綜合性高校動物生物學課程的探究性實驗教學改革

李元剛

(寧夏大學 生命科學學院基礎生物學實驗中心， 銀川 750021)

綜合性高校動物生物學課程的探究性實驗教學改革

李元剛

(寧夏大學 生命科學學院基礎生物學實驗中心， 銀川 750021)

為了適應動物生物學教學改革的要求，根據該課程體系及實驗室條件，在開設驗證性實驗基礎上，設計了3個探究性實驗：①觀察文昌魚和蛙的早期胚胎發育；②陸生脊椎動物骨骼系統與運動系統結構功能與適應；③打開脊椎動物的大腦。學生根據探究活動內容查閱文獻資料,書寫實驗設計方案并開展實驗，最后寫出實驗報告和總結。實驗成績占期末總成績的25%。通過近3年的實踐與探索，實驗內容趨于完善。學生學習的熱情與積極性高，動手能力、表達能力通過實驗的準備、操作與匯報訓練后有所提高，2016年期末成績平均分比2015年提高19%。探究性實驗把教材上的知識綜合并融合到實驗中，突出實驗的趣味性，連續性和創新性，使學生牢固掌握動物主要類群從低級到高級演化的框架與主線，達到了課程大綱的學習要求。

動物生物學； 課程； 探究實驗； 改革

0 引 言

動物生物學是實驗的科學，它是研究動物形態結構及生命活動規律的科學。理論與實驗密不可分，都是生物學基礎教育的重要環節[1]。通過對具體動物及實驗材料的研究，課堂教學的理論知識可以被驗證和鞏固，并在一定程度上加以綜合、凝練和提高。而且通過實驗操作和訓練，學生可以掌握動物生物學基本理論與方法，提高觀察、分析和解決問題能力，樹立動物進化的基本觀點。所以加強實驗教學，才能培養具有創新能力的人才[2]。隨著新時期生物教學改革的開展，我院嘗試設計并采用部分探究實驗，在有限的課時內對學生進行能力訓練，提高學生獲取信息、分析、操作及表達能力，還有利于激發學習興趣，避免由于動物生物學知識點多，出現學生厭學及成績普遍較低的情況，同時改革考核方法，加大實驗成績比重，促進實驗教學效果[3]，培養具有扎實理論水平及一定創新能力的學生。

1 動物生物學課程開展探究實驗的必要性和內涵

動物生物學理論教學與實踐教學是相輔相成不可分割的兩部分,具有同等重要的作用。近年來隨著學校本科教學的各項改革，課時大幅度壓縮，動物生物學理論及實驗課時由原來85學時降到68學時，要求在48學時的理論教學和20學時實驗教學內，完成全部教學過程。這樣在有限的時間內學習21章內容，包括11個動物門、6個綱動物類群的生物學特征、進化地位及代表動物結構特點。知識點多，需要記憶的內容也較多，實驗由原來14個減少為8個。學習該課程的大學一年級學生處在中學到大學的轉換階段，如果采取滿堂灌的教學方法，會造成學生抓不住重點，采用死記硬背的方法，產生厭學情緒，達不到該課程培養較強動手能力，具有有一定創新能力及科學素養的培養目的。

綜合性院校動物學教材與教學體系也進行相應的改革和提高。根據教育部21世紀生物教學和課程體系改革的要求，動物生物學側重闡明動物結構與功能的關系，形成了由低等到高等，簡單到復雜的動物生物學教學體系[4]。加強動物類群的描述與其進化的結合，從動物生物學的角度反映人類對自然界認識的轉變。我院成立生物技術專業16年來，采用北京大學編寫《動物生物學》教材，多次參加高校動物學骨干教師培訓與交流，修改了以前動物學教學中以動物門類、形態結構和功能、分類為中心的教學模式，代之以運用比較動物結構和功能的思想和方法，闡述動物早期胚胎發育的規律、動物類群的多樣性及它們的進化地位和主要的生物學特征。從動物各個器官系統方面描述結構與功能，以及在進化中的演變和適應，從而認識動物形態結構的統一性和生命活動的基本規律。在這樣的教學體系下學時可以牢固掌握動物生物學基本理論與技能。根據我院2014修訂動物生物學教學大綱的要求，學生學習的具體情況，結合動物生物學教學體系，該教改項目在正常按照大綱要求教學的基礎上，采用以專題知識模塊的形式，引導學生并設計開展探究式學習與實驗。

探究性教學是一種以學生為主體,以課堂教學為核心和以教材內容為載體,與社會生活和學生實際緊密聯系的教學形式。探究性教學通過教師引導學生主動探究,注重培養學生在學習過程中發現問題、解決問題及自主創新的能力[5]。讓學生通過實際操作親身體驗知識的獲取過程,為學生終身學習及發展奠定基礎。實驗課教學無論在鞏固、運用、補充知識和培養學生創新精神、實踐能力方面,還是在培養學生事實求是的科學態度、養成嚴謹的科學作風和勇于探索開拓進取的素質方面,都發揮著不可替代的作用。培養學生的觀察能力，激勵學生勇于探索大膽想象，動物的三胚層理論就是范貝爾根據雞胚發育，經過大量的探究性實驗與觀察得出的[6]。這3個探究性實驗察，一方面具有可行性及擴展性，引導學生對生命科學的興趣與向往，形成正確的生命觀、自然觀、價值觀與科學素養[7]。避免死記硬背，從動物運動結構變化理解動物進化，理解動物類群從低級到高級的演變歷史主線。觀察蛙早期胚胎發育有助于理解動物早期胚胎發育[8]，以及理解不同的發育方式導致兩種動物類群不同的進化路線，為后續發育生物學打開必要窗口[9]。

2 動物生物學探究性實驗的內容與設計

基于動物生物學現有教學理論體系，以運用比較動物結構與功能的思想和方法，闡述動物早期胚胎發育的規律、動物類群的多樣性及它們的進化地位和主要的生物學特征的教學理念。結合我院現有的實驗室條件、課時安排及學生學習的具體情況，實現驗證性實驗、綜合性實驗、設計性實驗及探究性實驗一體化的實驗模式[10]，設計了3個探究性實驗。

2.1 觀察文昌魚和蛙早期胚胎發育

(1) 實驗題目。文昌魚受精卵、卵裂期、囊胚期、原腸期裝片和切片觀察。實驗內容包括：①文昌魚受精卵的觀察，同時觀察蛙受精卵。②文昌魚受精卵卵裂2、4等多細胞期的觀察。③囊胚期觀察。④原腸胚期觀察。

(2) 知識點分析。在第2版動物生物學教材中，減少了細胞結構內容的描述，加大了多細胞動物胚胎發育的比重，在這部分內容講授中，較多學生反映難理解，但是內容對教材體系來講又比較重要。文昌魚胚胎發育以簡單而典型的形式代表著脊椎動物的發育[11]，也被稱為脊椎動物個體發育的模式動物。通過對文昌魚受精卵、蛙受精卵觀察，學生可以觀察到這兩種卵黃的分布是不同的，卵黃均勻分布的文昌魚卵分裂方式為等裂，卵裂球完全相同。而蛙受精卵卵裂球就不相同。原因在于卵黃在受精卵中分布不同造成的，解決了分裂方式的疑問。隨后是形成囊胚，重點觀察動物極與植物極細胞大小與如何內陷形成原腸胚，動物極小胚胞分裂速度快，造成植物極細胞內陷，這也是常見的原腸胚形成方式，理解了內陷，外包、分層內移就好理解。在這里要對形成的兩個腔和一個開口明確進行識別，因為在以后的發育過程中，中胚層的產生有兩種方式、原口成為口還是動物肛門，都會有明確的分野。從而導引出脊椎動物和無脊椎動物兩大類群，因此，開設這個實驗，不僅對胚胎發育中基本過程有一定了解，為以后開設發育生物學打開必要的窗口，準備一把鑰匙，學生在具備基本的發育學知識后再進一步學習其他動物發育模式就比較容易。而且在眾多的動物類群中很容易分成脊椎動物與無脊椎動物，而棘皮動物門屬于一個過渡類群，它的早期發育方式與脊椎動物相同，都是輻射卵裂，以腸腔法形成中胚層。

(3) 意義。動物的進化基本路線是從簡單到復雜，從低級到高級進行，多細胞動物起源于單細胞動物，多細胞動物個體均由一個細胞發育而來。動物的組織器官分別來自胚胎發育中的3個胚層，各種動物在發育初期極為相似，以后才逐漸變得差異越來越大。動物個體發育重演系統發育，觀察研究動物早期胚胎發育，加深對多細胞動物起源及各類群親緣關系的認識和理解。

2.2 陸生脊椎動物骨骼系統與運動系統結構功能與適應

(1) 實驗題目。蛙、鱷魚、家鴿、巖羊和人如何運動。實驗內容：①蛙活體、運動方式和骨骼系統觀察。②荒漠沙蜥骨骼系統與鱷魚爬行視頻觀察[12]。③家鴿骨骼系統與胸大肌、胸小肌結構與觀察[13]。④巖羊骨骼系統與運動視頻觀察[14]。⑤人體骨骼與運動，分析長跑運動員運動形式。

(2) 知識點分析。兩棲類是由水生向陸生轉變的過渡類群，具有很多進步性和不完善性。觀察蛙的運動方式和骨骼系統，發現蛙采用跳動方式在陸地運動，在骨骼系統中首次出現五趾(指)型附肢，具有一塊頸椎和一塊薦椎。雖然是一塊但是使蛙頸部具有一定靈活性，薦椎與腰帶連接可以把體重傳遞給后肢。五趾(指)型附肢的結構是由連接肩帶的肱骨、橈尺骨(愈合)、腕骨、掌骨和指骨組成，這是四足動物前肢典型結構。具有胸骨但沒有肋骨，皮膚濕潤，呼吸功能不完善。這些特征決定蛙對陸地生活初步適應，肌肉集中在四肢，跳躍運動是主要運動方式。爬行綱完全適應陸地生活，從運動方式及骨骼系統上具有一定的進步性。鱷魚具有堅固的肩帶，五指型附肢更加完善，有9塊薦椎，2塊薦椎，具胸廓后呼吸功能大大提升。觀察鱷魚四肢不能把身體抬離地面，運動方式是爬行，前后肢協調移動身體中軸左右擺動，四肢與中軸骨的呈直角，爬行速度緩慢。西北干旱地區的荒漠沙蜥是常見的爬行類，它移動速度很快，觀察結果是它的肘、膝以下部位可以轉向腹部下方，把身體抬離地面，便于疾馳奔跑。鳥類是適應飛翔生活的類群，從家鴿的骨骼系統看，身體流線型，脊柱部分合并具有愈合薦椎呈穩定支架，龍骨突發達便于附著肌肉，尾綜骨附著尾羽充當舵的功能。頸部延長以彌補身體穩固性的不足，前肢特化為翼。前肢由肱骨、橈骨、尺骨、腕骨、掌骨、指骨，最后三部分出現簡化以附著羽毛。后肢由股骨、脛腓骨、跗跖骨、趾骨，特點在于跗跖骨的延長起到緩沖作用。巖羊是寧夏賀蘭山二級保護動物，從整體上看骨骼系統結實粗壯，四肢長度適中，與爬行類相比：前肢肘關節向后扭轉，后肢膝關節向前扭轉，后肢基本結構還是股骨、脛腓骨、跗骨、跖骨和趾骨，第三和第四趾發達，指(趾)端具蹄。這種結構適應攀巖和跳躍但是不適合快速奔跑。人體的行走與奔跑是進化的結果，觀察運動員的長跑動作就會發現：在四肢關節扭轉后，人的奔跑得益于髖關節、膝關節和跗跖關節的緩沖，在配合上肢的協調運動外，這種結構適用于奔跑，減少對身體的損傷。

(3) 意義。在講授脊椎動物類群生物學特征時，學生最為頭疼的是骨骼系統的結構及知識點多，死記硬背但很快會忘記。本實驗的設計就是通過熟悉常見動物的骨骼系統及運動方式的比較來探究脊椎動物骨骼系統的共同點及多樣性的適應。比較解剖學的證據是動物進化的主要證據，在比較蛙、鱷魚、家鴿、巖羊和人的主要同源器官時，它們的上肢與下肢結構有著驚人相似性，是因為它們具有共同的祖先。利用脊椎動物比較解剖實驗方法[15]，一方面加深了對進化理論的理解，同時也使學生把動物結構與功能結合起來，一系列的固定的結構和鮮活的生命活動結合起來，同學們的學習興趣大大提高，在教學實踐中得到很好效果。

2.3 打開脊椎動物的大腦

(1) 實驗題目。脊椎動物(鯉魚、牛蛙、家鴿、家兔)腦基本結構的比較，鍛煉動手能力。實驗內容：解剖鯉魚、牛蛙、家鴿、家兔腦，識別大腦主要結構。

(2) 知識點分析。鯉魚神經系統開始集中，從蛙開始陸地生活后，腦的發育進一步加劇，5部腦分化明顯，家鴿的小腦發達是為了適應飛翔生活，掌握平衡的能力加強，家兔大腦半球發達但溝回較少，人大腦皮層溝回發達。

(3) 意義。脊椎動物是神經系統高度發達的類群，但是在系列解剖實驗中對腦的結構不夠重視或因為時間關系及解剖動物腦需要特殊工具和技巧，到最后學生來不及進行腦的解剖，所以神經系統一般都是演示實驗，學生都是通過課本進行記憶學習。通過對各類動物腦的解剖和比較，對照實驗指導可以形成比較深刻的腦的進化趨勢，就是從鯉魚、牛蛙、家鴿、家兔大腦是日益發達，小腦越來越重要，中腦則相對變小，重要性逐漸變低，人類的的大腦出現了空前的發展。

3 實驗教學方式與實施

實驗安排要對無脊椎動物類群切片觀察課時適當壓縮，增加動物早期胚胎發育切片觀察實驗。脊椎動物的外形觀察與解剖增加2個探究實驗。實驗注重動手與結果對比，要求要寫出實驗方案，對實驗的內容及結果主要以制圖、拍照、視頻手段呈現。講授、討論、學生互動、討論及匯報方法結合起來，充分利用動物生物學教學資源，再對照教材就好理解。

教學中注重自學、思考、觀察及動手能力的提高，把理論教學中的內容轉變為能力。學生書寫實驗設計方案，來源于基礎理論知識及給定的探究實驗題目,根據探究活動查閱文獻資料,書寫出合乎要求的實驗設計方案。帶課教師將實驗設計方案收集起來,并逐個認真評閱,審查方案的科學性、可行性,并寫出指導意見。必要時找學生單獨談話、交流,并及時讓學生修改、完善,作好準備工作。實驗完成后討論以小班(約10人)為單位進行報告,將實驗的方法、過程及結果向全班及教師匯報,老師及同學開展答辯及討論，注重方法、過程，對實驗完成后所要掌握的知識點要重點討論。學生匯報的形式多樣，以小論文、小報告，制作PPT進行匯報，教師根據匯報及實驗情況給分，占平時成績的25%并納入到期末總成績中。

4 實驗教學管理與保障

我院動物學教研組自2001年開始進行《動物生物學》教學，積累了一定的教學經驗。依托生物學實驗中心“動物學實驗室”為全校生物科學、生物技術等專業開展動物生物學及實驗教學。這三個實驗所需要的實驗條件、實驗材料基本具備。學院實驗中心是寧夏回族自治區基礎生物學實驗示范中心，具有動物學實驗室、動物及人體生理學實驗室、解剖生理學實驗室，動物標本展室、昆蟲標本室，另外我院還是寧夏自然博物館協會的常任理事單位，學生免費分享寧夏所有的科普場館的科普教育資源，有利于普及動物生物學科學知識，傳播科學思想和科學方法，提高學生的科學素養和知識水平。教研室多年積累的動物實驗視頻資料及動物世界視頻資料及書籍。動物學實驗室展室、標本制作室以及昆蟲標本室可以為學生提高實驗觀察場所，具有魚類、蛙、沙蜥、蛇、家兔、貓、巖羊、人體骨骼標本。學校每年還立項30項大學生創新項目，也為動物生物學的創新和教學提供經費和資源。按照實驗課時給予教師雙倍的教學工作量，鼓勵年輕教師參與實驗教學及教改項目。

5 教學效果

通過近3年的實踐與探索，實驗內容日趨成熟與完善。學生學習熱情與積極性高，動手能力、表達能力通過實驗的準備、操作與匯報有所提高，期末學習成績有明顯改觀。讓動物生物學真正動起來，不需再記憶動物的固定結構，而是把各個類群的主要結構進行系列對比與研究，把結構與功能、環境與演化結合起來。實驗的可行性高，學生興趣高，避免滿堂灌的理論學習模式。成果展示形式多樣，可視性高。加強平時過程性考核，減少期末考試成績比重。避免學生期末突擊復習，讓學生對動物生物學基本知識，學懂、學會、學活、學牢，會表達，會動手，會擴展解釋。動物生物學3個探究性實驗活動是基于動物生物學的知識體系，便于學生在有限的時間內理解和掌握動物學的基本知識及原理。3個探究實驗除了可以反映動物生物學的框架以外，還具有一定的拓展性，因材施教，不搞一刀切，給學生一個思考和想象的空間，避免滿堂灌和老師主導的狀況，也給后續課程打下基礎和窗口。2016年40名學生期末平均成績由2015年64分提高到79分，提高19%。我院每年立項30個大學生創新項目，其中動物學方面的有10項，寧夏回族自治區級創新項目5項。

6 結 語

動物生物學是綜合性高校生物技術與生物科學專業新生第一學期開設的專業基礎課、核心課程，學生的學習方法面臨著從中學向大學過渡的階段，在這門課程中開設探究性實驗，加強實驗教學及改革，對培養學生對包括生物學在內的課程具有指導意義。生物學是實驗科學，實驗的支持有利于培養理論扎實，具有動手能力和創新能力的學生。在該課程的過程性考核中，探究性實驗的比重占到25%，實驗的過程與考核具有研究性、寬松性和有趣性，增加學生學習動物生物學的積極性，只要認真參與實驗及過程，對實驗及理論知識的掌握相當牢固。

動物生物學的教學體系具有很強的連續性，是生物學基礎教育的重要環節。在有限的時間內通過探究性的系列實驗及考核，對加強與鞏固理論知識及提高學生的思考能力和動手能力具有很好的效果。通過一系列的實驗及討論，鞏固課堂教學的理論知識，并在一定程度上加以綜合、凝練和提高，通過實驗操作和訓練，掌握動物生物學基本理論與方法，培養學生觀察、分析和解決問題能力，樹立動物進化的基本觀點，認識動物形態結構的統一性和生命活動的基本規律。教師需要加大在實驗教學時間和精力上的投入。在實驗內容方面需要教師對課程的知識體系具有較好的理解和把握，課酬上給以翻倍的獎勵，對取得大學生創新項目的教師在選優與職務晉升方面給予傾斜，鼓勵教師參與本科生實驗教學改革，改變過去重理論教學輕實驗教學的怪圈，培養學生對生物科學的強烈興趣，培養具有扎實動物生物學理論知識、實驗技術及良好的科學素養的新時期創新人才。

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Reform and Practice in Exploratory Experimental Teaching of Animal Biology in Comprehensive Universities

LIYuangang

(Laboratorial Biology Education Center, School of Life Science, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

To adapt the reform of the animal biology teaching process, three exploratory experiments were meticulously designed based on nowadays course system, lab conditions and mature verified experiments. The first is the observation of amphioxus and frogs’ early embryonic development. The second is to investigate the structure, function and adaptation process of the terrestrial vertebrate skeletal system. The third is to open the brain of the vertebrate. Students are supposed to consult literatures and write the preparation part of the lab report before the class. Then after the experiment, they should finish their lab report and give a true account of respond. The experiment score takes up 25% of the final grade. These experiments have improved during nearly three years of practice and exploration. With high enthusiasm and motivation, students gain much progress in practical ability and expression ability through the exploration. Also, the 2016 final grade average made an increase of 19% over 2015’s. The textbook knowledge is refined and integrated into the experiments. The experiments are interesting, continuing and innovative as well. Students can set up the framework and main clue of the animal evolution and meet the syllabus’ requirement.

animal biology; courses; exploratory experiments; reform

2016-04-05

寧夏回族自治區高等教育本科教學工程項目(2014)

李元剛(1968-)，男，山東榮成人，碩士，副教授，主要從事動物學教學與實驗室管理工作。

Tel:：0951-2062534,13995105545；E-mail：lyg6795@sina.com

G 420

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1006-7167(2017)02-0231-04