羅 娜 錢春梅 羅玉容 李淮源*

1.華南農業(yè)大學生命科學學院 廣東廣州 510642;2.華南農業(yè)大學基礎實驗與實踐訓練中心 廣東廣州 510642

一、概述

目前,我國已經進入了高質量發(fā)展的新階段,提升科技能力非常關鍵。國家一直提倡“科教興國”的發(fā)展戰(zhàn)略,《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)》進一步指出,高等教育要支持學生參與科學研究,強化實踐教學環(huán)節(jié),促進科研與教學的實質融合[1]。教學和科研是高等學校兩項基本職能,科研促進教學,教學反哺于科研,科研與教學達到雙贏?？平倘诤辖虒W模式有利于加強高等教育與科學研究相互融合在一起,這樣可以從根本上促進創(chuàng)新型人才的培養(yǎng),更好地實現(xiàn)科技、教育、人才一體化[2]。科研融合一方面將科研理念應用于育人理念中,將科學成果轉化為教學范例,培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神;另一方面科學研究可以提供學生前沿的專業(yè)知識[3]。

華南農業(yè)大學是國家“雙一流”建設高校,農業(yè)科學和生命科學為學校的優(yōu)勢學科。而“植物生理學”是我校植物生產類相關專業(yè)如農學、植保、園藝、林學等的專業(yè)基礎課,也是生物科學與生物技術的專業(yè)課。每年修課人數(shù)超過1400人,覆蓋面較廣。近年來,“植物生理學”教學團隊積極開展基于科教融合理念的課程改革,將教師科研工作中的部分內容融入教學之中,啟發(fā)學生的科研思維,培養(yǎng)他們的分析以及綜合利用所學知識解決實際問題的能力。教學團隊成員都主持或參與多項國家級和省級的科研項目,積累了豐富的科研經驗,這樣才有利于把最新的科研成果融匯于課堂上,科研與教學互動,學生可以接觸到最新的科技成果,這些是我們做好科教融合工作的底氣和保障。

二、科教融合在理論課教學中的體現(xiàn)

(一)加強知識點研究背景的學習

傳統(tǒng)的教學模式通常重視知識本身的傳授,忽視對知識點相應的科研過程的介紹,學生不知道是如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、得出結論的。而科教融合教學模式會將學科重要事件的研究背景加以較詳細地闡述。如卡爾文進行CO2固定時的具體思路、步驟和技術手段;胚芽鞘向光性實驗的思路和方法;光敏色素發(fā)現(xiàn)過程的思路及所用的技術。這不僅有利于加強學生對理論課知識的整體理解,更主要的是慢慢滲透了如何分析、解決問題的科研思維,提高學生對科研的興趣。

(二)讀書報告

理論課的內容相對枯燥,且絕大多數(shù)的時間以教師“填鴨式”教學模式為主,如果能調動學生學習的積極性,讓學生帶著有趣味性的科學問題主動學習吸收知識,對內容的理解和分析問題的深度都會高于被動學習,也會更容易應用于農業(yè)生產實踐中。

調動學生的積極性具體做法是:在教學平臺如雨課堂和QQ教學群中[4],提供部分相關的資料,要求他們檢索、閱讀和討論,針對涉及的知識點或者問題進行更深入的研究性學習,并完成小組的讀書報告。教師根據(jù)報告內容、講述情況以及回答問題的情況綜合給出分數(shù),作為平時成績的一部分。如在果實發(fā)育部分,學生做的匯報:(1)乙烯在蘋果成熟中的作用;(2)類YABBY轉錄因子在番茄馴化過程中的作用;(3)果實開裂的調控;(4)影響番茄果實大小的關鍵數(shù)量性狀位點;(5)番茄種質中SUN、OVATE、LC、FAS的分布及其與果實形狀多樣性的關系等。

理論課激素信號轉導部分,學生的讀書報告內容有:(1)ABA信號傳導在植物抗逆性方面的研究進展;(2)生長素生物合成、轉運和信號轉導中的可逆蛋白磷酸化;(3)擬南芥乙烯信號通路;(4)GA的細胞信號轉導及其突變體研究。(5)生長素的信號轉導和轉錄調控等。

讀書匯報對知識點進行總結,其難度高于課堂講授的部分,在完成過程中不僅能培養(yǎng)學生的自主學習能力和科研興趣,鍛煉了表達能力的同時,還有利于良好師生關系的建立。

(三)學術講座

華南農業(yè)大學學校的科研氛圍濃厚,經常舉辦國內外專家的學術講座,教師會將相關的信息轉發(fā)給學生,要求他們參加已經學習過的知識點的相關講座,了解學科的最新進展和發(fā)展方向、學習學術專家們的學術思想,對他們以后考研目標的選擇有很大幫助。對于這些最新的研究成果,教師也會在上課時,進行簡單講解講座的邏輯思路。

(四)鼓勵學生參與教師的科研項目中

我們會鼓勵大二的學生參與教師的科研項目,使學生了解科學問題的研究思路,提高學生的創(chuàng)新意識。同時,學生參與教師科研項目的研究也會促進項目的進度,形成良性循環(huán),互相促進。這樣,學生也會在做研究中積累經驗,參加一些國家和省級項目申報。

三、科教融合在實驗課教學中的體現(xiàn)

實驗課教學是教學的重要組成部分,學生通過理解實驗目的、根據(jù)實驗流程親自動手操作、認真觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結果,都可以培養(yǎng)學生熟練的實驗技能與學生嚴謹細致、獨立創(chuàng)新的科學態(tài)度。同時,實驗課操作性強,容易給學生留下深刻的印象,有利于學生更好地掌握的理論知識[5]。以前,我校的“植物生理學”實驗主要包括驗證性實驗和綜合性實驗兩大類,都是常規(guī)性實驗。為了增強實驗課的趣味性,提高學生參與的熱情,我們探索科教融合模式下的實驗課,具體內容如下:

(一)科教融合的模式一

1.實驗一:香蕉的催熟過程以及冷害、青皮熟現(xiàn)象觀察

實驗原理:剛采收的香蕉不能立即食用,放置一段時間后,其色香味才符合人們的食用要求,這一過程稱為后熟。后熟可以分為自然后熟和人工催熟。自然后熟的過程緩慢,成熟不均勻,顏色也不均勻,影響水果的品質;人工催熟可達到快速均勻成熟。香蕉是呼吸躍變型果實,當環(huán)境乙烯濃度達到或超過閾值時,香蕉果實合成大量的乙烯,呼吸速率迅速提高,啟動了果實的后熟過程。香蕉催熟就是人為提高貯藏環(huán)境的乙烯濃度,加快后熟進程,因乙烯利溶液處理操作簡單,而普遍被廣泛使用。

香蕉對溫度非常敏感,溫度較高會加速乙烯的產生和香蕉的后熟,但溫度超過28℃時,香蕉果皮葉綠素降解慢,出現(xiàn)果肉成熟,而果皮中葉綠素不能降,仍然保持青色的青皮熟現(xiàn)象。另外,香蕉的適宜貯藏溫度為11～13℃,溫度較低時香蕉容易產生冷害,影響后熟和品質風味。實驗目的篩選乙烯利起作用的最適條件。

實驗步驟:將已沖洗干凈的香蕉果實分別放入不同濃度的乙烯利溶液中浸泡2分鐘,取出晾干。用聚乙烯包裝袋分別密封包裝4個處理的香蕉果實,其中對照沒有浸泡乙烯利的果實,分別放在4℃、15℃、20℃、30℃培養(yǎng)箱里。24h后打開密封包裝袋通風透氣,稍封袋口或者去除包裝,做進一步觀察,每天記錄香蕉果實出現(xiàn)軟熟的時間和外觀癥狀。

該實驗綜合了理論課知識乙烯催熟、果實成熟中色香味的變化、葉綠素的降解等方面的內容。學生通過自己的實驗驗證了所學知識點,尤其是香蕉的冷害和青皮熟特性更貼近生產實踐,學生可以用自己理論課學到的知識來指導生產實踐。

2.實驗二:植物花青素苷的理化性質分析

實驗原理:花色素苷主要存在于液泡中,具有水溶性的天然植物色素,存在植物的液泡中,賦予果蔬、花卉五彩繽紛的顏色的物質基礎?；ㄉ剀赵谑称坊ど隙计鹬匾饔?。花色素苷是一種糖苷,其非糖部分稱為花色素。在植物的花、莖、葉、根等器官的細胞液中都存在花色素苷。

花色素苷的純化分離主要根據(jù)其理化性質,主要是可溶于水和帶正電荷、在低pH值下較穩(wěn)定等特性。本實驗設計采用0.5mol/L的HCl處理花瓣花色素苷,通過Amberlite XAD-7對在低pH值下帶正電荷的花色素苷有較強的吸附力,對其他不帶電荷的雜質如糖類、有機酸等吸附力較弱,這些雜質可通過洗滌除去,被吸附的花色素苷可以采用甲醇洗脫,最后達到對花色素苷初步純化的目的。

花色素苷在不同的pH值下呈現(xiàn)不同的顏色,主要原因是在不同的pH值下結構不同。在強酸條件下(pH<3)時,花色素苷會呈現(xiàn)紅色,主要存在形式為鹽陽離子;隨著pH值升高至弱酸(pH范圍4～5),主要存在形式變成非離子型,其結構會轉化為假堿式花色素苷;在堿性條件下(pH>7),花色素苷存在形式為陰離子,顏色為藍紫色的。

不同的pH值決定鹽離子的比例,比如在pH值為1花色素苷顏色較pH值為3.5更紅,主要原因為pH值為1的鹽離子濃度較高。具體分析花色素苷的結構,可以采用光譜分析的方法。

實驗步驟:

(1)花色素苷的提取方法:10g玫瑰花瓣剪碎,加入100mL 0.5mol/L的HCl中浸提過夜,過濾得玫瑰花色素苷粗提取液。

(2)裝填Amberlite XAD-7樹脂吸附層析柱:將Amberlite XAD-7樹脂用蒸餾水溶脹后,慢慢地倒入層析柱,使裝填物均勻地自然下降。

(3)玫瑰花色素苷的初步純化:將玫瑰花色素苷粗提取液上Amberlite XAD-7樹脂吸附層析柱,上完樣后,本實驗采用適量的蒸餾水沖洗柱子,目的是去除雜質。接著用定量0.1%HCl甲醇反復洗脫柱子,用離心管收集紅色的洗脫液,最后為了獲得高濃度、高純度的花色素苷,本實驗采用減壓旋轉蒸發(fā)儀濃縮和除去甲醇。

(4)不同pH值處理下玫瑰花色素苷的光譜分析:本實驗采用0.4mol/L KCl/HCl、pH1.0,0.4mol/L檸檬酸,磷酸氫二鈉pH值為3.0、5.0、7.0的緩沖液稀釋玫瑰花色素苷濃縮液至50mL,平衡30min后,用紫外可見分光光度計測定不同pH值下的可見光吸收光譜。

該實驗綜合了花色素苷的提取、吸附層析、旋轉蒸發(fā)濃縮、吸收光譜分析等技術,以及觀察到不同pH值條件下花色素苷顏色的變化情況。本實驗涉及的技術都很實用,可以進一步應用于生活實踐中,比如生活中對果醬色素的鑒定。

3.實驗三:超薄等電聚焦電泳測定種子純度

實驗原理:在聚丙烯酰胺凝膠中加入載體兩性電解質以達到在兩極形成連續(xù)、穩(wěn)定和線性的pH梯度。根據(jù)蛋白質具有不同的等電點,進入加有載體兩性電解質的聚丙烯酰胺凝膠后,在電場的作用下,蛋白質電泳圖譜是根據(jù)蛋白質停留在其等電點相等的pH值處(聚焦),經染色后顯示出不同位置的條帶。該電泳方法可用于作物品種真實性和種子純度的鑒定。

實驗步驟:

(1)蛋白質的提取:取水稻、番茄、辣椒等農作物種子50粒,去除種皮后用種子粉碎器逐粒粉碎,分別置于離心管中,加入PBS提取液,室溫下渦旋10分鐘提取,離心,取上清液用于電泳。

(2)凝膠的制備:根據(jù)不同植物材料設計不同的凝膠配方。稱取一定量的尿素、?；撬?加入一定量的聚丙烯酰胺母液、兩性電解質、TEMED、過硫酸銨,拌器上混勻。本實驗采用拍打技術進行制膠片,首先在聚酯膠片中間滴入一定量的凝膠液,然后將玻璃板放到聚酯膠片上,通過玻璃板的兩個長邊上貼有厚度為0.15mm的膠布保證制出的凝膠厚度均一,即為0.15mm。室溫下聚合約45min后,用一小刀插入玻璃板之間將兩塊玻璃板分開,然后小心將聚酯膠片從玻璃板上揭起,即為制好的凝膠。

(3)點樣:將制好的凝膠放于經預冷的水平平板電泳槽冷卻板上,將經陽極和陰極電解液充分浸潤的濾紙條放在凝膠上,然后平行放置上52孔點樣帶,一定要注意點樣帶與凝膠完全密封。吸取一定量的蛋白質提取液加入點樣孔中。對照提取液,還需要一個泳道點marker。

(4)電泳:250V下,電泳70min。

(5)固定:將電泳膠片小心取下,放入固定液中固定20min。

(6)染色、脫色后結果觀察:觀察電泳條帶的情況,計算出所試種子的純度,或與標準樣品相比較鑒定作物品種的真實性。

種子的純度鑒定是種子生產中非常重要的一環(huán)。本實驗應用超薄等電聚焦電泳技術,膠薄,實驗用的試劑少、省錢且清晰度高,結果的準確率高,需要的樣品量少,適合單個種子的檢測。實驗的關鍵是超薄電泳膠的制作,在教師示范后都能成功。

以上的三個實驗,每一個內容都比普通實驗指導書上的更綜合、更貼近生產實踐,更能培養(yǎng)學生的興趣。在經過多輪的實踐后,我們將修訂后相關的內容編入了本校出版的植物生理實驗指導中[6],較好地完成了科學研究應用于教學過程中的轉化。

(二)科教融合的模式二

各位任課教師的科研和教學經驗都很豐富,實驗藥品和儀器也較為齊全。本科生可以在大學二年級時候申請進入任課教師的實驗室,首先跟隨師兄、師姐完成一些基礎的實驗操作,逐漸建立科研思維、接觸科研項目,在教師的指導下學會查閱相關文獻,擬訂實驗方案并實施完成一個項目。完成這些項目,對學生的科研思維、動手能力、應用知識的能力等各個方面能力的綜合提升效果非常明顯?？蒲谐晒梢宰鳛楫厴I(yè)論文,也可以參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目的校級和省級比賽。

結語

科教融合為“植物生理學”課程改革和學生培養(yǎng)拓展了新思路。將前沿發(fā)展動態(tài)以及教師的相關科研成果融入教學中,無論是理論課的讀書報告、聽學術講座,還是實驗課教師課題都鼓勵學生進課題組,參加科研項目,激發(fā)學生學習興趣,變被動學習為主動學習。今后,我們還將提煉更多的科研成果融入教學中,注重科研教學相互融合,培養(yǎng)學生實踐能力與創(chuàng)新能力。