河南科技大学“植物生理学综合性实验”课程开设探讨

胥华伟 王征宏 吕淑芳 赵杏利 郭丽丽 黄华

摘 要 为了克服传统本科生实验教学中学生对实验过程理解不全面、动手和思考分析能力提升不足的缺陷，河南科技大学特开展为期一周的植物生理学综合性实验课程。实验教学采用启发式教学，通过设置一系列涵盖植物生长、物质代谢和抗性生理等内容的实验，充分发挥学生的主观能动性，调动学生的积极性，尽可能让学生独立完成实验过程。实施结果表明，植物生理学综合性实验课程既能提高学生分析问题和解决问题的能力，又能培养学生的探索精神。

关键词 植物生理学;综合性实验;启发式教学;实验教学

中图分类号：G642.0文献标志码：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.10.018

植物生理学是研究植物生命活动规律的科学，随着科学研究的飞速发展，植物生理学的内容也日益丰富，涵盖了植物的生长发育与形态建成、物质与能量转化、信息传递和信号转导等多个方面。植物生理学的教学上承基础知识下启专业课的相关知识[1]，是农林类高等院校农学、生物科学及生物技术等多个专业的必修课程，是一门非常重要的专业基础课，学好植物生理学对学生将来的科学研究非常重要。同时植物生理学又是一门实验性很强的学科，学生在学好理论课的同时如何通过实验课程进一步加深学生对理论课程内容的理解、增强学生的动手能力、培养学生勤于思考和善于思考的能力尤为关键[2-4]。

传统植物生理学实验往往由于实验室及教学时间等的限制，很多相关的实验内容都是由老师提前准备好，学生上课只是机械地操作，学生的积极性和主动性得不到发挥[5]。植物生理学综合性实验是我们针对传统实验教学的弊端，在本校开展的一门综合性实验项目，综合性实验要求学生们在一周的时间内在固定的实验室完成一系列的实验，尽可能地让学生体验到真正的科研过程。植物生理学综合性实验集植物生理学课程的综合知识和相关实验技术于一体，内容主要涵盖植物生长生理、代谢生理及抗性生理，目的是使学生在掌握植物生理学研究的基本技能和方法，学会植物生理学研究相关仪器设备的正确操作方法的基础上，进一步培养学生动手能力和科学思维能力，训练学生客观地对实验结果进行观察、比较、分析和综合的能力，提高学生的创新意识、合作精神和解决实际问题等研究型学习的能力。课程的开展取得了良好的效果，学生普遍反映效果好，在促进学生操作技能和科研素质的提高方面取得了一定的效果。

1  课程设计要点

1.1  方案设计

植物生理学综合性实验是在完成了植物生理学理论与实验教学后开展进行的，学生已经具备了一定的实验能力，基本掌握了常规仪器的操作。针对实验时间的不确定性，为确保学生有足够的时间进行思考和重复实验等，综合性实验不再局限于传统的实验教学，集中一周的时间展开各个实验项目，允许实验失败并针对失败原因进行重复。植物生理学的开设时间一般是大学二年级第一学期，学生学过相应的基础性课程，但专业课大部分尚未开设，学生对专业知识的理解和掌握还非常有限，实验的设计不能太过于复杂，要以学生能充分理解原理、同时密切结合植物生理学理论内容的基础上展开。

综合性实验首先以材料准备和试剂配制起始，后续主要是各种生理生化指标的测定和分析。内容主要包括种子生活力的快速测定和种子发芽材料的培养、种子萌发过程中的碳氮代谢变化研究、盐胁迫下植物的保护酶活性的变化和渗透调节物质含量的变化研究等。由于时间的限制，实验材料一般選择生产中常见、生长迅速、容易栽培、同时学生都熟悉的植物种类，如小麦、玉米、水稻等作为实验材料，可以培养学生对农业生产及专业的兴趣。

将学生分成若干小组，每组4～5人，每个小组选出小组长1名，负责整体协调实验进程，同时在实验结束后对整体实验进行总结分析。以组为单位进行材料的培养、溶液的配制及具体实验指标的测定。

为了提高实验的成功率，传统的实验教学模式一般采用讲授结合演示的方法，具体的实验原理、步骤、结果计算都详细讲解，同时实验中需要用到的试剂、耗材及材料都是老师提前准备并分配到每一小组，学生只需要按照步骤操作即可，而实际实验前期的准备工作非常重要，如实验试剂的配制、实验材料及耗材的准备等会直接影响实验结果，传统实验跨过这些重要步骤而直接进入实验操作环节大大增加了学生对老师的依赖性，学生参与实验的程度远远不够，导致学生只是机械性地操作，对实验缺乏自己的理解和思考，印象不深同时效果也大打折扣。

为了使学生更深切地体会现实中的实验过程，我们在综合性实验中采用启发式教学模式[6]，对具体的实验步骤不再详细讲解，在每天的实验开展前，首先提出几个问题，让学生带着问题进行实验，提高学生的积极性和主动性。实验中遇到问题不是直接给予解答，而是多问几个为什么，让学生带着问题去查阅文献，思考解决的办法。如在植物组织中可溶性蛋白质含量的测定实验中可提问“如果在实验过程中考马斯亮蓝沾到手上会出现什么现象，请分析是什么原因？”学生们在分析问题的同时也会联想到实验过程中要注意不要将试剂沾到手上或皮肤上，增加实验操作的安全性。同时针对各个小组的数据的不同，要求学生们分析最终结果差异的可能原因，使学生们能够全面理顺实验过程，进一步加深对实验的理解和掌握。

1.2  方案实施

1.2.1  材料培养和试剂配制

实验中选用小麦作为实验材料，各个小组独立准备实验材料，后期所有实验指标的测定都需要使用各自培养的材料，这就要求学生们在前期的准备阶段就必须高度重视，有助于培养学生认真实验的态度。

试剂配制同样是实验成功的关键因素，只有试剂配制正确才可能得到科学合理的结果。学生按照试剂配制要求配制实验中所需要的试剂。实验中需要的试剂种类较多，共涉及几十种试剂的配制，全部都由学生独立配制完成。在配制试剂的过程中，学生们需要全面了解试剂的计算配制方法，如浓度计算中有的是计算摩尔浓度，有的是计算重量体积比，液体之间更多的是体积比。此外，有些试剂的配制需要加热才能溶解，有的可能需要通过调pH值才能溶解。配制好的试剂要合理保存，如超氧化物歧化酶活性测定中用到的氮蓝四唑等试剂需要避光保存，有些试剂需要低温保存，让学生们了解试剂的性质及保存条件，用完后及时放归原处，配好的试剂要标明浓度、名称及配制时间等信息，养成良好的实验习惯。同时实验中所需要的各种耗材器皿统一放置到规定位置，需要各个小组独立解决，合理分配，用完的器皿要求按规定清洗后放归原处，这些都需要学生独立思考解决，合理分工，充分体验到实验不是简单地按步操作，实验前的准备工作及实验后的整理工作同样重要，学生们之间加强了交流，增强了团队合作意识。

1.2.2  实验指标的测定

在实验的过程中，学生不仅要理解实验的基本原理，还要熟练掌握实验步骤，这样才可能获得合理的实验指标。要求学生在做的过程中仔细观察，遇到问题及时解决。实验中的事项如试剂配制、实验现象、操作步骤及实验中的注意事项等都可以随时记录到实验记录本。实验记录本要体现记录的即时性，记录本必须随时记录。每天实验结束后统一检查记录情况，督促学生养成记录的好习惯。

实验中涉及到多种仪器的使用，如水浴锅、电子天平、高速离心机和分光光度计等常规仪器。学生需掌握仪器的正确使用方法才可能得到正确的实验数据。学生在操作离心机及分光光度计等仪器时，老师可在一旁观察并及时指导，纠正学生们的错误操作。

实验过程中的安全问题同样尤为重要。如使用水浴锅时要注意提醒学生避免高温烫伤，使用离心机时注意配平再离心等，安全问题无小事，将一切危险因素消灭在萌芽状态。此外，实验中用到的一些试剂可能会有一定的危险性，如可溶性总糖含量的测定中需要用到浓硫酸，需要學生们明确配制方法，避免危险的发生。整个实验过程中，老师可在实验室内不时巡视，及时发现问题，确保学生实验过程中的安全。

1.3  结果分析

实验完成后要求学生独立撰写实验报告，对实验结果进行深入的分析。不同于基因克隆等分子生物学实验，植物生理学综合性实验涉及的实验都需要进行结果的计算与分析，要求学生在实验结束后及时进行计算与分析。学生不仅要知道如何计算，更要理解为什么要这样计算。很多植物生理学实验都涉及到酶活性和代谢物含量的测定，在最终计算时一定要深刻理解每一步计算公式的推导过程和含义，这样才能正确地将各个数据代入公式，在以后的实验中才可以根据实验体系灵活运用。

实验结果固然重要，但针对结果的进一步分析更为重要，只有经过分析比较才能明确结果是否正确和可靠，不同组之间的数据比较也可使学生明确数据分析的重要性，同时要求学生根据最终数据作图进行比较，进一步锻炼学生数据分析及作图的能力。如果数据与其他小组差异较大，要求学生根据实验的具体操作过程分析差异产生的原因，在时间充足的前提下可以再次重复实验以进一步验证排除干扰因素。

1.4  讨论与总结

1.4.1  讨论

每天实验结束后，组织学生根据实验中出现的现象和问题进行讨论，由学生总结实验现象和可能出现的问题，引导学生根据实验现象查阅相关文献，理解实验现象的生物学本质，让学生学会思考问题和解决问题。各个小组的实验数据可能不尽相同，甚至差别较大，学生们要深入讨论测定数据差异化的原因，根据实验结果总结可能影响实验结果的可能因素，使学生们明白实验操作的重要性。同时使学生们明白植物生理学实验数据科学分析的重要性及数据的合理性，真实的实验数据有时可能由于实验操作等原因导致误差太大，故而也不完全是正确的。

1.4.2  总结

实验切忌盲目推进，每做完一个实验，要求学生针对实验中的各种问题及时总结，找出实验中的不足或失败原因，这样才能在后续的实验中尽量避免，不断完善个人操作等实验技能。总结不仅仅包括讨论部分涉及的数据分析方面的问题，更要求学生针对个人的操作及仪器的使用等进行总结，找出操作中的不足，总结仪器使用的注意事项;同时从整体考虑小组在整个实验过程中的人员协调及实验设计等方面的缺陷，让学生不仅真正掌握植物生理的研究思路方法，加深学生对植物生理理论的理解，更进一步体会团队合作以及实验设计的重要性。

1.5  实验报告撰写

不同于实验记录本的随时记录，考虑到学生们实验时间相对比较紧张，尽可能使学生们的时间用在实验上，实验报告不要求每天整理，可以在实验全部结束后统一整理，有助于学生再次理顺思路，回顾实验，分析问题，找出不足。同时实验报告还需附一份个人的心得体会，学生们可以对整体的实验设计提出个人的建议，对综合性实验的教学模式提出建设性意见及个人的收获等。

2  课程实施效果

植物生理学综合性实验的开展对于学生的动手能力、思考能力及数据分析能力等科研素质的提高是一次有益的探索。在整个综合性实验实施过程中，学生通过独立进行材料培养、试剂配制、耗材及器皿的准备、实验操作及数据整理分析等过程切身体会科研实验的全过程，充分体现了以学生为主体的教学理念。在这个过程中，教师主要起启发、引导和监督的作用，对实验过程中出现的问题与学生进行互动交流，调动学生的积极性，充分发挥学生的主观能动性，在一周的时间内让学生全身心参与到整个实验过程中。结合植物生理学综合性实验，可以进一步加深学生对植物生理学理论知识的理解，实验前后衔接也使学生明白各个实验内容不是相互独立的，而是紧密联系在一起，对于学生综合理解理论知识、前后贯通所学内容有很大的帮助，增加了学生对本专业的学习兴趣。

植物生理学综合性实验综合了植物生理学常规实验，结合生物统计和数据分析等方面的理论知识和实验技能，以启发式教学为主充分调动学生的主动性和积极性，让学生独立自主完成实验过程和数据的整理分析并最终撰写实验报告，为学生们提供了一个独立自主完成实验的机会及一个全方位的综合实验技能提升平台。植物生理学综合性实验的开展，不仅可以提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力，并进一步加深学生对植物生理学综合知识的理解掌握，增强了学生的学习研究兴趣，为进一步的毕业论文设计和科研项目的开展奠定了基础。

参考文献：

[1]  陈伟.科研融入植物生理学教学的探索[J].安徽农学通报，2017，23（23）：147-149.

[2]  江月玲.植物生理学综合性实验的教学探讨与实践[J].植物生理学通讯，2007，43（01）：l55-l56.

[3]  胥华伟，孔祥生，史国安，等.生物学课堂教学中本科生科研素质培养的探讨[J].湖南科技学院学报，2013，34（04）：53-54.

[4]  敖红，张秀丽，王荣，等.改革植物生理实验教学加强素质教育与创新能力培养[J].实验室研究与探索，2015，34（11）：166-169.

[5]  李美阳.以培养学生创新能力为导向的植物生理学实验教学改革[J].科技资讯，2018（28）：175-176.

[6]  王征宏，吕淑芳，赵杏利，等.《高级植物生理学》精品资源共享课程的建设与思考[J].教育教学论坛，2019（31）：217-218.

（责任编辑：敬廷桃）