植物生理学综合设计性实验教学的改进与实践

闫小红 吴琴玉 周 兵 胡文海 李晓红

（1井冈山大学生命科学学院，江西 吉安 343009；2吉安县第三中学，江西 吉安 343199）

植物生理学是生物类、农学类及林学类等相关专业的专业基础课程之一，是研究植物生命活动规律及其与环境相互关系的科学，一般包括光合作用、植物代谢、植物呼吸、植物水分生理以及植物矿质营养等方面内容，其任务是研究和了解植物在各种环境条件下进行生命活动的规律和机制，并将研究成果应用于生产实践中[1]。植物生理学实验是其课堂理论的延续和深化，相较理论教学，实践教学具有直观性、趣味性等特点，学生对知识更容易掌握与接受[2-4]。高校开设的植物生理学实验还存在一些需要完善的地方，比如教学方法灵活性，教学内容多样性，教学项目设置合理性，系统性、验证性实验占比较大，综合性、创新性实验较少，考核方式多样化等方面[5-6]。为此，相关教学团队开展了一系列的教学改革，有基于学生创新能力、科研能力和综合能力等方面的探索[5，7-8]。李璐等[5]将考核设置为基本实验技能考核、综合实验能力考核和创新性实验技能考核3个方面的内容，积极发挥课程考核杠杆作用，提高学生的主动学习能力，培养学生的创新思维能力。还有基于教学方法[9-10]、考核体系[6，11]，以及实验内容设计方面的改革[12-13]。

传统的植物生理学实验依据理论课程的知识设置了8个方面的内容，包括验证性实验、演示性实验和综合设计性实验等。综合设计性实验是在学生具有一定的基本知识和基本技能的基础上，运用多方面的知识对学生实验技能和方法进行综合训练的一种复合型实验，有利于培养学生的科学探究、合作精神、自我发展和学习意识及能力[14]。光合作用是植物的重要生理功能之一，也是植物生理学学习的重点和难点内容之一，包括光反应、暗反应两个阶段，涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化和碳同化等重要反应步骤[1]。如何让学生通过课堂理论教学和实验教学快速、牢固地掌握相关知识一直是教育工作者关注的焦点。基于现有的实验内容，部分实验之间存在连续性和关联性，可以将原来的验证性或演示性实验调整为综合设计性实验，一方面可以有效培养学生的综合能力，另一方面也可提高课时效率。为此，本研究以“叶绿素a、b含量测定”和“植物光合强度的测定”两个实验项目为例进行改进实践，将“叶绿素a、b含量测定”和“植物光合强度的测定”整合成一个综合设计性实验，探讨叶绿素含量与植物光合强度的关系，以及不同光环境条件下，叶绿素a、b 与植物光合作用之间的关系，不仅可以让学生更好地掌握植物光合作用的理论知识，而且对于提高学生的综合素养及科学创新能力发挥着重要作用，为相关实验项目的改革提供参考。

1 实验方法的改进

1.1 植物材料的选择

由授课教师引导，学生设计整理实验方案，经分析讨论后确定植物材料。充分考虑到学生课程多、学习任务重等因素，选取校园内自然生长的野生或绿化植物为实验材料，对班级所有学生进行分组，以4～6 人为一组，一个班级学生可分为6～8 组，每组在校园内自选生长基本一致、没有病虫害为害的健康植物材料若干，并选择在两种不同光环境条件下生长的植株，随机选取同种植物不同植株相同部位的叶片进行光合作用强度和叶绿素含量的测定。

1.2 光合作用强度的测定

之前的光合作用强度测定实验方法常为改良半叶法，由于其准确性不高等因素，这一方法在实际的科研实验中基本不再使用。为此，本次光合作用强度测定改进为光合作用测定系统法，利用LI-6400XT 便携式光合作用测定系统进行光合作用相关指标参数的测定，并通过测定光合光响应曲线来确定植物的光合作用强度。

1.3 叶绿素含量的测定

之前叶绿素含量测定主要是测定单位鲜重叶片中的叶绿素含量，提取方法为加入丙酮进行研磨，该方法存在一定的局限性。丙酮的挥发性大，研磨处理加速了丙酮的挥发，单位鲜重研磨损失较大，造成的误差相对较大，同时，挥发性物质丙酮对人体皮肤和呼吸道也会产生损伤。为此，叶绿素含量测定调整为测定单位叶面积叶绿素含量，研磨法调整为浸泡法，将采集的叶片剪碎后，置于有盖的离心管内，用定量丙酮黑暗处浸提24 h，待叶片发白即可测定，丙酮浸提液溶液澄清，不需要进行离心，可直接吸取其浸提液进行叶绿素a、b 含量的测定，提高了测量的准确性，降低了误差，减少了丙酮挥发对人体的伤害，并且通过测定单位叶面积叶绿素含量，再结合测定的光合光响应曲线，可以进一步理解单位叶面积叶绿素含量与光合作用强度之间的关系，揭示植物的光合作用机制。

2 实验教学的改进

2.1 数据的处理

在以往的实验中，获得的数据一般未进行统计学分析，只是对所获得结果的数据大小进行比较和描述，为了提高学生的数据处理和分析能力，理解数据统计分析在生物学研究中的重要性，培养学生严谨的科学素养，要求每组测定叶绿素含量和光合光响应曲线至少3次重复，并利用SPSS 22.0统计软件进行后续的数据统计分析。

2.2 光合光响应曲线的拟合及相关光合参数的计算

本次光合作用强度测定采用光合作用测定系统测定的方法进行，测定后要利用相关指标进行光合光响应曲线拟合，以获得最大净光合速率（Pmax）、饱和光强（PARsat）等参数。利用Ye 等[15]光合作用对光响应的机理模型（由模型建立者叶子飘博士提供，模型的计算软件网页版（http：//photosynthetic.sinaapp.com/index.html））拟合光合光响应曲线，依据相应的公式计算出Pmax和PARsat等光合指标，并以此为依据结合数据统计分析结果分析讨论植物光合作用强度的高低。

2.3 不同光环境条件下叶绿素a、b含量的差异分析

本次实验改变了以往只单纯测定叶片叶绿素a、b 含量的方式，增加了不同光环境条件下叶片叶绿素a、b含量的测定以及叶绿素a、b比值的计算，以此来反映叶绿素a、b 含量与不同光环境之间的关系，并结合光合光响应曲线及光合参数，来判断不同光环境条件下光合作用强度和叶绿素含量之间的关系，以便更好地理解植物的光合作用。

2.4 实验报告的改进

本次实验报告采用科技论文的形式进行撰写，包括标题、作者、摘要、关键词、前言、材料与方法、结果与分析、结论与讨论以及参考文献等，帮助学生掌握科技论文撰写的基本要求，提升学生科技论文的写作水平，培养学生的科研素养。

3 效果评价分析

3.1 办公软件的使用

在本次实验中，学生利用Microsoft Excel软件结合SPSS 22.0 软件对数据进行了分析，利用Microsoft Word 对论文进行撰写，可以进一步熟练使用Office等办公软件。指导老师对小论文进行了修改，重点讲述科技论文的写作方法和写作的规范性等，学生积极性较高，其间会提出问题并与老师展开讨论，有效培养了学生的科研素养。

3.2 LI-6400XT便携式光合作用测定系统的原理及使用方法

在本次实验中，教师讲解了LI-6400XT 便携式光合作用测定系统的测定步骤、注意事项及原理，使学生知其然，也知其所以然，有助于进一步理解植物的光合作用，并学会正确使用该仪器，能够熟练测定植物的光合光响应曲线。图1为课堂上学生分组在野外对植物进行光合作用测定。

图1 校园内植物光合作用的测量

3.3 光合光响应曲线的拟合及光合参数计算

获得数据后，要求学生利用测定的数据进行光合光响应曲线的拟合，并依据公式计算相关光合参数。如图2 所示，讲解了光合光响应曲线拟合软件的使用和计算方法，并逐一进行实操，提高了学生对软件的操作熟练度。实验结束后，部分同学向老师提出了一些设想与心得体会，并想在自己的毕业论文实验及以后的科学研究中继续使用光合测定系统。此次综合实验的设计提高了学生的科研和创新能力，也激发了学生的学习兴趣和学习热情。

图2 光合计算软件的使用操作演示

3.4 统计分析软件的使用

在本实验中，老师指导学生使用统计分析软件进行数据统计分析，让学生走出数据分析的误区，理解并不是对数据进行简单的大小比较，就可以得出两者之间是否有差异，而是采用统计学方法进行差异分析，以此准确判断数据之间差异是否有统计学意义。通过本次综合性实验教学，学生掌握了单因素方差分析以及成对或独立样本T检验等统计方法。

3.5 团队协作能力

团队协作能力也是本课程的课程目标之一。本次实验采取分组进行，学生在进行野外测量时，由于仪器少，测量时间长，测定程序相对较复杂，如何合理安排，明确分工对实验的有序有效进行至关重要。实验过程中各组成员分工明确具体，确保整个班级实验有序进行，在发挥各成员特长的同时，充分体现出较强的团队协作精神，进一步加强了学生之间的沟通与交流，培养了学生交际和团队协作能力，形成自我发展和学习的意识及能力。

4 结语

植物生理学实验是高校生物类专业中的核心专业基础课程之一，实验内容的设置对于学生综合素质的培养至关重要。坚持立德树人根本任务，基于OBE理念，本次实验教学改革，将验证性实验整合成综合设计性实验，增加了实验的趣味性、科学性，让学生了解了学科领域中相对领先的测定技术，有效地提高了学生的实验操作能力、科研能力和创新能力，同时增强了学生的团队协作意识，对于植物生理学实验教学效果的提升起到了很好的作用，今后可在实验考核方式等方面制定简便有效的评价机制，使课堂教学和考核方式有效结合，使学生能够真正在植物生理学实验课程中学有所获，学有所用。