基于開放性實驗的大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)

趙東芹　楊慧婷

摘? 要：實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的重要途徑。以常規(guī)材料日本三角渦蟲（Dugesia japonica）為例，從開放性實驗設(shè)計、實施方法、實施結(jié)果以及實施效果等方面探討以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)研究能力為目的開展系列開放性實驗的可行性、有效性，為后續(xù)更多、更廣地開展開放性實驗提供思路。

關(guān)鍵詞：動物學(xué)實驗;渦蟲;金課;科學(xué)素養(yǎng)

中圖分類號：C961? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）05-0162-04

Abstract： Experimental teaching is an important way to cultivate students' scientific thinking accomplishment. To cultivate students' scientific literacy and improve the students' scientific research ability， Japan triangle planaria （Dugesia japonica） was used as an example to carry out series of open experiment. The feasibility and effectiveness would provide an idea for more subsequent opening experiment.

Keywords： zoology experiment; Dugesia japonica; gold course; scientific literacy

2019年教育部宣布將全面實施“六卓越一拔尖”計劃2.0，建金專、建金課、建高地，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)形式和課程難度對課程建設(shè)提出了新的要求[1]。高等教育要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神，普遍提高大學(xué)生的人文素養(yǎng)和科學(xué)素質(zhì)[2]。實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的重要途徑[3]。生物科學(xué)專業(yè)的專業(yè)課程中實驗課所占課時可達(dá)三分之一甚至二分之一，足以說明實驗課的重要地位。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容以驗證實驗為主，學(xué)生參照課本，觀察實物和裝片，雖然能夠在一定程度上對所觀察動物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件等進行了解，但由于學(xué)生不參與實驗的前期準(zhǔn)備工作，對實驗后續(xù)的延伸也缺乏深入探索，嚴(yán)重影響了對學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng);教學(xué)模式是教師在理論授課和實驗課上對操作進行講解或演示后，學(xué)生按部就班地進行模仿， 難引起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。因此，如何立足培養(yǎng)學(xué)生科研素養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)研究能力來設(shè)計一些開放性實驗就顯得迫切與重要。

很多一線教師對普通動物學(xué)實驗的教學(xué)進行了探討[4-7]。本文在傳統(tǒng)實驗內(nèi)容——渦蟲活體觀察實驗的基礎(chǔ)上，由淺入深地設(shè)計分層實驗內(nèi)容，讓學(xué)生從渦蟲采集、渦蟲飼養(yǎng)、渦蟲正常/異常環(huán)境中的行為觀察、異常環(huán)境下渦蟲再生能力及其可能機制等多角度、多層次地開展實驗。實驗內(nèi)容的延伸以及新內(nèi)容的探索不但會激發(fā)學(xué)生自主設(shè)計實驗的興趣，讓學(xué)生思索如何利用一種實驗動物做多個實驗，并在實驗實施過程中提升學(xué)生文獻(xiàn)的檢索能力、科研論文的閱讀能力、實驗設(shè)計能力、實驗操作能力、實驗數(shù)據(jù)分析能力、實驗結(jié)果歸納分析能力和報告撰寫能力，最終達(dá)成提升學(xué)生科研能力之目的。

一、開放性實驗的設(shè)計

日本三角渦蟲（Dugesia japonica）隸屬扁形動物門、渦蟲綱、三腸目、淡水亞目，是動物界從二胚層輻射對稱進化到三胚層兩側(cè)對稱的代表性生物，是從水生進化到陸生的過渡類型。因其分布廣泛，易采集培養(yǎng)，對水質(zhì)變化敏感和強大的再生能力成為發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)等研究領(lǐng)域的理想模式生物[8]。鑒于渦蟲對水質(zhì)的敏感性，使用環(huán)境化合物，比如化肥、重金屬、有機磷阻燃劑、洗衣粉、化妝品和食品添加劑等，觀察異常環(huán)境條件下渦蟲的生理行為并探討其影響機制。根據(jù)實驗開展難易程度進行如下分層設(shè)計。

（一）環(huán)境化合物對渦蟲行為的影響

攝食行為是動物的基本本能行為之一，可作為動物是否健康的評價指標(biāo)，正常攝食行為可以使動物保證良好的營養(yǎng)條件以利于自身的生存與繁殖，正常運動行為、偏好行為是正常攝食行為的基礎(chǔ)。PLMV實驗和PSLA實驗都是評價渦蟲運動能力的常用實驗方法。鑒于渦蟲對水質(zhì)的敏感性，除了觀察正常環(huán)境條件下的渦蟲行為，還可以使用環(huán)境化合物，比如洗衣粉、重金屬、化妝品和食品添加劑等，對渦蟲進行慢性染毒實驗，觀察渦蟲攝食行為（取食時間、路徑、取食量等）、運動行為（運動路徑、運動距離等）和偏好行為（位置偏好性實驗、光源偏好性實驗），探討環(huán)境化合物對渦蟲行為的影響，不但可以提升學(xué)生科研能力，還能強化學(xué)生的環(huán)境保護意識。

（二）環(huán)境化合物對渦蟲再生能力、再生后行為的影響

鑒于渦蟲獨特的再生特性，再生速度、神經(jīng)系統(tǒng)再生是否正常等都是評價環(huán)境化合物毒性的指標(biāo)。除了觀察正常環(huán)境條件下渦蟲的再生速度，觀察環(huán)境化合物對渦蟲再生能力（比如眼點、耳突等再生完成時間和完成水平等）、再生后行為（攝食行為、運動行為以及偏好行為）的影響，進一步對生活中常見環(huán)境化合物的生物毒性進行評價。

（三）環(huán)境化合物對渦蟲影響機制的探討

1. 渦蟲神經(jīng)再生觀察

神經(jīng)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)動物生理功能、控制動物行為上發(fā)揮著重要作用，再生能力強大的渦蟲是中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central Nervous System，CNS）扁形動物門的代表動物，被研究神經(jīng)再生機制的學(xué)者所鐘愛。Van Gieson染色、Masson染色和H-E染色均可清晰地顯示渦蟲神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選取不同時間段正常/異常環(huán)境條件下的再生渦蟲，進行組織染色，觀察其神經(jīng)組織的再生情況，評價環(huán)境化合物對生物的神經(jīng)毒性效應(yīng)。

2. 渦蟲樹突棘結(jié)構(gòu)觀察

突觸是神經(jīng)元間進行信息傳遞的基本結(jié)構(gòu)，樹突棘是形成突觸的關(guān)鍵部位，利用經(jīng)典的高爾基染色，觀察渦蟲的樹突棘結(jié)構(gòu)，從突觸可塑性角度探討神經(jīng)再生機制和毒物效應(yīng)機理。

3. 神經(jīng)遞質(zhì)含量檢測

谷氨酸（glutamic acid，Glu）和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）分別是神經(jīng)系統(tǒng)中經(jīng)典的興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，已證實渦蟲中存在Glu和GABA。高效液相色譜（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）是色譜法的一個重要分支，是分子生物學(xué)常規(guī)實驗技術(shù)之一。采用HPLC法測定正常/異常環(huán)境條件下渦蟲體內(nèi)Glu和GABA含量的變化，探究神經(jīng)再生的可能機制。

二、開放性實驗的實施

（一）實驗小組的組建

在超星平臺發(fā)布開放實驗信息，學(xué)生自主報名，輔以老師面試選拔，組間3-4人實驗小組。

（二）相關(guān)技能的培訓(xùn)

小組組建完成后，對成員在實驗室安全、實驗室常規(guī)儀器操作、文獻(xiàn)獲取與閱讀要求及開題報告、結(jié)題報告、實驗性論文撰寫要求等方面進行培訓(xùn)。

（三）開放性實驗的開題

邀請相關(guān)老師、研究生以及部分優(yōu)秀學(xué)生當(dāng)評委，組織實驗小組展示開題報告，對實驗設(shè)計的合理性、科學(xué)性、可行性進行分析點評，實驗小組結(jié)合意見進行實驗設(shè)計優(yōu)化。好的實驗設(shè)計推薦參加大學(xué)生生物競賽。

（四）開放性實驗的實施

根據(jù)實驗設(shè)計，小組開展實驗，老師關(guān)注并注意引導(dǎo)學(xué)生自己獨立思考的意識，適時給予指導(dǎo)，確保實驗開展的科學(xué)性。

（五）開放性實驗的結(jié)題

同開題報告一樣，邀請相關(guān)老師、研究生以及部分優(yōu)秀學(xué)生當(dāng)評委，組織實驗小組撰寫結(jié)題報告，對實驗實施過程和實驗數(shù)據(jù)的合理性、科學(xué)性進行分析點評，實驗小組結(jié)合意見進行結(jié)題報告的修改完善，優(yōu)秀的結(jié)題報告引導(dǎo)學(xué)生撰寫科研論文，推薦發(fā)表。

三、部分開放性實驗結(jié)果展示

（一）尿素對日本三角渦蟲攝食與再生的影響

中國作為農(nóng)業(yè)大國，化肥使用量巨大，尿素（Urea）是目前使用量較大的一種化學(xué)氮肥，截至2020年尿素使用量占全球氮肥使用量的比例增加到70%。尿素的過量使用導(dǎo)致富營養(yǎng)化現(xiàn)象頻繁發(fā)生，但尿素對水體低等動物的毒性作用尚無報道。

采用半靜水式實驗法，測定了尿素對日本三角渦蟲的急性毒性，并探究了尿素曝露對其攝食與再生的影響，尿素對渦蟲24 h、48 h的LC50分別為0.28 mol/L、0.25 mol/L。后期慢性染毒實驗發(fā)現(xiàn)，完成再生渦蟲數(shù)目72 h前各處理組均少于對照組，且64 h時濃度為0.04 mol/L的處理組與對照組相比差異顯著（P<0.05），濃度為0.12 mol/L、0.16 mol/L的處理組與對照組相比差異極其顯著（P<0.01），見表1。以上結(jié)果說明尿素對渦蟲的再生有一定抑制作用，且具有明顯的劑量效應(yīng)和時間效應(yīng)。

（二）Pb2+對日本三角渦蟲的毒性效應(yīng)

鉛（Lead）具有熔點低、耐腐蝕性的理化性質(zhì)，廣泛用于蓄電池的生產(chǎn)和充當(dāng)建筑材料成分等，鉛對神經(jīng)系統(tǒng)的毒性使其成為一種危害性極大的環(huán)境毒物。Pb2+對日本三角渦蟲的行為毒性研究尚未見報道，如圖1所示。

Pb2+對渦蟲24 h、48 h的LC50分別是530.57 ？滋mol/L、232.37 ？滋mol/L。攝食實驗發(fā)現(xiàn)同一時間，攝食渦蟲數(shù)目隨Pb2+濃度的增加而減少，高濃度組與對照組間差別明顯（P<0.05）。隨著處理時間的延長，低濃度組與對照組間也出現(xiàn)了顯著差異（P<0.05）。Pb2+確實會導(dǎo)致攝食渦蟲的數(shù)目減少，表現(xiàn)為攝食抑制，且濃度越高，作用效果越明顯，如圖2所示。運動行為實驗發(fā)現(xiàn)隨處理濃度的升高，渦蟲運動速度總體上呈逐步降低的趨勢，說明Pb2+曝露會對渦蟲的運動能力產(chǎn)生抑制作用，如圖3所示。

四、開放性實驗實施效果評價

（一）申請大學(xué)生創(chuàng)新項目

鑒于學(xué)校學(xué)院對如何讓大學(xué)生走進科研，提前了解科研，將來走向科研，成為科研棟梁推出了的鼓勵政策，基于渦蟲相關(guān)開放實驗鼓勵學(xué)生申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目2項、大學(xué)生科研項目1項。

（二）參加生物競賽

學(xué)科競賽是順應(yīng)時代對高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求、滿足大學(xué)生創(chuàng)新發(fā)明的內(nèi)在動力需求、響應(yīng)高校教育教學(xué)改革內(nèi)涵發(fā)展的訴求而興起的?；诖髮W(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目或大學(xué)生科研項目的開展，我們鼓勵參加渦蟲開放實驗的學(xué)生參加全國大學(xué)生生命科學(xué)競賽，并獲國家級二等獎1項、省特級獎1項，省一等獎項2項，省二等獎1項。

（三）發(fā)表相關(guān)論文

從走進實驗室的懵懵懂懂，到實驗操作的駕輕就熟，是學(xué)生對科研逐步了解和深入的過程，其中不乏優(yōu)秀者一直堅持著自己的科研之路，在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對自己研究內(nèi)容的理解到了比較高的層次，結(jié)合自己對相關(guān)領(lǐng)域的理解或自己的實驗內(nèi)容撰寫論文，《渦蟲神經(jīng)再生相關(guān)基因及其調(diào)控通路》已在山東理工大學(xué)學(xué)報發(fā)表。

（四）培養(yǎng)了科學(xué)思維，提升了科研能力

從查找文獻(xiàn)入手，拉開了學(xué)生在實驗室的“科研”序幕。遇到問題學(xué)生學(xué)會了問“度娘”、問“小木蟲”、問師哥師姐，學(xué)會了看外文文獻(xiàn)，學(xué)會了獨立思考，形成一定想法之后再向老師求證可行性……從最開始的查找資料、采集渦蟲、飼養(yǎng)渦蟲和設(shè)計急性、慢性實驗，到分析實驗結(jié)果、撰寫實驗論文，每走一步都是滿滿的收獲。這是部分學(xué)生的心得體會，也說明了開放性實驗的實施效果。此外，最早參與實驗的部分同學(xué)已畢業(yè)，其中兩名同學(xué)考取中國科學(xué)院中丹學(xué)院、另有4名同學(xué)分別考取上海中科院神經(jīng)生物所、中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院、蘭州大學(xué)生科院和山東大學(xué)醫(yī)學(xué)院，面試過程中的表現(xiàn)受到相關(guān)老師一致肯定。

五、結(jié)束語

響應(yīng)國家素質(zhì)教育改革的號召，本文結(jié)合常規(guī)實驗材料渦蟲，在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注環(huán)境問題的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和獨立學(xué)習(xí)能力為目的，從異常環(huán)境下渦蟲行為觀察、機制探討等不同層次設(shè)計開放性實驗，為大學(xué)生科研興趣的培養(yǎng)、科研素質(zhì)的提升奠定基礎(chǔ)，實施開放性之后確實達(dá)成提高學(xué)生科學(xué)研究能力之目的。劉愛麗等[9]鑒于參與教師教學(xué)科研課堂學(xué)生數(shù)量越來越多，提議開設(shè)基本實驗技術(shù)選修課，但“僧多粥少”的現(xiàn)狀（比如開放性實驗開展空間不足、實驗經(jīng)費短缺、指導(dǎo)老師精力有限等問題）仍是制約開放性實驗普及開展的關(guān)鍵，后續(xù)將進一步從開放性實驗內(nèi)容設(shè)計、聯(lián)合其他實習(xí)實踐基地等入手，就如何讓更多學(xué)生受益、如何保證開放性實驗實施的可持續(xù)性作進一步探索。

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基金項目：首批國家級一流本科課程“普通動物學(xué)”（2020140518）;山東師范大學(xué)實驗教學(xué)改革項目“基于提升學(xué)生科學(xué)研究能力的動物學(xué)實驗教學(xué)改革探索”（SYJG040256）、“渦蟲系列開放性實驗引領(lǐng)學(xué)生叩開科研之門”（SYJG040258）

作者簡介：趙東芹（1978-），女，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為應(yīng)激神經(jīng)生物學(xué)、生物學(xué)教學(xué)法。