植物显微技术“科研式”实验教学的探索与实践

梁文斌，唐婧文，陈雪妮

(中南林业科技大学 生命科学与技术学院,湖南 长沙 410004)

植物显微技术课程是一门实践性较强的专业基础课程,包括植物显微制片技术和显微摄影技术两部分,主要面向高等院校的农业、林业、生物类等专业的高年级本科生和硕士研究生,旨在培养植物学综合型和创新型人才,并为学生将来开展生产实践和科学研究奠定植物实验技术基础。石蜡制片是植物显微技术实验课程中的一个重要内容,不仅在植物学,而且在动物以及病理等领域应用也非常广泛,在实验教学中具有综合性、操作过程复杂、难度大等特点。因此,在植物显微技术实验课程中以石蜡制片实验为例作为实验教学改革尝试有利于探索培养实用型和创新人才的新思路和新途径。

长期以来,由于受传统实验教学模式的影响,沿用理论课教材中的内容在实验室进行验证性实验占主导地位[1-2]。不可否认,验证性实验是植物学实验知识的入门环节,固然不可或缺,但是这种以教师为主体的教学方式,学生主观能动性和挑战性难以得到体现[3-4],学习兴趣和积极性也不高,除了让学生对理论知识有一些感性认识外,并没有提高他们的实验技能和培养他们的创新能力,不利于培养具备科研素质与技能的创新型人才。在多年的显微技术实验课教学过程中采用“依样画葫芦”的教学模式虽然对于学生基础知识的掌握和一些基本技能的培养有所帮助,但因为缺少综合性和创新性实验体系的训练,在实际工作和科研工作中出现的问题不能得到很好解决,甚至无法解决,距离实用型人才和创新型人才培养目标相去甚远。因此,探索新型的植物显微技术教学方法势在必行。

“科研式”实验教学方法强调实验原理的探究,重视学生实验技能的训练,注重学生科研态度、科学思维以及科研素养的培养。通过“科研式”实验教学方法的探索,教师不仅传授了专业知识和实验技能,同时也激发了学生科研创新热情,培养了学生仔细观察、独立思考、深入研究以及勤奋、严谨等优秀品质和团队合作意识,在潜移默化中提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,进而全面提升了学生的综合素质。

1 实验原理内涵的挖掘

实验原理对于实验过程至关重要,是实验的核心,透彻理解实验原理不仅能保证实验的科学性,而且有助于解决实验中出现的问题,突破实验难点,而挖掘实验原理的内涵则是教学创新设计的出发点[5]。在实验教学中,掌握实验原理应与实验过程齐头并进。

在以往的实验教学尤其是验证性实验教学中,实验过程注重实验步骤,以“依样画葫芦”的方式完成实验过程,然后得出一个实验结果,对实验原理知之甚少,可谓“知其然,不知其所以然”,这便导致了学生在实验过程中束手束脚,无法灵活处理和解决实验中所遇到的问题。为了改变轻原理重步骤的传统实验教学方式,加强学生创新能力的培养,在植物显微技术课程的“科研式”实验教学探索中要求学生弄清楚实验的原理,根据现有的实验条件和实验材料,参照实验指导书和相关文献改进或优化实验步骤,并提出实验过程中可能出现的问题及解决办法,在实验教师的指导下完善实验方案并完成实验过程。

在植物显微技术实验课程中,石蜡制片的过程繁琐而复杂,包括材料的选择与固定、抽气、脱水、透明、浸蜡、包埋、切片、粘片、展片、脱蜡、复水、番红—固绿染色、封片等复杂的过程。学生在实验过程中若没有弄清楚石蜡制片实验的原理,当出现制片效果差或制片不成功的现象时,不知道是哪些环节或因素所致,显然这种教学方式不利于学生的创新性思维。以石蜡制片中的脱水实验环节为例,作为初学者在实验中常常会遇到脱水不完全的情况,导致实验不成功,这与实验材料和脱水条件等有关。针对这一情况,在实验教学过程中,实验指导教师要求学生正确理解石蜡制片中脱水的原理,让他们充分认识到脱水的过程就是将实验材料组织中的水分用脱水剂置换出来,并且了解不同脱水剂的脱水效果有差异,而在实验中常用脱水剂多为酒精(乙醇),其脱水效果与脱水剂浓度、环境温度和脱水时间有关。由于掌握了实验原理,学生可以改进并灵活处理实验过程,如在气温较低的环境下(冬季)进行实验材料酒精脱水时,为了减少处理的时间并达到较好的实验效果,可在恒温箱中加温脱水,并根据实际情况尽可能减少材料的大小,使脱水更容易。因此,学生们在正确理解实验原理的基础上,结合自己所学的知识,大胆尝试,灵活处理实验过程,做到了举一反三,学以致用,大大增强了学生们的自信与积极性。

培养学生的操作技能是“科研式”教学的重要功能。学生在实验中如果只是机械式的操作,既不去挖掘实验原理的内涵,也不去有意识地营造探索的氛围,则将极大地削弱“科研式”实验教学的功能。学生只有在掌握实验原理的基础上才能灵活操作实验,并结合自己所学过的专业知识,充分发挥想象力,不断尝试新的实验方法,将实验过程变得丰富和多样化,使看似古板无趣的实验过程变得生动有趣。

2 “科研式”训练的探索与实践

俗话说 “百看不如一练”,深刻理解实验原理在前,扎实的实验技能训练必须紧随其后。传统的石蜡制片实验教学是首先教师在实验室用一种实验材料给学生示范操作,然后学生按教师的示范步骤在规定的课时内完成实验过程,显然这种实验教学方式远不能达到预期效果。调查发现在传统实验教学过程中不少学生学习石蜡制片之后只有粗略印象,实验环节基本不熟悉,操作不熟练。另外,由于没有课后的强化练习与巩固,导致学生难以深刻记忆。因此,这种传统的实验教学模式不利于学生掌握实验技能。为了巩固学生对实验技能的掌握,培养学生吃苦耐劳的科研品质,本文对显微技术实验课程的教学模式开展“科研式”训练的探索与实践,即在保证实验室正常管理的情况下向学生开放实验室,一方面增加实验训练的时间,另一方面通过多样化的实验材料增强实验训练的强度。这种反复的强度训练,使学生对实验的每个细节和注意事项相当熟悉,操作达到非常熟练的程度,不仅保证了学生全面掌握石蜡制片技能,而且强化了学生科研品质的培养。

2.1 “科研式”训练促进实验技能的“螺旋式上升”

“螺旋式上升”理论是指:人在认识一个对象时,总是遵循由表及里、由浅入深的过程,且后续学习总会影响对先前学习对象的认识[6]。虽然新事物会引起人的兴趣,但是随着时间推移,兴趣逐渐减弱。实验材料的多样化与实验训练的频繁性有利于学生掌握实验技能。在实验中采用不同的实验材料,不仅增强了学生对未知事物的探索兴趣,而且反复训练也能促进学生实验操作技能的“螺旋式”上升。尽管石蜡制片的过程不会因实验材料不同而有较大的改变,但是对于一个初学者来说,不同的实验材料在实验过程需要面对一些不同的问题,而不要以为仅仅是操作步骤上的重复,如实验材料不同的软硬程度需要考虑固定液的配方选择,石蜡熔点的高低以及脱水剂和透明剂的种类、使用浓度和处理时间等,也有时根据实验材料的具体情况,对某些操作步骤加以改进,如文献[7]在制作蕨类植物原叶体、原叶体愈伤组织、孢子体叶片的石蜡切片时,抽气过程中在称量瓶里放置了一个适度大小的铜网,将实验材料拦于铜网之下,使之离固定液上层保持适当距离,然后抽真空。

实验过程的重复能促进学生反思并改进前一次实验的不足。学生在不熟悉实验过程的情况下,会出现一系列的细节问题,如石蜡制片实验中包埋时夹取材料的镊子没有预热,或材料放入蜡盒后因校正位置而反复拨弄材料,或是用来包埋材料的石蜡熔点过高或过低等。任何一个细节问题都会造成实验材料包埋不理想甚至失败。学生只有加强实验过程的训练,复习和巩固实验内容,不断地发现问题和解决问题,才能由浅入深地掌握实验过程,使实验技能达到“螺旋式”的上升。

2.2 “科研式”训练培养学生科研品质和创新意识

在“科研式”实验训练中,学生的创新意识得到了明显的培养与提高。如粘片和展片是石蜡制片实验中的重要环节,若操作不当则易导致载玻片上的材料脱落,俗称“脱片”,严重影响实验结果。在粘片过程中,在载玻片上涂抹薄薄一层粘片剂(蛋清-甘油)是保证材料不掉片的关键,而且要求涂抹很均匀；如果粘片剂涂抹较多或不均匀,可能会发生材料脱片,甚至会在载玻片上黏附很多杂质,切片背景干扰明显,严重影响制片效果。以往采用手指涂抹粘片剂,但操作难度大、效率低,作为初学者,在短时间内无法掌握,是石蜡制片实验教学过程中一个难点。针对这一难题,学生们参考文献[8]的石蜡制片方法,充分发挥想象力并借鉴生活经验,尝试采用不同方法涂抹粘片剂,最终选择容易获得、质地符合涂抹要求的粉扑海绵替代手指涂抹粘片剂,结果表明粉扑海绵具有操作简便和涂抹均匀的良好效果,切片上的杂质很少。因此,通过微小的改进,在实验操作过程中学生不仅提高了实验效率,而且增强了自信心和科研创新热情。

“科研式”的训练不仅是为了提升学生对实验技能的掌握,而且增强了学生吃苦耐劳的意识和抗压能力以及提高学生独立思考的能力[9],这对于将来学生从事科研工作有很大帮助。一般来说,在科学研究过程中,实验工作量比较大,研究任务和考核指标的压力大,这便需要研究者有不怕苦和不怕累的精神以及积极乐观的人生态度。做一件困难较大的事时,人有时难免会发生“一鼓作气,再而衰,三而竭”的情况。在“科研式”实验教学改革探索中,部分学生刚开始由于实验工作量的加大而表现出抱怨和畏难情绪,他们误以为增加实验材料的数量只是在机械式地重复实验过程,而且训练工作量的加大让他们不确定自己是否能够顺利地完成实验。但在教师的鼓励下,学生们鼓足勇气,全身心投入到实验中,尽管实验过程确实比较艰难,学生们也付出了许多汗水与心血,最后还是圆满地完成了任务,获得了理想的实验效果。

在石蜡制片实验教学中,本文对不同实验强度下的实验效果进行了统计与分析,实验效果分为制片效果和学生情感体验两部分。如表1所示,随着实验强度的增加,制片成功率呈明显的上升趋势,学生的情感体验也发生了明显的变化。许多学生感言:“我学到的不仅仅是实验技能,更多的是学会一种科学研究的态度和精神,科研的道路比我们想象中的更艰难,所有的难题都是对我们自己的一种磨炼。”“科研式”实验教学不仅培养了学生吃苦耐劳、持之以恒和坚忍不拔的科研品质,而且增强了学生的实验技能和科研创新意识,为他们今后的学习、工作和研究奠定了良好的基础。

表1 不同实验强度对实验效果的影响

3 实验教学与科学研究有机结合

在自然科学研究中有不少研究成果来自于实验室,有些研究方法和手段均与实验教学内容密切相关。实验教学与科学研究可以有机结合,一方面把科研成果及时转化为实验教学内容,促进实验教学水平和专业水平的提高,另一方面实验教学水平和专业水平的提高促进了高素质创新人才的培养,又为科研创新输入新的动力,这样使得实验教学与科学研究处于良性互动发展之中。科研是高质量教学的保证,在研究型实验教学中,应当坚持教学与研究相统一的教学理念[10]。通过“科研式”这种新型的实验教学模式,将实验教学与科学研究有机结合,能有效地丰富和优化实验内容。从教师的角度而言,将科学研究的知识应用于实验教学,这样不仅丰富了教学的内容,而且可以通过教学进一步促进专业水平的提高,使专业领域得以拓展以至有所创新。从学生的角度而言,不仅可以接触到学科前沿,了解学科领域最新研究动态,激发创新意识与学习热情,而且能从中学到科学的思维方式和研究方法。

实验教学与科学研究的结合也可采取模拟科研情景的方式[11],可将一个具体的科研问题作为实验教学的目标,根据研究对象制定实验方案,如在植物显微技术实验课程中,以水芹(水生植物)、马齿苋(旱生植物)和荠菜(中生植物)为实验材料,采用石蜡制片方法观察其根、茎和叶的解剖,并分析生境与植物结构之间的关系。为了更有效开展这个“科研式”实验教学,教师作为引导者,学生作为实验的主体,教师引导学生查阅相关文献,了解国内外研究进展与趋势,根据实验室现有的科研条件和实验成本,结合学生的实际情况,教师与学生共同拟定最佳实验方案,学生以研究小组的合作形式开展实验,学生之间以及师生间相互配合与交流,分析实验结果,并以论文形式撰写实验报告。

在这种“科研式”的实验教学中,建立了教学与科研之间的联系,为学生提供了一套较完整的知识体系,教师和学生共同参与知识发现的过程[12],有利于激发学生学习的积极性,开拓他们的视野,培养他们的科学探索精神。

4 结束语

为了达到培养学生创新精神与实践能力的教学目标,“科研式”实验教学需要根据不同实验课程的特点采用不同的教学方式,正所谓 “授人以鱼,不如授人以渔”。在实验教学中,应更注重培养学生自主学习能力、动手能力和创新能力。在植物显微技术实验课程的教学中,“科研式”实验教学具有较好的可行性和有效性,有助于培养学生严谨的科研态度、扎实的实验技能和创新能力,为他们今后的学习、工作和科研打下坚实的基础。