植物生理學綜合設(shè)計性實驗教學的改進與實踐

閆小紅 吳琴玉 周 兵 胡文海 李曉紅

（1井岡山大學生命科學學院，江西 吉安 343009；2吉安縣第三中學，江西 吉安 343199）

植物生理學是生物類、農(nóng)學類及林學類等相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，是研究植物生命活動規(guī)律及其與環(huán)境相互關(guān)系的科學，一般包括光合作用、植物代謝、植物呼吸、植物水分生理以及植物礦質(zhì)營養(yǎng)等方面內(nèi)容，其任務(wù)是研究和了解植物在各種環(huán)境條件下進行生命活動的規(guī)律和機制，并將研究成果應用于生產(chǎn)實踐中[1]。植物生理學實驗是其課堂理論的延續(xù)和深化，相較理論教學，實踐教學具有直觀性、趣味性等特點，學生對知識更容易掌握與接受[2-4]。高校開設(shè)的植物生理學實驗還存在一些需要完善的地方，比如教學方法靈活性，教學內(nèi)容多樣性，教學項目設(shè)置合理性，系統(tǒng)性、驗證性實驗占比較大，綜合性、創(chuàng)新性實驗較少，考核方式多樣化等方面[5-6]。為此，相關(guān)教學團隊開展了一系列的教學改革，有基于學生創(chuàng)新能力、科研能力和綜合能力等方面的探索[5，7-8]。李璐等[5]將考核設(shè)置為基本實驗技能考核、綜合實驗能力考核和創(chuàng)新性實驗技能考核3個方面的內(nèi)容，積極發(fā)揮課程考核杠桿作用，提高學生的主動學習能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。還有基于教學方法[9-10]、考核體系[6，11]，以及實驗內(nèi)容設(shè)計方面的改革[12-13]。

傳統(tǒng)的植物生理學實驗依據(jù)理論課程的知識設(shè)置了8個方面的內(nèi)容，包括驗證性實驗、演示性實驗和綜合設(shè)計性實驗等。綜合設(shè)計性實驗是在學生具有一定的基本知識和基本技能的基礎(chǔ)上，運用多方面的知識對學生實驗技能和方法進行綜合訓練的一種復合型實驗，有利于培養(yǎng)學生的科學探究、合作精神、自我發(fā)展和學習意識及能力[14]。光合作用是植物的重要生理功能之一，也是植物生理學學習的重點和難點內(nèi)容之一，包括光反應、暗反應兩個階段，涉及光吸收、電子傳遞、光合磷酸化和碳同化等重要反應步驟[1]。如何讓學生通過課堂理論教學和實驗教學快速、牢固地掌握相關(guān)知識一直是教育工作者關(guān)注的焦點?；诂F(xiàn)有的實驗內(nèi)容，部分實驗之間存在連續(xù)性和關(guān)聯(lián)性，可以將原來的驗證性或演示性實驗調(diào)整為綜合設(shè)計性實驗，一方面可以有效培養(yǎng)學生的綜合能力，另一方面也可提高課時效率。為此，本研究以“葉綠素a、b含量測定”和“植物光合強度的測定”兩個實驗項目為例進行改進實踐，將“葉綠素a、b含量測定”和“植物光合強度的測定”整合成一個綜合設(shè)計性實驗，探討葉綠素含量與植物光合強度的關(guān)系，以及不同光環(huán)境條件下，葉綠素a、b 與植物光合作用之間的關(guān)系，不僅可以讓學生更好地掌握植物光合作用的理論知識，而且對于提高學生的綜合素養(yǎng)及科學創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用，為相關(guān)實驗項目的改革提供參考。

1 實驗方法的改進

1.1 植物材料的選擇

由授課教師引導，學生設(shè)計整理實驗方案，經(jīng)分析討論后確定植物材料。充分考慮到學生課程多、學習任務(wù)重等因素，選取校園內(nèi)自然生長的野生或綠化植物為實驗材料，對班級所有學生進行分組，以4～6 人為一組，一個班級學生可分為6～8 組，每組在校園內(nèi)自選生長基本一致、沒有病蟲害為害的健康植物材料若干，并選擇在兩種不同光環(huán)境條件下生長的植株，隨機選取同種植物不同植株相同部位的葉片進行光合作用強度和葉綠素含量的測定。

1.2 光合作用強度的測定

之前的光合作用強度測定實驗方法常為改良半葉法，由于其準確性不高等因素，這一方法在實際的科研實驗中基本不再使用。為此，本次光合作用強度測定改進為光合作用測定系統(tǒng)法，利用LI-6400XT 便攜式光合作用測定系統(tǒng)進行光合作用相關(guān)指標參數(shù)的測定，并通過測定光合光響應曲線來確定植物的光合作用強度。

1.3 葉綠素含量的測定

之前葉綠素含量測定主要是測定單位鮮重葉片中的葉綠素含量，提取方法為加入丙酮進行研磨，該方法存在一定的局限性。丙酮的揮發(fā)性大，研磨處理加速了丙酮的揮發(fā)，單位鮮重研磨損失較大，造成的誤差相對較大，同時，揮發(fā)性物質(zhì)丙酮對人體皮膚和呼吸道也會產(chǎn)生損傷。為此，葉綠素含量測定調(diào)整為測定單位葉面積葉綠素含量，研磨法調(diào)整為浸泡法，將采集的葉片剪碎后，置于有蓋的離心管內(nèi)，用定量丙酮黑暗處浸提24 h，待葉片發(fā)白即可測定，丙酮浸提液溶液澄清，不需要進行離心，可直接吸取其浸提液進行葉綠素a、b 含量的測定，提高了測量的準確性，降低了誤差，減少了丙酮揮發(fā)對人體的傷害，并且通過測定單位葉面積葉綠素含量，再結(jié)合測定的光合光響應曲線，可以進一步理解單位葉面積葉綠素含量與光合作用強度之間的關(guān)系，揭示植物的光合作用機制。

2 實驗教學的改進

2.1 數(shù)據(jù)的處理

在以往的實驗中，獲得的數(shù)據(jù)一般未進行統(tǒng)計學分析，只是對所獲得結(jié)果的數(shù)據(jù)大小進行比較和描述，為了提高學生的數(shù)據(jù)處理和分析能力，理解數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析在生物學研究中的重要性，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W素養(yǎng)，要求每組測定葉綠素含量和光合光響應曲線至少3次重復，并利用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2.2 光合光響應曲線的擬合及相關(guān)光合參數(shù)的計算

本次光合作用強度測定采用光合作用測定系統(tǒng)測定的方法進行，測定后要利用相關(guān)指標進行光合光響應曲線擬合，以獲得最大凈光合速率（Pmax）、飽和光強（PARsat）等參數(shù)。利用Ye 等[15]光合作用對光響應的機理模型（由模型建立者葉子飄博士提供，模型的計算軟件網(wǎng)頁版（http：//photosynthetic.sinaapp.com/index.html））擬合光合光響應曲線，依據(jù)相應的公式計算出Pmax和PARsat等光合指標，并以此為依據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果分析討論植物光合作用強度的高低。

2.3 不同光環(huán)境條件下葉綠素a、b含量的差異分析

本次實驗改變了以往只單純測定葉片葉綠素a、b 含量的方式，增加了不同光環(huán)境條件下葉片葉綠素a、b含量的測定以及葉綠素a、b比值的計算，以此來反映葉綠素a、b 含量與不同光環(huán)境之間的關(guān)系，并結(jié)合光合光響應曲線及光合參數(shù)，來判斷不同光環(huán)境條件下光合作用強度和葉綠素含量之間的關(guān)系，以便更好地理解植物的光合作用。

2.4 實驗報告的改進

本次實驗報告采用科技論文的形式進行撰寫，包括標題、作者、摘要、關(guān)鍵詞、前言、材料與方法、結(jié)果與分析、結(jié)論與討論以及參考文獻等，幫助學生掌握科技論文撰寫的基本要求，提升學生科技論文的寫作水平，培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)。

3 效果評價分析

3.1 辦公軟件的使用

在本次實驗中，學生利用Microsoft Excel軟件結(jié)合SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進行了分析，利用Microsoft Word 對論文進行撰寫，可以進一步熟練使用Office等辦公軟件。指導老師對小論文進行了修改，重點講述科技論文的寫作方法和寫作的規(guī)范性等，學生積極性較高，其間會提出問題并與老師展開討論，有效培養(yǎng)了學生的科研素養(yǎng)。

3.2 LI-6400XT便攜式光合作用測定系統(tǒng)的原理及使用方法

在本次實驗中，教師講解了LI-6400XT 便攜式光合作用測定系統(tǒng)的測定步驟、注意事項及原理，使學生知其然，也知其所以然，有助于進一步理解植物的光合作用，并學會正確使用該儀器，能夠熟練測定植物的光合光響應曲線。圖1為課堂上學生分組在野外對植物進行光合作用測定。

圖1 校園內(nèi)植物光合作用的測量

3.3 光合光響應曲線的擬合及光合參數(shù)計算

獲得數(shù)據(jù)后，要求學生利用測定的數(shù)據(jù)進行光合光響應曲線的擬合，并依據(jù)公式計算相關(guān)光合參數(shù)。如圖2 所示，講解了光合光響應曲線擬合軟件的使用和計算方法，并逐一進行實操，提高了學生對軟件的操作熟練度。實驗結(jié)束后，部分同學向老師提出了一些設(shè)想與心得體會，并想在自己的畢業(yè)論文實驗及以后的科學研究中繼續(xù)使用光合測定系統(tǒng)。此次綜合實驗的設(shè)計提高了學生的科研和創(chuàng)新能力，也激發(fā)了學生的學習興趣和學習熱情。

圖2 光合計算軟件的使用操作演示

3.4 統(tǒng)計分析軟件的使用

在本實驗中，老師指導學生使用統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，讓學生走出數(shù)據(jù)分析的誤區(qū)，理解并不是對數(shù)據(jù)進行簡單的大小比較，就可以得出兩者之間是否有差異，而是采用統(tǒng)計學方法進行差異分析，以此準確判斷數(shù)據(jù)之間差異是否有統(tǒng)計學意義。通過本次綜合性實驗教學，學生掌握了單因素方差分析以及成對或獨立樣本T檢驗等統(tǒng)計方法。

3.5 團隊協(xié)作能力

團隊協(xié)作能力也是本課程的課程目標之一。本次實驗采取分組進行，學生在進行野外測量時，由于儀器少，測量時間長，測定程序相對較復雜，如何合理安排，明確分工對實驗的有序有效進行至關(guān)重要。實驗過程中各組成員分工明確具體，確保整個班級實驗有序進行，在發(fā)揮各成員特長的同時，充分體現(xiàn)出較強的團隊協(xié)作精神，進一步加強了學生之間的溝通與交流，培養(yǎng)了學生交際和團隊協(xié)作能力，形成自我發(fā)展和學習的意識及能力。

4 結(jié)語

植物生理學實驗是高校生物類專業(yè)中的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，實驗內(nèi)容的設(shè)置對于學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)至關(guān)重要。堅持立德樹人根本任務(wù)，基于OBE理念，本次實驗教學改革，將驗證性實驗整合成綜合設(shè)計性實驗，增加了實驗的趣味性、科學性，讓學生了解了學科領(lǐng)域中相對領(lǐng)先的測定技術(shù)，有效地提高了學生的實驗操作能力、科研能力和創(chuàng)新能力，同時增強了學生的團隊協(xié)作意識，對于植物生理學實驗教學效果的提升起到了很好的作用，今后可在實驗考核方式等方面制定簡便有效的評價機制，使課堂教學和考核方式有效結(jié)合，使學生能夠真正在植物生理學實驗課程中學有所獲，學有所用。