馬紹英， 馬 蕾， 田 鵬， 楊 潔， 李 勝， 王婷婷

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學 基礎(chǔ)實驗教學中心， 蘭州 730070； 2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院， 蘭州 730070；3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學 生命科學技術(shù)學院， 蘭州 730070)

植物生理學大實驗是高校專門針對研究生開設(shè)的專業(yè)課，內(nèi)容主要涉及植物逆境生理和生長發(fā)育等[1]。通過對該課程的學習，可以加深學生對植物如何響應(yīng)逆境理論知識的理解，并提高學生動手能力，分析問題及創(chuàng)新能力，為學生后期開展科研奠定基礎(chǔ)。但在教學過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學方法側(cè)重對已有知識的介紹及常規(guī)實驗的驗證，不同實驗之間沒有連貫性，缺乏綜合性、設(shè)計性實驗，且常年重復相同的實驗內(nèi)容及教學方式，導致學生對其重視不夠、學習興趣不高，達不到人才培養(yǎng)要求[2-3]。因此，如何改進教學方式與內(nèi)容、激發(fā)學生學習的興趣無論對學生還是課程建設(shè)均具有重要意義。

綜合性實驗是將課程中分散的知識點整合成不同的系統(tǒng)，使每個系統(tǒng)具有一定的整體性、連貫性和交叉性[4-5]。讓學生掌握知識點和實驗方法的同時，提高學生學習的積極性及運用已有知識解決問題的能力，有效達到教學目的。因此，綜合性實驗的開設(shè)對研究生提高自我科研能力至關(guān)重要。

植物生長在自然界中，不可避免受外界環(huán)境的影響。因此，綜合性實驗在植物生理學大實驗中的設(shè)計離不開外界因子干擾，且干擾因素需在課堂中易于設(shè)置。研究問題導向需緊密結(jié)合日常實驗現(xiàn)象。研究手段需在常規(guī)技術(shù)的基礎(chǔ)上引進新的技術(shù)[5]。通過在解決或揭示一個科學問題的過程中學習知識點及掌握實驗技能，不僅打破傳統(tǒng)的教條式教學的弊端，同時激發(fā)學生的科研興趣，為后期科研之路奠定基礎(chǔ)。為此，對該課程的部分教學內(nèi)容進行改革，與授課老師的科研方向及科研成果相結(jié)合，設(shè)計豆科植物初生根非向重力性彎曲生理機制綜合性實驗[6-7]。通過完整的實驗設(shè)計結(jié)合多指標綜合分析闡釋科學問題，以期提升學生的科研能力，并為后期開展更多綜合性實驗提供參考。

1 實驗方案

1.1 實驗群體

以甘肅農(nóng)業(yè)大學2020級選擇該課程的碩士研究生33人為實驗群體。

1.2 實驗內(nèi)容的改革與設(shè)計

植物生理學大實驗中涉及的植物逆境生理是科研熱點，因此對該部分的學習和理論知識的掌握對研究生今后科研發(fā)展具有重要意義。但該部分實驗內(nèi)容量大，銜接性差。根據(jù)以往授課經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，學生對該部分內(nèi)容掌握不到位，且學習興趣不高。為此，教師結(jié)合自身科研方向及科研成果，將該部分內(nèi)容進行整合，設(shè)計豆科植物初生根非向重力性彎曲生理機制綜合性實驗，將不同內(nèi)容有機銜接，提高學生的學習效率和興趣。

該綜合性實驗主要包括理論教學和實踐教學兩部分(圖1)。其中理論教學涉及文獻查閱、相關(guān)理論的講授、實驗設(shè)計思路的樹立、實驗儀器的使用及課堂討論。實踐教學主要是將學習的理論知識及討論結(jié)果應(yīng)用到實驗中，學生自行設(shè)計實驗并完成相關(guān)實驗內(nèi)容，將實驗結(jié)果通過統(tǒng)計學方法分析并得出結(jié)論，通過不斷查閱文獻并與老師、同學討論，揭示實驗現(xiàn)象。最后以實驗報告的形式體現(xiàn)學生對該綜合性實驗的學習及掌握情況，以達到教學目的。

1.3 綜合性實驗的開展及評估

1.3.1 確定實驗方案

植物生理學大實驗在研究生教學中共18學時，該綜合性實驗共占8學時。實驗于2021年5月31日開始，學生通過查閱文獻，并與老師討論，確定合理實驗方案。學生隨機分組(每組5人或6人)，共6組開展實驗。根據(jù)討論結(jié)果確定實驗材料為豌豆(PisumsativumLinn.)、架豆(PhaseolusvulgarisLinn.)以及玉米(ZeamaysLinn.)、黃瓜(CucumissativusLinn.)。

圖1 綜合性實驗流程圖Figure 1 Flow chart of comprehensive experiment

1.3.2 實驗實施

分組進行非向重力性彎曲誘導實驗，教師指導學生挑選籽粒飽滿的豌豆、架豆、黃瓜及玉米種子，流水沖洗30 min后，用75%的乙醇消毒30 s，并用無菌水沖洗3～4遍。然后用5%的次氯酸鈉浸泡8 min后用無菌水沖洗5～6遍。將消毒后的種子置于含80 mmol/L的H2O2的培養(yǎng)皿內(nèi)，處理72 h，每一培養(yǎng)皿中含30粒種子，其中對照組只加蒸餾水，在室溫、自然光的條件下進行培養(yǎng)，每隔12 h更換處理液。該過程由教師帶領(lǐng)學生觀察并拍照記錄外源H2O2脅迫下豆科及非豆科植物初生根向地性生長的變化，同時指導學生采用Adobe Photoshop等修圖軟件對拍攝的圖片進一步加工美化。待出現(xiàn)明顯實驗現(xiàn)象時采集各種子初生根進行相關(guān)指標的測定。

實驗測定指標主要包括可溶性糖、淀粉及IAA、GA3含量。學生需通過查閱文獻及實驗指導書整合確定最優(yōu)的測定方法。并由教師講解實驗中涉及的儀器使用方法及注意事項。實驗結(jié)束后，教師指導學生錄入及分析數(shù)據(jù)，包括對統(tǒng)計分析軟件的學習運用，如采用Spss 22.0進行方差分析(圖2)。同時，引導學生以科研思維分析實驗結(jié)果，并鼓勵學生在該過程中勇于創(chuàng)新，提出新的見解與老師和同學進一步討論，從而激發(fā)學生的學術(shù)潛能和科研興趣。

圖2 SPSS軟件的學習及運用Figure 2 Learning and application of SPSS software

1.3.3 綜合性實驗課程的考核方式及評估

該綜合性實驗考核主要采用平時課堂互動、實驗過程、實驗報告相結(jié)合的方式。其中課堂表現(xiàn)與實驗過程各占20%，實驗報告60%。課堂表現(xiàn)主要以學生是否遲到、課堂中回答問題及討論的積極性而定；實驗過程主要以學生是否積極參與實驗以及實驗過程中是否按照規(guī)范使用儀器等判定；實驗報告主要反映學生對整個實驗的掌握情況，包括查閱文獻的能力、理論知識和實驗方法的掌握程度、實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)的分析能力以及對所學知識的綜合運用能力。

課程評價主要以學生為主體。通過對該班級所有學生發(fā)放課程征集意見表從而了解學生對該綜合性實驗開設(shè)的評價及需要改進的地方。課程意見征集表主要包括對該綜合性實驗開設(shè)評分、整體評價、對課程的意見和建議、對教師的意見和建議4部分。將學生意見整理后匯總、整合，了解學生對該綜合性實驗開設(shè)及授課方式等的看法，并采納合理意見，在今后的教學中進一步改進，從而更好地培養(yǎng)學生科研能力、提高科研水平和教學效率。

2 綜合性實驗教學效果

2.1 文獻檢索及閱讀能力的提升

該綜合性實驗的開發(fā)結(jié)合授課老師的科研方向設(shè)計。學生需查閱相關(guān)文獻，了解相關(guān)內(nèi)容的研究進展。因此，老師指導學生學習文獻查閱方法，如中國知網(wǎng)、百度學術(shù)、Springer Link、Web of Science等文獻查閱軟件的使用及如何有效獲取所需文獻資源。同時需引導學生從文獻中尋找不足，打破唯文獻論的思想，善于發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題。這一環(huán)節(jié)的設(shè)定，學生在教師的引導下能準確查閱相關(guān)文獻，對文獻中不解的部分匯總，并發(fā)至全班同學，每位同學對相關(guān)文獻進行閱讀，思考該問題并與老師、同學探討。學生查閱文獻發(fā)現(xiàn)對初生根非重力性生長的研究主要集中在豆科植物，學生提出非豆科植物是否有此類現(xiàn)象。通過與老師、同學討論，確定在實驗中增加非豆科植物的研究，以驗證猜想。通過開展該環(huán)節(jié)加深對該科學問題的思考與理解，整個過程明顯提升了學生文獻閱讀能力和對科學問題的凝練水平。

2.2 通過綜合性實驗的開設(shè)提升教學質(zhì)量

通過查閱文獻，學生自行設(shè)計豆科植物初生根非向重力性彎曲生理機制綜合性實驗方案。實驗涉及H2O2誘導豆科(豌豆、架豆)、非豆科(玉米、黃瓜)種子萌發(fā)，觀察初生根的彎曲程度，并拍照記錄。通過實驗現(xiàn)象學生發(fā)現(xiàn)80 mmol/L的外源H2O2處理72 h后豆科植物的初生根均發(fā)生不同程度的彎曲(圖3)，對照未表現(xiàn)出該現(xiàn)象；非豆科植物(玉米、黃瓜)在80 mmol/L的外源H2O2處理72 h后初生根的變化與對照相似，均無明顯彎曲。該過程學生不僅學會如何觀察處理的形態(tài)變化及記錄實驗現(xiàn)象，同時也明確了科研照片的拍攝要求，并掌握了圖片處理軟件的使用方法。

圖3 外源H2O2對不同植物種子萌發(fā)期初生根水平彎曲的效應(yīng)Figure 3 Effects of exogenous H2O2 on horizontal bending of primary roots during seed germination of different plants

通過查閱文獻和教師講述，明確表型的變化必然受植物內(nèi)在相關(guān)機制的調(diào)控。因此，需進一步探究其發(fā)生機理。在教師指導下，學生通過測定初生根中GA3、IAA含量的變化，結(jié)合已掌握的相關(guān)理論，明確GA3、IAA在植物初生根非重力性生長中的作用，并發(fā)現(xiàn)80 mmol/L H2O2處理72 h豌豆和架豆種子后，其初生根中GA3含量顯著高于對照、IAA含量顯著低于對照。而非豆科植物玉米、黃瓜的初生根中GA3、IAA含量并未發(fā)生顯著變化。但H2O2處理為什么會引起豆科與非豆科植物種子初生根中GA3、IAA含量的差異變化？通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象可能與初生根中淀粉、可溶性糖含量的變化相關(guān)，學生通過測定其含量發(fā)現(xiàn)，豌豆、架豆在80 mmol/L H2O2處理72 h后，初生根中淀粉含量顯著降低，可溶性糖含量增加，而玉米和黃瓜初生根中淀粉、可溶性糖含量與對照相比無顯著變化，該實驗結(jié)果與前人研究成果相似[8-11]。在該實驗過程中學生掌握了大型儀器的使用方法，如恒溫旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、高效液相色譜儀等。同時，使學生了解GA3、IAA含量變化與可溶性糖、淀粉之間的關(guān)系以及淀粉和可溶性糖在植物體內(nèi)的產(chǎn)生途徑及生理作用，并明確豆科植物與非豆科植物根向重力性生長中該指標的特殊效應(yīng)，加深了學生對該部分內(nèi)容的理解。

綜合性實驗開設(shè)的整個過程，學生均積極參與其中，主動提出疑惑，通過查閱文獻與教師、同學探討解決問題。與傳統(tǒng)授課方式相比，實驗興趣濃厚，課堂氣氛活躍。通過學生提交的實驗報告發(fā)現(xiàn)，學生對該部分內(nèi)容的掌握程度遠高于傳統(tǒng)授課方式，學生能將每一部分內(nèi)容銜接在一起，環(huán)環(huán)相扣，融會貫通，并提出自己的見解和對該實驗的展望，這對即將進入科研生涯的研究生具有重要意義。

2.3 師生交流、探討加深理論知識的理解

綜合性實驗的開設(shè)與傳統(tǒng)授課方式的不同不僅體現(xiàn)在實驗內(nèi)容的差異，同時授課方式也進一步改革。由以往以教師為主的講述和被動學習轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生為主，教師引導，學生自主探索并主動學習的過程。這一改革使學生感受到自我價值的實現(xiàn)，在探索與思考中體會科研的魅力。傳統(tǒng)的教學方式給教師塑造了一個嚴師的形象，學生有問題不敢問，且枯燥的學習氛圍導致更多學生對該課程的學習僅是為了獲得學分。因此，無求知欲望，更談不上與教師交流。而綜合性實驗的開設(shè)，完全避免了這一現(xiàn)象，在整個過程中，教師更多扮演著參與者，而不是主導者角色，通過與學生交流啟發(fā)學生探索并思考實驗方案的制定及可能出現(xiàn)的問題，使學生有課堂存在感和自信感，進而加深對知識點的理解，并幫助學生樹立科研思維。

2.4 激發(fā)學生的科研興趣

通過學生提交的課程意見表發(fā)現(xiàn)，課程評分在95～100分。學生認為該綜合性實驗設(shè)計緊湊，不僅能學習先進大型儀器的使用，還增加了老師與學生的溝通，整個實驗過程輕松且富有吸引力。教師的循循善誘激發(fā)學生對未知領(lǐng)域的探索欲望，打破以往對研究生生活的刻板印象。雖然種子的萌發(fā)是很多實驗必做部分，但是并未仔細觀察過初生根的彎曲生長情況，而這一有趣簡單的實驗現(xiàn)象涉及多層理論知識。與傳統(tǒng)的植物生理學大實驗相比，該綜合性實驗的設(shè)置提高了學生實驗的積極性，激發(fā)學生的科研興趣。

2.5 提升學生的科研水平

豆科植物初生根非向重力性彎曲生理機制綜合性實驗緊密結(jié)合授課老師的科研成果，將綜合性實驗設(shè)計于研究生培養(yǎng)的植物生理學大實驗中，讓學生提前接觸科研、認識科研并對科研產(chǎn)生興趣。同時，文獻查找、閱讀技巧、實驗設(shè)計及開展、實驗現(xiàn)象的觀察記錄、實驗儀器的使用及數(shù)據(jù)的分析挖掘都是后期科研必備技能。同時，使學生提前掌握科研技能。通過該綜合性實驗的開展，學生明顯具備科研思維，思考問題不再是單向思維，考慮問題更加全面，科研水平得到明顯的提升。

3 總結(jié)

植物生理學大實驗與研究生科研內(nèi)容緊密相關(guān)，該課程的成功開設(shè)可為研究生的科研發(fā)展奠定理論和實驗基礎(chǔ)。但在以往的授課中發(fā)現(xiàn)，學生學習興趣不高，導致對相關(guān)知識掌握不全，只知其一，不知其二，教學質(zhì)量不高。為了轉(zhuǎn)變學生對這門課的認知并激發(fā)學習興趣，在多年教學經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合老師自身科研方向，對其進行改革。將相關(guān)知識融于一個綜合性實驗中，各知識點有機銜接，打破傳統(tǒng)實驗內(nèi)容的單一性。同時，改變授課方式，從教師為主到學生為主，增加學生的自主性，在教師的引導下加深學生對相關(guān)知識的全面理解。

本次綜合性實驗的內(nèi)容具有復合性，包括查閱文獻、自主設(shè)計實驗、表型觀察、圖片處理、指標測定、大型儀器使用、數(shù)據(jù)分析等，而內(nèi)容的新穎性和豐富性是該綜合性實驗成功開展的重要原因。但還需進一步完善，如在文獻查閱時可以鼓勵學生閱讀英文文獻并以PPT的形式進行文獻匯報，能使學生了解前沿的科研成果并提高英語閱讀水平；實驗完成后可以增加學生對整個實驗過程及結(jié)果的匯報環(huán)節(jié)，能使教師直觀了解學生對該部分內(nèi)容的掌握情況，且鍛煉學生的表達能力和自信心，有助于學生多方位發(fā)展。因此，在后期設(shè)計此類綜合性實驗時總結(jié)本次實驗的不足，進一步完善，從而更好地提高教學質(zhì)量。綜上，通過對研究生開設(shè)豆科植物初生根非向重力性彎曲生理機制綜合性實驗發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)授課方式相比明顯激發(fā)了學生的科研興趣、提高了學生綜合運用知識解決問題的能力，提升了科研水平，為今后的科研之路打下良好的基礎(chǔ)。