高校本科实验课程研究性项目教学实践与探索

2018-07-09张以顺张志红许佳玲王晓红

实验室研究与探索 2018年6期

黎茵，张以顺，张志红，许佳玲，王晓红

(中山大学生命科学学院生物学实验教学中心，广州 510275)

0 引言

实验教学是课程教学的重要组成和辅助部分，在培养学生的实践能力，加强学生对理论知识的认识和理解方面具有不可替代的作用，实验教学作为生物学科的重要教学手段，一直以来都很受重视。近年来，随着本科教学实验教学环境和设备条件的逐步提升，通过将科学研究与本科生实验教学相结合的教学模式探索，改变传统的实验教学方式，不仅丰富和优化了实验教学内容，让学生充分感受到科学知识和技术的迅速发展，贴近研究热点，接触前沿内容，还培养了他们的创新性思维，激发和调动了学生的探索意识和热情[1]，对于提高本科生创新实践能力、提升本科生培养质量起到重要作用。

我校是一所培养研究型人才的综合性大学，生命科学学院在实验教学过程中非常注重培养学生的创新思维和科研能力。针对传统教学方式存在的问题，以“植物生理学实验”课程的改革为例，采用研究性的项目教学法对实验课程的教学内容、教学方法及考核方式等多个方面进行了教学改革实践与探索，对研究性教学实验课程项目设计的实践经验进行总结分析，这种教学方式更加有利于培养学生的科研思维和综合能力。

1 课程目标的设定与实验项目重组

研究性学习泛指学生主动探究的学习活动，研究性教学则是指支持学生研究性学习的教学方法、策略和模式。研究性教学的指导思想就是把科研的过程转化为本科教学的实践，目的就在于要构建以研究为基础的本科教学体系[2]。研究性教学以科学研究的问题为导向，指导学生在独立的主动探索、主动思考、主动实践的研究过程中，吸收并应用知识、分析并解决问题，其目的是培养学生独立思考、自主学习的能力，发展其研究性思维和创新能力[3]。

1.1 课程教学目标的构建原则

实验课程教学改革方案在研究性教学的指导思想下应用了项目教学法作为课程设计的基础，是一种“以项目为主线、以教师为主导、以学生为主体、注重学习过程与实践活动的融合”的教学方法[4-5]。研究性项目教学的关键是要先设计和制定一个完整项目的工作任务，教师需要分析大纲要求，提取项目所需要的知识点，并将相关的教学内容进行整理归类，按照一定的研究和分析线索合理提出目标和组织项目，在难度上要考虑循序渐进的原则，以适应学生的学习过程。在项目设计和划分中需要将传统教学方法中分割的实验内容进行有机组合，突出教学内容的层次性和科学性[6-7]。

在研究性教学过程中，将实验课程的目标构建为一系列由学生来实施完成的实验研究项目，教师由教学过程的主导者变成了引导者、指导者和组织者。完成项目的过程就是学生获取知识、学习技能的过程，也是逐步达到教师预先设置教学目标的过程[8]。

1.2 研究性项目教学方案的设计

“植物生理学实验”课程在植物生长发育调控、植物与环境的相互作用、植物的胁迫反应以及农学等研究和应用领域有着非常广泛的应用，属于实践性很强的专业课程[9]，研究性教学在教学过程中由教师创设一种类似科学研究的情境和途径，指导学生在主动探索和实践的研究过程中，吸收并应用知识解决问题[10-11]。“植物生理学实验”课程的教学方案设计要考虑具体连贯的工作时间和项目程序安排，实验项目完成后应得到一项较完整的目标成果。考虑到各个实验内容都与植物的生长发育和环境适应等生理过程密切相关，在教学实践中将不同的实验内容进行了整体的规划，如图1所示。

“植物生理学实验”教学大纲内容包含了与植物生理学理论对应的科学实验技术，按照研究性教学方案的设计原则，根据实验内容涉及的理论知识的相关度，把教学大纲要求的实验内容组合成植物的矿质营养、物质代谢、逆境生理等3个具有相关性的实验模块，再按每个模块内容安排具体的子项目实验内容。同时由于实验的整个过程都需要使用植物材料，尤其是前面两个模块的实验项目是以活体植物材料作为研究观察对象，因此在“植物生理学实验”项目教学实践中，改变了过去每次实验课之前由老师准备实验材料的方式，由各实验组的学生利用第一个实验项目模块植物的“矿质营养”中的完全溶液培养(对照组)和缺素溶液培养(处理组)栽培实验过程获得的植物材料，作为后面各阶段不同实验模块子项目的实验材料，使对两种不同矿质营养条件下培养的植物的生长情况观察和生理指标的测定与对比贯穿整个实验课程，学生可以在实验课程的前期充分观测记录植物的生长过程，同时又为后面各阶段的实验子项目内容提供有科学对比分析意义的两组实验材料。

图1 “植物生理学实验”课程研究性项目设计

2 课程实验项目的组织与实施

研究性课程项目的内容和实施方式，以分析在完全培养(对照组)与缺素培养(处理组)两种状态下植物生长发育和生理指标的变化，并探讨其生物学机制为研究目的，按照这个目标主线，要求学生利用实验课程内容要求的实验技术来测定和分析比较对照组实验材料和处理组实验材料在不同生理状态下的各项指标。

实验准备和幼苗培养阶段属于第1个实验项目模块植物的“矿质营养”，在这一阶段首先由教师给学生总体说明和指导实验课程的具体内容、实验技术流程、研究目标与结果分析要求等，安排和指导各实验小组学生进行统一栽培管理，在植物幼苗的溶液培养和缺素培养实验子项目中，除了完成该模块的实验和观察内容以外，也为后面的实验准备好了两组实验材料。第1个模块的子项目完成后，课程内容循序进入第2和第3个模块，以完全和缺素两个不同条件的溶液培养所得到的植物材料作为分析对象，在对应组织部位取样测定相关的子项目实验指标。

经过重新设计组合的研究性项目教学方案，在实施过程中使学生可以在教师的指导下，围绕着具体项目任务这个核心，以团队的形式共同学习、分工合作来完成实验项目任务[12-13]。

3 实验结果的综合分析与评价

在传统实验教学方式的课堂上，学生仅仅是学习和掌握了实验技能和提交一份实验报告，对实验项目内容的相关理论知识和科学意义理解不深。研究性的项目教学由学生主动去分析和探讨实验过程和结果，学生由被动学习转变为主动学习，教师由课堂教学的讲授者、主导者转变为学生的引导者和合作者[7]。

在课程的各个实验项目完成过程中，老师对学生学习的每个子项目内容进行跟踪讲评，不仅让每个学生掌握相关实验原理和操作技术，还联系栽培过程中观察到的植物生长和实验项目中检测到的生理指标变化，提示学生注意分析不同实验项目模块和子项目内容中观察到的现象和实验结果之间的联系，并且要求学生查阅相关文献，对实验结果进行分析、比较与讨论，课程报告以研究小论文的形式提交。在实验课程结束后对学生的操作技能、结果分析能力、论文写作能力等方面进行综合评定。

经过重新设计和组合的实验课程项目和实施方式，以研究目标为主线，利用课堂所学的实验技术，以实验数据为依据综合分析比较在不同培养状态下植物组织的生理生化变化，并分析讨论这些过程体现的变化规律和蕴含的生物学机制，将实际的研究课题理念带入课堂，让研究性的项目教学法真正在课堂上得以实施和拓展。

在实验课程开始的时候教师就把问题提出来，给学生思考的机会，在贯穿整个实验教学的过程中，学生和教师有机会不断地交流和讨论分析实验结果。这种研究性的项目教学方法可以很好地激发学生主动参与教学过程，引导学生运用所学的知识去积极探索新知识，培养学生创造性地分析问题和解决问题的能力[11]。采用这种提出问题诱导学生思考，而不是简单灌输的教学语言和教学方法，不仅课堂气氛活跃，对训练学生的主动思维的能力也有很大的好处[14]。

4 课堂互动与学生综合能力的提升

在实施研究性项目教学法的实验课堂中，学生既是项目的计划参与者和管理者，又是项目的执行者。通过研究性的项目教学方式，在有限的实验课时之内引入科学研究的理念和目标，既能培养学生的学习兴趣，又能培养学生严密的逻辑思维和分析解决问题的综合能力[15]。

4.1 学生综合能力训练实践

由于植物材料的栽培延续了几乎整个课程阶段，需要学生利用业余时间进行栽培管理和生长状况观察记录。同时在课堂实验过程中，课程的每个实验项目模块要求测定多个相关子项目内容，实验结束后又需要对结果进行综合比较分析。这样就要求小组成员充分合作，合理协调安排时间和分工完成课程要求的研究目标，学生在类似真实科学研究的情境中通过互助协作共同完成各项目中的实验操作、数据分析和结果讨论等任务。

在最后的课程考核中，要求学生按照正式发表格式撰写课程小论文，这种写作训练使学生能够更直接地学习到将实验数据和结果进行综合分析，比起传统的实验报告，能更好地训练学生的科学写作能力。在以小组为单位的实验研究结果总结交流报告会中，各小组学生自行制作PPT并向全班同学和授课老师演示和宣讲他们的实验过程、结果分析和结论的推断过程，其他各组学生自由提问，在此过程中培养了他们的口头表述和交流科学问题的技能。以课程小论文和实验研究总结报告的形式代替传统的各个实验的独立实验报告和实验操作考试，通过相对完整的实验研究和总结过程，有效地培养学生从提出问题到设计实验分析问题，再通过实验结果的整合分析、文献查阅、自我思考和科学推论解决问题，再进一步提出新问题的能力。

4.2 教学效果

研究性教学的优点在于极大地引起学生对学科的兴趣，在注重知识传授的同时注意着力培养探索精神和创造能力，具有开放性、综合性和实践性的特征，把科学素养、科学思维、科学道德、评价能力、批判精神、合作精神、敬业精神、严谨作风结合到教学中去[11]。实践证明，对课程的实验教学体系进行改革，开展以项目和案例为驱动的实践教学改革，在提高学生创新实践能力和综合科研素质方面取得了明显的效果[16-18](见表1)。

“植物生理学实验”从植物的溶液培养开始，第一个环节实验培养出来的植物材料就是后面实验环节的材料，每个实验项目既相对独立，又环环相扣，使得整个实验课程成为一个有机的整体，前一步的成功与否会直接影响到下一步实验，大大增强了学生对实验的重视程度和责任感[19]，不仅提高了学生的兴趣和实验成功率，也保障和提升了实验教学的质量。同时，这种连续性和对比性的实验设计，可以让学生充分了解每一个测定项目对于解释不同培养条件下植物生理状态的差异和生理机制，做到“知其然”以及“知其所以然”。

实验课程中采用研究性项目教学法的方式，模拟科学研究中提出问题和解决问题的过程，建设研究性学习和交流平台，可以有效地将学生从基础实验训练导向到探索性科研训练，提高了学生的综合素质、科学思维和研究能力。

表1 研究性项目教学法实施前后实验教学效果比较

5 结语

研究性的项目教学方式营造了一种带有科学探索性质的互相协助、共同交流的教学氛围，在教学中达成经验分享、同伴互助、良性竞争等总体目标，提高了教学活动的互动性和有效性。这种研究性的项目教学方法也是一种在专业教学中将普适功能的教育目标，如方法能力、合作交往能力、独立自主能力、责任意识等突出表现出来并贯穿到课堂内外的教学方式[8]。通过研究性的实验教学方案改革，在提高学生学习兴趣和提升教学质量的同时，不仅传授给学生理论知识和操作技能，更重要的是培养了学生的科研思维和自主研究和实践能力以及团队协作精神，能更好地满足当前创新性教育的发展需要。

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