生态学研究性实习的设计与实践

朱利霞 陈居田 常云霞 郭婕 王红星

摘要：生态学实践教学是培养学生能力的关键环节，研究性实习对于培养学生的实践创新能力和综合素质具有重要作用。以不同类型生态系统土壤有机碳矿化潜力研究为例，介绍了生态学研究性实习的设计和实践过程。土壤有机碳矿化与养分循环、全球变化等紧密联系，其涉及的实习方法简单，可操作性强，实习内容有很好的拓展空间。研究性实习可以有效地激发学生的学习兴趣，培养学生分析和解决问题的能力。

关键词：生态学;土壤;有机碳矿化;研究性实习

生态学是研究生物与环境相互关系的学科，其目的是指导人与自然的协调发展。生态学教学内容具有很强的实践性和综合性，实验和实习是生态学教学过程中重要的实践环节，对于学生理论认知的提高具有重要作用。随着我国经济的快速发展，环境保护和生态文明建设的需求越来越大，在可持续发展的时代背景下，社会对生态学专业人才的需求也逐渐增加。在生态学发展面临良好机遇的同时，也对生态学教学提出了更高的要求。

一、研究性实习的提出

目前大学毕业生在工作及学习上的主动性不够，自主学习能力较差，而这种能力的培养正是我国教育模式中所忽视的。实践教学是培养学生能力的关键环节，野外实习是生态学教学中必不可少的内容，也是培养学生专业技能的关鍵环节。生态学野外实习不仅可以巩固和充实课堂理论教学的内容，又可以培养学生独立开展研究的能力，有利于培养生态学专业创新人才。然而，长期以来，生态学野外实习教学被认为是理论教学的辅助，在很多高校常常只设置生态学理论课程，而没有设置独立的生态学实践教学课程，尤其是野外实习环节。由于长期以来不够重视，导致生态学实习基地建设不完善、实习教师队伍不能保障、经费短缺等问题，使生态学野外实习教学不能收到良好的教学效果，没有实现提高学生科研素养和综合素质的教学目标。

研究性学习和教学是目前我国教学改革的热门课题，然而在实际的实践教学中，往往是以固定模式进行：教师介绍实验的目的、内容、方法和注意事项等，学生按部就班完成实验和实习。这样的实践教学在一定程度上锻炼学生的动手能力，但无法提高学生参与课程的兴趣和积极性，导致学生被动学习和接受知识，久而久之导致学生思维缺乏创造性和灵活性。因此，为了更好地开展生态学野外实习教学，通过该过程将理论知识运用到实际中去，培养学生的科研能力。在学生掌握生态学野外实习的基本方法后开展研究性实习是很有必要的，研究性实习是培养创新型人才的一种有效的教学方法，但目前仍处于探索阶段。针对教师讲解为主的传统模式，进行学生为主、教师指导的实习模式，综合开展研究性和探索性的野外实习教学。以笔者长期从事土壤有机碳矿化的研究为基础，开展结合院校周边环境设置“不同生态系统类型土壤有机碳矿化潜力研究”的研究性实习。该实习内容成本低，具有较强的可操作性，并且与物质循环、全球变化等生态学热点相结合，具有一定的示范性。

二、研究性实习目标

研究性实习更注重学生探索能力的培养，因而具有更强的研究性、探索性、科学性和实践性。整个过程需要学生全程参与，从确定实习课题后学生查阅文献开始，制定合理的实习方案、实习内容的完成、实验数据的整理和分析及最终实习报告的撰写等环节需要小组成员相互合作共同完成，这种研究性实习能够有效提高学生的创新能力和团队协作能力。

土壤有机碳是土壤的重要组成部分，显著影响土壤物理、化学和生物学特征，土壤有机碳的动态可以影响到土壤碳向大气的排放量，进而与当前气候变化密切相关。土地利用变化对土壤有机碳动态的影响是其中的一个关键因素。土壤有机碳矿化是土壤生物通过自身活动、分解和利用土壤中活性有机碳组分来完成自身代谢，同时释放二氧化碳的过程，该过程在土壤碳循环中发挥着重要的生态功能。由于人类的活动使土地利用方式发生很大变化（林地转变为耕地及退耕还林还草等），这些活动都会对土壤碳产生一定的影响。因此，开展不同生态系统类型土壤有机碳矿化的研究性实习，可以很好地将实习内容与陆地生态系统碳循环和全球变化等联系在一起，可以激发学生的学习兴趣、锻炼学生的创新思维、提高学生的综合素质。如，通过开展“不同类型生态系统土壤有机碳矿化潜力研究”，拟达到如下实习目标：初步了解不同类型生态系统土壤有机碳矿化的基本方法;初步掌握生态学研究的步骤和方法;了解不同生态系统土壤有机碳矿化的特征并深入理解不同类型生态系统在生物圈中的作用;明确土壤资源保护和生态系统可持续发展的必要性。

三、研究性实习的过程

本研究性实习选取不同类型的生态系统，如，人工林生态系统、人工草地生态系统、湿地生态系统、农田生态系统，实习内容主要为土壤有机碳矿化测定，主要包括实习前准备、野外实习和实习总结三个环节。

（一）实习前准备

前期准备要营造研究性氛围，调动学生的积极性。实习前准备环节主要由教师设计研究课题，经集体讨论修改完善后发布给学生;学生根据个人兴趣采用自由组合的方式组成小组，每组5-8人，小组选择研究性实习课题。之后学生在教师指导下，通过数据库查阅文献，了解当前的研究现状和实验方法。经过查阅文献，了解测定土壤有机碳矿化的野外原位测定法和室内培养法。最后，小组内讨论并最终确定设计方案。该过程可以促使学生初步理解研究性实习的科学问题和研究意义。

（二）野外实习过程

野外实习过程采用研究性教学方法和学生自主、合作的学习模式。该野外实习主要开展不同类型生态系统的成员组成和有机碳矿化两方面的研究，涉及研究方法、实施方案和数据整理等，这对于缺乏生态学实验和研究训练的本科生而言具有一定的挑战性。该过程指导教师要引导学生思考开展实习内容需要注意的问题，并根据文献资料和实习的具体情况确定土壤有机碳矿化的测定方法，测定后的数据如何进行整理与分析。经过讨论，最后确定选用室内培养法测定土壤有机碳的矿化。

采用室内培养法和静态碱液吸收法测定不同类型生态系统土壤有机碳矿化，其具体步骤如下：在每个样地，地势平坦的地点随机选择10个位置，在每个位置设置一个1m×1m的样方，在每个样方中将土壤表层凋落物轻轻拂去，使之露出土壤。采集表层0～20 cm土壤样品，先测定土壤的含水量;再取出新鲜土壤样品50 g，置于塑料瓶中，瓶内放置盛有氢氧化钠溶液的小烧杯，用以吸收土壤有机碳矿化释放的二氧化碳，用封口膜密封后置于培养箱内黑暗培养，以不加土壤的空白作为对照。分别在培养的第2、4、7、11、16、22和27d更换氢氧化钠溶液，在培养过程中根据土壤初始含水量以称重法补充土壤水分。将烧杯内的氢氧化钠溶液洗入三角瓶内，加入氯化钡溶液沉淀碳酸钠，之后加入几滴酚酞指示剂，用标定的稀盐酸滴定剩余的氢氧化钠，直至溶液由粉红色变为无色，记录溶液变为无色时消耗的盐酸体积，根据c0：的释放量计算培养过程中土壤有机碳的矿化量。土壤有机碳矿化量的计算公式如下：

W=（V1-V2）×C×n×44/1000

w为溶液中c02的释放量，v1为样品溶液消耗的盐酸体积，V2为空白溶液消耗的盐酸体积，c为稀盐酸的浓度，44/1000为二氧化碳的毫摩尔质量，n为分取倍数。

由于该实习过程中土壤培养时间仅一个月左右.其矿化的碳主要是活性有机碳，应用一级动力学方程分析土壤有机碳矿化动态：

Y=Cp×（1-exp^-kt）

Cp为土壤有机碳矿化潜力，k为有机碳矿化速率常数，t为天数，Y为土壤培养时间t时的有机碳矿化量。

（三）实习总结

指导学生按照科研论文的格式撰写实习总结，这是研究性实习的一个重要环节。实习总结的书写是科学研究必不可少的内容，认真做好这个写作环节可以受益无穷。撰写实习总结能锻炼学生的科研写作能力，在此过程中要改变对实习总结只注重结果正确性的传统做法，重视对结果分析部分撰写的合理性，融入科研设计的基本思路和写作的基本要求，为学生以后撰写科研论文奠定基础。

野外实习结束后，教师指导学生利用Excel和SPSS软件对数据进行统计分析，并用Excel软件作图标注分析结果，完成研究性实习总结。指导学生以科学报告的形式进行撰写，内容包括标题、摘要、关键词、引言、材料与方法、结果分析、讨论与结论、参考文献等几个部分，使学生的实习总结能够清楚且恰当的体现整个研究性实习的内容及过程。由于土壤在控制温度和湿度的条件下进行，有机碳矿化量的差异可以反映不同土壤中易被利用的有机碳有效性及土壤环境因素的差异，所以，学生通过分析不同类型生态系统土壤有机碳矿化潜力的变异，系统地认识不同土地利用方式土壤有机碳矿化特征，为进一步揭示土壤碳汇功能的变化和土壤资源保护提供理论基础。通过撰写研究性实习总结，加深学生对生态系统物质循环和生态因子相关生态学知识的理解。

科学、完整的实习总结，能够清晰完整地表述整个过程和获得的结果，能够将所得结果与已知的生态学知识和原理相关联，并阐述该研究的价值和意义。清晰完整地表述实验过程，保证了其可重复性，以便他人借鉴应用。对于本科生而言，如何将所得结果与其他知识进行关联有一定的难度。因此，教师可以指导学生从以下几个方面人手：与前人研究结果比较分析其异同，指出结果一致或产生差异的原因（可能性或是必然性的）;对所得结果进行推论，并得出结论;对研究的问题进行展望，或指出本研究需要改进的地方。针对实习总结图表中容易出现的问题，指导学生呈现图表的一些细节，力求使图表能够直观的呈现结果，标题要简洁，并能够概括图或表的意思，列出必要的符号、单位及注释等。

（四）实习考核与评价

对每位学生的实习成绩评定，从动手实践能力、协作能力、创新意识和实习总结的撰写等进行较为全面的评价与考核。激发学生内在的发展潜力，提升学生参与各个环节的积极性，培养学生的创新意识和创新思维，以达到让学生成为实习的主体的目的，促进学生综合素质和科研素养的提高。

四、研究性实习的可行性及重要性

相对于其他生态学实习，不同类型生态系统土壤有机碳矿化潜力的研究涉及到的实习方法简单，可操作性强，实习过程中用到的器材均是学生开展其他实验所用到的，试验所用方法——静态碱液吸收法也是酸碱滴定法的延伸，不需要精密仪器和设备，成本低。该研究性实习具有一定的可行性和可推广性。

在整个研究性实习过程中，学生在老师指导下独立完成实验设计、实验操作及数据的整理与分析，根据实验结果总结揭示其中的生态学规律，最后按照科研论文的格式提交研究性实习总结。通过研究性实习的开展，充分调动了学生主动思考问题的能力，培养了学生的科研兴趣。该过程的训练可以让学生掌握文献检索技巧，学会使用相关的统计软件和作图软件，并能够通过查阅文献资料找到解决问题的方法。总之，通过研究性实习的开展，学生可以初步了解如何进行科学研究、撰写科技论文，为今后毕业论文的撰写和科学研究的開展奠定基础。