豆科植物初生根非向重力性彎曲生理機(jī)制綜合性實驗開發(fā)與評估

馬紹英， 馬 蕾， 田 鵬， 楊 潔， 李 勝， 王婷婷

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

植物生理學(xué)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(xué)習(xí)，可以加深學(xué)生對植物如何響應(yīng)逆境理論知識的理解，并提高學(xué)生動手能力，分析問題及創(chuàng)新能力，為學(xué)生后期開展科研奠定基礎(chǔ)。但在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)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(fù)相同的實驗內(nèi)容及教學(xué)方式，導(dǎo)致學(xué)生對其重視不夠、學(xué)習(xí)興趣不高，達(dá)不到人才培養(yǎng)要求[2-3]。因此，如何改進(jìn)教學(xué)方式與內(nèi)容、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣無論對學(xué)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(xué)生掌握知識點和實驗方法的同時，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性及運用已有知識解決問題的能力，有效達(dá)到教學(xué)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(xué)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(dǎo)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(jìn)新的技術(shù)[5]。通過在解決或揭示一個科學(xué)問題的過程中學(xué)習(xí)知識點及掌握實驗技能，不僅打破傳統(tǒng)的教條式教學(xué)的弊端，同時激發(fā)學(xué)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(xué)內(nèi)容進(jìn)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(jī)制綜合性實驗[6-7]。通過完整的實驗設(shè)計結(jié)合多指標(biāo)綜合分析闡釋科學(xué)問題，以期提升學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)習(xí)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(xué)生對該部分內(nèi)容掌握不到位，且學(xué)習(xí)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(jìn)行整合，設(shè)計豆科植物初生根非向重力性彎曲生理機(jī)制綜合性實驗，將不同內(nèi)容有機(jī)銜接，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和興趣。

該綜合性實驗主要包括理論教學(xué)和實踐教學(xué)兩部分(圖1)。其中理論教學(xué)涉及文獻(xiàn)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(xué)主要是將學(xué)習(xí)的理論知識及討論結(jié)果應(yīng)用到實驗中，學(xué)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(xué)方法分析并得出結(jié)論，通過不斷查閱文獻(xiàn)并與老師、同學(xué)討論，揭示實驗現(xiàn)象。最后以實驗報告的形式體現(xiàn)學(xué)生對該綜合性實驗的學(xué)習(xí)及掌握情況，以達(dá)到教學(xué)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(xué)大實驗在研究生教學(xué)中共18學(xué)時，該綜合性實驗共占8學(xué)時。實驗于2021年5月31日開始，學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，并與老師討論，確定合理實驗方案。學(xué)生隨機(jī)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(jìn)行非向重力性彎曲誘導(dǎo)實驗，教師指導(dǎo)學(xué)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(jìn)行培養(yǎng)，每隔12 h更換處理液。該過程由教師帶領(lǐng)學(xué)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(dǎo)學(xué)生采用Adobe Photoshop等修圖軟件對拍攝的圖片進(jìn)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(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定。

實驗測定指標(biāo)主要包括可溶性糖、淀粉及IAA、GA3含量。學(xué)生需通過查閱文獻(xiàn)及實驗指導(dǎo)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(dǎo)學(xué)生錄入及分析數(shù)據(jù)，包括對統(tǒng)計分析軟件的學(xué)習(xí)運用，如采用Spss 22.0進(jìn)行方差分析(圖2)。同時，引導(dǎo)學(xué)生以科研思維分析實驗結(jié)果，并鼓勵學(xué)生在該過程中勇于創(chuàng)新，提出新的見解與老師和同學(xué)進(jìn)一步討論，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)潛能和科研興趣。

圖2 SPSS軟件的學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)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(xué)生對整個實驗的掌握情況，包括查閱文獻(xiàn)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(xué)知識的綜合運用能力。

課程評價主要以學(xué)生為主體。通過對該班級所有學(xué)生發(fā)放課程征集意見表從而了解學(xué)生對該綜合性實驗開設(shè)的評價及需要改進(jìn)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(xué)生意見整理后匯總、整合，了解學(xué)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(xué)中進(jìn)一步改進(jìn)，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生科研能力、提高科研水平和教學(xué)效率。

2 綜合性實驗教學(xué)效果

2.1 文獻(xiàn)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(xué)生需查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解相關(guān)內(nèi)容的研究進(jìn)展。因此，老師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)文獻(xiàn)查閱方法，如中國知網(wǎng)、百度學(xué)術(shù)、Springer Link、Web of Science等文獻(xiàn)查閱軟件的使用及如何有效獲取所需文獻(xiàn)資源。同時需引導(dǎo)學(xué)生從文獻(xiàn)中尋找不足，打破唯文獻(xiàn)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(xué)生在教師的引導(dǎo)下能準(zhǔn)確查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對文獻(xiàn)中不解的部分匯總，并發(fā)至全班同學(xué)，每位同學(xué)對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀，思考該問題并與老師、同學(xué)探討。學(xué)生查閱文獻(xiàn)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(xué)生提出非豆科植物是否有此類現(xiàn)象。通過與老師、同學(xué)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(xué)問題的思考與理解，整個過程明顯提升了學(xué)生文獻(xiàn)閱讀能力和對科學(xué)問題的凝練水平。

2.2 通過綜合性實驗的開設(shè)提升教學(xué)質(zhì)量

通過查閱文獻(xiàn)，學(xué)生自行設(shè)計豆科植物初生根非向重力性彎曲生理機(jī)制綜合性實驗方案。實驗涉及H2O2誘導(dǎo)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(xué)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(xué)生不僅學(xué)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(xiàn)和教師講述，明確表型的變化必然受植物內(nèi)在相關(guān)機(jī)制的調(diào)控。因此，需進(jìn)一步探究其發(fā)生機(jī)理。在教師指導(dǎo)下，學(xué)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(xiàn)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(xué)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(xué)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(xué)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(biāo)的特殊效應(yīng)，加深了學(xué)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(xué)生均積極參與其中，主動提出疑惑，通過查閱文獻(xiàn)與教師、同學(xué)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(xué)生提交的實驗報告發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對該部分內(nèi)容的掌握程度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)授課方式，學(xué)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(jìn)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(jìn)一步改革。由以往以教師為主的講述和被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主，教師引導(dǎo)，學(xué)生自主探索并主動學(xué)習(xí)的過程。這一改革使學(xué)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(xué)方式給教師塑造了一個嚴(yán)師的形象，學(xué)生有問題不敢問，且枯燥的學(xué)習(xí)氛圍導(dǎo)致更多學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)僅是為了獲得學(xué)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(dǎo)者角色，通過與學(xué)生交流啟發(fā)學(xué)生探索并思考實驗方案的制定及可能出現(xiàn)的問題，使學(xué)生有課堂存在感和自信感，進(jìn)而加深對知識點的理解，并幫助學(xué)生樹立科研思維。

2.4 激發(fā)學(xué)生的科研興趣

通過學(xué)生提交的課程意見表發(fā)現(xiàn)，課程評分在95～100分。學(xué)生認(rèn)為該綜合性實驗設(shè)計緊湊，不僅能學(xué)習(xí)先進(jìn)大型儀器的使用，還增加了老師與學(xué)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(xué)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(xì)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(xué)大實驗相比，該綜合性實驗的設(shè)置提高了學(xué)生實驗的積極性，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。

2.5 提升學(xué)生的科研水平

豆科植物初生根非向重力性彎曲生理機(jī)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(xué)大實驗中，讓學(xué)生提前接觸科研、認(rèn)識科研并對科研產(chǎn)生興趣。同時，文獻(xiàn)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(xué)生提前掌握科研技能。通過該綜合性實驗的開展，學(xué)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(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，導(dǎo)致對相關(guān)知識掌握不全，只知其一，不知其二，教學(xué)質(zhì)量不高。為了轉(zhuǎn)變學(xué)生對這門課的認(rèn)知并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，在多年教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合老師自身科研方向，對其進(jìn)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(jī)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(xué)生為主，增加學(xué)生的自主性，在教師的引導(dǎo)下加深學(xué)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(fù)合性，包括查閱文獻(xiàn)、自主設(shè)計實驗、表型觀察、圖片處理、指標(biāo)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(jìn)一步完善，如在文獻(xiàn)查閱時可以鼓勵學(xué)生閱讀英文文獻(xiàn)并以PPT的形式進(jìn)行文獻(xiàn)匯報，能使學(xué)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(xué)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(xué)生對該部分內(nèi)容的掌握情況，且鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力和自信心，有助于學(xué)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(jìn)一步完善，從而更好地提高教學(xué)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(jī)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(xué)生的科研興趣、提高了學(xué)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)。