豆科植物初生根非向重力性弯曲生理机制综合性实验开发与评估

马绍英， 马 蕾， 田 鹏， 杨 洁， 李 胜， 王婷婷

(1. 甘肃农业大学 基础实验教学中心， 兰州 730070； 2. 甘肃农业大学 农学院， 兰州 730070；3. 甘肃农业大学 生命科学技术学院， 兰州 730070)

植物生理学大实验是高校专门针对研究生开设的专业课，内容主要涉及植物逆境生理和生长发育等[1]。通过对该课程的学习，可以加深学生对植物如何响应逆境理论知识的理解，并提高学生动手能力，分析问题及创新能力，为学生后期开展科研奠定基础。但在教学过程中发现，传统的教学方法侧重对已有知识的介绍及常规实验的验证，不同实验之间没有连贯性，缺乏综合性、设计性实验，且常年重复相同的实验内容及教学方式，导致学生对其重视不够、学习兴趣不高，达不到人才培养要求[2-3]。因此，如何改进教学方式与内容、激发学生学习的兴趣无论对学生还是课程建设均具有重要意义。

综合性实验是将课程中分散的知识点整合成不同的系统，使每个系统具有一定的整体性、连贯性和交叉性[4-5]。让学生掌握知识点和实验方法的同时，提高学生学习的积极性及运用已有知识解决问题的能力，有效达到教学目的。因此，综合性实验的开设对研究生提高自我科研能力至关重要。

植物生长在自然界中，不可避免受外界环境的影响。因此，综合性实验在植物生理学大实验中的设计离不开外界因子干扰，且干扰因素需在课堂中易于设置。研究问题导向需紧密结合日常实验现象。研究手段需在常规技术的基础上引进新的技术[5]。通过在解决或揭示一个科学问题的过程中学习知识点及掌握实验技能，不仅打破传统的教条式教学的弊端，同时激发学生的科研兴趣，为后期科研之路奠定基础。为此，对该课程的部分教学内容进行改革，与授课老师的科研方向及科研成果相结合，设计豆科植物初生根非向重力性弯曲生理机制综合性实验[6-7]。通过完整的实验设计结合多指标综合分析阐释科学问题，以期提升学生的科研能力，并为后期开展更多综合性实验提供参考。

1 实验方案

1.1 实验群体

以甘肃农业大学2020级选择该课程的硕士研究生33人为实验群体。

1.2 实验内容的改革与设计

植物生理学大实验中涉及的植物逆境生理是科研热点，因此对该部分的学习和理论知识的掌握对研究生今后科研发展具有重要意义。但该部分实验内容量大，衔接性差。根据以往授课经验发现，学生对该部分内容掌握不到位，且学习兴趣不高。为此，教师结合自身科研方向及科研成果，将该部分内容进行整合，设计豆科植物初生根非向重力性弯曲生理机制综合性实验，将不同内容有机衔接，提高学生的学习效率和兴趣。

该综合性实验主要包括理论教学和实践教学两部分(图1)。其中理论教学涉及文献查阅、相关理论的讲授、实验设计思路的树立、实验仪器的使用及课堂讨论。实践教学主要是将学习的理论知识及讨论结果应用到实验中，学生自行设计实验并完成相关实验内容，将实验结果通过统计学方法分析并得出结论，通过不断查阅文献并与老师、同学讨论，揭示实验现象。最后以实验报告的形式体现学生对该综合性实验的学习及掌握情况，以达到教学目的。

1.3 综合性实验的开展及评估

1.3.1 确定实验方案

植物生理学大实验在研究生教学中共18学时，该综合性实验共占8学时。实验于2021年5月31日开始，学生通过查阅文献，并与老师讨论，确定合理实验方案。学生随机分组(每组5人或6人)，共6组开展实验。根据讨论结果确定实验材料为豌豆(PisumsativumLinn.)、架豆(PhaseolusvulgarisLinn.)以及玉米(ZeamaysLinn.)、黄瓜(CucumissativusLinn.)。

图1 综合性实验流程图Figure 1 Flow chart of comprehensive experiment

1.3.2 实验实施

分组进行非向重力性弯曲诱导实验，教师指导学生挑选籽粒饱满的豌豆、架豆、黄瓜及玉米种子，流水冲洗30 min后，用75%的乙醇消毒30 s，并用无菌水冲洗3～4遍。然后用5%的次氯酸钠浸泡8 min后用无菌水冲洗5～6遍。将消毒后的种子置于含80 mmol/L的H2O2的培养皿内，处理72 h，每一培养皿中含30粒种子，其中对照组只加蒸馏水，在室温、自然光的条件下进行培养，每隔12 h更换处理液。该过程由教师带领学生观察并拍照记录外源H2O2胁迫下豆科及非豆科植物初生根向地性生长的变化，同时指导学生采用Adobe Photoshop等修图软件对拍摄的图片进一步加工美化。待出现明显实验现象时采集各种子初生根进行相关指标的测定。

实验测定指标主要包括可溶性糖、淀粉及IAA、GA3含量。学生需通过查阅文献及实验指导书整合确定最优的测定方法。并由教师讲解实验中涉及的仪器使用方法及注意事项。实验结束后，教师指导学生录入及分析数据，包括对统计分析软件的学习运用，如采用Spss 22.0进行方差分析(图2)。同时，引导学生以科研思维分析实验结果，并鼓励学生在该过程中勇于创新，提出新的见解与老师和同学进一步讨论，从而激发学生的学术潜能和科研兴趣。

图2 SPSS软件的学习及运用Figure 2 Learning and application of SPSS software

1.3.3 综合性实验课程的考核方式及评估

该综合性实验考核主要采用平时课堂互动、实验过程、实验报告相结合的方式。其中课堂表现与实验过程各占20%，实验报告60%。课堂表现主要以学生是否迟到、课堂中回答问题及讨论的积极性而定；实验过程主要以学生是否积极参与实验以及实验过程中是否按照规范使用仪器等判定；实验报告主要反映学生对整个实验的掌握情况，包括查阅文献的能力、理论知识和实验方法的掌握程度、实验结果及数据的分析能力以及对所学知识的综合运用能力。

课程评价主要以学生为主体。通过对该班级所有学生发放课程征集意见表从而了解学生对该综合性实验开设的评价及需要改进的地方。课程意见征集表主要包括对该综合性实验开设评分、整体评价、对课程的意见和建议、对教师的意见和建议4部分。将学生意见整理后汇总、整合，了解学生对该综合性实验开设及授课方式等的看法，并采纳合理意见，在今后的教学中进一步改进，从而更好地培养学生科研能力、提高科研水平和教学效率。

2 综合性实验教学效果

2.1 文献检索及阅读能力的提升

该综合性实验的开发结合授课老师的科研方向设计。学生需查阅相关文献，了解相关内容的研究进展。因此，老师指导学生学习文献查阅方法，如中国知网、百度学术、Springer Link、Web of Science等文献查阅软件的使用及如何有效获取所需文献资源。同时需引导学生从文献中寻找不足，打破唯文献论的思想，善于发现问题、提出问题并解决问题。这一环节的设定，学生在教师的引导下能准确查阅相关文献，对文献中不解的部分汇总，并发至全班同学，每位同学对相关文献进行阅读，思考该问题并与老师、同学探讨。学生查阅文献发现对初生根非重力性生长的研究主要集中在豆科植物，学生提出非豆科植物是否有此类现象。通过与老师、同学讨论，确定在实验中增加非豆科植物的研究，以验证猜想。通过开展该环节加深对该科学问题的思考与理解，整个过程明显提升了学生文献阅读能力和对科学问题的凝练水平。

2.2 通过综合性实验的开设提升教学质量

通过查阅文献，学生自行设计豆科植物初生根非向重力性弯曲生理机制综合性实验方案。实验涉及H2O2诱导豆科(豌豆、架豆)、非豆科(玉米、黄瓜)种子萌发，观察初生根的弯曲程度，并拍照记录。通过实验现象学生发现80 mmol/L的外源H2O2处理72 h后豆科植物的初生根均发生不同程度的弯曲(图3)，对照未表现出该现象；非豆科植物(玉米、黄瓜)在80 mmol/L的外源H2O2处理72 h后初生根的变化与对照相似，均无明显弯曲。该过程学生不仅学会如何观察处理的形态变化及记录实验现象，同时也明确了科研照片的拍摄要求，并掌握了图片处理软件的使用方法。

图3 外源H2O2对不同植物种子萌发期初生根水平弯曲的效应Figure 3 Effects of exogenous H2O2 on horizontal bending of primary roots during seed germination of different plants

通过查阅文献和教师讲述，明确表型的变化必然受植物内在相关机制的调控。因此，需进一步探究其发生机理。在教师指导下，学生通过测定初生根中GA3、IAA含量的变化，结合已掌握的相关理论，明确GA3、IAA在植物初生根非重力性生长中的作用，并发现80 mmol/L H2O2处理72 h豌豆和架豆种子后，其初生根中GA3含量显著高于对照、IAA含量显著低于对照。而非豆科植物玉米、黄瓜的初生根中GA3、IAA含量并未发生显著变化。但H2O2处理为什么会引起豆科与非豆科植物种子初生根中GA3、IAA含量的差异变化？通过查阅文献发现，这种现象可能与初生根中淀粉、可溶性糖含量的变化相关，学生通过测定其含量发现，豌豆、架豆在80 mmol/L H2O2处理72 h后，初生根中淀粉含量显著降低，可溶性糖含量增加，而玉米和黄瓜初生根中淀粉、可溶性糖含量与对照相比无显著变化，该实验结果与前人研究成果相似[8-11]。在该实验过程中学生掌握了大型仪器的使用方法，如恒温旋转蒸发仪、高效液相色谱仪等。同时，使学生了解GA3、IAA含量变化与可溶性糖、淀粉之间的关系以及淀粉和可溶性糖在植物体内的产生途径及生理作用，并明确豆科植物与非豆科植物根向重力性生长中该指标的特殊效应，加深了学生对该部分内容的理解。

综合性实验开设的整个过程，学生均积极参与其中，主动提出疑惑，通过查阅文献与教师、同学探讨解决问题。与传统授课方式相比，实验兴趣浓厚，课堂气氛活跃。通过学生提交的实验报告发现，学生对该部分内容的掌握程度远高于传统授课方式，学生能将每一部分内容衔接在一起，环环相扣，融会贯通，并提出自己的见解和对该实验的展望，这对即将进入科研生涯的研究生具有重要意义。

2.3 师生交流、探讨加深理论知识的理解

综合性实验的开设与传统授课方式的不同不仅体现在实验内容的差异，同时授课方式也进一步改革。由以往以教师为主的讲述和被动学习转变为以学生为主，教师引导，学生自主探索并主动学习的过程。这一改革使学生感受到自我价值的实现，在探索与思考中体会科研的魅力。传统的教学方式给教师塑造了一个严师的形象，学生有问题不敢问，且枯燥的学习氛围导致更多学生对该课程的学习仅是为了获得学分。因此，无求知欲望，更谈不上与教师交流。而综合性实验的开设，完全避免了这一现象，在整个过程中，教师更多扮演着参与者，而不是主导者角色，通过与学生交流启发学生探索并思考实验方案的制定及可能出现的问题，使学生有课堂存在感和自信感，进而加深对知识点的理解，并帮助学生树立科研思维。

2.4 激发学生的科研兴趣

通过学生提交的课程意见表发现，课程评分在95～100分。学生认为该综合性实验设计紧凑，不仅能学习先进大型仪器的使用，还增加了老师与学生的沟通，整个实验过程轻松且富有吸引力。教师的循循善诱激发学生对未知领域的探索欲望，打破以往对研究生生活的刻板印象。虽然种子的萌发是很多实验必做部分，但是并未仔细观察过初生根的弯曲生长情况，而这一有趣简单的实验现象涉及多层理论知识。与传统的植物生理学大实验相比，该综合性实验的设置提高了学生实验的积极性，激发学生的科研兴趣。

2.5 提升学生的科研水平

豆科植物初生根非向重力性弯曲生理机制综合性实验紧密结合授课老师的科研成果，将综合性实验设计于研究生培养的植物生理学大实验中，让学生提前接触科研、认识科研并对科研产生兴趣。同时，文献查找、阅读技巧、实验设计及开展、实验现象的观察记录、实验仪器的使用及数据的分析挖掘都是后期科研必备技能。同时，使学生提前掌握科研技能。通过该综合性实验的开展，学生明显具备科研思维，思考问题不再是单向思维，考虑问题更加全面，科研水平得到明显的提升。

3 总结

植物生理学大实验与研究生科研内容紧密相关，该课程的成功开设可为研究生的科研发展奠定理论和实验基础。但在以往的授课中发现，学生学习兴趣不高，导致对相关知识掌握不全，只知其一，不知其二，教学质量不高。为了转变学生对这门课的认知并激发学习兴趣，在多年教学经验的基础上，结合老师自身科研方向，对其进行改革。将相关知识融于一个综合性实验中，各知识点有机衔接，打破传统实验内容的单一性。同时，改变授课方式，从教师为主到学生为主，增加学生的自主性，在教师的引导下加深学生对相关知识的全面理解。

本次综合性实验的内容具有复合性，包括查阅文献、自主设计实验、表型观察、图片处理、指标测定、大型仪器使用、数据分析等，而内容的新颖性和丰富性是该综合性实验成功开展的重要原因。但还需进一步完善，如在文献查阅时可以鼓励学生阅读英文文献并以PPT的形式进行文献汇报，能使学生了解前沿的科研成果并提高英语阅读水平；实验完成后可以增加学生对整个实验过程及结果的汇报环节，能使教师直观了解学生对该部分内容的掌握情况，且锻炼学生的表达能力和自信心，有助于学生多方位发展。因此，在后期设计此类综合性实验时总结本次实验的不足，进一步完善，从而更好地提高教学质量。综上，通过对研究生开设豆科植物初生根非向重力性弯曲生理机制综合性实验发现，与传统授课方式相比明显激发了学生的科研兴趣、提高了学生综合运用知识解决问题的能力，提升了科研水平，为今后的科研之路打下良好的基础。