生態學研究性實習的設計與實踐

朱利霞 陳居田 常云霞 郭婕 王紅星

摘要：生態學實踐教學是培養學生能力的關鍵環節，研究性實習對于培養學生的實踐創新能力和綜合素質具有重要作用。以不同類型生態系統土壤有機碳礦化潛力研究為例，介紹了生態學研究性實習的設計和實踐過程。土壤有機碳礦化與養分循環、全球變化等緊密聯系，其涉及的實習方法簡單，可操作性強，實習內容有很好的拓展空間。研究性實習可以有效地激發學生的學習興趣，培養學生分析和解決問題的能力。

關鍵詞：生態學;土壤;有機碳礦化;研究性實習

生態學是研究生物與環境相互關系的學科，其目的是指導人與自然的協調發展。生態學教學內容具有很強的實踐性和綜合性，實驗和實習是生態學教學過程中重要的實踐環節，對于學生理論認知的提高具有重要作用。隨著我國經濟的快速發展，環境保護和生態文明建設的需求越來越大，在可持續發展的時代背景下，社會對生態學專業人才的需求也逐漸增加。在生態學發展面臨良好機遇的同時，也對生態學教學提出了更高的要求。

一、研究性實習的提出

目前大學畢業生在工作及學習上的主動性不夠，自主學習能力較差，而這種能力的培養正是我國教育模式中所忽視的。實踐教學是培養學生能力的關鍵環節，野外實習是生態學教學中必不可少的內容，也是培養學生專業技能的關鍵環節。生態學野外實習不僅可以鞏固和充實課堂理論教學的內容，又可以培養學生獨立開展研究的能力，有利于培養生態學專業創新人才。然而，長期以來，生態學野外實習教學被認為是理論教學的輔助，在很多高校常常只設置生態學理論課程，而沒有設置獨立的生態學實踐教學課程，尤其是野外實習環節。由于長期以來不夠重視，導致生態學實習基地建設不完善、實習教師隊伍不能保障、經費短缺等問題，使生態學野外實習教學不能收到良好的教學效果，沒有實現提高學生科研素養和綜合素質的教學目標。

研究性學習和教學是目前我國教學改革的熱門課題，然而在實際的實踐教學中，往往是以固定模式進行：教師介紹實驗的目的、內容、方法和注意事項等，學生按部就班完成實驗和實習。這樣的實踐教學在一定程度上鍛煉學生的動手能力，但無法提高學生參與課程的興趣和積極性，導致學生被動學習和接受知識，久而久之導致學生思維缺乏創造性和靈活性。因此，為了更好地開展生態學野外實習教學，通過該過程將理論知識運用到實際中去，培養學生的科研能力。在學生掌握生態學野外實習的基本方法后開展研究性實習是很有必要的，研究性實習是培養創新型人才的一種有效的教學方法，但目前仍處于探索階段。針對教師講解為主的傳統模式，進行學生為主、教師指導的實習模式，綜合開展研究性和探索性的野外實習教學。以筆者長期從事土壤有機碳礦化的研究為基礎，開展結合院校周邊環境設置“不同生態系統類型土壤有機碳礦化潛力研究”的研究性實習。該實習內容成本低，具有較強的可操作性，并且與物質循環、全球變化等生態學熱點相結合，具有一定的示范性。

二、研究性實習目標

研究性實習更注重學生探索能力的培養，因而具有更強的研究性、探索性、科學性和實踐性。整個過程需要學生全程參與，從確定實習課題后學生查閱文獻開始，制定合理的實習方案、實習內容的完成、實驗數據的整理和分析及最終實習報告的撰寫等環節需要小組成員相互合作共同完成，這種研究性實習能夠有效提高學生的創新能力和團隊協作能力。

土壤有機碳是土壤的重要組成部分，顯著影響土壤物理、化學和生物學特征，土壤有機碳的動態可以影響到土壤碳向大氣的排放量，進而與當前氣候變化密切相關。土地利用變化對土壤有機碳動態的影響是其中的一個關鍵因素。土壤有機碳礦化是土壤生物通過自身活動、分解和利用土壤中活性有機碳組分來完成自身代謝，同時釋放二氧化碳的過程，該過程在土壤碳循環中發揮著重要的生態功能。由于人類的活動使土地利用方式發生很大變化（林地轉變為耕地及退耕還林還草等），這些活動都會對土壤碳產生一定的影響。因此，開展不同生態系統類型土壤有機碳礦化的研究性實習，可以很好地將實習內容與陸地生態系統碳循環和全球變化等聯系在一起，可以激發學生的學習興趣、鍛煉學生的創新思維、提高學生的綜合素質。如，通過開展“不同類型生態系統土壤有機碳礦化潛力研究”，擬達到如下實習目標：初步了解不同類型生態系統土壤有機碳礦化的基本方法;初步掌握生態學研究的步驟和方法;了解不同生態系統土壤有機碳礦化的特征并深入理解不同類型生態系統在生物圈中的作用;明確土壤資源保護和生態系統可持續發展的必要性。

三、研究性實習的過程

本研究性實習選取不同類型的生態系統，如，人工林生態系統、人工草地生態系統、濕地生態系統、農田生態系統，實習內容主要為土壤有機碳礦化測定，主要包括實習前準備、野外實習和實習總結三個環節。

（一）實習前準備

前期準備要營造研究性氛圍，調動學生的積極性。實習前準備環節主要由教師設計研究課題，經集體討論修改完善后發布給學生;學生根據個人興趣采用自由組合的方式組成小組，每組5-8人，小組選擇研究性實習課題。之后學生在教師指導下，通過數據庫查閱文獻，了解當前的研究現狀和實驗方法。經過查閱文獻，了解測定土壤有機碳礦化的野外原位測定法和室內培養法。最后，小組內討論并最終確定設計方案。該過程可以促使學生初步理解研究性實習的科學問題和研究意義。

（二）野外實習過程

野外實習過程采用研究性教學方法和學生自主、合作的學習模式。該野外實習主要開展不同類型生態系統的成員組成和有機碳礦化兩方面的研究，涉及研究方法、實施方案和數據整理等，這對于缺乏生態學實驗和研究訓練的本科生而言具有一定的挑戰性。該過程指導教師要引導學生思考開展實習內容需要注意的問題，并根據文獻資料和實習的具體情況確定土壤有機碳礦化的測定方法，測定后的數據如何進行整理與分析。經過討論，最后確定選用室內培養法測定土壤有機碳的礦化。

采用室內培養法和靜態堿液吸收法測定不同類型生態系統土壤有機碳礦化，其具體步驟如下：在每個樣地，地勢平坦的地點隨機選擇10個位置，在每個位置設置一個1m×1m的樣方，在每個樣方中將土壤表層凋落物輕輕拂去，使之露出土壤。采集表層0～20 cm土壤樣品，先測定土壤的含水量;再取出新鮮土壤樣品50 g，置于塑料瓶中，瓶內放置盛有氫氧化鈉溶液的小燒杯，用以吸收土壤有機碳礦化釋放的二氧化碳，用封口膜密封后置于培養箱內黑暗培養，以不加土壤的空白作為對照。分別在培養的第2、4、7、11、16、22和27d更換氫氧化鈉溶液，在培養過程中根據土壤初始含水量以稱重法補充土壤水分。將燒杯內的氫氧化鈉溶液洗入三角瓶內，加入氯化鋇溶液沉淀碳酸鈉，之后加入幾滴酚酞指示劑，用標定的稀鹽酸滴定剩余的氫氧化鈉，直至溶液由粉紅色變為無色，記錄溶液變為無色時消耗的鹽酸體積，根據c0：的釋放量計算培養過程中土壤有機碳的礦化量。土壤有機碳礦化量的計算公式如下：

W=（V1-V2）×C×n×44/1000

w為溶液中c02的釋放量，v1為樣品溶液消耗的鹽酸體積，V2為空白溶液消耗的鹽酸體積，c為稀鹽酸的濃度，44/1000為二氧化碳的毫摩爾質量，n為分取倍數。

由于該實習過程中土壤培養時間僅一個月左右.其礦化的碳主要是活性有機碳，應用一級動力學方程分析土壤有機碳礦化動態：

Y=Cp×（1-exp^-kt）

Cp為土壤有機碳礦化潛力，k為有機碳礦化速率常數，t為天數，Y為土壤培養時間t時的有機碳礦化量。

（三）實習總結

指導學生按照科研論文的格式撰寫實習總結，這是研究性實習的一個重要環節。實習總結的書寫是科學研究必不可少的內容，認真做好這個寫作環節可以受益無窮。撰寫實習總結能鍛煉學生的科研寫作能力，在此過程中要改變對實習總結只注重結果正確性的傳統做法，重視對結果分析部分撰寫的合理性，融入科研設計的基本思路和寫作的基本要求，為學生以后撰寫科研論文奠定基礎。

野外實習結束后，教師指導學生利用Excel和SPSS軟件對數據進行統計分析，并用Excel軟件作圖標注分析結果，完成研究性實習總結。指導學生以科學報告的形式進行撰寫，內容包括標題、摘要、關鍵詞、引言、材料與方法、結果分析、討論與結論、參考文獻等幾個部分，使學生的實習總結能夠清楚且恰當的體現整個研究性實習的內容及過程。由于土壤在控制溫度和濕度的條件下進行，有機碳礦化量的差異可以反映不同土壤中易被利用的有機碳有效性及土壤環境因素的差異，所以，學生通過分析不同類型生態系統土壤有機碳礦化潛力的變異，系統地認識不同土地利用方式土壤有機碳礦化特征，為進一步揭示土壤碳匯功能的變化和土壤資源保護提供理論基礎。通過撰寫研究性實習總結，加深學生對生態系統物質循環和生態因子相關生態學知識的理解。

科學、完整的實習總結，能夠清晰完整地表述整個過程和獲得的結果，能夠將所得結果與已知的生態學知識和原理相關聯，并闡述該研究的價值和意義。清晰完整地表述實驗過程，保證了其可重復性，以便他人借鑒應用。對于本科生而言，如何將所得結果與其他知識進行關聯有一定的難度。因此，教師可以指導學生從以下幾個方面人手：與前人研究結果比較分析其異同，指出結果一致或產生差異的原因（可能性或是必然性的）;對所得結果進行推論，并得出結論;對研究的問題進行展望，或指出本研究需要改進的地方。針對實習總結圖表中容易出現的問題，指導學生呈現圖表的一些細節，力求使圖表能夠直觀的呈現結果，標題要簡潔，并能夠概括圖或表的意思，列出必要的符號、單位及注釋等。

（四）實習考核與評價

對每位學生的實習成績評定，從動手實踐能力、協作能力、創新意識和實習總結的撰寫等進行較為全面的評價與考核。激發學生內在的發展潛力，提升學生參與各個環節的積極性，培養學生的創新意識和創新思維，以達到讓學生成為實習的主體的目的，促進學生綜合素質和科研素養的提高。

四、研究性實習的可行性及重要性

相對于其他生態學實習，不同類型生態系統土壤有機碳礦化潛力的研究涉及到的實習方法簡單，可操作性強，實習過程中用到的器材均是學生開展其他實驗所用到的，試驗所用方法——靜態堿液吸收法也是酸堿滴定法的延伸，不需要精密儀器和設備，成本低。該研究性實習具有一定的可行性和可推廣性。

在整個研究性實習過程中，學生在老師指導下獨立完成實驗設計、實驗操作及數據的整理與分析，根據實驗結果總結揭示其中的生態學規律，最后按照科研論文的格式提交研究性實習總結。通過研究性實習的開展，充分調動了學生主動思考問題的能力，培養了學生的科研興趣。該過程的訓練可以讓學生掌握文獻檢索技巧，學會使用相關的統計軟件和作圖軟件，并能夠通過查閱文獻資料找到解決問題的方法。總之，通過研究性實習的開展，學生可以初步了解如何進行科學研究、撰寫科技論文，為今后畢業論文的撰寫和科學研究的開展奠定基礎。