高校本科實驗課程研究性項目教學實踐與探索

黎 茵， 張以順， 張志紅， 許佳玲， 王曉紅

(中山大學 生命科學學院 生物學實驗教學中心， 廣州 510275)

0 引 言

實驗教學是課程教學的重要組成和輔助部分，在培養學生的實踐能力，加強學生對理論知識的認識和理解方面具有不可替代的作用，實驗教學作為生物學科的重要教學手段，一直以來都很受重視。近年來，隨著本科教學實驗教學環境和設備條件的逐步提升，通過將科學研究與本科生實驗教學相結合的教學模式探索，改變傳統的實驗教學方式，不僅豐富和優化了實驗教學內容，讓學生充分感受到科學知識和技術的迅速發展，貼近研究熱點，接觸前沿內容，還培養了他們的創新性思維，激發和調動了學生的探索意識和熱情[1]，對于提高本科生創新實踐能力、提升本科生培養質量起到重要作用。

我校是一所培養研究型人才的綜合性大學，生命科學學院在實驗教學過程中非常注重培養學生的創新思維和科研能力。針對傳統教學方式存在的問題，以“植物生理學實驗”課程的改革為例，采用研究性的項目教學法對實驗課程的教學內容、教學方法及考核方式等多個方面進行了教學改革實踐與探索，對研究性教學實驗課程項目設計的實踐經驗進行總結分析，這種教學方式更加有利于培養學生的科研思維和綜合能力。

1 課程目標的設定與實驗項目重組

研究性學習泛指學生主動探究的學習活動，研究性教學則是指支持學生研究性學習的教學方法、策略和模式。研究性教學的指導思想就是把科研的過程轉化為本科教學的實踐，目的就在于要構建以研究為基礎的本科教學體系[2]。研究性教學以科學研究的問題為導向，指導學生在獨立的主動探索、主動思考、主動實踐的研究過程中，吸收并應用知識、分析并解決問題，其目的是培養學生獨立思考、自主學習的能力，發展其研究性思維和創新能力[3]。

1.1 課程教學目標的構建原則

實驗課程教學改革方案在研究性教學的指導思想下應用了項目教學法作為課程設計的基礎，是一種“以項目為主線、以教師為主導、以學生為主體、注重學習過程與實踐活動的融合”的教學方法[4-5]。研究性項目教學的關鍵是要先設計和制定一個完整項目的工作任務，教師需要分析大綱要求，提取項目所需要的知識點，并將相關的教學內容進行整理歸類，按照一定的研究和分析線索合理提出目標和組織項目，在難度上要考慮循序漸進的原則，以適應學生的學習過程。在項目設計和劃分中需要將傳統教學方法中分割的實驗內容進行有機組合，突出教學內容的層次性和科學性[6-7]。

在研究性教學過程中，將實驗課程的目標構建為一系列由學生來實施完成的實驗研究項目，教師由教學過程的主導者變成了引導者、指導者和組織者。完成項目的過程就是學生獲取知識、學習技能的過程，也是逐步達到教師預先設置教學目標的過程[8]。

1.2 研究性項目教學方案的設計

“植物生理學實驗”課程在植物生長發育調控、植物與環境的相互作用、植物的脅迫反應以及農學等研究和應用領域有著非常廣泛的應用，屬于實踐性很強的專業課程[9]，研究性教學在教學過程中由教師創設一種類似科學研究的情境和途徑，指導學生在主動探索和實踐的研究過程中，吸收并應用知識解決問題[10-11]。“植物生理學實驗”課程的教學方案設計要考慮具體連貫的工作時間和項目程序安排，實驗項目完成后應得到一項較完整的目標成果。考慮到各個實驗內容都與植物的生長發育和環境適應等生理過程密切相關，在教學實踐中將不同的實驗內容進行了整體的規劃，如圖1所示。

“植物生理學實驗”教學大綱內容包含了與植物生理學理論對應的科學實驗技術，按照研究性教學方案的設計原則，根據實驗內容涉及的理論知識的相關度，把教學大綱要求的實驗內容組合成植物的礦質營養、物質代謝、逆境生理等3個具有相關性的實驗模塊，再按每個模塊內容安排具體的子項目實驗內容。同時由于實驗的整個過程都需要使用植物材料，尤其是前面兩個模塊的實驗項目是以活體植物材料作為研究觀察對象，因此在“植物生理學實驗”項目教學實踐中，改變了過去每次實驗課之前由老師準備實驗材料的方式，由各實驗組的學生利用第一個實驗項目模塊植物的“礦質營養”中的完全溶液培養(對照組)和缺素溶液培養(處理組)栽培實驗過程獲得的植物材料，作為后面各階段不同實驗模塊子項目的實驗材料，使對兩種不同礦質營養條件下培養的植物的生長情況觀察和生理指標的測定與對比貫穿整個實驗課程，學生可以在實驗課程的前期充分觀測記錄植物的生長過程，同時又為后面各階段的實驗子項目內容提供有科學對比分析意義的兩組實驗材料。

圖1 “植物生理學實驗”課程研究性項目設計

2 課程實驗項目的組織與實施

研究性課程項目的內容和實施方式，以分析在完全培養(對照組)與缺素培養(處理組)兩種狀態下植物生長發育和生理指標的變化，并探討其生物學機制為研究目的，按照這個目標主線，要求學生利用實驗課程內容要求的實驗技術來測定和分析比較對照組實驗材料和處理組實驗材料在不同生理狀態下的各項指標。

實驗準備和幼苗培養階段屬于第1個實驗項目模塊植物的“礦質營養”，在這一階段首先由教師給學生總體說明和指導實驗課程的具體內容、實驗技術流程、研究目標與結果分析要求等，安排和指導各實驗小組學生進行統一栽培管理，在植物幼苗的溶液培養和缺素培養實驗子項目中，除了完成該模塊的實驗和觀察內容以外，也為后面的實驗準備好了兩組實驗材料。第1個模塊的子項目完成后，課程內容循序進入第2和第3個模塊，以完全和缺素兩個不同條件的溶液培養所得到的植物材料作為分析對象，在對應組織部位取樣測定相關的子項目實驗指標。

經過重新設計組合的研究性項目教學方案，在實施過程中使學生可以在教師的指導下，圍繞著具體項目任務這個核心，以團隊的形式共同學習、分工合作來完成實驗項目任務[12-13]。

3 實驗結果的綜合分析與評價

在傳統實驗教學方式的課堂上，學生僅僅是學習和掌握了實驗技能和提交一份實驗報告，對實驗項目內容的相關理論知識和科學意義理解不深。研究性的項目教學由學生主動去分析和探討實驗過程和結果，學生由被動學習轉變為主動學習，教師由課堂教學的講授者、主導者轉變為學生的引導者和合作者[7]。

在課程的各個實驗項目完成過程中，老師對學生學習的每個子項目內容進行跟蹤講評，不僅讓每個學生掌握相關實驗原理和操作技術，還聯系栽培過程中觀察到的植物生長和實驗項目中檢測到的生理指標變化，提示學生注意分析不同實驗項目模塊和子項目內容中觀察到的現象和實驗結果之間的聯系，并且要求學生查閱相關文獻，對實驗結果進行分析、比較與討論，課程報告以研究小論文的形式提交。在實驗課程結束后對學生的操作技能、結果分析能力、論文寫作能力等方面進行綜合評定。

經過重新設計和組合的實驗課程項目和實施方式，以研究目標為主線，利用課堂所學的實驗技術，以實驗數據為依據綜合分析比較在不同培養狀態下植物組織的生理生化變化，并分析討論這些過程體現的變化規律和蘊含的生物學機制，將實際的研究課題理念帶入課堂，讓研究性的項目教學法真正在課堂上得以實施和拓展。

在實驗課程開始的時候教師就把問題提出來，給學生思考的機會，在貫穿整個實驗教學的過程中，學生和教師有機會不斷地交流和討論分析實驗結果。這種研究性的項目教學方法可以很好地激發學生主動參與教學過程，引導學生運用所學的知識去積極探索新知識，培養學生創造性地分析問題和解決問題的能力[11]。采用這種提出問題誘導學生思考，而不是簡單灌輸的教學語言和教學方法，不僅課堂氣氛活躍，對訓練學生的主動思維的能力也有很大的好處[14]。

4 課堂互動與學生綜合能力的提升

在實施研究性項目教學法的實驗課堂中，學生既是項目的計劃參與者和管理者，又是項目的執行者。通過研究性的項目教學方式，在有限的實驗課時之內引入科學研究的理念和目標，既能培養學生的學習興趣，又能培養學生嚴密的邏輯思維和分析解決問題的綜合能力[15]。

4.1 學生綜合能力訓練實踐

由于植物材料的栽培延續了幾乎整個課程階段，需要學生利用業余時間進行栽培管理和生長狀況觀察記錄。同時在課堂實驗過程中，課程的每個實驗項目模塊要求測定多個相關子項目內容，實驗結束后又需要對結果進行綜合比較分析。這樣就要求小組成員充分合作，合理協調安排時間和分工完成課程要求的研究目標，學生在類似真實科學研究的情境中通過互助協作共同完成各項目中的實驗操作、數據分析和結果討論等任務。

在最后的課程考核中，要求學生按照正式發表格式撰寫課程小論文，這種寫作訓練使學生能夠更直接地學習到將實驗數據和結果進行綜合分析，比起傳統的實驗報告，能更好地訓練學生的科學寫作能力。在以小組為單位的實驗研究結果總結交流報告會中，各小組學生自行制作PPT并向全班同學和授課老師演示和宣講他們的實驗過程、結果分析和結論的推斷過程，其他各組學生自由提問，在此過程中培養了他們的口頭表述和交流科學問題的技能。以課程小論文和實驗研究總結報告的形式代替傳統的各個實驗的獨立實驗報告和實驗操作考試，通過相對完整的實驗研究和總結過程，有效地培養學生從提出問題到設計實驗分析問題，再通過實驗結果的整合分析、文獻查閱、自我思考和科學推論解決問題，再進一步提出新問題的能力。

4.2 教學效果

研究性教學的優點在于極大地引起學生對學科的興趣，在注重知識傳授的同時注意著力培養探索精神和創造能力，具有開放性、綜合性和實踐性的特征，把科學素養、科學思維、科學道德、評價能力、批判精神、合作精神、敬業精神、嚴謹作風結合到教學中去[11]。實踐證明，對課程的實驗教學體系進行改革，開展以項目和案例為驅動的實踐教學改革，在提高學生創新實踐能力和綜合科研素質方面取得了明顯的效果[16-18](見表1)。

“植物生理學實驗”從植物的溶液培養開始，第一個環節實驗培養出來的植物材料就是后面實驗環節的材料，每個實驗項目既相對獨立，又環環相扣，使得整個實驗課程成為一個有機的整體，前一步的成功與否會直接影響到下一步實驗，大大增強了學生對實驗的重視程度和責任感[19]，不僅提高了學生的興趣和實驗成功率，也保障和提升了實驗教學的質量。同時，這種連續性和對比性的實驗設計，可以讓學生充分了解每一個測定項目對于解釋不同培養條件下植物生理狀態的差異和生理機制，做到“知其然”以及“知其所以然”。

實驗課程中采用研究性項目教學法的方式，模擬科學研究中提出問題和解決問題的過程，建設研究性學習和交流平臺，可以有效地將學生從基礎實驗訓練導向到探索性科研訓練，提高了學生的綜合素質、科學思維和研究能力。

表1 研究性項目教學法實施前后實驗教學效果比較

5 結 語

研究性的項目教學方式營造了一種帶有科學探索性質的互相協助、共同交流的教學氛圍，在教學中達成經驗分享、同伴互助、良性競爭等總體目標，提高了教學活動的互動性和有效性。這種研究性的項目教學方法也是一種在專業教學中將普適功能的教育目標，如方法能力、合作交往能力、獨立自主能力、責任意識等突出表現出來并貫穿到課堂內外的教學方式[8]。通過研究性的實驗教學方案改革，在提高學生學習興趣和提升教學質量的同時，不僅傳授給學生理論知識和操作技能，更重要的是培養了學生的科研思維和自主研究和實踐能力以及團隊協作精神，能更好地滿足當前創新性教育的發展需要。

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