植物生理學全程研究性實踐教學探索

熊 飛, 余徐潤, 潘志明, 董召娣, 陳 剛

(揚州大學 生物科學與技術學院, 江蘇 揚州 225000)

高素質創新人才培養是高等院校的中心任務,隨著科學技術的迅猛發展,接受傳統教育的我國大學畢業生普遍存在著創新意識不強、解決問題能力較弱和實踐動手能力不夠等問題[1]。為此,國際上眾多高校推出了研究性教學模式,該模式也受到我國高等教育界的高度重視。2005年,教育部頒發了《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》, 提出高校要積極推動研究性教學,提高大學生的創新能力。研究性教學的核心理念是以實踐中的真實問題為導向,將學生置于真實的情境中學習,培養學生的學習能力、創新能力和動手能力,增強學生對社會的適應能力,使教學與科研有機統一的一種教學模式[2]。由于它更注重發揮學習主體的能動作用,把發展探索能力、實踐能力、創新能力放在首位,所以是一種行之有效的現代教學方法,受到當前高校的提倡和推崇[3]。

植物生理學是研究植物生命活動規律及其與環境相互關系的科學,與植物、環境相關的學科都與植物生理學關系密切。植物生理學課程是植物、農學、蔬菜、果樹、林學、園藝、植保、土化和環境等專業的必修基礎課程。因此,植物生理學的教學質量不僅直接影響到學生對后續課程的學習,而且也關系到生命科學人才的素質和能力培養。為進一步提高該課程的教學質量,培養高素質具有創新能力的生命科學人才,國內許多學者對該課程在教學方法、教學模式、教學內容、教學手段和學習方式等方面進行了大膽的改革與實踐[4-7],取得了顯著的教學成效。近年來,許多學者將研究性教學應用于植物生理學課程的教學改革中,對培養學生創新精神、創業意識和創新創業能力發揮著重要的作用[8-9]。但大多數研究者只對該課程的某一章節或某一專題內容進行了研究性教學實踐[10-11],而對該課程所有內容并未進行全程研究性教學實踐。自2012年以來,根據植物生理學各章節內容的特點和自身實踐教學經驗,嘗試性地對全程研究性教學方法、教學內容、教學評價等進行探索,取得了較好的效果。

1 全程研究性教學方法

研究性教學不單純是一種教學模式或教學方式,也不只是一個教學過程或教學活動,而是教師和學生在教學活動中必須遵循的一種教學指導思想,具有重過程、重應用、重體驗、重參與的特點。因此,研究性教學方法具有多樣化特征。根據筆者的教學實踐,植物生理學課程研究性教學方法主要有4種：專題拓展交流、生產調查、綜合設計性實驗、探究性實驗。

1.1 專題拓展交流

專題拓展交流是一種以教師上課時提出的問題為導向,學生利用網絡教學平臺、微課、慕課、實驗錄像、圖書資料、電子書等資源進行查閱資料,預先自行學習課程內容,學生做讀書報告,最后綜合評定學生學習效果的開放式、探究式的教學方法。大體步驟如下：首先根據教學目標、教學內容和學生的基礎知識,將學習內容分為不同的專題,對每一專題設定不同的探究問題；然后分組進行資料查閱與信息收集、資料分析與PPT制作；最后學生作報告、學生提問、教師點評和總結。教師根據報告、答題、主持會議、所交作業等內容綜合評定學生成績。通過專題拓展交流,不僅提高了學生分析問題、解決問題的能力,也提高了學生口頭表達和主持會議的能力,同時也增強了學生合作精神和團隊意識。

專題拓展交流的內容適宜選擇一些開放性強,沒有標準答案,能發揮學生想象力的知識點。比如植物生理學發展史及其與農業生產的關系,要求學生查閱大量資料去了解植物生理學的產生、發展、壯大的過程,并潛移默化地讓學生感受植物生理學在農業生產中的重要作用,從而激發對這門課程的學習興趣;又如講到植物細胞的結構與功能時,可以比較“植物學”“細胞生物學”“植物生理學”三門課程中有關細胞的結構和功能表述的異同點,比較生物特別是動物和植物細胞的異同點,這有利于學生將相關課程知識點融會貫通、交叉互補;再如植物在白天和夜晚通過哪些生理途徑與外界環境進行CO2和O2交換？這個專題綜合了植物光合作用、光呼吸、呼吸作用等相關知識點,有利于學生對植物生理學各章節知識的綜合掌握。一學期所選的專題拓展交流的次數需根據不同學校或不同專業給予本課程學時數而定,一般安排6～8次較適宜。

1.2 生產調查

植物生理學被稱之為合理農業的基礎,其誕生和發展都與生產實踐和生活實際緊密相關。長期以來,植物生理學的教學是理論教學結合室內實驗,但與真正的生產實踐聯系較少,教師只是在課堂上講解與生產實踐相結合的實例,教學效果不太理想、學生理解不太充分,很難引起學生的共鳴[1]。通過學生的課外生產或生活實踐調查能進一步鞏固和應用植物生理學理論知識,對于培養學生的觀察、分析、動手和創新等綜合能力具有重要意義。

生產調查應選擇與農業生產或生活實際聯系緊密，學生感興趣且易獲得調查結果的內容。如講授到植物生長生理這一章時,可以讓學生自己選擇一種農作物,觀察和拍攝該作物從播種開始一直到收獲整個生長過程,并測定相關的生理指標,如葉綠素含量、生長速率、產量和品質。同時要求學生將外部特征和生理規律緊密結合起來,加深對理論知識的深刻理解;又如讓學生調查植物失綠的原因有哪些？通過學生日常生活中觀察到的植物失綠現象,分析造成這些現象的原因,這樣不僅培養學生觀察、思考、分析問題的能力,而且能加深對植物葉綠素合成及其影響因素等理論知識的理解；也可適當組織學生到一些實驗農場、蔬菜大棚、種苗培養公司等進行現場觀察,讓學生親自體會理論知識如何轉化為生產力和經濟效益的,增強了學生的學習主動性和創業意識。由于師資、設備、經費、場所等條件限制,安排生產或生活調查內容不宜過多,一學期中應以3～4次較適宜。

1.3 綜合性實驗

植物生理學是一門實驗實踐性很強的學科,除了開設一些驗證性實驗,應增加綜合性和設計性實驗。綜合設計性實驗能把各獨立的生理指標或單一的實驗內容聯系起來放到一個實驗設計中，要求學生在理解植物生理學原理的基礎上,運用所掌握的理論、技能和實驗方法進行實驗設計,提高學生的科研能力[7]。選題可包括實驗方法的改進,如比較使用氧電極、紅外線氣體分析儀、LI-6800便攜式光合作用測定系統測定植物光合速率的異同；在做光合作用綜合設計性實驗時,要求學生自主選擇植物材料,分離提取葉綠素，測定其含量和吸收光譜,觀察葉綠素的理化性質,還要求自主設置環境處理,分析環境因素對光合速率的影響等；又如有關逆境方面的實驗,讓學生各自選擇植物材料,設計不同的逆境如干旱、水澇、高溫、低溫、鹽害等,用電導率儀測定逆境對植物細胞膜透性的影響,用TTC法測定根系活力,用葉綠素計測定逆境對葉片葉綠素含量變化,用分光光度法測定植物抗氧化酶的活性,用數碼顯微攝影裝置拍攝植物形態的差異,并根據實驗結果分析逆境對植物生理的影響。一般情況下,在一個學期植物生理學實驗教學中,安排2～3次綜合設計性實驗較適宜。

1.4 探究性實驗

探究性實驗是指在教學過程中創設類似科學研究的情景,讓學生在獨立的探索、思考和實踐的研究過程中吸收知識、應用知識、分析問題和解決問題的教學模式[12]。圍繞本課程重要的章節,在學生力所能及的范圍內設計相應的探究性實驗,在師生相互配合下完成實驗的研究設計,由學生實施研究計劃、完成研究論文,在課堂上匯報和答辯,由教師對研究論文以及匯報和答辯的表現進行評分并計入學生課程總成績,最后教師點評和補充,學生提交研究性教學心得體會報告。學生選題可以和教師的科研項目相結合,或是申報國家級、省級和校級大學生創新創業訓練計劃項目,也可在查閱相關文獻的基礎上自主選題。學生在選好題目后獨立設計實驗方案,在教師審核了該設計方案的可行性后再開始實驗。這種研究方法有利于培養學生的創新意識和實踐能力、有利于培養學生提出問題的能力以及表達交流與合作的能力。但由于此類探究性實驗耗時較長，受條件限制等,不宜安排過多。比如探究植物生長調節劑(NAA、GA3、6-BA、ABA、ETH、CCC)對植物的生理效應,學生自主配制各種濃度的生長調節劑,自選實驗材料,觀察、拍攝植物生長發育對植物生長調節劑的響應的形態、生理變化等特征。對實驗結果做得好的學生推薦發表學術論文,并鼓勵學生參加全國大學生課外學術科技作品競賽、全國大學生生命科學創新實驗大賽、全國大學生生命科學聯賽等有關競賽活動,進一步激發學生學習和科研熱情。由于受實驗儀器、實驗條件及時間等限制,一般情況下,一學期安排1～2次探究性實驗較適宜。

2 全程研究性教學實踐

2.1 全程研究性教學內容的設計

植物生理學知識體系比較完整、內容豐富,涉及植物的水分生理、礦質營養、光合作用、呼吸作用、激素調控、營養和生殖生理、抗逆生理等內容,以王忠主編的第二版教材內容為例[13],共有5大篇,13章節。有些內容理論性較強,不太適宜開展研究性教學,如光合作用的機理就不適合用于研究性教學,只能通過教師課堂講授。筆者根據實踐經驗總結了研究性教學應遵循的三個原則：一是內容應用性要強,能夠激發學生興趣；二是可操作性要強,容易實現目標；三是學生自愿,因材施教。筆者通過多年實踐,認真梳理課程內容,根據上述原則,篩選出每章適宜進行研究性教學方式和教學內容(見表1),以供同行參考。由于綜合性實驗在正常實驗教學中開設,因此表1中未將之列入。

表1 植物生理學各章節適宜的研究性教學內容和方法

表1(續)

2.2 全程研究性教學實踐過程

全程研究性教學實踐已實施了3年,現以2017年生科1601班和生科1602班為例,介紹具體實踐過程。這兩個班共60人,根據學生自愿原則,自由組合成12個小組,每小組5人,每小組研究性教學內容分配如表2所示。專題拓展交流每小組1次,共12次。探究性實驗每小組1次,共12次；每小組自行選擇1種植物,觀察和拍攝該植物生長發育的過程,分析其外部形態與生理特性的關系。生產調查4次,每3個小組調查1個生產內容。

表2 各小組全程研究性教學內容分配

注：每個小組商量后根據實際情況選擇植物材料,表中植物名稱僅作參考

根據表2中各小組研究性教學內容,每周的研究性教學方法、內容安排及注意事項如表3所示。每周每次學生在課堂匯報結束后,教師必須及時進行點評、總結,并且將課本上的重要的理論知識進行補充講授,否則可能會導致學生對理論知識掌握不系統、不完整和不透徹。另外,在平時要求學生遇到問題時及時與教師溝通,教師也得及時了解學生的探究性實驗、生產調查、植物生長發育觀察的進展動態,并及時進行指導,保證研究性教學的順利進行。

2.3 全程研究性教學實踐成效

與一般的研究性教學相比,全程研究性教學難度明顯加大,需投入更多的物力、財力和人力,但教師和學生收獲會更大、更多。經過3年的嘗試和探索,學生主動性明顯提高、科研興趣顯著增強,很多學生積極主動地參與科研,從中學會了文獻查閱、實驗設計、數據分析、論文寫作等科研技能,科研綜合素質明顯提升,參加實踐創新比賽取得驕人的成績，如2014級本科生陳昕鈺、楊陽通過植物生理學探究性實踐獲得啟發,在教師的指導下研究了小麥在干旱條件下穎果的形態和生理變化規律,以第一作者完成的科研作品獲第十五屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽一等獎,并以第一作者發表SCI論文1篇；2015級本科生汪巧菊、李發麗等研究了小麥弱勢粒發育不良的生理機制,以第一作者撰寫的科研論文獲第一屆全國大學生生命科學競賽二等獎,進一步激發了學生學習和科研熱情。

表3 全程研究性教學內容的時間安排

3 結語

本文首次將研究性教學模式應用于植物生理學全程教學實踐過程中,探索出當前高校進行研究性教學方法4種,遴選出進行全程研究性教學各章節適宜的課程內容和每周的日程安排,取得較好的教學成效。隨著高等教育教學改革的深化,圍繞我校“培養實踐創新性人才”的辦學定位,在植物生理學課程中開展全程研究性教學是一種值得推廣的教學模式。