應用型本科院校“三性”實驗的開設及其實施原則

劉海濤 張科貴 劉玲

摘? 要：應用型本科院校是培養應用型、創新性人才的重要來源，綜合性、設計性和研究創新性實驗（即“三性”實驗）教學，對于培養學生綜合能力、實踐能力及創新能力等具有十分重要的作用。該文在理解和界定“三性”實驗內涵和特征的基礎上，試圖構建起一套針對植物生理學實驗課程的綜合性、設計性和研究探索性實驗體系，以推進和深化應用型本科院校的實驗教學改革。

關鍵詞：“三性”實驗;應用型本科院校;植物生理學;實施原則

中圖分類號 G642.0? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1007-7731（2019）09-0142-3

Abstract：Application-oriented universities were the source to cultivate the applied and innovative talents.The synthetic，designable and explorative experimentation played a very important role in cultivating synthetic ability，practical ability and innovation ability of undergraduates.This paper provided the basis for accurately defining the characteristics and connotations of the “three properties” experimentation，attempting to build synthetic，designable and explorative experimental system for experimental course of plant physiology，promoting and deepening the experimental teaching reformation of application-oriented universities.

Key words：“three properties” experimentation;Application-oriented universities;Plant physiology;Implementation principle

在現代教育背景和模式下，應用型地方本科院校是人才輸送的重要來源，其人才培養定位和培養方案主要是要求學生在掌握一定理論知識的基礎上，結合實際將所學知識運用到實踐中去，即人才培養的重點是應用型創新人才[1-2]。實驗室是現代大學的心臟，高等學校實驗課教學內容的優化與創新，不僅是教學改革的重要組成部分，也是培養應用型創新人才的重要途徑[3-5]。植物生理學是一門理論性和實踐性均很強的學科，其實驗技術是驗證和探索植物生命活動規律的重要手段。但傳統植物生理學驗證性單項實驗教學基本處于“照方抓藥”、被動學習的狀況，不能有效鍛煉和培養學生解決實際問題的能力，創新更是無從談起。綜合性、設計性和研究創新性實驗（即“三性”實驗）的開設是優化和整合實驗教學內容的重要手段，不僅可以加強學生的實驗操作技能，而且可以培養學生嚴謹的科學作風，是培養學生綜合能力、實踐能力及創新能力的重要方式[6]。本文在理解和界定“三性”實驗內涵和特征的基礎上，試圖構建起一套針對植物生理學實驗課程的綜合性、設計性和研究探索性實驗體系，以期為植物生理學實驗課程及其相關課程的實驗教學改革提供參考和借鑒。

1 開設“三性”實驗的目的和意義

“三性”實驗是在給定明確目標的前提下，由學生獨立完成資料收集、實驗選題、實驗設計、選材、實驗實施、數據處理、結果分析、討論和結論等環節的實驗，是學生在完成植物生理學基礎實驗后的進一步實踐階段，亦是科學研究的實踐或模擬訓練，把已掌握的基本實驗技術和基礎理論逐步融會貫通并熟練運用的過程[7]。其目的是培養學生獨立發現問題、分析問題、解決問題，獨立設計實驗、實施實驗、分析實驗結果、撰寫研究報告的能力，同時也是培養學生的科研興趣、探索精神、科學思維、嚴謹作風和刻苦鉆研的精神。

2 “三性”實驗的界定

2.1 綜合性實驗 綜合性實驗是指學生在具備一定基礎知識和實驗技能的基礎上，綜合運用某一門或多門課程的知識，對實驗方法和實驗技能進行綜合訓練的一種復合性實驗。通常情況下，綜合性實驗的綜合性特征除了實驗內容的綜合性之外，還體現在實驗方法的多元性、實驗手段的多樣性和人才培養的綜合性。

2.1.1 實驗內容的綜合性 實驗內容的綜合性是綜合性實驗的重要特征，旨在培養學生對知識的綜合能力和對綜合知識的應用能力。綜合性實驗內容一般涉及1門或多門相關課程中2個及2個以上的知識點，即實驗過程中需要將相關知識點有機結合，才能順利完成實驗并得到有效數據。

2.1.2 實驗方法的多元性 在同一個實驗中，運用2種或2種以上的基本實驗方法去完成實驗并得到最終的實驗結果。多元性的實驗方法著重培養學生運用不同的思維方式、不同的實驗方法，綜合分析問題、解決問題的能力。

2.1.3 實驗手段的多樣性 在同一個實驗中，綜合運用2種或2種以上的實驗手段去完成實驗并得到最終的實驗結果。多樣性的實驗手段著重培養學生從不同的角度、通過不同的手段分析和解決問題，掌握不同的實驗技能。

2.1.4 人才培養的綜合性 通過實驗內容、方法和手段的綜合運用，達到興趣、能力、思維、素質的綜合培養。

2.2 設計性實驗 設計性實驗是指教師給定實驗目的、要求和實驗條件，以學生為主體，由學生自行設計實驗方案、選擇實驗方法和實驗儀器、擬定實驗步驟，加以實施并對實驗結果進行分析處理的實驗。設計性實驗可以采取如下形式：（1）教師在給定題目的前提下，學生通過查閱文獻資料后自定實驗方案、實驗步驟、自選（或自行設計、制作）儀器設備并獨立完成實驗。（2）學生自定題目，并獨立完成從查閱文獻資料、擬定實驗方案到完成實驗的全過程。在完成整個設計性實驗的過程中，學生可以單人或組成小組、團隊的形式協作完成。小組或團隊協作完成實驗時，每個學生在小組或團隊內的分工應明確，要盡可能的考慮到每個學生的個體差異，盡量使每個學生都受到一定程度的訓練。設計性實驗開設時機一般可在學生常規或綜合性實驗的基礎上，經歷了由淺入深的訓練過程后實施。

2.3 研究創新性實驗 研究創新性實驗是指學生在教師指導下，在一定的研究領域或教師選定的學科方向，針對某一或某些選定研究項目所進行的具有研究、探索性質的實驗，是教學與科研相結合及學生早期參加科學研究的一種重要形式。研究創新性實驗本質上也屬于設計性實驗的范疇，一定程度上可以說是具有科學研究和探索創新性質的設計性實驗，與設計性實驗相比強調實驗內容的自主性、實驗結果的未知性、實驗方法和手段的探索性等特點。

3 “三性”實驗的設計原則

為確保實驗設計的科學性，盡量避免和減小實驗誤差，取得可靠的結論，“三性”實驗設計通常需遵循對照、隨機和重復3個基本原則。

3.1 對照原則 在實驗過程中需進行分組，設立參照物。通常實驗分組為處理組和對照組。在比較各組之間的異同時，除處理因素不同外，其他非處理因素應保持相同，以了解處理因素帶來的特殊效應。根據實驗目的和要求的不同，可選擇陰性對照、陽性對照、相互對照（又稱組間對照）、歷史對照、自身對照等。

3.2 隨機原則 隨機是指任何一個體都有均等機會被分配到任意一個組中接收處理，可消除混雜因素引起的誤差以減少人為因素的干擾和影響。隨機化的方法很多，長用的有完全隨機（單純隨機）和均衡隨機（分層隨機）。

3.3 重復原則 重復是指各實驗組及對照組中受試對象的個數（或實驗次數）需達到一定數量，可靠的實驗應能在相同的實驗條件下重復出來，即實驗結果能保持在一個穩定的范圍內，即重現性。實驗結果的重現率至少要大于95%。

4 “三性”實驗的開設方式及實施原則

4.1 開設方式 “三性”實驗通常分以下3個階段開展：第1階段安排植物生理學必做的一些基本實驗;第2階段安排部分提高性選做實驗。這2個階段主要以加強學生基礎操作訓練和基本技能訓練為主，培養和提高學生的基本實驗素質和基本實驗能力;第3階段主要安排“三性”實驗，以培養學生運用植物生理學理論和技術解決實際問題的綜合能力。題目可由學生自由選擇，每個實驗完成時間只有周次限制，每周的實驗時間可不受限制，實驗室實行全開放制度，由學生自己查閱資料、設計實驗方案、選擇實驗儀器、完成實驗、撰寫總結報告并相互交流。此階段的開放實驗注重創新意識和創新能力的培養，為學生提供發展個性和施展才能的機會，學生通過做綜合性、設計性、研究創新性實驗，從成功和失敗中受到訓練，得到啟發，并使整體素質得到提高。

4.2 實施原則 “三性”實驗教學實施原則應遵如下原則：（1）學生自己選題為主，教師宏觀調控為輔;（2）提倡“交互式”教學，注重師生及同學之間的討論，適時組織交流報告;（3）貫徹“啟發式”和“因材施教”的教學原則。在確定實驗方案的過程中，教師重點考察設計方案的科學性及可行性，可采用啟發式提問的方式啟發學生自己修改實驗方案的缺陷，充分發揮學生主體作用。在開放實驗進行過程中，充分發揮學生的自主權，引導學生自己解決實驗過程中遇到的具體問題，自己分析實驗中出現的各種現象，自己評價實驗結果的可靠性。對于不同層次的學生可因材施教，提出不同要求，讓其完成課題的部分或全部內容，并適時給予輔導。如果學生針對實驗提出多種方案，應盡可能讓他們實施操作，使之從多種方案的分析、比較、驗證、探討中得出結論，求得問題的解決。即使有些設計方案教師看來不可行，也盡可能讓學生進行探索，使他們從失敗和成功中汲取經驗、磨煉意志品質，獲得科學素養和創新能力的培養和鍛煉。

4.3 綜合性、設計性實驗選題

4.3.1 綜合性實驗選題 綜合性實驗選題應體現實驗內容的綜合性和實驗方法的多元性。

選題1：植物水分狀況分析：水占原生質總量的70%～90%，植物的水分狀況對植物的生理活動具有重要影響。此實驗可對不同水分狀況下的植株進行自由水和束縛水含量、水勢及滲透勢等生理指標的測定，進而分析水對植物生長發育的影響。

選題2：氮素對植物根系活力及氮代謝的影響：氮是植物體內的生命元素，對植物的生理活動、形態表現都有影響。此實驗可對植物材料進行完全營養液培養和缺氮培養，2～3周后觀察缺素癥狀，測定根系活力、硝酸還原酶活性等生理指標，進而探討氮素對植物根系活力及氮代謝的影響。

選題3：激素的生理效應研究：植物的生長發育受遺傳因素嚴格控制，其在生長發育過程中除需要營養物質外，還需要激素等活性物質調控。此實驗可對3葉期的植株幼苗進行外源激素（如ABA）處理，5d后測定植株根系活力、葉綠素含量、光合速率、呼吸速率等生理指標，分析激素對植物生長發育的影響。

選題4：種子萌發時的生理生化變化研究：植物種子萌發時，其內部進行著旺盛的生理生化代謝。此實驗可對種子萌發過程進行呼吸速率、蛋白質含量、淀粉含量、可溶性糖含量、淀粉酶活性等生理生化指標進行測定，進而分析種子萌發過程中貯藏物的代謝變化規律。

選題5：果蔬或種子品質分析：以應季蔬菜及果實為材料，分析其可溶性蛋白質、維生素C、可溶性糖、可溶性固形物、有機酸、色素、硝酸鹽含量，并對不同材料和品種進行比較，分析其營養成分。

4.3.2 研究設計性實驗選題 研究設計性實驗選題應以培養學生綜合實踐能力，激發學生學習的主動性和創造性。

選題1：植物缺素培養的形態觀察及其生理代謝分析：植物體含有17種必需元素，各元素具有不同的生理功能。植物缺乏某一元素會表現出特定的缺素癥狀，在生理指標上也會表現出相應的變化。此實驗可對植物材料進行完全營養液培養培養和缺氮、磷、鉀、鈣、鎂、鐵等元素培養，2～3周后觀察缺素癥狀，測定相關生理指標（電導率、葉綠體色素含量、根系活力、水勢、過氧化物酶活性）測定，比較分析各缺素植株的生理指標變化與其形態變化之間的關系，進而說明各元素的生理作用。

選題2：植物對低溫脅迫生理適應的研究：低溫會對植物幼苗造成傷害，因為低溫常使幼苗的細胞膜脂發生相變，使膜結構改變，引起代謝紊亂。其傷害程度可以通過測定相應的生理指標得以反映。此實驗可以植物幼苗（4～5片真葉）為測試對象，進行低溫處理（植物幼苗置于5℃、10℃處理4～5h，或-20℃處理10min和20min）及相關生理指標（電導率、葉綠體色素含量、根系活力、水勢、抗氧化物酶活性、脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖）測定，根據實驗結果，分析所測定的各項生理指標與抗寒性的關系。

選題3：不同種作物光合能力的比較研究：不同的植物在1d中的不同時間段及不同天氣（陰、晴）里的光合能力均不同。本實驗采用光合測定儀及葉綠素熒光儀測定不同作物的光合指標，比較上述情況下的光合能力的差異并分析深層次的原因。

選題4：逆境脅迫對作物抗氧化酶影響的研究：逆境下植物體內會產生活性氧自由基，抗氧化酶系統可以清除這些自由基，抗性不同的材料，其抗氧化酶活性不同，因此，其清除活性氧的能力也不同。此實驗可選擇2葉1心期的玉米幼苗進行逆境脅迫處理，處理一段時間后（7d）后，取樣測定各種抗氧化酶（超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、抗壞血酸過氧化物酶）活性。分析玉米幼苗每種抗氧化酶活性的大小與抗逆性強弱的關系，并解釋造成酶活性大小不同的原因。

選題5：源庫改變對植物的生理效應：植物體有機物的運輸方向取決于提供同化物的器官與利用同化物的器官的相對位置。但源庫的概念又是相對的，可因條件變化而變化。源是庫的供應者，而庫對源具有調節作用。源和庫兩者相互依賴，相互制約。通過設計源庫改變植物的生理變化實驗，可進一步認識有機物運輸與分配的規律特點。此實驗可用大豆、棉花、煙草或其他植物材料，在植物生長后期，設置不同處理，如打尖、摘除部分枝條，摘除一邊的葉片、抹去部分花蕾等方法，一定時間后，和對照相比較，測定相關的形態結構、物質轉化、生理生化指標、分析源庫改變情況下植物的生理響應。

參考文獻

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（責編：張宏民）

基金項目：安徽省高等學校省級重大教學研究項目（2017jyxm0395）;淮南師范學院改革發展重大研究項目（2017zdgg03）;淮南師范學院校級質量工程項目（2017hsyxkc92，2016hsjyxm17）。

作者簡介：劉海濤（1983—），男，安徽淮南人，博士，講師，研究方向：植物逆境生理。? ?收稿日期：2019-03-10