許　華, 朱敏杰, 李志鵬

(北京師范大學 珠海分校 生物技術系, 廣東 珠?！?19087)

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學科交叉與研學結合開展研究型實驗的探索

許華, 朱敏杰, 李志鵬

(北京師范大學 珠海分校 生物技術系, 廣東 珠海519087)

為了滿足生物技術專業(yè)實驗教學和創(chuàng)新需要,以教師科研課題為基礎,根據生物化學實驗與食品化學實驗教學需要,設計了一項題為“兩種鼠尾草耐NaCl脅迫能力及生理機制的比較研究”的研究型實驗,要求學生利用課內和課外時間查閱文獻、設計實驗方案、測定實驗指標,最終以學術論文的形式完成該研究型實驗。教學效果顯示,學生的學習主動性、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質得到了顯著提高。

研究型實驗; 學科交叉； 研-學結合

高校的實驗教學一般包括3個層次,即基礎實驗、綜合性實驗和研究型實驗[1-2]。為了加強學生創(chuàng)新研究能力培養(yǎng),必須強化研究型教學的意識[3],轉變教學方式,通過科研與教學互動,來推動創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[4-6]。同時,學科交叉已成為知識創(chuàng)新的時代特征,大學交叉學科的建設成為了培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基本途徑[7]。

我校生物技術專業(yè)的人才培養(yǎng)方向為食品安全與檢測,生物化學實驗和食品化學實驗是學生的專業(yè)必修課。生物化學實驗具有實踐性強的特點[8],食品化學實驗具有集綜合性和技術性一體的特點[9]。多年來,這兩門實驗課單獨開課、平行教學。學生通過兩門實驗課的學習后,雖然具備了較高的實驗技能,但科學素養(yǎng)不高、研究能力和創(chuàng)新能力不強。為了培養(yǎng)學生的科學創(chuàng)新意識、提高學生的研究能力,對食品化學實驗和生物化學實驗進行了改革,將兩門實驗課進行交叉,并結合自己正在開展的科研課題,將研究型實驗植入到教學活動中,取得了較好的教學效果。

1　教改思路的形成

我們選用的食品化學實驗教材是“食品化學實驗與習題”,食品葉綠素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離氨基酸含量的測定是固定的實驗教學項目。生物化學實驗是自編的一套實驗講義,SOD、POD和CAT活性的測定是其固定的教學內容。我們承擔一項研究不同鼠尾草植物抗逆性的課題,嘗試通過比較脅迫條件下不同鼠尾草植物光合色素含量、滲透調節(jié)物質含量和保護酶活性的變化趨勢,來評價不同鼠尾草植物的抗逆性,從而篩選出抗逆性較強的鼠尾草植物用于藥用和園藝。

由于本專業(yè)的食品化學實驗和生物化學實驗的教學任務均由筆者承擔,且兩門實驗課在同一學期開課。因此,將上述兩門實驗課的教學內容相結合并與現行的科研課題相聯系,不僅可以通過兩個學科的交叉來培養(yǎng)學生的綜合素質和研究能力,而且可以將教師的科研課題植入到教學活動中達到以研促教的目的。于是,設計了一項研究型實驗的教學方案見表1。

表1　研究型實驗的教學方案

設計實驗時主要考慮教學工作開展的可操作性、實驗內容與科研工作的相關性、實驗方法的科學性。

1.1教學工作開展的可操作性強

食品化學實驗和生物化學實驗兩門實驗課同一學期開課且均由筆者授課,只需對這兩門實驗課的教學進度進行適當調整,使上述實驗項目的教學在4周內完成,便可以使學生掌握這些實驗項目的測定方法和技術,為學生在后期開展鼠尾草植物的抗逆性研究奠定基礎。而且,這4周的時間正好是鼠尾草NaCl脅迫處理所必需的處理時間,學生也可以利用這段時間對后期的研究工作進行充分的準備。

1.2實驗內容與科研工作緊密相關

葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸含量不僅是評價食品品質、食品營養(yǎng)和食品風味的重要指標,同時也是植物重要的滲透調節(jié)物質,對于植物在脅迫環(huán)境下提高水分的吸收能力至關重要；SOD、POD和CAT是植物重要的保護酶,主要起到清除活性氧保護生物膜的作用。因此,在科研工作中上述指標一般作為植物品種抗逆性評價的重要參數。

1.3實驗方法的科學性強

食品化學實驗教材中,葉綠素含量的測定采用乙醇提取比色法,可溶性蛋白質含量的測定采用考馬斯亮藍G-250法,可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法,游離氨酸含量的測定采用酸性茚三酮比色法。生物化學實驗講義中,SOD活性測定采用氮藍四唑光還原法,CAT活力測定采用高錳酸鉀滴定法,POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法。這些實驗方法基本上是眾多學者在進行科學研究時所采用的方法,具有較強的科學性和普遍的認可度。

2　教學方案的實施

2.1設定題目

2014年2月,在食品化學實驗課和生物化學實驗課開課第1周,給學生設定了題為“兩種鼠尾草耐NaCl脅迫能力及生理機制的比較研究”的研究課題,并將全班20人分成5個研究小組,每組4人,每組確定一名小組長,負責本小組研究工作的組織和協調工作。給學生提供了實驗開展所需的儀器和試劑等,向學生簡單介紹葉綠素、滲透調節(jié)物質(可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸)和保護酶(SOD、POD和CAT)與植物抗逆性之間的關系,并要求學生通過 “CNKI系列數據庫”和“Springer數據庫”查閱文獻,了解國內外學者在植物抗逆性研究中的方法和結論等具體知識,并要求學生在第3周給出具體的實驗設計方案,第4周布置兩種鼠尾草的NaCl脅迫實驗。

2.2確定實驗方案

第2周周末,召集5名小組長,檢查5個研究小組的工作進度,重點檢查學生對所查閱文獻的理解程度、對本研究的目的和意義的認識程度和初步研究思路,對學生的理解誤區(qū)進行及時糾正。第3周周末召集小組長,檢查每個研究小組的最終研究思路和實驗方案,對研究方案進行最后的確定,主要包括NaCl濃度梯度的設置、實驗處理重復次數以及NaCl脅迫的處理時間和處理次數。我們在此過程中主要起把關的作用,稍有失誤將導致學生的實驗設計出現問題從而使研究喪失科學性。

2.3提供實驗條件

(1) 植物材料：美麗鼠尾草和貴州鼠尾草,由中國科學院上海辰山植物園提供。

(2) 栽培器皿、基質和溫室：花盆和栽培基質購置于花卉市場,溫室由學院提供。

(3) 儀器：高速冷凍離心機(5424R,德國Eppendor)、紫外-可見分光光度計(752型,上海精儀)、組織勻漿機、恒溫水浴鍋等。

(4) 試劑：考馬斯亮藍G-250、蒽酮、茚三酮、氮藍四唑、愈創(chuàng)木酚法、高錳酸鉀、30%過氧化氫、無水乙醇、丙酮、氯化鈉等。

2.4布置實驗

第4周周末,我們召集全班學生并指導學生布置實驗,每個研究小組各自布置實驗。由于大多數學生都沒有栽培植物的經驗,于是向學生示范了鼠尾草的栽培方法,以免因學生栽培方法不當而增加鼠尾草的死亡率,影響后期的研究工作。在布置實驗的過程中,給學生講授了每個處理設置重復的重要性、花盆隨機排列的科學性。實驗布置完畢后,要求學生每天觀察并拍照記錄每盆植株的外部形態(tài),并進行日常的水分管理,講授判斷植物是否需要澆水的依據,強調每盆植物必須要同時等量澆水。

2.5預實驗的開展

第5—第8周以美麗鼠尾草和貴州鼠尾草為實驗材料,在食品化學實驗課堂教學中訓練葉綠素含量、可溶性糖、可溶性蛋白、游離氨基酸含量測定技術,在生物化學實驗課堂教學訓練SOD、POD和CAT活性測定技術。此教學過程不僅可以完成既定的教學任務,而且可以作為后期學生研究型實驗的預實驗階段,為實驗結果的準確性提供了重要的保障。在這段教學過程中,筆者綜合各研究小組的實驗現象和實驗結果,與學生進行一起分析討論后確定最適的測定條件見表2。在此過程中,主要起糾正錯誤的作用,以免因學生對實驗某些步驟的理解偏差而導致實驗操作的錯誤。同時,在這期間給學生講授統計軟件的使用方法、圖表的制作方法和學術論文的寫作方法,為學生后期的論文寫作打下基礎。

表2　最適度的測定條件

2.6研究型實驗的開展

第9周學生對實驗材料進行收獲并保存于-70 ℃冰箱,一周內完成上述指標的測定。由于測定的指標較多,學生不可能在第9周的課堂上完成,必須利用課外時間開展實驗,因此需要事先與實驗室管理人員進行協商,延長實驗室開放時間。各研究小組的小組長要對研究工作進行科學分工并協調好組員的時間,保證實驗的順利按時完成。在此過程中教師主要起監(jiān)督考查作用,認真記錄學生的參與情況和對研究工作的貢獻情況,作為研究型實驗成績的評分依據。

2.7研究論文的寫作

第10—18周學生完成實驗數據的處理、分析以及論文的寫作。這期間,教師的作用主要是引導學生對實驗結果進行科學合理的分析和討論。

各小組對實驗數據處理結束后,對5個研究小組的實驗數據進行了匯總，見表3。5個研究小組所記錄的兩種鼠尾草的生長狀況以及葉綠素含量、滲透調節(jié)物質含量和保護酶活性雖略有差異,但變化趨勢均十分相近,表明該研究型實驗的可重復性好,也間接證明各研究小組在整個研究過程中沒有出現較大錯誤。鼓勵學生通過查閱文獻,對自己的實驗數據進行合理的分析,從文獻中尋找支撐自己觀點的依據。對匯總后的實驗結果進行分析后,僅從大方向上引導學生從植物的光合潛力、滲透調節(jié)能力和保護酶調節(jié)能力的角度去揭示美麗鼠尾草和貴州鼠尾草耐NaCl脅迫能力差異的生理機制。

表3　兩種鼠尾草在NaCl脅迫下受害程度與各生理指標的變化趨勢

在第18周之前,各研究小組經過反復的討論、大量的文獻查閱和多次的修改后對論文做了最終的定稿,并于第18周提交論文。教師對學生的研究結論進行了匯總,雖然各自的論據有所差異,但學生普遍的觀點可以總結為：在高濃度的NaCl脅迫下,貴州鼠尾草加強保護酶調節(jié)能力、減弱滲透調節(jié)能力,分配更多的有機滲透調節(jié)物質用于植株生長發(fā)育,減輕NaCl脅迫造成的傷害,是貴州鼠尾草對高濃度NaCl脅迫的適應策略。

2.8研究型實驗成績的評定

參考劉賢靑等[10]的實驗競賽評分標準、鐘廣蓉等[11]的實驗報告評分標準和袁月梅等[12]的畢業(yè)論文評分標準,設置了本次研究型實驗成績的評定指標和所占比重，見表4,對學生的研究型實驗成績進行了科學的評定,并將研究型實驗成績作為食品化學實驗和生物化學實驗兩門課最終成績的重要組成部分。

表4　研究型實驗成績的評定指標和所占比重

3　教學改革的效果

3.1提高了學生的實驗興趣

教師承擔的科研課題大多理論聯系實際,有一定的本學科的前沿水平,有較強的應用前景。2015年2月,實施了第二次研究型實驗教學,給學生設定的題目為“兩種鼠尾草耐酸雨脅迫能力及生理機制的比較研究”。經過2年的“研學”結合教學改革實踐,從學生的評教反饋看,學生對研究型實驗教學的評價是積極的。將科研課題中代表性的內容與實驗教學過程中的重要知識相聯系并應用于實驗教學,以研究帶動教學,開拓了學生的學術視野,培養(yǎng)了學生的實驗興趣,激發(fā)了學生的科研熱情和創(chuàng)新潛能,很多學生主動與教師聯系，希望能在教師的科研課題上開展研究。

3.2提高了學生的研究能力

學生通過研究型實驗的訓練后,科研素質得到了較大的提升。例如：8名對科研課題有興趣的學生,2014年申請到2項廣東省大學生創(chuàng)新訓練基金項目,對感興趣的科學問題進行更深入的研究；3名學生參與撰寫的項目獲得了2015年珠海市社科聯基金項目的資助；2名學生參加了2015年“廣東省生物化學實驗技能大賽”并獲得三等獎。

3.3提高了學生的綜合素質

學生通過研究型實驗的訓練,可將多門課程所學的知識和技能進行有機的結合,綜合素質得到了提高。學生可以掌握：

(1) 文獻檢索與科技論文寫作(本專業(yè)的專業(yè)選修課)的基本方法和技巧；

(2) 實驗設計與生物統計學(本專業(yè)的專業(yè)基礎課)的基本方法和軟件(SPSS)的使用；

(3) Word和Office等軟件(學校的公共基礎課)制作圖表的方法和技巧；

(4) 食品化學實驗(本專業(yè)的專業(yè)方向課)中營養(yǎng)物質和風味物質的提取方法、測定原理和方法；

(5) 生物化學實驗(本專業(yè)的專業(yè)基礎課)中酶的提取方法、活性測定的原理和方法；

(6) 植物栽培技術；

(7) 多種儀器設備的操作使用方法。

3.4提高了學生的學習主動性

研究型實驗教學突出了學生在教學活動中的主體地位[13]。教師只給出實驗的題目、目標和任務,要求學生利用課外時間圍繞這一特定項目進行文獻查閱和實驗方案設計,學生通過課堂和課外討論理清實驗思路并明確實驗方案的可行性后,才被準許開展具體的實驗研究。學生積極主動地參加了實驗的準備工作,如實驗材料的購買、準備、處理和試劑的配制等,全面了解整個研究過程。教師只對實驗有關的注意事項進行提示,關鍵性的步驟進行演示,在學生遇到問題時給予解答,對學生操作中的錯誤給予糾正。通過這種教學方式,學生的動手機會和動腦機會明顯增多,學生對知識的學習方式由被動接受轉變?yōu)橹鲃荧@取。

3.5培養(yǎng)了學生的團隊協作精神

從實驗的設計、開展、完成以及數據的處理分析、圖標的制作到論文的完成,整個過程是一個系統的過程,各研究小組通過科學分工和緊密協作完成了研究項目。經歷整個研究過程后,學生對團隊協作的重要性有了深刻認識,為畢業(yè)工作后與他人進行良好的溝通和協作打下了基礎。

3.6培養(yǎng)了學生嚴謹的科學態(tài)度

各小組獲得的實驗數據略有差異,在獲得筆者的認可、鼓勵和引導后開始了論文寫作。學生結合各自的實驗數據,通過查閱文獻,尋找論據來支持自己對的觀點,而不人云亦云,說明學生具備了嚴謹的科學態(tài)度。這一過程的訓練也增強了學生的思維能力,提高了學生分析和解決問題的能力。

4　結語

學生的研究興趣具有多樣性,只有更多的教師將自己的科研課題植入到實驗教學中才能滿足學生的研究興趣,這就需要更多的教師積極參與。教師之間不同的科研課題會形成較多的交叉研究領域,為學生的創(chuàng)新研究提供更多的空間。然而,如何將科研課題與相關實驗課打通,需要相關教師的認真思考,更需要各系教學主管的支持。同時,研究型實驗的教學工作量大,需要配套一定的激勵機制來調動廣大教師參與的積極性。今后我們將繼續(xù)探索研究型實驗改革的新思路和新方法,為提高生物技術專業(yè)的實驗教學水平和創(chuàng)新研究型生物技術人才的培養(yǎng)做出貢獻。

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Exploration and practice on developing research-oriented experiment with interdiscipline and research-education combination

Xu Hua, Zhu Minjie, Li Zhipeng

(Department of Biotechnology,Beijing Normal University Zhuhai Compus,Zhuhai 519087, China)

Based on the scientific research projects of teachers, through teaching combination between biochemistry and food chemistry experiments, a research-oriented experiment named “Comparative study on the tolerance to NaCl stress and physiological mechanisms of two Salvia plants” was designed in order to satisfy the experimental teaching and innovation demand of the major in biotechnology. Students were required to exploit the class time and extracurricular time to consult literatures,design experimental schemes, and determine the experimental indexes. Eventually,students finish the research-oriented experiment with academic papers. Teaching effects show that the teaching approach can significantly improve the students’ learning initiative,comprehensive quality, and research and innovation ability.

research-oriented experiment; interdiscipline； research-education combination

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.008

2015- 11- 22修改日期：2016- 01- 04

廣東省高等學校教育教學改革項目(GDGJ20142513)

許華(1981—)，男，湖北仙桃，碩士，副教授，主要從事食品化學和生物化學實驗教學、植物生理生態(tài)研究.

E-mail：xuhua04@mail.nankai.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)5- 0024- 04