PBL教學模式在生物實驗教學中的應用

楊桂蘭，陳雙慧，劉 瑞，程木華

（哈爾濱師范大學生命科學與技術學院，黑龍江哈爾濱 150025）

21世紀是一個創新的世紀。兩彈一星元勛錢學森曾經說過：“現在中國沒有完全發展起來，一個重要原因是沒有一所大學能夠按照培養科學技術發明創造人才的模式去辦學，沒有自己獨特的、創新的東西，老是冒不出杰出的人才。這是一個很大的問題。”［1］創新世紀需要創新教育，創新教育重在創新人才的培養，而高校是培養創新人才的重要基地。實驗教學在高校創新體系中占有十分重要的地位，是培養學生創新精神和創新能力的重要途徑之一。當前，生物實驗課程教學模式經歷了以教師為中心的教學模式、以學生為中心的教學模式以及時下廣為應用的教師為主導－學生為主體教學模式的轉變［2］。長期以來，實驗教學由于重理論，輕實踐，重知識，輕能力，培養出來的大多數學生缺乏創造性和分析問題、解決問題的實際能力，創新意識和創新理念的培養更是無從談起［3］。筆者經過長期教學研究發現，在教學環節中以問題為中心展開討論，師生間互動交流，能夠激發學生自主能動性和創新能力，而這就是國際上較為流行的一種教學模式——PBL（Problem－Based Learning）教學模式［4］。PBL 是增強學生綜合素質的一種有效教學手段，是現代教育中頗具潛力的一種教學模式。將PBL 教學模式應用于生物實驗教學中培養學生的生物學素養與創新能力，將會是生物實驗教學發展的一種趨勢。

1 PBL教學模式簡介

PBL（Problem－Based Learning）被稱為“以問題為基礎的學習”，是由美國南依利諾斯大學的霍華德·白瑞斯（Howard Barrows）于1969 年在加拿大的麥克瑪斯特大學醫學院首先試行的一種新型的教學模式，其注重創新思維、合作學習等能力的培養，充分體現了以人為本的新課程理念。他和安·凱爾森（Ann Kelson）博士給PBL 下了定義：“PBL 既是一種課程也是一種學習方式。”［5］PBL 的最大優點是克服了授受式教學中以教師為中心、以教材為依據、以教室為依托的“你聽我講”的灌輸知識的弊端和發現式教學中學生掌握知識的盲目性和缺乏系統性的弊端。PBL 整合了授受式教學和發現式教學的優勢，在教學過程中形成師生“學習共同體”，充分體現了教師和學生的共同協作、優勢互補的特點，師生雙方都在圍繞“解決問題”而展開教學活動，教師不再一味地灌輸知識，而是從講臺前走向了課桌旁，學生也不再是單純地被動接受知識，相反，每個人都成了問題的解決者，成為自己學習的第一責任人。PBL 教學模式以“問題”為核心，所有的學習活動都是圍繞問題的解決而展開的。PBL 教學理念認為“問題是學習的起點也是選擇知識的依據”，學習過程中學生是主體，教師是學生學習的推動者或輔導者［6］。

2 PBL教學模式在生物實驗教學中的應用

PBL 教學模式具有問題基礎性、團隊協作性、知識系統性、研究探索性、師生交互性等特點，不僅重視知識的有效傳遞，而且有利于學生創新能力的培養［7］。PBL教學組織過程大致包括：提出問題（教師或學生）→劃分小組（學生）→歸納假設（學生）→收集資料（學生）→論證研究（教師、學生）→解決問題（教師、學生）→進行驗證（教師、學生）→提出新問題（教師）［8］。本文中以“利用質壁分離法測定植物組織滲透勢”實驗為例，介紹采用PBL 教學模式，并通過如何設定“問題”、解決“問題”來培養學生的創新能力。

2.1 問題的設計思路

在教學過程中，教師需要根據現有條件及學生的知識背景精心設計問題并提出可行性問題。本著前蘇聯心理學家維果茨基提出的“最近發展區”原則，PBL中的問題應該難度適中，并且在學生已有舊知識與即將自主學習的新知識之間搭建起一座橋梁，從而使學習變得有意義［9］。本實驗的問題設計思路如下：首先讓學生了解滲透作用具備的條件，然后利用滲透作用原理測定植物組織滲透勢。在實驗過程中，讓學生利用已有的實驗材料鑒定哪種植物更適合做質壁分離實驗。同時，自己也可以提出不同的觀點，如使用其他的植物做實驗材料效果會不會更好？

2.2 實驗的組織

作為植物抗旱和抗鹽的一種機制，滲透調節越來越引起人們的重視［10］。植物通過滲透作用來調節細胞的滲透勢，進而使自己在逆境環境中得以生存。那么，滲透作用的產生具備哪些條件呢？這是實驗中提出的第1個問題。

教師給出實驗用具和材料讓學生自行設計實驗并驗證：在一個長頸漏斗的漏斗口外密封上一層玻璃紙（一種半透膜，水分子可以透過它，而蔗糖分子則不能），往漏斗內注入蔗糖溶液，然后將漏斗浸入盛有清水的燒杯中，使漏斗管內外的液面高度相等。過一段時間后，會出現如圖1所示的現象［11］。

圖1 滲透現象示意圖

由此可以得出結論，滲透作用的產生必須具備2個條件：一是具有一層半透膜，二是半透膜兩側的溶液具有濃度差［12］。成熟的植物細胞具有中央大液泡，內有一定濃度的細胞液，其細胞膜、液泡膜及兩層膜之間的細胞質即為原生質層，原生質層相當于一層半透膜，只要原生質層的兩側有濃度差就會發生質壁分離或復原。

在觀察“植物細胞質壁分離和復原”的實驗教學中，傳統教材中的方法是以紫色洋蔥鱗片為材料進行的。有的研究者也用水綿和鮮艷大花植物的花瓣（如大麗花、月季花、碧桃花）做實驗材料［13］。

教師提供3種植物作為實驗材料，哪種材料實驗效果會更好呢？這是實驗中提出的第2個問題。

學生將選取的材料按要求制成臨時裝片，分別滴加預先配置好的0.20g／ml、0.30g／ml和0.40g／ml的蔗糖溶液，放在光學顯微鏡下進行連續觀察。從滴入制備液開始計時，直到植物細胞有了明顯的質壁分離為止。最后再觀察質壁分離后的細胞能否再復原，做好記錄。時間用秒表測定，要重復做3次求取平均值，并將結果與表1對照。

表1 不同濃度的蔗糖溶液對大麗花、洋蔥、水綿的質壁分離和復原情況

表1表明：雖然3種植物細胞在同種溶液的適宜濃度下均可發生質壁分離及復原現象，但從有利于教學實驗需要時間較短，能清楚地觀察到細胞質壁分離和復原的現象上看，用大麗花（新鮮花瓣）做實驗材料，質壁分離及復原所需時間相對較少，并且分離現象較明顯，動態感很強。

滲透調節能力的大小可以用逆境條件下細胞滲透勢的降低值來表示，在水分生理與抗性生理研究中經常需要測定。

如何測定植物組織的滲透勢呢？此時，教師引導學生采用質壁分離法，用一系列梯度濃度蔗糖溶液測定植物組織細胞的滲透勢。首先，配制0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 mol／L 的蔗糖溶液各50mL。其次，制備臨時裝片：取新鮮花瓣于食指和拇指間，用食指和拇指稍用力一搓，除去非表皮組織，即可獲得薄而略透明的花瓣表皮［12］。最后，細胞的等滲濃度將介于剛剛引起初始質壁分離的濃度和尚不能引起質壁分離的濃度之間的溶液濃度。代入公式即可計算出其滲透勢。滲透勢－ψs＝RTiC1。

2.3 結果分析與評價

實驗結束后，大部分學生的實驗結果基本符合理論值。說明學生實驗操作基本達到要求，實驗過程也比較認真。有一小部分的學生實驗結果有偏差，教師應引導學生分析其原因，如在做質壁分離與復原實驗時實驗的現象不明顯，可能是選取的實驗材料不新鮮；沒有按照要求制作臨時裝片，導致觀察不到實驗現象；沒有連續地觀察實驗，計時不準確等。在整個實驗過程中，教師要及時做出準確的評價并反饋給學生。

3 實驗的深度拓展及對學生創新能力的啟發和培養

生物科學是建立在實驗基礎上的自然科學，生物實驗教學是通過觀察和實驗進行生物學科學知識學習、技能鍛煉、實踐能力和創新能力培養的教學形式，同時，也是教學方式較為靈活的一門科學。在生物實驗中引入PBL教學模式，讓學生在不斷討論、質疑的過程中，學習內容的寬度、深度和廣度也將逐漸得到擴展［14］。同時，學生有可能提出與課本不同的看法并提出質疑：用一層紗布代替玻璃紙，漏斗管內的液面還會升高嗎？如果燒杯中不是清水，而是同樣濃度的蔗糖溶液，結果會怎樣？除上述3種材料外還有沒有更好的植物適合做質壁分離實驗呢？還有沒有其他方法測定植物組織的滲透勢？

這樣，在實驗教學中教師鼓勵學生打破思維定勢，激發學生的發散思維，在同一個實驗中，就可以讓學生體驗到不同的實驗類型：既可以做基礎層面的驗證性實驗，又可以進行提高層面的設計性實驗，更可以拓展到綜合層面的應用性實驗和創新性實驗［15］。這種模式不但可以強化所學知識，還有助于培養學生批判性思維能力，充分發揮主觀能動性，進而加強學生創新能力的培養。

4 結束語

PBL教學模式是一個自學、討論、再自學、再討論的學習過程，學生成為學習和教學的主體［13］。古語云：“授人以魚，不如授人以漁。”因此，培養學生的學習方法極其重要。學生只有不斷地思考、綜合和概括，才能真正掌握所學的知識，并將其應用到實際生活中，成為一個具有創新能力的高素質人才。將PBL 教學模式應用于生物實驗教學，將是生物實驗教學發展的一種趨勢。

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