基于科教融合的“植物生理學(xué)”課程教學(xué)的改革與探索

羅 娜 錢春梅 羅玉容 李淮源*

1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣東廣州 510642;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)實驗與實踐訓(xùn)練中心 廣東廣州 510642

一、概述

目前,我國已經(jīng)進(jìn)入了高質(zhì)量發(fā)展的新階段,提升科技能力非常關(guān)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(jìn)一步指出,高等教育要支持學(xué)生參與科學(xué)研究,強(qiáng)化實踐教學(xué)環(huán)節(jié),促進(jìn)科研與教學(xué)的實質(zhì)融合[1]。教學(xué)和科研是高等學(xué)校兩項基本職能,科研促進(jìn)教學(xué),教學(xué)反哺于科研,科研與教學(xué)達(dá)到雙贏?？平倘诤辖虒W(xué)模式有利于加強(qiáng)高等教育與科學(xué)研究相互融合在一起,這樣可以從根本上促進(jìn)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]?？蒲腥诤弦环矫鎸⒖蒲欣砟顟?yīng)用于育人理念中,將科學(xué)成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)范例,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神;另一方面科學(xué)研究可以提供學(xué)生前沿的專業(yè)知識[3]。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)是國家“雙一流”建設(shè)高校,農(nóng)業(yè)科學(xué)和生命科學(xué)為學(xué)校的優(yōu)勢學(xué)科。而“植物生理學(xué)”是我校植物生產(chǎn)類相關(guān)專業(yè)如農(nóng)學(xué)、植保、園藝、林學(xué)等的專業(yè)基礎(chǔ)課,也是生物科學(xué)與生物技術(shù)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(xué)”教學(xué)團(tuán)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(nèi)容融入教學(xué)之中,啟發(fā)學(xué)生的科研思維,培養(yǎng)他們的分析以及綜合利用所學(xué)知識解決實際問題的能力。教學(xué)團(tuán)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(jīng)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(xué)互動,學(xué)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(xué)中的體現(xiàn)

(一)加強(qiáng)知識點研究背景的學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式通常重視知識本身的傳授,忽視對知識點相應(yīng)的科研過程的介紹,學(xué)生不知道是如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、得出結(jié)論的。而科教融合教學(xué)模式會將學(xué)科重要事件的研究背景加以較詳細(xì)地闡述。如卡爾文進(jìn)行CO2固定時的具體思路、步驟和技術(shù)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(shù)。這不僅有利于加強(qiáng)學(xué)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(xué)生對科研的興趣。

(二)讀書報告

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

調(diào)動學(xué)生的積極性具體做法是:在教學(xué)平臺如雨課堂和QQ教學(xué)群中[4],提供部分相關(guān)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(jìn)行更深入的研究性學(xué)習(xí),并完成小組的讀書報告。教師根據(jù)報告內(nèi)容、講述情況以及回答問題的情況綜合給出分?jǐn)?shù),作為平時成績的一部分。如在果實發(fā)育部分,學(xué)生做的匯報:(1)乙烯在蘋果成熟中的作用;(2)類YABBY轉(zhuǎn)錄因子在番茄馴化過程中的作用;(3)果實開裂的調(diào)控;(4)影響番茄果實大小的關(guān)鍵數(shù)量性狀位點;(5)番茄種質(zhì)中SUN、OVATE、LC、FAS的分布及其與果實形狀多樣性的關(guān)系等。

理論課激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)部分,學(xué)生的讀書報告內(nèi)容有:(1)ABA信號傳導(dǎo)在植物抗逆性方面的研究進(jìn)展;(2)生長素生物合成、轉(zhuǎn)運和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的可逆蛋白磷酸化;(3)擬南芥乙烯信號通路;(4)GA的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及其突變體研究。(5)生長素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控等。

讀書匯報對知識點進(jìn)行總結(jié),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(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科研興趣,鍛煉了表達(dá)能力的同時,還有利于良好師生關(guān)系的建立。

(三)學(xué)術(shù)講座

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)校的科研氛圍濃厚,經(jīng)常舉辦國內(nèi)外專家的學(xué)術(shù)講座,教師會將相關(guān)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給學(xué)生,要求他們參加已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識點的相關(guān)講座,了解學(xué)科的最新進(jìn)展和發(fā)展方向、學(xué)習(xí)學(xué)術(shù)專家們的學(xué)術(shù)思想,對他們以后考研目標(biāo)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(jìn)行簡單講解講座的邏輯思路。

(四)鼓勵學(xué)生參與教師的科研項目中

我們會鼓勵大二的學(xué)生參與教師的科研項目,使學(xué)生了解科學(xué)問題的研究思路,提高學(xué)生的創(chuàng)新意識。同時,學(xué)生參與教師科研項目的研究也會促進(jìn)項目的進(jìn)度,形成良性循環(huán),互相促進(jìn)。這樣,學(xué)生也會在做研究中積累經(jīng)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(xué)中的體現(xiàn)

實驗課教學(xué)是教學(xué)的重要組成部分,學(xué)生通過理解實驗?zāi)康摹⒏鶕?jù)實驗流程親自動手操作、認(rèn)真觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果,都可以培養(yǎng)學(xué)生熟練的實驗技能與學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、獨立創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度。同時,實驗課操作性強(qiáng),容易給學(xué)生留下深刻的印象,有利于學(xué)生更好地掌握的理論知識[5]。以前,我校的“植物生理學(xué)”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(qiáng)實驗課的趣味性,提高學(xué)生參與的熱情,我們探索科教融合模式下的實驗課,具體內(nèi)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(zhì);人工催熟可達(dá)到快速均勻成熟。香蕉是呼吸躍變型果實,當(dāng)環(huán)境乙烯濃度達(dá)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(jìn)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(chǎn)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(chǎn)生冷害,影響后熟和品質(zhì)風(fēng)味。實驗?zāi)康暮Y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(fēng)透氣,稍封袋口或者去除包裝,做進(jìn)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(nèi)容。學(xué)生通過自己的實驗驗證了所學(xué)知識點,尤其是香蕉的冷害和青皮熟特性更貼近生產(chǎn)實踐,學(xué)生可以用自己理論課學(xué)到的知識來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。

2.實驗二:植物花青素苷的理化性質(zhì)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(zhì)基礎(chǔ)?；ㄉ剀赵谑称坊ど隙计鹬匾饔??；ㄉ剀帐且环N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(xì)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(zhì),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(shè)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(qiáng)的吸附力,對其他不帶電荷的雜質(zhì)如糖類、有機(jī)酸等吸附力較弱,這些雜質(zhì)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(dá)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(jié)構(gòu)不同。在強(qiáng)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(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)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(lán)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(jié)構(gòu),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A(yù)mberlite 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(zhì)。接著用定量0.1%HCl甲醇反復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮、吸收光譜分析等技術(shù),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(shù)都很實用,可以進(jìn)一步應(yīng)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(zhì)以達(dá)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(zhì)具有不同的等電點,進(jìn)入加有載體兩性電解質(zhì)的聚丙烯酰胺凝膠后,在電場的作用下,蛋白質(zhì)電泳圖譜是根據(jù)蛋白質(zhì)停留在其等電點相等的pH值處(聚焦),經(jīng)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(zhì)的提取:取水稻、番茄、辣椒等農(nóng)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(shè)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(zhì)、TEMED、過硫酸銨,拌器上混勻。本實驗采用拍打技術(shù)進(jìn)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(jīng)預(yù)冷的水平平板電泳槽冷卻板上,將經(jīng)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(zhì)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)中非常重要的一環(huán)。本實驗應(yīng)用超薄等電聚焦電泳技術(shù),膠薄,實驗用的試劑少、省錢且清晰度高,結(jié)果的準(zhǔn)確率高,需要的樣品量少,適合單個種子的檢測。實驗的關(guān)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(nèi)容都比普通實驗指導(dǎo)書上的更綜合、更貼近生產(chǎn)實踐,更能培養(yǎng)學(xué)生的興趣。在經(jīng)過多輪的實踐后,我們將修訂后相關(guān)的內(nèi)容編入了本校出版的植物生理實驗指導(dǎo)中[6],較好地完成了科學(xué)研究應(yīng)用于教學(xué)過程中的轉(zhuǎn)化。

(二)科教融合的模式二

各位任課教師的科研和教學(xué)經(jīng)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(xué)二年級時候申請進(jìn)入任課教師的實驗室,首先跟隨師兄、師姐完成一些基礎(chǔ)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(dǎo)下學(xué)會查閱相關(guān)文獻(xiàn),擬訂實驗方案并實施完成一個項目。完成這些項目,對學(xué)生的科研思維、動手能力、應(yīng)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(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的校級和省級比賽。

結(jié)語

科教融合為“植物生理學(xué)”課程改革和學(xué)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(guān)科研成果融入教學(xué)中,無論是理論課的讀書報告、聽學(xué)術(shù)講座,還是實驗課教師課題都鼓勵學(xué)生進(jìn)課題組,參加科研項目,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。今后,我們還將提煉更多的科研成果融入教學(xué)中,注重科研教學(xué)相互融合,培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新能力。