植物生理学全程研究性实践教学探索

熊 飞, 余徐润, 潘志明, 董召娣, 陈 刚

(扬州大学 生物科学与技术学院, 江苏 扬州 225000)

高素质创新人才培养是高等院校的中心任务,随着科学技术的迅猛发展,接受传统教育的我国大学毕业生普遍存在着创新意识不强、解决问题能力较弱和实践动手能力不够等问题[1]。为此,国际上众多高校推出了研究性教学模式,该模式也受到我国高等教育界的高度重视。2005年,教育部颁发了《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》, 提出高校要积极推动研究性教学,提高大学生的创新能力。研究性教学的核心理念是以实践中的真实问题为导向,将学生置于真实的情境中学习,培养学生的学习能力、创新能力和动手能力,增强学生对社会的适应能力,使教学与科研有机统一的一种教学模式[2]。由于它更注重发挥学习主体的能动作用,把发展探索能力、实践能力、创新能力放在首位,所以是一种行之有效的现代教学方法,受到当前高校的提倡和推崇[3]。

植物生理学是研究植物生命活动规律及其与环境相互关系的科学,与植物、环境相关的学科都与植物生理学关系密切。植物生理学课程是植物、农学、蔬菜、果树、林学、园艺、植保、土化和环境等专业的必修基础课程。因此,植物生理学的教学质量不仅直接影响到学生对后续课程的学习,而且也关系到生命科学人才的素质和能力培养。为进一步提高该课程的教学质量,培养高素质具有创新能力的生命科学人才,国内许多学者对该课程在教学方法、教学模式、教学内容、教学手段和学习方式等方面进行了大胆的改革与实践[4-7],取得了显著的教学成效。近年来,许多学者将研究性教学应用于植物生理学课程的教学改革中,对培养学生创新精神、创业意识和创新创业能力发挥着重要的作用[8-9]。但大多数研究者只对该课程的某一章节或某一专题内容进行了研究性教学实践[10-11],而对该课程所有内容并未进行全程研究性教学实践。自2012年以来,根据植物生理学各章节内容的特点和自身实践教学经验,尝试性地对全程研究性教学方法、教学内容、教学评价等进行探索,取得了较好的效果。

1 全程研究性教学方法

研究性教学不单纯是一种教学模式或教学方式,也不只是一个教学过程或教学活动,而是教师和学生在教学活动中必须遵循的一种教学指导思想,具有重过程、重应用、重体验、重参与的特点。因此,研究性教学方法具有多样化特征。根据笔者的教学实践,植物生理学课程研究性教学方法主要有4种：专题拓展交流、生产调查、综合设计性实验、探究性实验。

1.1 专题拓展交流

专题拓展交流是一种以教师上课时提出的问题为导向,学生利用网络教学平台、微课、慕课、实验录像、图书资料、电子书等资源进行查阅资料,预先自行学习课程内容,学生做读书报告,最后综合评定学生学习效果的开放式、探究式的教学方法。大体步骤如下：首先根据教学目标、教学内容和学生的基础知识,将学习内容分为不同的专题,对每一专题设定不同的探究问题；然后分组进行资料查阅与信息收集、资料分析与PPT制作；最后学生作报告、学生提问、教师点评和总结。教师根据报告、答题、主持会议、所交作业等内容综合评定学生成绩。通过专题拓展交流,不仅提高了学生分析问题、解决问题的能力,也提高了学生口头表达和主持会议的能力,同时也增强了学生合作精神和团队意识。

专题拓展交流的内容适宜选择一些开放性强,没有标准答案,能发挥学生想象力的知识点。比如植物生理学发展史及其与农业生产的关系,要求学生查阅大量资料去了解植物生理学的产生、发展、壮大的过程,并潜移默化地让学生感受植物生理学在农业生产中的重要作用,从而激发对这门课程的学习兴趣;又如讲到植物细胞的结构与功能时,可以比较“植物学”“细胞生物学”“植物生理学”三门课程中有关细胞的结构和功能表述的异同点,比较生物特别是动物和植物细胞的异同点,这有利于学生将相关课程知识点融会贯通、交叉互补;再如植物在白天和夜晚通过哪些生理途径与外界环境进行CO2和O2交换？这个专题综合了植物光合作用、光呼吸、呼吸作用等相关知识点,有利于学生对植物生理学各章节知识的综合掌握。一学期所选的专题拓展交流的次数需根据不同学校或不同专业给予本课程学时数而定,一般安排6～8次较适宜。

1.2 生产调查

植物生理学被称之为合理农业的基础,其诞生和发展都与生产实践和生活实际紧密相关。长期以来,植物生理学的教学是理论教学结合室内实验,但与真正的生产实践联系较少,教师只是在课堂上讲解与生产实践相结合的实例,教学效果不太理想、学生理解不太充分,很难引起学生的共鸣[1]。通过学生的课外生产或生活实践调查能进一步巩固和应用植物生理学理论知识,对于培养学生的观察、分析、动手和创新等综合能力具有重要意义。

生产调查应选择与农业生产或生活实际联系紧密，学生感兴趣且易获得调查结果的内容。如讲授到植物生长生理这一章时,可以让学生自己选择一种农作物,观察和拍摄该作物从播种开始一直到收获整个生长过程,并测定相关的生理指标,如叶绿素含量、生长速率、产量和品质。同时要求学生将外部特征和生理规律紧密结合起来,加深对理论知识的深刻理解;又如让学生调查植物失绿的原因有哪些？通过学生日常生活中观察到的植物失绿现象,分析造成这些现象的原因,这样不仅培养学生观察、思考、分析问题的能力,而且能加深对植物叶绿素合成及其影响因素等理论知识的理解；也可适当组织学生到一些实验农场、蔬菜大棚、种苗培养公司等进行现场观察,让学生亲自体会理论知识如何转化为生产力和经济效益的,增强了学生的学习主动性和创业意识。由于师资、设备、经费、场所等条件限制,安排生产或生活调查内容不宜过多,一学期中应以3～4次较适宜。

1.3 综合性实验

植物生理学是一门实验实践性很强的学科,除了开设一些验证性实验,应增加综合性和设计性实验。综合设计性实验能把各独立的生理指标或单一的实验内容联系起来放到一个实验设计中，要求学生在理解植物生理学原理的基础上,运用所掌握的理论、技能和实验方法进行实验设计,提高学生的科研能力[7]。选题可包括实验方法的改进,如比较使用氧电极、红外线气体分析仪、LI-6800便携式光合作用测定系统测定植物光合速率的异同；在做光合作用综合设计性实验时,要求学生自主选择植物材料,分离提取叶绿素，测定其含量和吸收光谱,观察叶绿素的理化性质,还要求自主设置环境处理,分析环境因素对光合速率的影响等；又如有关逆境方面的实验,让学生各自选择植物材料,设计不同的逆境如干旱、水涝、高温、低温、盐害等,用电导率仪测定逆境对植物细胞膜透性的影响,用TTC法测定根系活力,用叶绿素计测定逆境对叶片叶绿素含量变化,用分光光度法测定植物抗氧化酶的活性,用数码显微摄影装置拍摄植物形态的差异,并根据实验结果分析逆境对植物生理的影响。一般情况下,在一个学期植物生理学实验教学中,安排2～3次综合设计性实验较适宜。

1.4 探究性实验

探究性实验是指在教学过程中创设类似科学研究的情景,让学生在独立的探索、思考和实践的研究过程中吸收知识、应用知识、分析问题和解决问题的教学模式[12]。围绕本课程重要的章节,在学生力所能及的范围内设计相应的探究性实验,在师生相互配合下完成实验的研究设计,由学生实施研究计划、完成研究论文,在课堂上汇报和答辩,由教师对研究论文以及汇报和答辩的表现进行评分并计入学生课程总成绩,最后教师点评和补充,学生提交研究性教学心得体会报告。学生选题可以和教师的科研项目相结合,或是申报国家级、省级和校级大学生创新创业训练计划项目,也可在查阅相关文献的基础上自主选题。学生在选好题目后独立设计实验方案,在教师审核了该设计方案的可行性后再开始实验。这种研究方法有利于培养学生的创新意识和实践能力、有利于培养学生提出问题的能力以及表达交流与合作的能力。但由于此类探究性实验耗时较长，受条件限制等,不宜安排过多。比如探究植物生长调节剂(NAA、GA3、6-BA、ABA、ETH、CCC)对植物的生理效应,学生自主配制各种浓度的生长调节剂,自选实验材料,观察、拍摄植物生长发育对植物生长调节剂的响应的形态、生理变化等特征。对实验结果做得好的学生推荐发表学术论文,并鼓励学生参加全国大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生生命科学创新实验大赛、全国大学生生命科学联赛等有关竞赛活动,进一步激发学生学习和科研热情。由于受实验仪器、实验条件及时间等限制,一般情况下,一学期安排1～2次探究性实验较适宜。

2 全程研究性教学实践

2.1 全程研究性教学内容的设计

植物生理学知识体系比较完整、内容丰富,涉及植物的水分生理、矿质营养、光合作用、呼吸作用、激素调控、营养和生殖生理、抗逆生理等内容,以王忠主编的第二版教材内容为例[13],共有5大篇,13章节。有些内容理论性较强,不太适宜开展研究性教学,如光合作用的机理就不适合用于研究性教学,只能通过教师课堂讲授。笔者根据实践经验总结了研究性教学应遵循的三个原则：一是内容应用性要强,能够激发学生兴趣；二是可操作性要强,容易实现目标；三是学生自愿,因材施教。笔者通过多年实践,认真梳理课程内容,根据上述原则,筛选出每章适宜进行研究性教学方式和教学内容(见表1),以供同行参考。由于综合性实验在正常实验教学中开设,因此表1中未将之列入。

表1 植物生理学各章节适宜的研究性教学内容和方法

表1(续)

2.2 全程研究性教学实践过程

全程研究性教学实践已实施了3年,现以2017年生科1601班和生科1602班为例,介绍具体实践过程。这两个班共60人,根据学生自愿原则,自由组合成12个小组,每小组5人,每小组研究性教学内容分配如表2所示。专题拓展交流每小组1次,共12次。探究性实验每小组1次,共12次；每小组自行选择1种植物,观察和拍摄该植物生长发育的过程,分析其外部形态与生理特性的关系。生产调查4次,每3个小组调查1个生产内容。

表2 各小组全程研究性教学内容分配

注：每个小组商量后根据实际情况选择植物材料,表中植物名称仅作参考

根据表2中各小组研究性教学内容,每周的研究性教学方法、内容安排及注意事项如表3所示。每周每次学生在课堂汇报结束后,教师必须及时进行点评、总结,并且将课本上的重要的理论知识进行补充讲授,否则可能会导致学生对理论知识掌握不系统、不完整和不透彻。另外,在平时要求学生遇到问题时及时与教师沟通,教师也得及时了解学生的探究性实验、生产调查、植物生长发育观察的进展动态,并及时进行指导,保证研究性教学的顺利进行。

2.3 全程研究性教学实践成效

与一般的研究性教学相比,全程研究性教学难度明显加大,需投入更多的物力、财力和人力,但教师和学生收获会更大、更多。经过3年的尝试和探索,学生主动性明显提高、科研兴趣显著增强,很多学生积极主动地参与科研,从中学会了文献查阅、实验设计、数据分析、论文写作等科研技能,科研综合素质明显提升,参加实践创新比赛取得骄人的成绩，如2014级本科生陈昕钰、杨阳通过植物生理学探究性实践获得启发,在教师的指导下研究了小麦在干旱条件下颖果的形态和生理变化规律,以第一作者完成的科研作品获第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖,并以第一作者发表SCI论文1篇；2015级本科生汪巧菊、李发丽等研究了小麦弱势粒发育不良的生理机制,以第一作者撰写的科研论文获第一届全国大学生生命科学竞赛二等奖,进一步激发了学生学习和科研热情。

表3 全程研究性教学内容的时间安排

3 结语

本文首次将研究性教学模式应用于植物生理学全程教学实践过程中,探索出当前高校进行研究性教学方法4种,遴选出进行全程研究性教学各章节适宜的课程内容和每周的日程安排,取得较好的教学成效。随着高等教育教学改革的深化,围绕我校“培养实践创新性人才”的办学定位,在植物生理学课程中开展全程研究性教学是一种值得推广的教学模式。