例談高校生物類認知實驗的開展及其意義

張 悅 常雅寧

華東理工大學生物工程學院發酵工程實驗教學示范中心 （上海 200237）

認知教學法也被稱為“認知-符號法”。它以認知心理學為理論依據，重視感知、理解、邏輯思維等智力活動在獲取知識過程中的積極作用，強調對規則的理解，著眼于培養學生實際運用知識的綜合能力。現代認知學習理論認為，學生的學習過程就是學生運用原有認知結構同化新知識的過程，亦即認知結構的建構、轉換、發展和重建的過程。因此，要促進學生的有效學習，必須根據學生的原有認知結構進行教學，促進學生認知結構的轉換與重建，從而達到完善認知結構、開發學生智力的目的[1]。整個教學過程分為復習舊知、啟發生疑、以疑引探、總結歸納、鞏固遷移5個階段[2]。

實驗教學是高校理工類專業教學的重要組成部分，在培養學生動手能力、專業知識傳遞、發散思維培養等方面具有重要作用[3]。實驗教學可以幫助學生形成概念、理解和鞏固生物學知識，培養學生觀察現象并提出問題、分析問題、解決問題、辯證地思考問題和用發展的眼光看待事物的能力，既有利于學生學習能力的提高，又有利于學生個性特長的發展，更重要的是在探索性實驗的過程中學會如何去學習、獲得知識和信息，為探索未知領域奠定基礎[4]。

在實驗教學中建構學生認知結構的過程包括幾個階段：（1）設計問題，激發學生的學習動機。認知心理學研究發現，好的問題可以激發學生的學習動機，實驗教學同樣如此，無論是驗證性實驗，還是探索性實驗，在開展實驗教學之前，教師要精心設計具有啟發性和指導性的問題，激活學生頭腦中已有的知識經驗，為接受和加工新的信息做好準備。（2）強化注意，使學生對學習做好心理準備。要使學習獲得所希望的結果，必須使學生在學習時具有接受刺激的傾向和準備，教師可以運用強化等手段來刺激和形成學生適當的注意傾向和動機。（3）直接提出適當的刺激。（4）反饋準備。教師需把學生的實驗結果告訴他們，然后通過評價、打分，甚至點頭、微笑或者示意其繼續進行下一項工作等，達到強化學生行為的目的。

1 認知實驗開展的必要性

生物類專業，因學科涵蓋面廣、研究對象較多、使用技術較廣、交叉領域較大，大多數學校在擬定教學計劃時安排了很大比例的實驗課程，但是都在大二以后開展，學生在大一階段專業課也較少，課程大多是高等數學等公共基礎課和現代基礎化學等專業基礎課。學生在大一一整年接觸不到專業時的困惑容易與初入大學校門時對未來的憧憬產生激烈碰撞，迸發出消極、迷茫、不知所措等情緒。這一負面情緒一旦產生，對學生后續學習信心的建立和學生積極性的培養都非常不利。華東理工大學生物工程學院發酵工程實驗教學示范中心考慮到這一情況，認為有必要結合學生高中時期的生物學知識儲備、大學專業課知識結構及當前學業任務，從知識性、應用性、創新性、趣味性4個方向出發，選擇難易適中且具有代表性的實驗，每月定時開展，感興趣的學生可自由選擇實驗參加。

2 認知實驗的開展

2.1人類ABO血型測定——知識性

人類ABO血型測定是遺傳學中的經典實驗，內容與生活較為接近，可以很好地調動學生的積極性，實驗操作相對簡單，無危險因素，安全性高，成本較低。實驗所需試劑等用品也較少，僅包括白瓷板、采血筆、采血針、酒精棉球、抗A抗體、抗B抗體[5]，如圖1所示。

圖1 ABO血型測定實驗所需用品

對已報名學生進行分組后，講解相關知識，如血液的組成、血型的遺傳背景、血型測定的基本方法及自身血型測定的注意事項。血液由血漿和血細胞組成，血細胞分為紅細胞、白細胞、血小板。血型是指血液中紅細胞膜上存在的特異抗原的類型，該抗原的類型由一對復等位基因決定。若僅具有產生乙酰半乳糖胺基轉移酶基因，則為A型；若僅具有半乳糖基轉移酶基因，則為B型；若同時具備以上兩種基因，則為AB型；若兩種基因均無，則為O型。實驗過程中著重介紹了血型測定的步驟及注意事項：清洗雙手后取用酒精棉球擦拭左手無名指，然后將采血針安裝進入采血筆頭部凹槽，蓋上筆帽，將筆對準左手無名指，右手摁藍色正方形按鈕，采血針被彈簧彈出并刺入手指，擠壓傷口，將血分別擠入白瓷板上藍色和黃色液體（分別為抗A和抗B血型定型試劑）中，用牙簽輕微攪動，待其發生凝集反應。若僅藍色液體發生凝集，則為A型；若僅黃色液體發生凝集，則為B型；若兩種液體均發生凝集，則為AB型；若二者均不發生凝集，則為O型[6]。

實驗操作完成后，學生興高采烈地端著白瓷板圍在老師周圍討論自己的血型及父母的血型，有學生主動提出為什么要選擇左手無名指采血，萬能受血者和萬能授血者分別為哪個血型以及獻血的利弊等較為深入的問題。這些問題的提出是實驗效果最直接的體現。

2.2酸奶的制作——應用性

與血型測定的理論性相比，酸奶的制作著意向應用性傾斜。講述發酵和微生物純培養的概念以及酸奶發酵的步驟[7-8]，結合實驗室現有條件，引導學生挖掘實驗室現有替代品及操作，完成相應工藝，如：牛奶等原料的殺菌由工廠的巴氏殺菌改為電磁爐加熱至沸騰數秒，發酵容器改為一次性杯子，密閉性由保鮮膜和橡皮筋實現，溫度控制由培養箱完成，菌種改為市售酸奶，學生可根據自己口味選擇酸奶種類及加糖量。在這個過程中，學生掌握了發酵工業的精髓——不斷優化每個工藝流程，爭取產量最大化、產物最優化。實驗過程中還給學生展示了華東理工大學國家生化工程技術研究中心發酵罐及其配套設備的圖片，在視覺上給予學生更加強烈的沖擊，有學生當即表示很喜歡發酵這一由反應物轉化為產物的神奇過程。

酸奶經過24 h發酵后，每位學生按要求完成一份感官評價表，從色、香、味的角度評價發酵后的酸奶，并且通過最簡單的pH測定計算產酸速率，讓學生有意識地通過參數檢測判斷發酵終點。實驗中設計的感官評價，就是通過品嘗的方式給予學生必要的嘗試和體驗，讓味蕾刺激加深其印象。

2.3植物切花保鮮——創新性

該實驗設計了植物切花保鮮，從什么是切花及為什么要進行切花保鮮、切花衰老的原因、如何進行切花保鮮、保鮮效果的鑒定及凋謝生成物質的鑒定、實驗對植物生理學學習的啟發、實驗對創新創業的啟發、生活中的切花保鮮等問題出發，帶領學生進入切花的世界開始一場漂亮的衰老對抗賽。學生由人及花，爭相發表自己的看法，有同學提出了水分和能量物質的重要之處，有同學認為乙烯的產生促使植物加快成熟，是導致其衰老的主要原因，還有同學提出微生物污染是花朵腐敗的主要因素之一[9-10]。切花衰老的原因及對策如表1所示。實驗課老師給出了康乃馨保鮮液的配方：2 mmol/L銀離子，5%蔗糖，100 mg/L 8-羥基喹啉，200 mg/L檸檬酸，100 mg/L外源激素6-BA。該配方又引出了新一輪的思考，如：配方中的每樣物質分別起什么作用？為什么用檸檬酸而不用其他酸調節pH？為什么不用葡萄糖而用蔗糖作能源物質？保鮮液成本與鮮花成本的比例分別是多少，如何達到較低的總成本和更好的保鮮效果？個別學生由本次康乃馨保鮮想到了其他名貴花種的保鮮，并從中發現商機；研發成本低且效果好的保鮮液，可作為畢業后創新創業的內容，在促成自身就業的前提下帶動就業，實現自我的同時為社會盡綿薄之力。

表1 切花衰老的原因及對策

2.4微生物作畫大賽——趣味性

微生物是一類普遍存在的生物，它存在于空氣、水、土壤等自然環境中，存在于人體的皮膚、口腔、消化道等部位，既是人類的朋友，也是人類的敵人。微生物學是生物類專業學生的必修課，有必要在學生入學之初進行初步介紹[11]。大賽利用微生物菌落豐富的顏色及微生物生長從肉眼不可見到肉眼可見的直觀視覺效果，結合以接種針模擬畫筆的新奇之處，設計了該實驗。講解先從微生物的定義開始，到目鏡、低倍鏡、高倍鏡、油鏡的使用、視野的尋找、用后清理等。隨后介紹了微生物的分類及特點，如：細菌最小，長得最快，有臭味，有球狀、桿狀、螺旋狀；放線菌較大、絲狀、有土腥味；酵母菌橢圓形、有酒香味；霉菌絲狀、有霉味。之后介紹了不同微生物的食物及接種方式、培養方式，特別是實驗所用培養基在成分和pH上的特殊之處——既要滿足白色的啤酒酵母、紅色的紅酵母的生長需求，又要滿足黃色的四聯球菌的生長需求。學生盡情發揮想象力設計圖案，培養結果如圖2所示：左上為Hello kitty圖案；右上為一只抓著胡蘿卜的小兔子圖案，紅色（兔子的眼睛、耳朵及胡蘿卜）的點綴讓這只兔子更加栩栩如生；左下為花朵圖案；右下為華東理工大學校徽圖案。

圖2 微生物作畫大賽作品

實驗完成之后，引導學生就剛才的操作進行新一輪的思考，如：微生物有顏色嗎？微生物會游泳嗎？微生物如何吃東西？微生物的家在哪里？冰箱里有微生物嗎？微生物是好還是壞？每張紙幣帶多少微生物？人體體表及體內存在多少微生物？老師在逐一解答疑問的同時也引導學生思考這些問題中的關鍵因素，當然學生的疑問也直接表明了其在這種課堂形式下的收獲。

3 認知實驗開展的意義

3.1 加深學生對專業的了解

認知實驗是在大一新生對專業不了解的基礎上開設的。就4次實驗課的課堂氣氛和學生提問問題的方向來講，學生對生物工程、生物技術、生物科學專業的區別與聯系進行了了解，也通過動腦思考、動手實驗加深了對專業的了解，并培養了學習的主動性，為大學生活開了好頭。

3.2 提高實驗技術人員的工作能力

俗話說，實踐出真知。高校實驗技術人員目前的工作狀態多數傾向于按照傳統工作內容及工作方式定位自身價值，設計認知實驗表明他們能夠積極關注當前學生狀況及專業課程安排情況，主動服務大一學生這個特殊群體，在此過程中不僅提高了自身工作能力，也提升了自身價值。類似的實驗思路在以后的工作中，在其他高校及實驗技術人員的工作中，還可以得到深入的思考和運用。

3.3 提高實驗室使用效率

如何提高實驗室及儀器的使用效率，使教學資源得到充分使用，是每一個實驗室管理者及實驗技術人員都在思考的問題。文中所述認知實驗均選擇周五下午開展，一是因為這個時間是學生短學期自由學習的時間，學校不會安排其他教學內容；二是因為學校不在這個時間安排常規實驗課程，那么利用這個時間段開設認知實驗則提高了實驗室的使用效率。

4 結語

選取的人類ABO血型測定、酸奶的制作、植物切花保鮮、微生物作畫大賽4個實驗，均與專業相關，分別從知識性、應用性、創新性、趣味性4個方向出發，為新生開展，有針對性地引導了學生的思路，有效地幫助學生了解專業內容、認識專業結構；學生可結合自身興趣，為未來發展方向提前進行自我定位。該類實驗的開展也在一定程度上提高了生物工程學院實驗室的利用率，提升了實驗技術人員的專業水平，為更好地服務學生的本科實驗添磚加瓦。