基于开放性实验的大学生科学素质培养

赵东芹　杨慧婷

摘  要：实验教学是培养学生科学思维素养的重要途径。以常规材料日本三角涡虫（Dugesia japonica）为例，从开放性实验设计、实施方法、实施结果以及实施效果等方面探讨以培养学生科学素养与提高学生的科学研究能力为目的开展系列开放性实验的可行性、有效性，为后续更多、更广地开展开放性实验提供思路。

关键词：动物学实验;涡虫;金课;科学素养

中图分类号：C961       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）05-0162-04

Abstract： Experimental teaching is an important way to cultivate students' scientific thinking accomplishment. To cultivate students' scientific literacy and improve the students' scientific research ability， Japan triangle planaria （Dugesia japonica） was used as an example to carry out series of open experiment. The feasibility and effectiveness would provide an idea for more subsequent opening experiment.

Keywords： zoology experiment; Dugesia japonica; gold course; scientific literacy

2019年教育部宣布将全面实施“六卓越一拔尖”计划2.0，建金专、建金课、建高地，从教学目标、教学形式和课程难度对课程建设提出了新的要求[1]。高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神，普遍提高大学生的人文素养和科学素质[2]。实验教学是培养学生科学思维素养的重要途径[3]。生物科学专业的专业课程中实验课所占课时可达三分之一甚至二分之一，足以说明实验课的重要地位。传统的实验教学内容以验证实验为主，学生参照课本，观察实物和装片，虽然能够在一定程度上对所观察动物的形态、结构和反应条件等进行了解，但由于学生不参与实验的前期准备工作，对实验后续的延伸也缺乏深入探索，严重影响了对学生科学思维和创新能力的培养;教学模式是教师在理论授课和实验课上对操作进行讲解或演示后，学生按部就班地进行模仿， 难引起学生学习的积极性和主动性。因此，如何立足培养学生科研素养与提高学生的科学研究能力来设计一些开放性实验就显得迫切与重要。

很多一线教师对普通动物学实验的教学进行了探讨[4-7]。本文在传统实验内容——渦虫活体观察实验的基础上，由浅入深地设计分层实验内容，让学生从涡虫采集、涡虫饲养、涡虫正常/异常环境中的行为观察、异常环境下涡虫再生能力及其可能机制等多角度、多层次地开展实验。实验内容的延伸以及新内容的探索不但会激发学生自主设计实验的兴趣，让学生思索如何利用一种实验动物做多个实验，并在实验实施过程中提升学生文献的检索能力、科研论文的阅读能力、实验设计能力、实验操作能力、实验数据分析能力、实验结果归纳分析能力和报告撰写能力，最终达成提升学生科研能力之目的。

一、开放性实验的设计

日本三角涡虫（Dugesia japonica）隶属扁形动物门、涡虫纲、三肠目、淡水亚目，是动物界从二胚层辐射对称进化到三胚层两侧对称的代表性生物，是从水生进化到陆生的过渡类型。因其分布广泛，易采集培养，对水质变化敏感和强大的再生能力成为发育生物学和神经生物学等研究领域的理想模式生物[8]。鉴于涡虫对水质的敏感性，使用环境化合物，比如化肥、重金属、有机磷阻燃剂、洗衣粉、化妆品和食品添加剂等，观察异常环境条件下涡虫的生理行为并探讨其影响机制。根据实验开展难易程度进行如下分层设计。

（一）环境化合物对涡虫行为的影响

摄食行为是动物的基本本能行为之一，可作为动物是否健康的评价指标，正常摄食行为可以使动物保证良好的营养条件以利于自身的生存与繁殖，正常运动行为、偏好行为是正常摄食行为的基础。PLMV实验和PSLA实验都是评价涡虫运动能力的常用实验方法。鉴于涡虫对水质的敏感性，除了观察正常环境条件下的涡虫行为，还可以使用环境化合物，比如洗衣粉、重金属、化妆品和食品添加剂等，对涡虫进行慢性染毒实验，观察涡虫摄食行为（取食时间、路径、取食量等）、运动行为（运动路径、运动距离等）和偏好行为（位置偏好性实验、光源偏好性实验），探讨环境化合物对涡虫行为的影响，不但可以提升学生科研能力，还能强化学生的环境保护意识。

（二）环境化合物对涡虫再生能力、再生后行为的影响

鉴于涡虫独特的再生特性，再生速度、神经系统再生是否正常等都是评价环境化合物毒性的指标。除了观察正常环境条件下涡虫的再生速度，观察环境化合物对涡虫再生能力（比如眼点、耳突等再生完成时间和完成水平等）、再生后行为（摄食行为、运动行为以及偏好行为）的影响，进一步对生活中常见环境化合物的生物毒性进行评价。

（三）环境化合物对涡虫影响机制的探讨

1. 涡虫神经再生观察

神经系统在调节动物生理功能、控制动物行为上发挥着重要作用，再生能力强大的涡虫是中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）扁形动物门的代表动物，被研究神经再生机制的学者所钟爱。Van Gieson染色、Masson染色和H-E染色均可清晰地显示涡虫神经系统结构，选取不同时间段正常/异常环境条件下的再生涡虫，进行组织染色，观察其神经组织的再生情况，评价环境化合物对生物的神经毒性效应。

2. 涡虫树突棘结构观察

突触是神经元间进行信息传递的基本结构，树突棘是形成突触的关键部位，利用经典的高尔基染色，观察涡虫的树突棘结构，从突触可塑性角度探讨神经再生机制和毒物效应机理。

3. 神经递质含量检测

谷氨酸（glutamic acid，Glu）和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）分别是神经系统中经典的兴奋性和抑制性神经递质，已证实涡虫中存在Glu和GABA。高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）是色谱法的一个重要分支，是分子生物学常规实验技术之一。采用HPLC法测定正常/异常环境条件下涡虫体内Glu和GABA含量的变化，探究神经再生的可能机制。

二、开放性实验的实施

（一）实验小组的组建

在超星平台发布开放实验信息，学生自主报名，辅以老师面试选拔，组间3-4人实验小组。

（二）相关技能的培训

小组组建完成后，对成员在实验室安全、实验室常规仪器操作、文献获取与阅读要求及开题报告、结题报告、实验性论文撰写要求等方面进行培训。

（三）开放性实验的开题

邀请相关老师、研究生以及部分优秀学生当评委，组织实验小组展示开题报告，对实验设计的合理性、科学性、可行性进行分析点评，实验小组结合意见进行实验设计优化。好的实验设计推荐参加大学生生物竞赛。

（四）开放性实验的实施

根据实验设计，小组开展实验，老师关注并注意引导学生自己独立思考的意识，适时给予指导，确保实验开展的科学性。

（五）开放性实验的结题

同开题报告一样，邀请相关老师、研究生以及部分优秀学生当评委，组织实验小组撰写结题报告，对实验实施过程和实验数据的合理性、科学性进行分析点评，实验小组结合意见进行结题报告的修改完善，优秀的结题报告引导学生撰写科研论文，推荐发表。

三、部分开放性实验结果展示

（一）尿素对日本三角涡虫摄食与再生的影响

中国作为农业大国，化肥使用量巨大，尿素（Urea）是目前使用量较大的一种化学氮肥，截至2020年尿素使用量占全球氮肥使用量的比例增加到70%。尿素的过量使用导致富营养化现象频繁发生，但尿素对水体低等动物的毒性作用尚无报道。

采用半静水式实验法，测定了尿素对日本三角涡虫的急性毒性，并探究了尿素曝露对其摄食与再生的影响，尿素对涡虫24 h、48 h的LC50分别为0.28 mol/L、0.25 mol/L。后期慢性染毒实验发现，完成再生涡虫数目72 h前各处理组均少于对照组，且64 h时浓度为0.04 mol/L的处理组与对照组相比差异显著（P<0.05），浓度为0.12 mol/L、0.16 mol/L的处理组与对照組相比差异极其显著（P<0.01），见表1。以上结果说明尿素对涡虫的再生有一定抑制作用，且具有明显的剂量效应和时间效应。

（二）Pb2+对日本三角涡虫的毒性效应

铅（Lead）具有熔点低、耐腐蚀性的理化性质，广泛用于蓄电池的生产和充当建筑材料成分等，铅对神经系统的毒性使其成为一种危害性极大的环境毒物。Pb2+对日本三角涡虫的行为毒性研究尚未见报道，如图1所示。

Pb2+对涡虫24 h、48 h的LC50分别是530.57 ？滋mol/L、232.37 ？滋mol/L。摄食实验发现同一时间，摄食涡虫数目随Pb2+浓度的增加而减少，高浓度组与对照组间差别明显（P<0.05）。随着处理时间的延长，低浓度组与对照组间也出现了显著差异（P<0.05）。Pb2+确实会导致摄食涡虫的数目减少，表现为摄食抑制，且浓度越高，作用效果越明显，如图2所示。运动行为实验发现随处理浓度的升高，涡虫运动速度总体上呈逐步降低的趋势，说明Pb2+曝露会对涡虫的运动能力产生抑制作用，如图3所示。

四、开放性实验实施效果评价

（一）申请大学生创新项目

鉴于学校学院对如何让大学生走进科研，提前了解科研，将来走向科研，成为科研栋梁推出了的鼓励政策，基于涡虫相关开放实验鼓励学生申请大学生创新创业项目2项、大学生科研项目1项。

（二）参加生物竞赛

学科竞赛是顺应时代对高校创新人才培养的要求、满足大学生创新发明的内在动力需求、响应高校教育教学改革内涵发展的诉求而兴起的。基于大学生创新创业项目或大学生科研项目的开展，我们鼓励参加涡虫开放实验的学生参加全国大学生生命科学竞赛，并获国家级二等奖1项、省特级奖1项，省一等奖项2项，省二等奖1项。

（三）发表相关论文

从走进实验室的懵懵懂懂，到实验操作的驾轻就熟，是学生对科研逐步了解和深入的过程，其中不乏优秀者一直坚持着自己的科研之路，在阅读大量文献的基础上，对自己研究内容的理解到了比较高的层次，结合自己对相关领域的理解或自己的实验内容撰写论文，《涡虫神经再生相关基因及其调控通路》已在山东理工大学学报发表。

（四）培养了科学思维，提升了科研能力

从查找文献入手，拉开了学生在实验室的“科研”序幕。遇到问题学生学会了问“度娘”、问“小木虫”、问师哥师姐，学会了看外文文献，学会了独立思考，形成一定想法之后再向老师求证可行性……从最开始的查找资料、采集涡虫、饲养涡虫和设计急性、慢性实验，到分析实验结果、撰写实验论文，每走一步都是满满的收获。这是部分学生的心得体会，也说明了开放性实验的实施效果。此外，最早参与实验的部分同学已毕业，其中两名同学考取中国科学院中丹学院、另有4名同学分别考取上海中科院神经生物所、中国海洋大学海洋生命学院、兰州大学生科院和山东大学医学院，面试过程中的表现受到相关老师一致肯定。

五、结束语

响应国家素质教育改革的号召，本文结合常规实验材料涡虫，在引导学生关注环境问题的基础上，以培养学生的实践动手能力和独立学习能力为目的，从异常环境下涡虫行为观察、机制探讨等不同层次设计开放性实验，为大学生科研兴趣的培养、科研素质的提升奠定基础，实施开放性之后确实达成提高学生科学研究能力之目的。刘爱丽等[9]鉴于参与教师教学科研课堂学生数量越来越多，提议开设基本实验技术选修课，但“僧多粥少”的现状（比如开放性实验开展空间不足、实验经费短缺、指导老师精力有限等问题）仍是制约开放性实验普及开展的关键，后续将进一步从开放性实验内容设计、联合其他实习实践基地等入手，就如何让更多学生受益、如何保证开放性实验实施的可持续性作进一步探索。

参考文献：

[1]吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：4-9.

[2]付坤，王瑞，杨罕，等.高校本科生科研素养培养教育探索[J].实验室研究与探索，2017，36（3）：207-211.

[3]张莹，张志利.实验教学中学生科研思维能力的培养研究[J].高教学刊，2017（1）：29-30.

[4]杨承忠，王茂，唐发辉，等.普通动物学实验的教学探讨[J].教育现代化，2018，5（29）：191-192.

[5]李鹏，赵梦飞，韩笑，等.高校动物学实验课程教学改革调查与实践探索[J].四川动物，2017，36（5）：593-600.

[6]史晓晶，王华杰.《动物学实验》教学的改进与探索[J].山东化工，2019，48（5）：185-186.

[7]王芳，刘小花，马圆.强化线上教学与科研创新能力培养的实验动物学教学改革[J].实验教学与研究，2019，38（10）：195-197.

[8]Ross KG， Currie KW， Pearson BJ， et al. Nervous system development and regeneration in freshwater planarians[J]. Wiley Interdiscip Rev Dev Biol， 2017，6（3）：e266.

[9]刘爱丽，刘迢迢.《实验动物学基本实验技术》选修课的设计与探讨[J].高教学刊，2019（11）：126-127+130.

基金项目：首批国家级一流本科课程“普通动物學”（2020140518）;山东师范大学实验教学改革项目“基于提升学生科学研究能力的动物学实验教学改革探索”（SYJG040256）、“涡虫系列开放性实验引领学生叩开科研之门”（SYJG040258）

作者简介：赵东芹（1978-），女，汉族，山东菏泽人，博士，副教授，硕士研究生导师，研究方向为应激神经生物学、生物学教学法。