植物生理生态学综合实验设计及实践

原焕英

(浙江农林大学 林学类国家级实验教学示范中心，浙江 临安 311300)

植物生理生态学综合实验设计及实践

原焕英

(浙江农林大学 林学类国家级实验教学示范中心，浙江 临安 311300)

综合性实验教学对学生的实践能力、创新能力及综合素质的培养具有重要作用。该文基于教师科研项目，对植物生理生态学综合性实验项目的设计、实施及效果进行了探讨。实践表明，综合实验教学明显提高了学生的积极性和主动性，培养了学生的科研能力、独立分析和解决问题的能力，达到了良好的教学效果。科学研究和实验教学相结合作为一种新的实验教学模式是一种有效的教学方法。

植物生理生态学；综合实验；设计；实践

实验是科学研究的基础，是课程理论教学的重要组成部分，是贯穿理论联系实际教学原则的有效手段和教学方法。同时实践教学是培养学生科研、实践能力和综合素质能力的重要教学环节，是开创创新教育的重要环节[1-2]。

随着实验方法、仪器设备的改进及对学生综合素质要求的提高，如何提高实验教学质量和改善教学效果，增强学生的实践能力、创新能力，从而更好地利用所学的知识和技能解决实际问题，在目前的教学实践中极为迫切。高校多年的实践[3-4]证明了综合实验教学符合培养知识、能力、素质综合发展的创新型人才。综合实验内容涉及课程的综合知识，是把各种基础理论知识、实验技能、实验方法、实验手段有机地结合在一个实验中，是一种有效的实验形式[5-6]。实践也证明综合实验对学生自身要求更高，实验效果更好，对提高学生的综合素质和创新意识具有非常重要的作用[7-8]。

植物生理生态学是高等林业院校生态学专业重要的专业课程之一，植物生理生态学是研究生态因子与植物生理现象之间关系的科学，是认识各种生态关系的基础，它从生理机制上探讨植物与生长环境的关系，植物在不同环境条件下的适应性，它能够给许多生态环境问题以生理机制上的解释，其研究得到广泛的重视[9]。对于森林、草原等更新资源的开发利用与管理，水土保持和控制环境污染等方面显示出预测和指导作用[10]。因此植物生理生态学学科快速发展，成为生态学领域的重要研究方向，是生态学专业的重要课程，对培养林业、环境及生态学人才十分重要。本文对植物生理生态学实验教学改革中实验项目的设计、实践等问题初步探讨，期望通过实验教学激发学生的求知欲和对植物生理生态学科学研究的兴趣，挖掘学生的潜在学习能力，加深对专业的了解，培养学生的科研、创新等综合能力。

1 综合实验课程规划

植物生理生态学是一门理论性、综合性较强的课程，选择在大三的第二学期开展。植物生理生态学理论课主要涉及植物的生长环境、植物生长发育、光合、水分生理生态以及自然环境和污染环境胁迫下植物的响应。针对该课程特点设计了部分综合性实验，对实验设计、实践及考核方面进行探讨。

基于教师的科研项目，对环境污染胁迫下植物的生理生态影响实验以综合实验的形式设计和实施，将研究和教学相结合，可以加深理论知识的理解，巩固课程学习内容，深入理解生态学现象以及现代植物生理原理应用。提倡实验教学和科研课题的结合，也是创造条件使学生能较早地参与课题研究和创新活动[11]。

设置综合性实验作为一门独立的实践课程，在整个实验过程中以学生参与为主，提高学生实践和独立思考的能力，调整后的综合性实验更加注重内容的研究性、广泛性和知识性，侧重于学生的参与和培养学生的分析思考能力。

2 实验项目内容设计

植物生理生态学课程涉及的内容较广，就环境污染胁迫对植物生理生态的影响设计了一些综合实验项目，项目的设计流程为：讨论选择一个生态实验案例→查阅文献设计实验(实验内容、实施)→开展实验→实验报告撰写。实验材料选择亚热带常绿树种香樟一年生幼苗，香樟是重要的乡土及园林树种，萌蘖幼苗种植及管理，适合学生参与实验。根据植物生理生态学实验大纲及生态学专业一般需要掌握的实验技能要求，考虑到生理和光合是评价植物环境胁迫的重要指标，设计了以下4个实验内容，验证环境污染(重金属镉)胁迫对盆栽植物幼苗的影响。

1)植株生长状况的影响。

设计了不同程度的镉污染胁迫处理，详细观察和记录不同程度的镉污染对盆栽植物的生长影响表现。对植株的高矮、根茎的粗细、叶片的大小、颜色等进行观察记录，比较不同胁迫条件下植株的生长状况，分析其对植物光合、呼吸、植物营养和水分循环的影响。通过直观的观察和测定，使学生能更为深刻地理解环境变化对植株的影响，以及可能的生理相应。

2)植株叶绿素含量及光合生理的影响。

植物的物质积累依靠光合作用，叶绿素含量的多少决定着植物光合作用能力的大小，在环境胁迫下，叶绿素含量的变化可反映植物的损害程度，植物叶绿素含量和光合作用都是重要的生态学现象。实验测定镉污染胁迫下植株的光合生理指标，主要有叶绿素含量的变化、光合有效辐射下各参数的变化，包括净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、光合有效辐射(PAR)、叶片水分利用效率(WUE)等，和传统实验室按照步骤进行不同，在了解实验内容和查阅相关文献资料后，该实验学习对实验仪器原理的理解和对仪器的熟练操作，以及使用注意事项及故障的排除；掌握测定方法和研究手段，学习数据的处理方法及实验结果分析，比较镉污染胁迫下各光合参数的变化，结合植株生长状况分析其原因、机理。该实验结论必须由学生自己分析得出，需要掌握植物光合生理的知识，理解各项生理参数的意义及测定原理。通过本实验巩固了理论课上所学知识，培养了学生的综合分析能力和思维能力。

3)植物叶绿素荧光含量的影响。

叶绿素荧光特征能够反映植株叶片的光合效率和潜在能力。在环境胁迫下，植物叶片叶绿素荧光的变化特性可以在一定程度上反映环境对植物的影响，采用便携式荧光测定仪测定植物光合过程中的荧光特性，了解植物受胁迫的生理状况，即植物在镉污染胁迫下潜在的最大光合能力、实际光能转化效率、植物的光能利用效率等特点。主要参数有 PSⅡ最大光能转化效率(Fv/Fm)、 任一光照状态下 PSⅡ实际光能转化效率(Yield)、 PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)和电子传递速率(ETR)等。通过对各荧光参数的分析，了解植物的抗逆性，和植物光合作用各参数指标相结合，分析其污染胁迫后的变化特征、原因及其机理，在实验中学会数据的处理分析方法，深入理解荧光各参数的含义、掌握仪器测定原理、技术等研究手段。

4)植物保护酶活性的影响(SOD、POD、CAT)。

植物保护酶是一种有效的抗氧化系统，是植物对逆境胁迫的一种防御机制，是植物适应各种逆境胁迫的重要酶类。测定不同程度环境污染胁迫下植物的SOD、POD、CAT酶活性，了解镉污染胁迫下植物酶活性变化的特点，植株的适应性和反馈，和前面测定的植物生理特征相结合，分析其相互作用和影响。该实验是在室内进行，涉及常规使用仪器如紫外分光光度计、离心机等，可以巩固这些设备的原理学习和操作技能，加深学生对常规仪器的操作规范和实验技能学习。

3 实验项目的实施

3.1 实验安排

综合实验项目内容涉及广泛，既有室内的实验也有室外的测定，实验过程需要比较长的时间，所以选择在周末进行，可以保证实验的连续性。为了节省时间和利用现有的各种仪器设备教学资源，安排3～5人一组，实验分组进行也有利于培养学生相互协调、团结合作，相互探讨分析激发学生的思维能力，综合实验一般都采取分组的形式[12]。实验和教师科研结合，把单个的实验项目整合到一个研究项目里，即选择不同程度重金属镉污染对植物幼苗生理生态状况的影响，从实验设计(测定内容)到实践(实验各指标测定)，包括仪器操作、试剂配制、结果分析及最后实验报告撰写，由学生独立完成，并做好实验记录，教师全程参与指导。

3.2 实验教学及实践

整个实验24个学时，分为两个阶段。第一阶段，根据教学大纲和实验目的选择该实验相关的几个生态学问题，探讨环境污染如酸雨、重金属、UVB辐射、氮沉降等对植物生长、发育及生理特性的可能影响，然后根据教学资源选择一个研究方向，规划实验内容。学生查阅文献学习研究方法，进行实验布置(种植苗木、污染胁迫处理等)；通过教师培训课后练习，学习掌握实验所用的仪器设备，了解室内实验和室外测定注意事项，可能遇到的问题及解决方法。实验室全天开放，教师全程参与，随时和学生讨论遇到的问题。第二阶段，实验内容的测定，在前期实验预习准备基础上选择周末进行实验测定，由于实验资源和时间有限，学生分组交叉进行实验，每个实验小组选择一个胁迫梯度测定。室外或室内的几个实验项目可以同时展开，如测定植物光合生理指标和测定叶绿素荧光同时进行，植物保护酶活性的测定也可以同时开展，需要小组成员协调配合。实验中全程做好实验记录，最后各小组数据汇总，每个实验小组就全部数据进行处理、分析探讨实验结果，撰写实验报告。

3.3 实验报告的撰写

实验报告的书写以整个实验项目为一个题目，对不同的实验项目内容测定汇总进行分析，得出自己认为的结果，实验报告以科技论文的模式书写。对实验结果的分析是实验教学中的关键环节，是培养学生分析问题能力的主要手段，也是提高教学效果的有效途径。学生对实验结果讨论分析需要说明一定的问题，如验证了什么现象、得出了什么结论、存在什么问题等。对实验课的体会和想法也要体现在实验报告中，这样有利于学生认真的思考实验的真正意义；同时以科技论文的形式完成实验报告有利于学生对科学论文撰写技能的学习和提高，为本科生毕业论文的撰写积累一定的经验。

4 实验综合成绩考核

5 结束语

通过综合实验教学，学生对资料查阅和科研选题、实验设计、实验的实施、实验数据处理、结果分析和讨论，以及对科研论文的撰写有了一定程度的了解和学习。综合实验教学明显提高了学生对实验的积极性，培养了学生自觉学习的能力、团结协作的精神和严谨的科学态度。综合实验的选题和教师的科研研究项目结合，以科学成果充实了教学内容，培养了学生独立思考、分析和解决问题的能力，提高了学生对植物生理生态学研究的兴趣，更好地掌握了本专业的知识，对目前全球气候变化下的生态环境有了更好的解读。综合实验对学生考核的多元化评价，对学生实验记录分析总结、课程过程中的随机提问及实验中问题的解决方法、科研论文撰写实验报告等方式，促进了学生的可持续全面发展。 因此综合类实验不仅有利于学生基本技能的训练，而且对于实验设计能力、思维扩展及创新能力的培养非常重要，特别是促进了学生学习的有效性、主动性和可持续发展，符合21世纪对林业人才和生态建设的需求。

实验中也存在一些问题，一方面是教学资源不足，该实验涉及的仪器和设备都较为贵重和精密，需要在数量上有所提高；另一方面课时有限而综合实验比较耗时，需要更好的规划和协调使得实验顺利开展，同时需要建立规范的科研和实验教学相结合的实验基地，更好地把科研和实验相结合、相融合，而课程的改革也需要教师和学生的多方面交流与沟通，从而不断努力提高课程的教学质量。

[1]张刚.环境科学专业实验课教学改革探讨[J].实验室科学，2009，12(2)：44-46.

[2]吴燕,杨毅,杨艳燕,等.从生物学实验教学看学生创新能力的培养[J].实验室研究与探索,2005,24(2):69-71.

[3]淮虎银，金银根，孙国荣，等.植物学综合性实验项目的设计与实践[J].实验室研究与探索，2006，25(5)：638-640.

[4]孙设宗，丁爱玲，王生慧，等.生物化学综合性研究性实验的实践与评价[J].山西医科大学学报(基础医学教育版)，2005，7(3)：298-300.

[5]段晓英，姚天明，杨勇，等.巧设综合实验提升综合能力[J].实验室研究与探索，2008，27(4)：97-99.

[6]张小林，周美华，李茂康.综合性、设计性实验教学改革探索与实践[J].实验技术与管理，2007，24(7)：94-96.

[7]梁晓夏，王国庆，冯家勋，等.生物类本科生综合性实验设计与实践[J].实验室科学与技术，2009，7(3)：116-118.

[8]田运生，刘维华，王景春.综合性设计性实验项目建设的探索与实践[J].实验技术与管理，2012，19(2)：126-129.

[9]蒋高明.当前植物生理生态学研究的几个热点问题[J].植物生态学报，2001，25(5)：514-519.

[10]王林.植物生理生态学研究与展望[J].玉溪师范学院学报，2001，17(sl)：260-261.

[11]李晓萍，付有志，刘戎，等.有机化学综合性、设计性实验的选择与学生创新能力培养[J].白城师范学院学报，2011，25(1)：84-88.

[12]韩宏岩，许维岸.生物类本科生综合实验设计与实践的探索[J].实验室研究与探索，2014，33(3)：168-171.

DesignandPracticeoftheComprehensiveExperimentinPlantEcophysiology

YUAN Huanying

(National Demonstration Center for Experimental Forestry Education,Zhejiang Agriculture and Forestry University,Lin’an 311300，China)

Comprehensive experimental teaching plays an important role in the students’ practical ability，innovation ability and comprehensive quality training.Based on the scientific research projects，this paper discussed the design，practice and effect of the comprehensive experimental project in plant ecophysiology.As a result，the reform practice effectively improved the learning initiative and enthusiasm of students’，trained the ability of scientific research，and independently analysis and problem solving ability，achieved a good teaching effect.As a new mode of experiment teaching，it is a useful way for the experiment teaching.

plant ecophysiology;comprehensive experiment;design;practice

2015-11-28；修改日期:2016-01-12

浙江农林大学实验室管理与教改项目(KG14065)。

原焕英，(1974-)，女，硕士，助理研究员，主要从事生态学及土壤环境污染方面的研究。

G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.028