“植物生理学”课程“模块化”和“对话式”教授方式改革

王凤茹，客绍英

(河北农业大学 生命科学学院，河北 保定 071001)

2020年全国教育工作会议和《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》为深化教育体制改革，更新教育教学观念，提高人才培养水平指明了方向[1]。要推进高校的改革创新、科学发展，首先要改革课程体系和教学方法，培养学生的独立思考、质疑权威、批判性思维和创新能力。我国的高等教育改革在不断与国际教育改革接轨。2016年，中国成为《华盛顿协议》的正式会员，《华盛顿协议》成员国认证对象是教育机构的培养方案，强调的是教育理念和教学目标。《华盛顿协议》的认证标准是“以成果输出为导向”(OBE，outcome based education)，注重教育的“产出”质量，即大学本科毕业生离校时“有什么能力”“能做什么”“会做什么”[2]。

为适应国内、外的教育改革形势，“植物生理学”课程不但要培养学生的独立思考、质疑权威、批判性思维和创新能力，还要基于OBE教育理念，提高学生“产出”质量。基于此，植物生理学进行“模块化”教授方式改革(图1)，每个模块具有不同的培养目标。①“植物生理学基本知识”模块，利用雨课堂教授方式，教师讲解结合学生自主学习，让学生掌握植物生命活动规律及其与外界环境相互关系，架好基础理论与专业课的桥梁，同时培养学生自主学习的能力；②“植物生理学经典理论及诺贝尔奖理论”模块，利用线上学生自主学习加教师点评教授模式，通过对经典理论发现历程及具体实验支持的展现，培养学生的逻辑思维能力、严谨的工作作风和良好的科研意识，提升学生专业素养和综合素质，通过线上学生自学加教师点评模式，拓展学生专业领域的广度和深度，培养学生独立思考问题和创新能力，为高精尖人才提供储备；③“植物生理学被挑战的经典理论及替代的新理论”模块，线上提供具有挑战经典理论的新发现的最新文献，让学生了解最新科研动态，培养学生质疑权威、批判性思维和创新能力；④“植物生理学中尚未解决的问题及探索”模块，让学生明白大自然的深奥，引导鼓励学生探索奥秘，培养学生独立思考和创新能力。

图1 教学内容“模块化”

一、植物生理学教学内容“模块化”改革

(一)“基本知识”模块

此模块是植物生理学的基本知识，要求学生必须掌握，学习目标是掌握植物生命活动规律及其与外界环境相互关系，并能利用所学知识能动的促控植物生长发育。为达到此目标，我们将智慧教学工具——“雨课堂”融入“植物生理学”的教学中，实现“以学生为中心”的教学模式，提高教学质量。进行如下教授方式：

1.授课前1周工作，编写每章学习目标和基本知识PPT，通过“雨课堂”平台推送给学生。学生通过PPT了解学习目标和基本知识，配合植物生理学在线开放课程及各种网络教学视频。学生带着问题有针对性地听课，提高授课效果。

2.授课环节，教师利用“雨课堂”平台概述章节基本知识点及讲授重点和难点内容。学生对不懂的知识点可利用“不懂”按钮进行标记，教师根据“不懂”知识点进行重点讲授。然后根据知识点发布习题检测学生学习情况，学生答题结果实时反馈，再根据答题结果有针对性地讲解相关教学内容。最后，教师开启雨课堂“弹幕”功能，与学生实时互动，让学生发布自己的观点和疑惑，教师与学生一起讨论，达到基本知识人人掌握，完成学习目标。

(二)“经典理论及诺贝尔奖理论”模块

经典学说相关研究方法及研究过程可培养学生科学的研究方法、严谨的治学态度，为国家提供高素质的科研后备力量和具有科学严谨作风的工作人员。

在这个模块中为学生在线提供经典理论的发现历程及研究方法，让学生不但知道某个经典理论的内容，还要知道这个理论的内涵和精髓，知其“然”及其“所以然”，培养学生的研究和探索能力。

以光合作用为例，光合作用是植物生理学的重要内容，光合作用的机理随着研究方法和手段的更新不断的发展，但科学理论是在日积月累的试验和大量数据的基础上凝练而成，只有了解光合作用研究历程才能对光合作用的机理具有深入的了解，同时也会对光合作用未知领域进行深入探索和研究。因此，通过大量原始文献的查阅，把这些原始文献在线提供到光合作用的机理模块中，加深拓展学生的专业知识，为以后的专业方向打好牢固的理论基础，为学生提供提出问题(科学思维)、解决问题(科学方法)及总结归纳(理论的形成)的典型例证。具体如下：

此模块下包含“光合作用经典理论”模块和“光合作用诺贝尔奖理论”2个模块，每个模块下又有多个具体理论模块。如下：

1.“光合作用经典理论”模块。此模块包含11个小模块，不仅展现了光合作用机理的研究历史，同时通过原始文献提供了当时的研究方法及手段，供学生批判式接受经典理论：①柳条试验，包含试验内容和方法，结论，及点评。实验内容和方法：2.3千克柳枝种后5年，重量为169千克，土壤只减少0.76千克；实验结论：柳树所增加的165.94千克是从水中得来的；点评：他的实验是正确的，可惜结论是错误的。后面模块均包含详细试验方法、结论及点评，不再赘述。②薄荷实验。③钟罩实验。④英根豪实验。⑤塞尼比化学分析实验。⑥索修尔定量分析实验。⑦李比希的矿物质营养说。⑧“气泡计量法”和“半叶法”。⑨季米里亚捷夫的红光实验。⑩好氧性细菌实验和希尔实验模块等[3-8]。

2.“光合作用诺贝尔奖理论”模块。此模块把每个与光合作用相关的获得诺贝尔奖的理论设为小模块，拓展学生的专业深度和广度，培养学生敢于探索和创新能力。诺贝尔奖是科学研究中最杰出成就的象征。迄今为止，与植物生理学内容相关的诺贝尔奖有很多，与光合作用相关的有8个之多[9-11]，每个诺奖模块都附具体研究过程，并让学生自己查阅相关文献，体验科学最高奖项的发现历程。①1915年诺贝尔化学奖：德国化学家Richard M.Willstatter发现叶绿体的晶体结构、发明植物色素提取方法，明确了叶绿素a和叶绿素b的存在比例。②1930年诺贝尔化学奖：德国化学家Hans Fischer确定了叶绿素的结构，证实叶绿素和血红素在化学结构上的相似之处。③1961年诺贝尔化学奖：美国生物学家Melvin Calvin发现二氧化碳同化途径“卡尔文循环”。④1965年诺贝尔化学奖：美国化学家Robert Burns Woodward合成甾醇和叶绿素等复杂有机化合物方面的贡献。⑤1978年诺贝尔化学奖：英国生物学家Peter Dennis Mitchill提出化学渗透假说解释光合和氧化磷酸化的作用机制。⑥1988年诺贝尔化学奖：德国3位科学家阐明紫色光合细菌反应中心空间结构，使得人们认识到光合作用中光能的吸收、传递和转化机制。⑦1992年诺贝尔化学奖：美国化学家Rudolph Arthur Marcus阐明光合作用和呼吸作用的电子传递机制。⑧1997年诺贝尔化学奖：3位科学家在ATP酶方面的研究，生物产生能量的方法及能量在离子跨膜转运中的作用机制。

(三)“被挑战的经典理论及替代的新理论”模块

从内涵上来讲，“植物生理学”课程是一门发展的课程，随着人类对植物生命活动的探知而不断发展，因此新发现、新理论不断涌现，甚至出现否定植物生理学经典理论的新学说，因此该课程还培养学生了解掌握国内外植物科学研究的动态科学意识、创新意识和敢于挑战权威的科研精神。

国内外植物生理学教材传承了几十年的3种运输K离子不同载体结构模式图如图1，“通道”和“泵”的概念是：根据电化学式梯度，离子通道介导快速和被动“下坡”运输，离子泵介导缓慢和主动“爬坡”运输，被认为是完全不同的分离并置实体。然而2017年，美国研究人员在Nature杂志发表的文章对这个长期存在的理论致命一击，认为K转运结构里，通道和泵超家族成员聚集组成一个大复合体，共同行使主动运输，一个“泵样”亚单位制造能力输入，一个“通道样”亚单位的功能被重新定义为主动运输执行者。新理论是通道样亚基闸门与泵样亚基相连互作，控制整个通道的开开合合，而不是独立存在的两种形式，重新定义了“泵”和“通道”概念(图2)[12]。

注：A：传统的离子“通道”和“泵”是单独存在的独立个体的模式图；B：2017年Nature杂志发表的“通道”和“泵”是一种复合体的模式图。

通过这样的对比，学生具备勇于探索、敢于挑战经典和权威的务实精神，具备科学研究发现新理论的潜能。

(四)“尚未解决的问题及探索”模块

从发展的眼光看，植物生理学无比深奥，还有很多未知的领域需要我们去探索和发现，发现这些未知问题，并鼓励学生努力去解决，拓展学生专业领域的广度和深度、提升专业素养和综合素质。例如光合作用是植物生理学中的重要内容，虽然人类已了解了光合作用的机理，但还有很多问题需要去探索和研究，人类必须通过进食植物或动物等方式获取能量，但全球粮食危机日益加深。如果人类也可以通过光合作用维持生存，就可以缓解人类的生存危机。那么人类是否可以使我们的身体像植物一样，从太阳能中获取食物呢？海兔和海底蜗牛这两种动物均可以窃取藻类植物的光合作用的“加工厂”-叶绿体，窃取来的叶绿体分布在消化道内，可以在近6个月的时间内不用进食而是靠叶绿体进行光合作用为自己提供能量，因此动物也可以“活得像个植物”(图3)。但海底蜗牛和海兔如何使用叶绿体进行光合作用仍然是一个谜团[13-14]。以现有的知识还不能破解这个谜团，但学生通过查阅文献不断进行探索和思考，既可以培养学生的科研兴趣还可以培养其创新意识。

注：A：海兔；B：海底蜗牛。

二、“植物生理学”教授方式“对话式”改革

目前，我国各高校新型在线开放课程和学习平台(华文慕课、爱课程、Coursera、智慧树、学堂在线等等)迅速兴起，拓展了教学时空，扩大了优质教育资源受益面，也给高等教育教学改革发展带来新的机遇和挑战。学生可接受知识的平台和手段不断丰富，再按照传统的灌输式教学方法显然已不能满足新型人才培养的需要，因此“对话式”教学应是教师教学改革的目标，不仅可培养学生独立思考能力，更能增强其批判式思维。基于此，对教师的专业知识和解决问题的能力要求也更高。

(一)对话式课堂需要教师不断提高专业知识水平

“对话式”课堂不是“问答式”教学，“对话式”体现的是平等主体间的对话，学生和教师在各自观点的基础上进行平等的对话。学生拥有自己的观点，教师面对学生各种观点，若自身专业知识水平不够，很难在与学生交流时让学生感到有所领悟和提高。

(二)对话式课堂需要教师更新教育理念

“对话式”教学的理念具有以下特点：①智识共享，在“对话式”教学中，每位学生具有各自的个性、情感和人生体验，因此学生从自己对世界的独特感受和方式表达自己独特的理解和认知，通过这种对话，形成教师和学生间的智识共享，双方均能实现知识的增长和拓展。②互相理解，“对话式”课堂的教学目标一定是教学主体间通过阐述各自观点，促进教师和学生的相互理解，实现教学相长。③平等交流，对话式教学以平等为基本前提，教师通过自己多年知识和人生体验的积累引导学生利用各种智慧教学平台学习知识，然后通过对话式交流培养学生的独立思维能力、锻炼学生清晰表达能力，同时，教师一方一定要具有虚心包容的基本素质，才能与课程改革理念相符[15]。

三、结束语

“植物生理学”课程教学内容“模块化”为教学课堂“对话式”提供了基础：“基本知识”“经典理论及诺贝尔奖理论”“被挑战的经典理论及替代的新理论”“尚未解决的问题及探索”4个教学模块层层递进，让学生从“最基本的知识”认知开始，通过“经典理论和诺贝尔奖理论”的“对话式”交流，不但培养了学生分析问题和解决问题能力，还逐渐形成自己的观点。“被挑战的经典理论及替代的新理论”和“尚未解决的问题及探索”模块重点突出学生的主观参与意识，与教师“平等对话”，体现学生批判式思维和创新意识，在此基础上，两个教学主体(教师和学生)查资料、创新知、构建创新性课程改革形式。