基于開放性實驗的大學生科學素質培養

趙東芹　楊慧婷

摘? 要：實驗教學是培養學生科學思維素養的重要途徑。以常規材料日本三角渦蟲（Dugesia japonica）為例，從開放性實驗設計、實施方法、實施結果以及實施效果等方面探討以培養學生科學素養與提高學生的科學研究能力為目的開展系列開放性實驗的可行性、有效性，為后續更多、更廣地開展開放性實驗提供思路。

關鍵詞：動物學實驗;渦蟲;金課;科學素養

中圖分類號：C961? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）05-0162-04

Abstract： Experimental teaching is an important way to cultivate students' scientific thinking accomplishment. To cultivate students' scientific literacy and improve the students' scientific research ability， Japan triangle planaria （Dugesia japonica） was used as an example to carry out series of open experiment. The feasibility and effectiveness would provide an idea for more subsequent opening experiment.

Keywords： zoology experiment; Dugesia japonica; gold course; scientific literacy

2019年教育部宣布將全面實施“六卓越一拔尖”計劃2.0，建金專、建金課、建高地，從教學目標、教學形式和課程難度對課程建設提出了新的要求[1]。高等教育要重視培養大學生的創新能力、實踐能力和創業精神，普遍提高大學生的人文素養和科學素質[2]。實驗教學是培養學生科學思維素養的重要途徑[3]。生物科學專業的專業課程中實驗課所占課時可達三分之一甚至二分之一，足以說明實驗課的重要地位。傳統的實驗教學內容以驗證實驗為主，學生參照課本，觀察實物和裝片，雖然能夠在一定程度上對所觀察動物的形態、結構和反應條件等進行了解，但由于學生不參與實驗的前期準備工作，對實驗后續的延伸也缺乏深入探索，嚴重影響了對學生科學思維和創新能力的培養;教學模式是教師在理論授課和實驗課上對操作進行講解或演示后，學生按部就班地進行模仿， 難引起學生學習的積極性和主動性。因此，如何立足培養學生科研素養與提高學生的科學研究能力來設計一些開放性實驗就顯得迫切與重要。

很多一線教師對普通動物學實驗的教學進行了探討[4-7]。本文在傳統實驗內容——渦蟲活體觀察實驗的基礎上，由淺入深地設計分層實驗內容，讓學生從渦蟲采集、渦蟲飼養、渦蟲正常/異常環境中的行為觀察、異常環境下渦蟲再生能力及其可能機制等多角度、多層次地開展實驗。實驗內容的延伸以及新內容的探索不但會激發學生自主設計實驗的興趣，讓學生思索如何利用一種實驗動物做多個實驗，并在實驗實施過程中提升學生文獻的檢索能力、科研論文的閱讀能力、實驗設計能力、實驗操作能力、實驗數據分析能力、實驗結果歸納分析能力和報告撰寫能力，最終達成提升學生科研能力之目的。

一、開放性實驗的設計

日本三角渦蟲（Dugesia japonica）隸屬扁形動物門、渦蟲綱、三腸目、淡水亞目，是動物界從二胚層輻射對稱進化到三胚層兩側對稱的代表性生物，是從水生進化到陸生的過渡類型。因其分布廣泛，易采集培養，對水質變化敏感和強大的再生能力成為發育生物學和神經生物學等研究領域的理想模式生物[8]。鑒于渦蟲對水質的敏感性，使用環境化合物，比如化肥、重金屬、有機磷阻燃劑、洗衣粉、化妝品和食品添加劑等，觀察異常環境條件下渦蟲的生理行為并探討其影響機制。根據實驗開展難易程度進行如下分層設計。

（一）環境化合物對渦蟲行為的影響

攝食行為是動物的基本本能行為之一，可作為動物是否健康的評價指標，正常攝食行為可以使動物保證良好的營養條件以利于自身的生存與繁殖，正常運動行為、偏好行為是正常攝食行為的基礎。PLMV實驗和PSLA實驗都是評價渦蟲運動能力的常用實驗方法。鑒于渦蟲對水質的敏感性，除了觀察正常環境條件下的渦蟲行為，還可以使用環境化合物，比如洗衣粉、重金屬、化妝品和食品添加劑等，對渦蟲進行慢性染毒實驗，觀察渦蟲攝食行為（取食時間、路徑、取食量等）、運動行為（運動路徑、運動距離等）和偏好行為（位置偏好性實驗、光源偏好性實驗），探討環境化合物對渦蟲行為的影響，不但可以提升學生科研能力，還能強化學生的環境保護意識。

（二）環境化合物對渦蟲再生能力、再生后行為的影響

鑒于渦蟲獨特的再生特性，再生速度、神經系統再生是否正常等都是評價環境化合物毒性的指標。除了觀察正常環境條件下渦蟲的再生速度，觀察環境化合物對渦蟲再生能力（比如眼點、耳突等再生完成時間和完成水平等）、再生后行為（攝食行為、運動行為以及偏好行為）的影響，進一步對生活中常見環境化合物的生物毒性進行評價。

（三）環境化合物對渦蟲影響機制的探討

1. 渦蟲神經再生觀察

神經系統在調節動物生理功能、控制動物行為上發揮著重要作用，再生能力強大的渦蟲是中樞神經系統（Central Nervous System，CNS）扁形動物門的代表動物，被研究神經再生機制的學者所鐘愛。Van Gieson染色、Masson染色和H-E染色均可清晰地顯示渦蟲神經系統結構，選取不同時間段正常/異常環境條件下的再生渦蟲，進行組織染色，觀察其神經組織的再生情況，評價環境化合物對生物的神經毒性效應。

2. 渦蟲樹突棘結構觀察

突觸是神經元間進行信息傳遞的基本結構，樹突棘是形成突觸的關鍵部位，利用經典的高爾基染色，觀察渦蟲的樹突棘結構，從突觸可塑性角度探討神經再生機制和毒物效應機理。

3. 神經遞質含量檢測

谷氨酸（glutamic acid，Glu）和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）分別是神經系統中經典的興奮性和抑制性神經遞質，已證實渦蟲中存在Glu和GABA。高效液相色譜（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）是色譜法的一個重要分支，是分子生物學常規實驗技術之一。采用HPLC法測定正常/異常環境條件下渦蟲體內Glu和GABA含量的變化，探究神經再生的可能機制。

二、開放性實驗的實施

（一）實驗小組的組建

在超星平臺發布開放實驗信息，學生自主報名，輔以老師面試選拔，組間3-4人實驗小組。

（二）相關技能的培訓

小組組建完成后，對成員在實驗室安全、實驗室常規儀器操作、文獻獲取與閱讀要求及開題報告、結題報告、實驗性論文撰寫要求等方面進行培訓。

（三）開放性實驗的開題

邀請相關老師、研究生以及部分優秀學生當評委，組織實驗小組展示開題報告，對實驗設計的合理性、科學性、可行性進行分析點評，實驗小組結合意見進行實驗設計優化。好的實驗設計推薦參加大學生生物競賽。

（四）開放性實驗的實施

根據實驗設計，小組開展實驗，老師關注并注意引導學生自己獨立思考的意識，適時給予指導，確保實驗開展的科學性。

（五）開放性實驗的結題

同開題報告一樣，邀請相關老師、研究生以及部分優秀學生當評委，組織實驗小組撰寫結題報告，對實驗實施過程和實驗數據的合理性、科學性進行分析點評，實驗小組結合意見進行結題報告的修改完善，優秀的結題報告引導學生撰寫科研論文，推薦發表。

三、部分開放性實驗結果展示

（一）尿素對日本三角渦蟲攝食與再生的影響

中國作為農業大國，化肥使用量巨大，尿素（Urea）是目前使用量較大的一種化學氮肥，截至2020年尿素使用量占全球氮肥使用量的比例增加到70%。尿素的過量使用導致富營養化現象頻繁發生，但尿素對水體低等動物的毒性作用尚無報道。

采用半靜水式實驗法，測定了尿素對日本三角渦蟲的急性毒性，并探究了尿素曝露對其攝食與再生的影響，尿素對渦蟲24 h、48 h的LC50分別為0.28 mol/L、0.25 mol/L。后期慢性染毒實驗發現，完成再生渦蟲數目72 h前各處理組均少于對照組，且64 h時濃度為0.04 mol/L的處理組與對照組相比差異顯著（P<0.05），濃度為0.12 mol/L、0.16 mol/L的處理組與對照組相比差異極其顯著（P<0.01），見表1。以上結果說明尿素對渦蟲的再生有一定抑制作用，且具有明顯的劑量效應和時間效應。

（二）Pb2+對日本三角渦蟲的毒性效應

鉛（Lead）具有熔點低、耐腐蝕性的理化性質，廣泛用于蓄電池的生產和充當建筑材料成分等，鉛對神經系統的毒性使其成為一種危害性極大的環境毒物。Pb2+對日本三角渦蟲的行為毒性研究尚未見報道，如圖1所示。

Pb2+對渦蟲24 h、48 h的LC50分別是530.57 ？滋mol/L、232.37 ？滋mol/L。攝食實驗發現同一時間，攝食渦蟲數目隨Pb2+濃度的增加而減少，高濃度組與對照組間差別明顯（P<0.05）。隨著處理時間的延長，低濃度組與對照組間也出現了顯著差異（P<0.05）。Pb2+確實會導致攝食渦蟲的數目減少，表現為攝食抑制，且濃度越高，作用效果越明顯，如圖2所示。運動行為實驗發現隨處理濃度的升高，渦蟲運動速度總體上呈逐步降低的趨勢，說明Pb2+曝露會對渦蟲的運動能力產生抑制作用，如圖3所示。

四、開放性實驗實施效果評價

（一）申請大學生創新項目

鑒于學校學院對如何讓大學生走進科研，提前了解科研，將來走向科研，成為科研棟梁推出了的鼓勵政策，基于渦蟲相關開放實驗鼓勵學生申請大學生創新創業項目2項、大學生科研項目1項。

（二）參加生物競賽

學科競賽是順應時代對高校創新人才培養的要求、滿足大學生創新發明的內在動力需求、響應高校教育教學改革內涵發展的訴求而興起的。基于大學生創新創業項目或大學生科研項目的開展，我們鼓勵參加渦蟲開放實驗的學生參加全國大學生生命科學競賽，并獲國家級二等獎1項、省特級獎1項，省一等獎項2項，省二等獎1項。

（三）發表相關論文

從走進實驗室的懵懵懂懂，到實驗操作的駕輕就熟，是學生對科研逐步了解和深入的過程，其中不乏優秀者一直堅持著自己的科研之路，在閱讀大量文獻的基礎上，對自己研究內容的理解到了比較高的層次，結合自己對相關領域的理解或自己的實驗內容撰寫論文，《渦蟲神經再生相關基因及其調控通路》已在山東理工大學學報發表。

（四）培養了科學思維，提升了科研能力

從查找文獻入手，拉開了學生在實驗室的“科研”序幕。遇到問題學生學會了問“度娘”、問“小木蟲”、問師哥師姐，學會了看外文文獻，學會了獨立思考，形成一定想法之后再向老師求證可行性……從最開始的查找資料、采集渦蟲、飼養渦蟲和設計急性、慢性實驗，到分析實驗結果、撰寫實驗論文，每走一步都是滿滿的收獲。這是部分學生的心得體會，也說明了開放性實驗的實施效果。此外，最早參與實驗的部分同學已畢業，其中兩名同學考取中國科學院中丹學院、另有4名同學分別考取上海中科院神經生物所、中國海洋大學海洋生命學院、蘭州大學生科院和山東大學醫學院，面試過程中的表現受到相關老師一致肯定。

五、結束語

響應國家素質教育改革的號召，本文結合常規實驗材料渦蟲，在引導學生關注環境問題的基礎上，以培養學生的實踐動手能力和獨立學習能力為目的，從異常環境下渦蟲行為觀察、機制探討等不同層次設計開放性實驗，為大學生科研興趣的培養、科研素質的提升奠定基礎，實施開放性之后確實達成提高學生科學研究能力之目的。劉愛麗等[9]鑒于參與教師教學科研課堂學生數量越來越多，提議開設基本實驗技術選修課，但“僧多粥少”的現狀（比如開放性實驗開展空間不足、實驗經費短缺、指導老師精力有限等問題）仍是制約開放性實驗普及開展的關鍵，后續將進一步從開放性實驗內容設計、聯合其他實習實踐基地等入手，就如何讓更多學生受益、如何保證開放性實驗實施的可持續性作進一步探索。

參考文獻：

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[3]張瑩，張志利.實驗教學中學生科研思維能力的培養研究[J].高教學刊，2017（1）：29-30.

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[6]史曉晶，王華杰.《動物學實驗》教學的改進與探索[J].山東化工，2019，48（5）：185-186.

[7]王芳，劉小花，馬圓.強化線上教學與科研創新能力培養的實驗動物學教學改革[J].實驗教學與研究，2019，38（10）：195-197.

[8]Ross KG， Currie KW， Pearson BJ， et al. Nervous system development and regeneration in freshwater planarians[J]. Wiley Interdiscip Rev Dev Biol， 2017，6（3）：e266.

[9]劉愛麗，劉迢迢.《實驗動物學基本實驗技術》選修課的設計與探討[J].高教學刊，2019（11）：126-127+130.

基金項目：首批國家級一流本科課程“普通動物學”（2020140518）;山東師范大學實驗教學改革項目“基于提升學生科學研究能力的動物學實驗教學改革探索”（SYJG040256）、“渦蟲系列開放性實驗引領學生叩開科研之門”（SYJG040258）

作者簡介：趙東芹（1978-），女，漢族，山東菏澤人，博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向為應激神經生物學、生物學教學法。