群的生物学特征、进化地位及代表动物结构特点。知识点多，需要记忆的内容也较多，实验由原来14个减少为8个。学习该课程的大学一年级学生处在中学到大学的转换阶段，如果采取满堂灌的教学方法，会造成学生抓不住重点，采用死记硬背的方法，产生厌学情绪，达不到该课程培养较强动手能力，具有有一定创新能力及科学素养的培养目的。

综合性院校动物学教材与教学体系也进行相应的改革和提高。根据教育部21世纪生物教学和课程体系改革的要求，动物生物学侧重阐明动物结构与功能的关系，形成了由低等到高等，简单到复杂的动物生物学教学体系[4]。加强动物类群的描述与其进化的结合，从动物生物学的角度反映人类对自然界认识的转变。我院成立生物技术专业16年来，采用北京大学编写《动物生物学》教材，多次参加高校动物学骨干教师培训与交流，修改了以前动物学教学中以动物门类、形态结构和功能、分类为中心的教学模式，代之以运用比较动物结构和功能的思想和方法，阐述动物早期胚胎发育的规律、动物类群的多样性及它们的进化地位和主要的生物学特征。从动物各个器官系统方面描述结构与功能，以及在进化中的演变和适应，从而认识动物形态结构的统一性和生命活动的基本规律。在这样的教学体系下学时可以牢固掌握动物生物学基本理论与技能。根据我院2014修订动物生物学教学大纲的要求，学生学习的具体情况，结合动物生物学教学体系，该教改项目在正常按照大纲要求教学的基础上，采用以专题知识模块的形式，引导学生并设计开展探究式学习与实验。

探究性教学是一种以学生为主体,以课堂教学为核心和以教材内容为载体,与社会生活和学生实际紧密联系的教学形式。探究性教学通过教师引导学生主动探究,注重培养学生在学习过程中发现问题、解决问题及自主创新的能力[5]。让学生通过实际操作亲身体验知识的获取过程,为学生终身学习及发展奠定基础。实验课教学无论在巩固、运用、补充知识和培养学生创新精神、实践能力方面,还是在培养学生事实求是的科学态度、养成严谨的科学作风和勇于探索开拓进取的素质方面,都发挥着不可替代的作用。培养学生的观察能力，激励学生勇于探索大胆想象，动物的三胚层理论就是范贝尔根据鸡胚发育，经过大量的探究性实验与观察得出的[6]。这3个探究性实验察，一方面具有可行性及扩展性，引导学生对生命科学的兴趣与向往，形成正确的生命观、自然观、价值观与科学素养[7]。避免死记硬背，从动物运动结构变化理解动物进化，理解动物类群从低级到高级的演变历史主线。观察蛙早期胚胎发育有助于理解动物早期胚胎发育[8]，以及理解不同的发育方式导致两种动物类群不同的进化路线，为后续发育生物学打开必要窗口[9]。

2 动物生物学探究性实验的内容与设计

基于动物生物学现有教学理论体系，以运用比较动物结构与功能的思想和方法，阐述动物早期胚胎发育的规律、动物类群的多样性及它们的进化地位和主要的生物学特征的教学理念。结合我院现有的实验室条件、课时安排及学生学习的具体情况，实现验证性实验、综合性实验、设计性实验及探究性实验一体化的实验模式[10]，设计了3个探究性实验。

2.1 观察文昌鱼和蛙早期胚胎发育

(1) 实验题目。文昌鱼受精卵、卵裂期、囊胚期、原肠期装片和切片观察。实验内容包括：①文昌鱼受精卵的观察，同时观察蛙受精卵。②文昌鱼受精卵卵裂2、4等多细胞期的观察。③囊胚期观察。④原肠胚期观察。

(2) 知识点分析。在第2版动物生物学教材中，减少了细胞结构内容的描述，加大了多细胞动物胚胎发育的比重，在这部分内容讲授中，较多学生反映难理解，但是内容对教材体系来讲又比较重要。文昌鱼胚胎发育以简单而典型的形式代表着脊椎动物的发育[11]，也被称为脊椎动物个体发育的模式动物。通过对文昌鱼受精卵、蛙受精卵观察，学生可以观察到这两种卵黄的分布是不同的，卵黄均匀分布的文昌鱼卵分裂方式为等裂，卵裂球完全相同。而蛙受精卵卵裂球就不相同。原因在于卵黄在受精卵中分布不同造成的，解决了分裂方式的疑问。随后是形成囊胚，重点观察动物极与植物极细胞大小与如何内陷形成原肠胚，动物极小胚胞分裂速度快，造成植物极细胞内陷，这也是常见的原肠胚形成方式，理解了内陷，外包、分层内移就好理解。在这里要对形成的两个腔和一个开口明确进行识别，因为在以后的发育过程中，中胚层的产生有两种方式、原口成为口还是动物肛门，都会有明确的分野。从而导引出脊椎动物和无脊椎动物两大类群，因此，开设这个实验，不仅对胚胎发育中基本过程有一定了解，为以后开设发育生物学打开必要的窗口，准备一把钥匙，学生在具备基本的发育学知识后再进一步学习其他动物发育模式就比较容易。而且在众多的动物类群中很容易分成脊椎动物与无脊椎动物，而棘皮动物门属于一个过渡类群，它的早期发育方式与脊椎动物相同，都是辐射卵裂，以肠腔法形成中胚层。

(3) 意义。动物的进化基本路线是从简单到复杂，从低级到高级进行，多细胞动物起源于单细胞动物，多细胞动物个体均由一个细胞发育而来。动物的组织器官分别来自胚胎发育中的3个胚层，各种动物在发育初期极为相似，以后才逐渐变得差异越来越大。动物个体发育重演系统发育，观察研究动物早期胚胎发育，加深对多细胞动物起源及各类群亲缘关系的认识和理解。

2.2 陆生脊椎动物骨骼系统与运动系统结构功能与适应

(1) 实验题目。蛙、鳄鱼、家鸽、岩羊和人如何运动。实验内容：①蛙活体、运动方式和骨骼系统观察。②荒漠沙蜥骨骼系统与鳄鱼爬行视频观察[12]。③家鸽骨骼系统与胸大肌、胸小肌结构与观察[13]。④岩羊骨骼系统与运动视频观察[14]。⑤人体骨骼与运动，分析长跑运动员运动形式。

(2) 知识点分析。两栖类是由水生向陆生转变的过渡类群，具有很多进步性和不完善性。观察蛙的运动方式和骨骼系统，发现蛙采用跳动方式在陆地运动，在骨骼系统中首次出现五趾(指)型附肢，具有一块颈椎和一块荐椎。虽然是一块但是使蛙颈部具有一定灵活性，荐椎与腰带连接可以把体重传递给后肢。五趾(指)型附肢的结构是由连接肩带的肱骨、桡尺骨(愈合)、腕骨、掌骨和指骨组成，这是四足动物前肢典型结构。具有胸骨但没有肋骨，皮肤湿润，呼吸功能不完善。这些特征决定蛙对陆地生活初步适应，肌肉集中在四肢，跳跃运动是主要运动方式。爬行纲完全适应陆地生活，从运动方式及骨骼系统上具有一定的进步性。鳄鱼具有坚固的肩带，五指型附肢更加完善，有9块荐椎，2块荐椎，具胸廓后呼吸功能大大提升。观察鳄鱼四肢不能把身体抬离地面，运动方式是爬行，前后肢协调移动身体中轴左右摆动，四肢与中轴骨的呈直角，爬行速度缓慢。西北干旱地区的荒漠沙蜥是常见的爬行类，它移动速度很快，观察结果是它的肘、膝以下部位可以转向腹部下方，把身体抬离地面，便于疾驰奔跑。鸟类是适应飞翔生活的类群，从家鸽的骨骼系统看，身体流线型，脊柱部分合并具有愈合荐椎呈稳定支架，龙骨突发达便于附着肌肉，尾综骨附着尾羽充当舵的功能。颈部延长以弥补身体稳固性的不足，前肢特化为翼。前肢由肱骨、桡骨、尺骨、腕骨、掌骨、指骨，最后三部分出现简化以附着羽毛。后肢由股骨、胫腓骨、跗跖骨、趾骨，特点在于跗跖骨的延长起到缓冲作用。岩羊是宁夏贺兰山二级保护动物，从整体上看骨骼系统结实粗壮，四肢长度适中，与爬行类相比：前肢肘关节向后扭转，后肢膝关节向前扭转，后肢基本结构还是股骨、胫腓骨、跗骨、跖骨和趾骨，第三和第四趾发达，指(趾)端具蹄。这种结构适应攀岩和跳跃但是不适合快速奔跑。人体的行走与奔跑是进化的结果，观察运动员的长跑动作就会发现：在四肢关节扭转后，人的奔跑得益于髋关节、膝关节和跗跖关节的缓冲，在配合上肢的协调运动外，这种结构适用于奔跑，减少对身体的损伤。

(3) 意义。在讲授脊椎动物类群生物学特征时，学生最为头疼的是骨骼系统的结构及知识点多，死记硬背但很快会忘记。本实验的设计就是通过熟悉常见动物的骨骼系统及运动方式的比较来探究脊椎动物骨骼系统的共同点及多样性的适应。比较解剖学的证据是动物进化的主要证据，在比较蛙、鳄鱼、家鸽、岩羊和人的主要同源器官时，它们的上肢与下肢结构有着惊人相似性，是因为它们具有共同的祖先。利用脊椎动物比较解剖实验方法[15]，一方面加深了对进化理论的理解，同时也使学生把动物结构与功能结合起来，一系列的固定的结构和鲜活的生命活动结合起来，同学们的学习兴趣大大提高，在教学实践中得到很好效果。

2.3 打开脊椎动物的大脑

(1) 实验题目。脊椎动物(鲤鱼、牛蛙、家鸽、家兔)脑基本结构的比较，锻炼动手能力。实验内容：解剖鲤鱼、牛蛙、家鸽、家兔脑，识别大脑主要结构。

(2) 知识点分析。鲤鱼神经系统开始集中，从蛙开始陆地生活后，脑的发育进一步加剧，5部脑分化明显，家鸽的小脑发达是为了适应飞翔生活，掌握平衡的能力加强，家兔大脑半球发达但沟回较少，人大脑皮层沟回发达。

(3) 意义。脊椎动物是神经系统高度发达的类群，但是在系列解剖实验中对脑的结构不够重视或因为时间关系及解剖动物脑需要特殊工具和技巧，到最后学生来不及进行脑的解剖，所以神经系统一般都是演示实验，学生都是通过课本进行记忆学习。通过对各类动物脑的解剖和比较，对照实验指导可以形成比较深刻的脑的进化趋势，就是从鲤鱼、牛蛙、家鸽、家兔大脑是日益发达，小脑越来越重要，中脑则相对变小，重要性逐渐变低，人类的的大脑出现了空前的发展。

3 实验教学方式与实施

实验安排要对无脊椎动物类群切片观察课时适当压缩，增加动物早期胚胎发育切片观察实验。脊椎动物的外形观察与解剖增加2个探究实验。实验注重动手与结果对比，要求要写出实验方案，对实验的内容及结果主要以制图、拍照、视频手段呈现。讲授、讨论、学生互动、讨论及汇报方法结合起来，充分利用动物生物学教学资源，再对照教材就好理解。

教学中注重自学、思考、观察及动手能力的提高，把理论教学中的内容转变为能力。学生书写实验设计方案，来源于基础理论知识及给定的探究实验题目,根据探究活动查阅文献资料,书写出合乎要求的实验设计方案。带课教师将实验设计方案收集起来,并逐个认真评阅,审查方案的科学性、可行性,并写出指导意见。必要时找学生单独谈话、交流,并及时让学生修改、完善,作好准备工作。实验完成后讨论以小班(约10人)为单位进行报告,将实验的方法、过程及结果向全班及教师汇报,老师及同学开展答辩及讨论，注重方法、过程，对实验完成后所要掌握的知识点要重点讨论。学生汇报的形式多样，以小论文、小报告，制作PPT进行汇报，教师根据汇报及实验情况给分，占平时成绩的25%并纳入到期末总成绩中。

4 实验教学管理与保障

我院动物学教研组自2001年开始进行《动物生物学》教学，积累了一定的教学经验。依托生物学实验中心“动物学实验室”为全校生物科学、生物技术等专业开展动物生物学及实验教学。这三个实验所需要的实验条件、实验材料基本具备。学院实验中心是宁夏回族自治区基础生物学实验示范中心，具有动物学实验室、动物及人体生理学实验室、解剖生理学实验室，动物标本展室、昆虫标本室，另外我院还是宁夏自然博物馆协会的常任理事单位，学生免费分享宁夏所有的科普场馆的科普教育资源，有利于普及动物生物学科学知识，传播科学思想和科学方法，提高学生的科学素养和知识水平。教研室多年积累的动物实验视频资料及动物世界视频资料及书籍。动物学实验室展室、标本制作室以及昆虫标本室可以为学生提高实验观察场所，具有鱼类、蛙、沙蜥、蛇、家兔、猫、岩羊、人体骨骼标本。学校每年还立项30项大学生创新项目，也为动物生物学的创新和教学提供经费和资源。按照实验课时给予教师双倍的教学工作量，鼓励年轻教师参与实验教学及教改项目。

5 教学效果

通过近3年的实践与探索，实验内容日趋成熟与完善。学生学习热情与积极性高，动手能力、表达能力通过实验的准备、操作与汇报有所提高，期末学习成绩有明显改观。让动物生物学真正动起来，不需再记忆动物的固定结构，而是把各个类群的主要结构进行系列对比与研究，把结构与功能、环境与演化结合起来。实验的可行性高，学生兴趣高，避免满堂灌的理论学习模式。成果展示形式多样，可视性高。加强平时过程性考核，减少期末考试成绩比重。避免学生期末突击复习，让学生对动物生物学基本知识，学懂、学会、学活、学牢，会表达，会动手，会扩展解释。动物生物学3个探究性实验活动是基于动物生物学的知识体系，便于学生在有限的时间内理解和掌握动物学的基本知识及原理。3个探究实验除了可以反映动物生物学的框架以外，还具有一定的拓展性，因材施教，不搞一刀切，给学生一个思考和想象的空间，避免满堂灌和老师主导的状况，也给后续课程打下基础和窗口。2016年40名学生期末平均成绩由2015年64分提高到79分，提高19%。我院每年立项30个大学生创新项目，其中动物学方面的有10项，宁夏回族自治区级创新项目5项。

6 结 语

动物生物学是综合性高校生物技术与生物科学专业新生第一学期开设的专业基础课、核心课程，学生的学习方法面临着从中学向大学过渡的阶段，在这门课程中开设探究性实验，加强实验教学及改革，对培养学生对包括生物学在内的课程具有指导意义。生物学是实验科学，实验的支持有利于培养理论扎实，具有动手能力和创新能力的学生。在该课程的过程性考核中，探究性实验的比重占到25%，实验的过程与考核具有研究性、宽松性和有趣性，增加学生学习动物生物学的积极性，只要认真参与实验及过程，对实验及理论知识的掌握相当牢固。

动物生物学的教学体系具有很强的连续性，是生物学基础教育的重要环节。在有限的时间内通过探究性的系列实验及考核，对加强与巩固理论知识及提高学生的思考能力和动手能力具有很好的效果。通过一系列的实验及讨论，巩固课堂教学的理论知识，并在一定程度上加以综合、凝练和提高，通过实验操作和训练，掌握动物生物学基本理论与方法，培养学生观察、分析和解决问题能力，树立动物进化的基本观点，认识动物形态结构的统一性和生命活动的基本规律。教师需要加大在实验教学时间和精力上的投入。在实验内容方面需要教师对课程的知识体系具有较好的理解和把握，课酬上给以翻倍的奖励，对取得大学生创新项目的教师在选优与职务晋升方面给予倾斜，鼓励教师参与本科生实验教学改革，改变过去重理论教学轻实验教学的怪圈，培养学生对生物科学的强烈兴趣，培养具有扎实动物生物学理论知识、实验技术及良好的科学素养的新时期创新人才。

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Reform and Practice in Exploratory Experimental Teaching of Animal Biology in Comprehensive Universities

LIYuangang

(Laboratorial Biology Education Center, School of Life Science, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

To adapt the reform of the animal biology teaching process, three exploratory experiments were meticulously designed based on nowadays course system, lab conditions and mature verified experiments. The first is the observation of amphioxus and frogs’ early embryonic development. The second is to investigate the structure, function and adaptation process of the terrestrial vertebrate skeletal system. The third is to open the brain of the vertebrate. Students are supposed to consult literatures and write the preparation part of the lab report before the class. Then after the experiment, they should finish their lab report and give a true account of respond. The experiment score takes up 25% of the final grade. These experiments have improved during nearly three years of practice and exploration. With high enthusiasm and motivation, students gain much progress in practical ability and expression ability through the exploration. Also, the 2016 final grade average made an increase of 19% over 2015’s. The textbook knowledge is refined and integrated into the experiments. The experiments are interesting, continuing and innovative as well. Students can set up the framework and main clue of the animal evolution and meet the syllabus’ requirement.

animal biology; courses; exploratory experiments; reform

2016-04-05

宁夏回族自治区高等教育本科教学工程项目(2014)

李元刚(1968-)，男，山东荣成人，硕士，副教授，主要从事动物学教学与实验室管理工作。

Tel:：0951-2062534,13995105545；E-mail：lyg6795@sina.com

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1006-7167(2017)02-0231-04