基于科教融合的“植物生理学”课程教学的改革与探索

罗 娜 钱春梅 罗玉容 李淮源*

1.华南农业大学生命科学学院 广东广州 510642;2.华南农业大学基础实验与实践训练中心 广东广州 510642

一、概述

目前,我国已经进入了高质量发展的新阶段,提升科技能力非常关键。国家一直提倡“科教兴国”的发展战略,《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020)》进一步指出,高等教育要支持学生参与科学研究,强化实践教学环节,促进科研与教学的实质融合[1]。教学和科研是高等学校两项基本职能,科研促进教学,教学反哺于科研,科研与教学达到双赢。科教融合教学模式有利于加强高等教育与科学研究相互融合在一起,这样可以从根本上促进创新型人才的培养,更好地实现科技、教育、人才一体化[2]。科研融合一方面将科研理念应用于育人理念中,将科学成果转化为教学范例,培养学生创新精神;另一方面科学研究可以提供学生前沿的专业知识[3]。

华南农业大学是国家“双一流”建设高校,农业科学和生命科学为学校的优势学科。而“植物生理学”是我校植物生产类相关专业如农学、植保、园艺、林学等的专业基础课,也是生物科学与生物技术的专业课。每年修课人数超过1400人,覆盖面较广。近年来,“植物生理学”教学团队积极开展基于科教融合理念的课程改革,将教师科研工作中的部分内容融入教学之中,启发学生的科研思维,培养他们的分析以及综合利用所学知识解决实际问题的能力。教学团队成员都主持或参与多项国家级和省级的科研项目,积累了丰富的科研经验,这样才有利于把最新的科研成果融汇于课堂上,科研与教学互动,学生可以接触到最新的科技成果,这些是我们做好科教融合工作的底气和保障。

二、科教融合在理论课教学中的体现

(一)加强知识点研究背景的学习

传统的教学模式通常重视知识本身的传授,忽视对知识点相应的科研过程的介绍,学生不知道是如何发现问题、分析问题、解决问题、得出结论的。而科教融合教学模式会将学科重要事件的研究背景加以较详细地阐述。如卡尔文进行CO2固定时的具体思路、步骤和技术手段;胚芽鞘向光性实验的思路和方法;光敏色素发现过程的思路及所用的技术。这不仅有利于加强学生对理论课知识的整体理解,更主要的是慢慢渗透了如何分析、解决问题的科研思维,提高学生对科研的兴趣。

(二)读书报告

理论课的内容相对枯燥,且绝大多数的时间以教师“填鸭式”教学模式为主,如果能调动学生学习的积极性,让学生带着有趣味性的科学问题主动学习吸收知识,对内容的理解和分析问题的深度都会高于被动学习,也会更容易应用于农业生产实践中。

调动学生的积极性具体做法是:在教学平台如雨课堂和QQ教学群中[4],提供部分相关的资料,要求他们检索、阅读和讨论,针对涉及的知识点或者问题进行更深入的研究性学习,并完成小组的读书报告。教师根据报告内容、讲述情况以及回答问题的情况综合给出分数,作为平时成绩的一部分。如在果实发育部分,学生做的汇报:(1)乙烯在苹果成熟中的作用;(2)类YABBY转录因子在番茄驯化过程中的作用;(3)果实开裂的调控;(4)影响番茄果实大小的关键数量性状位点;(5)番茄种质中SUN、OVATE、LC、FAS的分布及其与果实形状多样性的关系等。

理论课激素信号转导部分,学生的读书报告内容有:(1)ABA信号传导在植物抗逆性方面的研究进展;(2)生长素生物合成、转运和信号转导中的可逆蛋白磷酸化;(3)拟南芥乙烯信号通路;(4)GA的细胞信号转导及其突变体研究。(5)生长素的信号转导和转录调控等。

读书汇报对知识点进行总结,其难度高于课堂讲授的部分,在完成过程中不仅能培养学生的自主学习能力和科研兴趣,锻炼了表达能力的同时,还有利于良好师生关系的建立。

(三)学术讲座

华南农业大学学校的科研氛围浓厚,经常举办国内外专家的学术讲座,教师会将相关的信息转发给学生,要求他们参加已经学习过的知识点的相关讲座,了解学科的最新进展和发展方向、学习学术专家们的学术思想,对他们以后考研目标的选择有很大帮助。对于这些最新的研究成果,教师也会在上课时,进行简单讲解讲座的逻辑思路。

(四)鼓励学生参与教师的科研项目中

我们会鼓励大二的学生参与教师的科研项目,使学生了解科学问题的研究思路,提高学生的创新意识。同时,学生参与教师科研项目的研究也会促进项目的进度,形成良性循环,互相促进。这样,学生也会在做研究中积累经验,参加一些国家和省级项目申报。

三、科教融合在实验课教学中的体现

实验课教学是教学的重要组成部分,学生通过理解实验目的、根据实验流程亲自动手操作、认真观察实验现象、分析实验结果,都可以培养学生熟练的实验技能与学生严谨细致、独立创新的科学态度。同时,实验课操作性强,容易给学生留下深刻的印象,有利于学生更好地掌握的理论知识[5]。以前,我校的“植物生理学”实验主要包括验证性实验和综合性实验两大类,都是常规性实验。为了增强实验课的趣味性,提高学生参与的热情,我们探索科教融合模式下的实验课,具体内容如下:

(一)科教融合的模式一

1.实验一:香蕉的催熟过程以及冷害、青皮熟现象观察

实验原理:刚采收的香蕉不能立即食用,放置一段时间后,其色香味才符合人们的食用要求,这一过程称为后熟。后熟可以分为自然后熟和人工催熟。自然后熟的过程缓慢,成熟不均匀,颜色也不均匀,影响水果的品质;人工催熟可达到快速均匀成熟。香蕉是呼吸跃变型果实,当环境乙烯浓度达到或超过阈值时,香蕉果实合成大量的乙烯,呼吸速率迅速提高,启动了果实的后熟过程。香蕉催熟就是人为提高贮藏环境的乙烯浓度,加快后熟进程,因乙烯利溶液处理操作简单,而普遍被广泛使用。

香蕉对温度非常敏感,温度较高会加速乙烯的产生和香蕉的后熟,但温度超过28℃时,香蕉果皮叶绿素降解慢,出现果肉成熟,而果皮中叶绿素不能降,仍然保持青色的青皮熟现象。另外,香蕉的适宜贮藏温度为11～13℃,温度较低时香蕉容易产生冷害,影响后熟和品质风味。实验目的筛选乙烯利起作用的最适条件。

实验步骤:将已冲洗干净的香蕉果实分别放入不同浓度的乙烯利溶液中浸泡2分钟,取出晾干。用聚乙烯包装袋分别密封包装4个处理的香蕉果实,其中对照没有浸泡乙烯利的果实,分别放在4℃、15℃、20℃、30℃培养箱里。24h后打开密封包装袋通风透气,稍封袋口或者去除包装,做进一步观察,每天记录香蕉果实出现软熟的时间和外观症状。

该实验综合了理论课知识乙烯催熟、果实成熟中色香味的变化、叶绿素的降解等方面的内容。学生通过自己的实验验证了所学知识点,尤其是香蕉的冷害和青皮熟特性更贴近生产实践,学生可以用自己理论课学到的知识来指导生产实践。

2.实验二:植物花青素苷的理化性质分析

实验原理:花色素苷主要存在于液泡中,具有水溶性的天然植物色素,存在植物的液泡中,赋予果蔬、花卉五彩缤纷的颜色的物质基础。花色素苷在食品化工上都起着重要作用。花色素苷是一种糖苷,其非糖部分称为花色素。在植物的花、茎、叶、根等器官的细胞液中都存在花色素苷。

花色素苷的纯化分离主要根据其理化性质,主要是可溶于水和带正电荷、在低pH值下较稳定等特性。本实验设计采用0.5mol/L的HCl处理花瓣花色素苷,通过Amberlite XAD-7对在低pH值下带正电荷的花色素苷有较强的吸附力,对其他不带电荷的杂质如糖类、有机酸等吸附力较弱,这些杂质可通过洗涤除去,被吸附的花色素苷可以采用甲醇洗脱,最后达到对花色素苷初步纯化的目的。

花色素苷在不同的pH值下呈现不同的颜色,主要原因是在不同的pH值下结构不同。在强酸条件下(pH<3)时,花色素苷会呈现红色,主要存在形式为盐阳离子;随着pH值升高至弱酸(pH范围4～5),主要存在形式变成非离子型,其结构会转化为假碱式花色素苷;在碱性条件下(pH>7),花色素苷存在形式为阴离子,颜色为蓝紫色的。

不同的pH值决定盐离子的比例,比如在pH值为1花色素苷颜色较pH值为3.5更红,主要原因为pH值为1的盐离子浓度较高。具体分析花色素苷的结构,可以采用光谱分析的方法。

实验步骤:

(1)花色素苷的提取方法:10g玫瑰花瓣剪碎,加入100mL 0.5mol/L的HCl中浸提过夜,过滤得玫瑰花色素苷粗提取液。

(2)装填Amberlite XAD-7树脂吸附层析柱:将Amberlite XAD-7树脂用蒸馏水溶胀后,慢慢地倒入层析柱,使装填物均匀地自然下降。

(3)玫瑰花色素苷的初步纯化:将玫瑰花色素苷粗提取液上Amberlite XAD-7树脂吸附层析柱,上完样后,本实验采用适量的蒸馏水冲洗柱子,目的是去除杂质。接着用定量0.1%HCl甲醇反复洗脱柱子,用离心管收集红色的洗脱液,最后为了获得高浓度、高纯度的花色素苷,本实验采用减压旋转蒸发仪浓缩和除去甲醇。

(4)不同pH值处理下玫瑰花色素苷的光谱分析:本实验采用0.4mol/L KCl/HCl、pH1.0,0.4mol/L柠檬酸,磷酸氢二钠pH值为3.0、5.0、7.0的缓冲液稀释玫瑰花色素苷浓缩液至50mL,平衡30min后,用紫外可见分光光度计测定不同pH值下的可见光吸收光谱。

该实验综合了花色素苷的提取、吸附层析、旋转蒸发浓缩、吸收光谱分析等技术,以及观察到不同pH值条件下花色素苷颜色的变化情况。本实验涉及的技术都很实用,可以进一步应用于生活实践中,比如生活中对果酱色素的鉴定。

3.实验三:超薄等电聚焦电泳测定种子纯度

实验原理:在聚丙烯酰胺凝胶中加入载体两性电解质以达到在两极形成连续、稳定和线性的pH梯度。根据蛋白质具有不同的等电点,进入加有载体两性电解质的聚丙烯酰胺凝胶后,在电场的作用下,蛋白质电泳图谱是根据蛋白质停留在其等电点相等的pH值处(聚焦),经染色后显示出不同位置的条带。该电泳方法可用于作物品种真实性和种子纯度的鉴定。

实验步骤:

(1)蛋白质的提取:取水稻、番茄、辣椒等农作物种子50粒,去除种皮后用种子粉碎器逐粒粉碎,分别置于离心管中,加入PBS提取液,室温下涡旋10分钟提取,离心,取上清液用于电泳。

(2)凝胶的制备:根据不同植物材料设计不同的凝胶配方。称取一定量的尿素、牛磺酸,加入一定量的聚丙烯酰胺母液、两性电解质、TEMED、过硫酸铵,拌器上混匀。本实验采用拍打技术进行制胶片,首先在聚酯胶片中间滴入一定量的凝胶液,然后将玻璃板放到聚酯胶片上,通过玻璃板的两个长边上贴有厚度为0.15mm的胶布保证制出的凝胶厚度均一,即为0.15mm。室温下聚合约45min后,用一小刀插入玻璃板之间将两块玻璃板分开,然后小心将聚酯胶片从玻璃板上揭起,即为制好的凝胶。

(3)点样:将制好的凝胶放于经预冷的水平平板电泳槽冷却板上,将经阳极和阴极电解液充分浸润的滤纸条放在凝胶上,然后平行放置上52孔点样带,一定要注意点样带与凝胶完全密封。吸取一定量的蛋白质提取液加入点样孔中。对照提取液,还需要一个泳道点marker。

(4)电泳:250V下,电泳70min。

(5)固定:将电泳胶片小心取下,放入固定液中固定20min。

(6)染色、脱色后结果观察:观察电泳条带的情况,计算出所试种子的纯度,或与标准样品相比较鉴定作物品种的真实性。

种子的纯度鉴定是种子生产中非常重要的一环。本实验应用超薄等电聚焦电泳技术,胶薄,实验用的试剂少、省钱且清晰度高,结果的准确率高,需要的样品量少,适合单个种子的检测。实验的关键是超薄电泳胶的制作,在教师示范后都能成功。

以上的三个实验,每一个内容都比普通实验指导书上的更综合、更贴近生产实践,更能培养学生的兴趣。在经过多轮的实践后,我们将修订后相关的内容编入了本校出版的植物生理实验指导中[6],较好地完成了科学研究应用于教学过程中的转化。

(二)科教融合的模式二

各位任课教师的科研和教学经验都很丰富,实验药品和仪器也较为齐全。本科生可以在大学二年级时候申请进入任课教师的实验室,首先跟随师兄、师姐完成一些基础的实验操作,逐渐建立科研思维、接触科研项目,在教师的指导下学会查阅相关文献,拟订实验方案并实施完成一个项目。完成这些项目,对学生的科研思维、动手能力、应用知识的能力等各个方面能力的综合提升效果非常明显。科研成果可以作为毕业论文,也可以参加大学生创新创业训练项目的校级和省级比赛。

结语

科教融合为“植物生理学”课程改革和学生培养拓展了新思路。将前沿发展动态以及教师的相关科研成果融入教学中,无论是理论课的读书报告、听学术讲座,还是实验课教师课题都鼓励学生进课题组,参加科研项目,激发学生学习兴趣,变被动学习为主动学习。今后,我们还将提炼更多的科研成果融入教学中,注重科研教学相互融合,培养学生实践能力与创新能力。