“植物生理學實驗”課程創新教學模式探討

林鈺涓 于曉章 李艷紅 梁延鵬 董堃

[摘 要] 植物生理學是研究植物修復技術必不可少的一門基礎學科，因其課程內容多、課時量少，所以無法充分體現其在環境類專業人才創新能力培養方面的重要性。在傳統的“植物生理學實驗”課程實際教學的基礎上，結合環境類專業環境毒理學方向研究生的實際需求，重新制定教學大綱，優化實驗教學內容，使其更適用于環境類研究生的實際需求。此外，在實驗中引入案例式教學法、啟發式教學法及翻轉課堂教學模式，同時在全教學過程中融入思想政治教育元素，激發學生的學習興趣，培養學生的創新性思維和科研能力。

[關鍵詞] 植物生理學;教學方法改革;創新思維

[基金項目] 2018年度教育部“新工科”研究與實踐項目“新工科背景下的地方高校環境類專業多方協同育人模式改革與實踐”（教高廳函〔2018〕17號）

[作者簡介] 林鈺涓（1990—），女，廣西岑溪人，博士，桂林理工大學環境科學與工程學院實驗師，主要從事環境毒理學研究;于曉章（1966—），男，新疆烏魯木齊人，博士，桂林理工大學環境科學與工程學院教授，主要從事有毒污染物的植物逆境生理學和環境毒理學研究;李艷紅（1975—），女，湖南漣源人，博士，桂林理工大學環境科學與工程學院研究員/副院長，主要從事水處理生物技術與環境毒理學研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）03-0061-04 [收稿日期] 2021-06-05

植物生理學是一門研究植物生命活動與環境相互作用關系的科學，涉及植物的物質代謝、能量轉換和生長發育等生理過程。植物的不同生理變化反映不同的外界環境對植物的毒性作用，這對研究植物的逆境生理響應具有重要作用，因此植物生理學在環境毒理學研究中得到廣泛應用。近年來，植物修復技術被認為是污染治理領域的“綠色革命”，其核心技術是利用植物的吸收和代謝功能將介質中的有毒或有害物質進行分解、富集和固定的過程，這其中涉及很多植物生理過程。“植物生理學實驗”是研究不同環境污染條件下的植物應答機制的重要基礎。目前，“植物生理學實驗”教學更多地是為生物技術、生物科學、農學、植物保護、煙草、茶學、園藝、園林等專業服務[1-3]，而其在資源與環境、環境科學等相關專業的教學中尚未得到足夠重視。近年來，環境毒理學是環境類專業的重要研究方向，主要研究范疇包括環境污染物對植物、微生物和動物等的危害，而植物生理學是環境毒理學研究方向的一門重要課程。因此，本文針對環境類專業的特點探討創新的教學模式和合適的教學內容，通過對教學內容、教學方法、課程思政等方面進行改革和探討，旨在滿足研究生的實驗需求，幫助研究生盡快開展課題，提高科研效率。此外，創新性思維是當下學生亟待掌握的能力，本課程著力于在日常教學中培養學生的創新性思維和科研能力。

一、課程內容的選擇

污染物與植物毒理響應機制的研究多涉及光合作用、能量代謝、植物呼吸、植物水分吸收與利用、礦物質營養運輸與利用、生長發育和抗逆性等生理過程[4，5]。現有的植物生理學實驗教材包含的實驗項目極為廣泛，有些實驗項目在環境科學專業的適用性較低。因而，本文針對環境科學的專業特點，選擇7個適合該專業研究生的實驗教學內容，精簡課程內容使其更具針對性和實用性，同時通過教學方法改革以培養學生的學習興趣、提高學生的自主學習能力和培養其創新性思維。選擇的課程內容如下。

（一）植物的細胞生理

本章節分配2個實驗教學課時，選擇“植物細胞的活體染色與細胞死活的鑒定”和“植物染色體熒光原位雜交”兩個實驗。這兩個實驗教學內容，不僅適用于觀察植物細胞在不同環境污染物下的細胞生理變化，還適用于微生物毒理學研究方向的實驗需求，從細胞和分子水平評估污染物對植物體內部的影響。

（二）植物的水分生理

在環境毒理學研究范疇，植物的蒸騰速率和水分利用率的變化是最主要的毒理響應，也是衡量污染物對植物的毒理效應大小的常用指標，適用于絕大多數污染物的植物毒理效應研究，因此本章節選取“植物的蒸騰速率測定”和“水分利用率測定”實驗進行教學。

（三）植物的礦質營養

污染物不僅影響植物細胞活性，還會通過影響植物根系的生長發育從而影響根系對營養元素的吸收，因此本章節選擇“植物根系活力的測定”和“鈣、鐵、鉀、鎂、鈉、磷、鋅、氮等元素的測定”這兩個實驗內容進行教學。植物根系活力測定內容涉及植物組織染色、研磨、脫色和比色等實驗操作技能，簡單易上手，有助于培養學生的基本實驗操作能力和規范化訓練。植物礦質營養元素測定實驗涉及的實驗過程較為復雜，可進一步加深學生對植物生理學實驗的掌握。

（四）植物的光合與呼吸作用

本章節選擇“葉綠素的提取與測定”和“丙酮酸激酶活力的測定”實驗，引領學生探討不同污染物對植物光合作用和呼吸作用的影響。葉綠素是衡量植物光合作用的重要指標之一，該實驗根據葉綠體色素提取液對可見光譜的吸收，根據不同色素的吸收峰的差異，選擇不同的波長測定其吸光度，最后根據公式計算出各色素的含量，培養學生各方面的動手能力和計算能力。丙酮酸激酶是呼吸作用糖酵解過程的限速酶，該酶活性可采用偶聯法、丙酮酸比色法等多種不同的方法進行測定，可鍛煉學生的實驗條件優化與選擇的能力。

（五）植物激素

植物激素包括吲哚乙酸、茉莉酸、脫落酸、赤霉素、細胞分裂素、乙烯等，是植物中重要的信號分子，在植物生長發育和逆境脅迫應答中起重要調控作用。植物激素的測定一般采樣高效液相色譜法和酶聯免疫吸附法測定。植物激素的提取和純化是決定實驗成敗的關鍵。因此，本章節主要講授“植物激素的提取與分離”“酶聯免疫吸附法測定植物激素含量”和“吲哚乙酸和細胞分裂素含量的測定（高效液相色譜法）”實驗內容。

（六）植物生長發育

植物組織培養的基本技術和植物細胞的懸浮培養是植物生理實驗不可或缺的基本技術，也是重要的前處理技術，為分子生物學實驗的開展培養重要基礎。環境毒理學研究方向通常需要采用分子生物學實驗進行毒理作用的分子機制研究，這兩項實驗是流式細胞術、蛋白質免疫印跡實驗最基礎的步驟。

（七）植物的逆境生理

本章節選擇“植物體內游離脯氨酸含量的測定”“植物組織中丙二醛含量的測定”“苯丙氨酸解氨酶活性的測定”和“植物超氧陰離子自由基含量的測定”，這些生理指標均能反映植物的抗逆性，是植物逆境生理必測的指標，這幾個實驗對于每一步反應要求時間把握準確、實驗操作誤差較小，才能保證結果的有效性。

綜上，本課程每章節2個課時，總共設置16個課時，在很大程度上簡化了植物生理學實驗的教學內容，遵循從簡單到復雜的教學模式，使教學目的更為明確、有針對性。

二、教學模式的改革

近年來，國家新工科建設及國家社會與環境事業發展的新常態對環境類人才培養提出了新的要求。新工科背景下的高校教育旨在培養一批多樣化、創新型卓越工程技術人才，為我國產業發展和國際競爭力提供人才支撐。環境類專業屬于交叉型、綜合型學科，傳統教學方式已無法滿足信息時代對人才建設的要求，因而以培養新工科人才為目標的教學方法改革是當下的必然產物。案例式、啟發式和翻轉課堂等教學模式能有效激發學生的主動學習能力，有利于學生對重點難點知識的掌握。因此，“植物生理學實驗”教學改革方法主要從以下方面進行。

（一）案例式教學

研究生學習植物生理學實驗主要是為了日后的研究課題做知識儲備，不僅僅要學會實驗操作，還需要在實驗設計過程中不斷創新，不同的植物在測相同指標時實驗條件、反應體系、干擾排除等均需要學生做進一步的調整和改進，因此在本課程實驗教學中應注重培養學生的學習興趣和科研能力。案例式教學法是一種基于實際問題解決流程進行教學的方法，最早被哈佛大學使用和推廣，其宗旨在于引導學生根據實際案例領悟課本知識，這種教學方法有利于培養學生的探索精神和創新能力。本課程的案例式教學具體措施包括：（1）教師布置5～6個研究課題，其中包括不同的植物（如水稻、小麥、油菜等）測量同一個指標或者實驗（如植物細胞的懸浮培養），讓學生根據不同的實驗材料優化調整適合不同實驗材料測定的方法;（2）學生根據選題，4～5個人組建一個小組，在課前采用互聯網手段獲取文獻、相關書籍和視頻等資料，優化現有的實驗方法和前處理過程;（3）學生采用分組討論的方式，與小組成員討論試驗方法可能存在的缺點及實驗方法改進的可行性，最終確定適合他們各自不同實驗體系的條件，在課上與主講老師討論，并在課后驗證改進實驗方法的可靠性和準確性;（4）學生以PPT等形式匯報實驗結果，不同小組總結和分享實驗結果，以進一步提升團隊協作能力。

（二）啟發式教學

啟發式教學指教師針對某些知識點對學生進行啟發，讓學生在獨立思考的過程中掌握學習的方法、認同社會價值理念，創新自身的思維模式，其重要任務是通過教師引導培養學生的創新能力和想象能力。在講到各章節時，讓學生通過查閱文獻和相關書籍，總結與本章節相關的其他生理指標。比如植物的逆境生理章節，除了游離脯氨酸含量、丙二醛含量、苯丙氨酸解氨酶活性和超氧離子自由基含量以外，過氧化氫的含量和電解質滲漏率也是反映植物逆境生理的重要指標，可引導學生找出更多的反映逆境生理的指標，并結合自己的研究方向選擇適合研究主題的實驗項目，用以說明他們擬解決的科學問題，鍛煉學生的實驗設計能力。在這個過程中，如對原有試驗方法進行了改良和創新，則鼓勵學生進一步細化試驗步驟和條件，為后期申請專利做準備。這不僅可以鍛煉學生的文獻信息收集能力，還能激發學生的創新性思維，提高學生的科研能力。

（三）翻轉課堂教學模式

翻轉課堂指教師提前錄制視頻，通過網絡平臺給學生發布學習任務，學生課前學習，課堂中針對課前學習中存在的問題，學生與教師一起探討解決，這種授課模式可大大提高授課效率，增加學生的主觀能動性，激發學生的學習動力和興趣[6]。“植物生理學實驗”操作煩瑣復雜，在課上講授太多實驗細節會影響課程進度，因此可通過錄制微課供學生課前學習主要的知識點、實驗操作注意事項，以提交實驗效率，課堂內學生有更多時間進行實驗探索和方法改進。如植物染色體熒光原位雜交實驗，教師提前在網上搜集視頻資料、錄制講解視頻，供學生課前學習，不僅可以保證實驗課時，還能提高學生的自主學習能力。

（四）課程思政

《教育部高等學校課程思政建設指導綱要》指出，建設高水平人才培養體系，必須將思想政治工作體系貫通其中，必須抓好課程思政建設，解決好專業教育和思政教育“兩張皮”問題。課程思政是以課程為載體，以立德樹人為根本，充分挖掘蘊含在專業知識中的德育元素，將德育滲透、貫穿到各類課教學的全過程，促進學生全面發展。課程思政不僅是當前思想政治教育的重要部分，而且能有效促進專業知識的教學，兩者相輔相成。“植物生理學實驗”課程思政元素可從多方面挖掘，如：在課程前言部分，結合教師在環境科學和環境毒理學的研究中所需要用到的植物生理學知識，以及其在日常科研中的重要性，讓學生了解學習本課程的目的;講到“植物的光合作用”內容時，引用全球變暖、低碳出行、海綿城市的作用、生態文明理念等思想政治教育元素，讓學生了解植物光合作用與CO2的關系，以及日常生活中如何保護生態環境的做法，有助于學生提升自身的使命感和歸屬感;講到“植物的逆境生理”內容時，可通過文獻中的例子，講解植物的逆境生理能反映哪些科學問題，以啟發學生環境毒理的科研思路;在整個實驗課程教學中，使用危險化學品試劑、涉及危險操作過程時，及時對學生進行實驗室安全管理教育，避免發生嚴重的實驗事故。

根據環境科學類專業的特色選擇教學內容，改革教學方式，有助于更好地解決“植物生理學實驗”教學內容多、課時少及學習積極性低等問題。教師在選擇教學內容時應充分考慮專業特色，鼓勵學生開放性選擇感興趣的實驗項目，在不同的授課內容多角度融入思想政治教育元素，通過實驗教學內容更新和教學方法改革，充分發揮教師和學生的主觀能動性，全面提升學生的創新性思維和科研能力。

參考文獻

[1]周靜文.植物生理生化實驗教學改革探析[J].黑龍江科學，2020，11（11）：88-89.

[2]潘騰飛，郭志雄，佘文琴，等.基于能力培養的“觀賞植物采后生理與技術”實驗教學改革的研究[J].園藝與種苗，2019，39（10）：52-54.

[3]李海云，吳冰潔，曹興，等.探究式教學法在植物生理學實驗教學改革中的應用——以“葉綠素含量的測定”為例[J].教育教學論壇，2019（51）：107-108.

[4]類淑霞，原亞萍，李世鵬.植物生理設計性實驗的教學實踐[J].高教論壇，2009（4）：82-84.

[5]莫云川.植物生理實驗課改革的思考與探索[J].課程教育研究，2016（2）：190.

[6]張倩，洪俊明.翻轉課堂在環境監測課程中運用面臨的挑戰與建議[J].2018（26）：233-234.

Discussion on the Innovative Teaching Model of Plant Physiology Experiment Course： A Model Applicable to Graduate Students Majoring in Environment

LIN Yu-Juan， YU Xiao-zhang， LI Yan-hong， LIANG Yan-peng， DONG Kun

（College of Environmental Science and Engineering， Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology for Science and Education Combined with Science and Technology Innovation Base， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004， China）

Abstract： Plant physiology is an essential subject for studying phytoremediation technology. Because of its large course content and less class hours， it cannot fully reflect the importance of cultivating the innovative ability of environmental professionals. Based on the traditional teaching of Plant Physiology Experiment Course， and combined with the actual needs of environmental toxicology graduate students， we have reformulated the syllabus and optimized the experiment teaching content to make it more suitable for the actual needs of environmental graduate students. In addition， the case-based teaching method， heuristic teaching method and flipped classroom teaching model are introduced in this course. At the same time， ideological and political elements are also incorporated in the whole teaching process to stimulate students’ interest in learning and cultivate students’ innovative thinking and scientific research ability.

Key words： plant physiology; teaching method reform; innovative thinking