原煥英

(浙江農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)類國家級實驗教學(xué)示范中心，浙江 臨安 311300)

植物生理生態(tài)學(xué)綜合實驗設(shè)計及實踐

原煥英

(浙江農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)類國家級實驗教學(xué)示范中心，浙江 臨安 311300)

綜合性實驗教學(xué)對學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力及綜合素質(zhì)的培養(yǎng)具有重要作用。該文基于教師科研項目，對植物生理生態(tài)學(xué)綜合性實驗項目的設(shè)計、實施及效果進行了探討。實踐表明，綜合實驗教學(xué)明顯提高了學(xué)生的積極性和主動性，培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力、獨立分析和解決問題的能力，達到了良好的教學(xué)效果?？茖W(xué)研究和實驗教學(xué)相結(jié)合作為一種新的實驗教學(xué)模式是一種有效的教學(xué)方法。

植物生理生態(tài)學(xué)；綜合實驗；設(shè)計；實踐

實驗是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，是課程理論教學(xué)的重要組成部分，是貫穿理論聯(lián)系實際教學(xué)原則的有效手段和教學(xué)方法。同時實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科研、實踐能力和綜合素質(zhì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是開創(chuàng)創(chuàng)新教育的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

隨著實驗方法、儀器設(shè)備的改進及對學(xué)生綜合素質(zhì)要求的提高，如何提高實驗教學(xué)質(zhì)量和改善教學(xué)效果，增強學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力，從而更好地利用所學(xué)的知識和技能解決實際問題，在目前的教學(xué)實踐中極為迫切。高校多年的實踐[3-4]證明了綜合實驗教學(xué)符合培養(yǎng)知識、能力、素質(zhì)綜合發(fā)展的創(chuàng)新型人才。綜合實驗內(nèi)容涉及課程的綜合知識，是把各種基礎(chǔ)理論知識、實驗技能、實驗方法、實驗手段有機地結(jié)合在一個實驗中，是一種有效的實驗形式[5-6]。實踐也證明綜合實驗對學(xué)生自身要求更高，實驗效果更好，對提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識具有非常重要的作用[7-8]。

植物生理生態(tài)學(xué)是高等林業(yè)院校生態(tài)學(xué)專業(yè)重要的專業(yè)課程之一，植物生理生態(tài)學(xué)是研究生態(tài)因子與植物生理現(xiàn)象之間關(guān)系的科學(xué)，是認識各種生態(tài)關(guān)系的基礎(chǔ)，它從生理機制上探討植物與生長環(huán)境的關(guān)系，植物在不同環(huán)境條件下的適應(yīng)性，它能夠給許多生態(tài)環(huán)境問題以生理機制上的解釋，其研究得到廣泛的重視[9]。對于森林、草原等更新資源的開發(fā)利用與管理，水土保持和控制環(huán)境污染等方面顯示出預(yù)測和指導(dǎo)作用[10]。因此植物生理生態(tài)學(xué)學(xué)科快速發(fā)展，成為生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向，是生態(tài)學(xué)專業(yè)的重要課程，對培養(yǎng)林業(yè)、環(huán)境及生態(tài)學(xué)人才十分重要。本文對植物生理生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)改革中實驗項目的設(shè)計、實踐等問題初步探討，期望通過實驗教學(xué)激發(fā)學(xué)生的求知欲和對植物生理生態(tài)學(xué)科學(xué)研究的興趣，挖掘?qū)W生的潛在學(xué)習(xí)能力，加深對專業(yè)的了解，培養(yǎng)學(xué)生的科研、創(chuàng)新等綜合能力。

1 綜合實驗課程規(guī)劃

植物生理生態(tài)學(xué)是一門理論性、綜合性較強的課程，選擇在大三的第二學(xué)期開展。植物生理生態(tài)學(xué)理論課主要涉及植物的生長環(huán)境、植物生長發(fā)育、光合、水分生理生態(tài)以及自然環(huán)境和污染環(huán)境脅迫下植物的響應(yīng)。針對該課程特點設(shè)計了部分綜合性實驗，對實驗設(shè)計、實踐及考核方面進行探討。

基于教師的科研項目，對環(huán)境污染脅迫下植物的生理生態(tài)影響實驗以綜合實驗的形式設(shè)計和實施，將研究和教學(xué)相結(jié)合，可以加深理論知識的理解，鞏固課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，深入理解生態(tài)學(xué)現(xiàn)象以及現(xiàn)代植物生理原理應(yīng)用。提倡實驗教學(xué)和科研課題的結(jié)合，也是創(chuàng)造條件使學(xué)生能較早地參與課題研究和創(chuàng)新活動[11]。

設(shè)置綜合性實驗作為一門獨立的實踐課程，在整個實驗過程中以學(xué)生參與為主，提高學(xué)生實踐和獨立思考的能力，調(diào)整后的綜合性實驗更加注重內(nèi)容的研究性、廣泛性和知識性，側(cè)重于學(xué)生的參與和培養(yǎng)學(xué)生的分析思考能力。

2 實驗項目內(nèi)容設(shè)計

植物生理生態(tài)學(xué)課程涉及的內(nèi)容較廣，就環(huán)境污染脅迫對植物生理生態(tài)的影響設(shè)計了一些綜合實驗項目，項目的設(shè)計流程為：討論選擇一個生態(tài)實驗案例→查閱文獻設(shè)計實驗(實驗內(nèi)容、實施)→開展實驗→實驗報告撰寫。實驗材料選擇亞熱帶常綠樹種香樟一年生幼苗，香樟是重要的鄉(xiāng)土及園林樹種，萌蘗幼苗種植及管理，適合學(xué)生參與實驗。根據(jù)植物生理生態(tài)學(xué)實驗大綱及生態(tài)學(xué)專業(yè)一般需要掌握的實驗技能要求，考慮到生理和光合是評價植物環(huán)境脅迫的重要指標，設(shè)計了以下4個實驗內(nèi)容，驗證環(huán)境污染(重金屬鎘)脅迫對盆栽植物幼苗的影響。

1)植株生長狀況的影響。

設(shè)計了不同程度的鎘污染脅迫處理，詳細觀察和記錄不同程度的鎘污染對盆栽植物的生長影響表現(xiàn)。對植株的高矮、根莖的粗細、葉片的大小、顏色等進行觀察記錄，比較不同脅迫條件下植株的生長狀況，分析其對植物光合、呼吸、植物營養(yǎng)和水分循環(huán)的影響。通過直觀的觀察和測定，使學(xué)生能更為深刻地理解環(huán)境變化對植株的影響，以及可能的生理相應(yīng)。

2)植株葉綠素含量及光合生理的影響。

植物的物質(zhì)積累依靠光合作用，葉綠素含量的多少決定著植物光合作用能力的大小，在環(huán)境脅迫下，葉綠素含量的變化可反映植物的損害程度，植物葉綠素含量和光合作用都是重要的生態(tài)學(xué)現(xiàn)象。實驗測定鎘污染脅迫下植株的光合生理指標，主要有葉綠素含量的變化、光合有效輻射下各參數(shù)的變化，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、光合有效輻射(PAR)、葉片水分利用效率(WUE)等，和傳統(tǒng)實驗室按照步驟進行不同，在了解實驗內(nèi)容和查閱相關(guān)文獻資料后，該實驗學(xué)習(xí)對實驗儀器原理的理解和對儀器的熟練操作，以及使用注意事項及故障的排除；掌握測定方法和研究手段，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的處理方法及實驗結(jié)果分析，比較鎘污染脅迫下各光合參數(shù)的變化，結(jié)合植株生長狀況分析其原因、機理。該實驗結(jié)論必須由學(xué)生自己分析得出，需要掌握植物光合生理的知識，理解各項生理參數(shù)的意義及測定原理。通過本實驗鞏固了理論課上所學(xué)知識，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合分析能力和思維能力。

3)植物葉綠素熒光含量的影響。

葉綠素熒光特征能夠反映植株葉片的光合效率和潛在能力。在環(huán)境脅迫下，植物葉片葉綠素熒光的變化特性可以在一定程度上反映環(huán)境對植物的影響，采用便攜式熒光測定儀測定植物光合過程中的熒光特性，了解植物受脅迫的生理狀況，即植物在鎘污染脅迫下潛在的最大光合能力、實際光能轉(zhuǎn)化效率、植物的光能利用效率等特點。主要參數(shù)有 PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)、 任一光照狀態(tài)下 PSⅡ?qū)嶋H光能轉(zhuǎn)化效率(Yield)、 PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)和電子傳遞速率(ETR)等。通過對各熒光參數(shù)的分析，了解植物的抗逆性，和植物光合作用各參數(shù)指標相結(jié)合，分析其污染脅迫后的變化特征、原因及其機理，在實驗中學(xué)會數(shù)據(jù)的處理分析方法，深入理解熒光各參數(shù)的含義、掌握儀器測定原理、技術(shù)等研究手段。

4)植物保護酶活性的影響(SOD、POD、CAT)。

植物保護酶是一種有效的抗氧化系統(tǒng)，是植物對逆境脅迫的一種防御機制，是植物適應(yīng)各種逆境脅迫的重要酶類。測定不同程度環(huán)境污染脅迫下植物的SOD、POD、CAT酶活性，了解鎘污染脅迫下植物酶活性變化的特點，植株的適應(yīng)性和反饋，和前面測定的植物生理特征相結(jié)合，分析其相互作用和影響。該實驗是在室內(nèi)進行，涉及常規(guī)使用儀器如紫外分光光度計、離心機等，可以鞏固這些設(shè)備的原理學(xué)習(xí)和操作技能，加深學(xué)生對常規(guī)儀器的操作規(guī)范和實驗技能學(xué)習(xí)。

3 實驗項目的實施

3.1 實驗安排

綜合實驗項目內(nèi)容涉及廣泛，既有室內(nèi)的實驗也有室外的測定，實驗過程需要比較長的時間，所以選擇在周末進行，可以保證實驗的連續(xù)性。為了節(jié)省時間和利用現(xiàn)有的各種儀器設(shè)備教學(xué)資源，安排3～5人一組，實驗分組進行也有利于培養(yǎng)學(xué)生相互協(xié)調(diào)、團結(jié)合作，相互探討分析激發(fā)學(xué)生的思維能力，綜合實驗一般都采取分組的形式[12]。實驗和教師科研結(jié)合，把單個的實驗項目整合到一個研究項目里，即選擇不同程度重金屬鎘污染對植物幼苗生理生態(tài)狀況的影響，從實驗設(shè)計(測定內(nèi)容)到實踐(實驗各指標測定)，包括儀器操作、試劑配制、結(jié)果分析及最后實驗報告撰寫，由學(xué)生獨立完成，并做好實驗記錄，教師全程參與指導(dǎo)。

3.2 實驗教學(xué)及實踐

整個實驗24個學(xué)時，分為兩個階段。第一階段，根據(jù)教學(xué)大綱和實驗?zāi)康倪x擇該實驗相關(guān)的幾個生態(tài)學(xué)問題，探討環(huán)境污染如酸雨、重金屬、UVB輻射、氮沉降等對植物生長、發(fā)育及生理特性的可能影響，然后根據(jù)教學(xué)資源選擇一個研究方向，規(guī)劃實驗內(nèi)容。學(xué)生查閱文獻學(xué)習(xí)研究方法，進行實驗布置(種植苗木、污染脅迫處理等)；通過教師培訓(xùn)課后練習(xí)，學(xué)習(xí)掌握實驗所用的儀器設(shè)備，了解室內(nèi)實驗和室外測定注意事項，可能遇到的問題及解決方法。實驗室全天開放，教師全程參與，隨時和學(xué)生討論遇到的問題。第二階段，實驗內(nèi)容的測定，在前期實驗預(yù)習(xí)準備基礎(chǔ)上選擇周末進行實驗測定，由于實驗資源和時間有限，學(xué)生分組交叉進行實驗，每個實驗小組選擇一個脅迫梯度測定。室外或室內(nèi)的幾個實驗項目可以同時展開，如測定植物光合生理指標和測定葉綠素熒光同時進行，植物保護酶活性的測定也可以同時開展，需要小組成員協(xié)調(diào)配合。實驗中全程做好實驗記錄，最后各小組數(shù)據(jù)匯總，每個實驗小組就全部數(shù)據(jù)進行處理、分析探討實驗結(jié)果，撰寫實驗報告。

3.3 實驗報告的撰寫

實驗報告的書寫以整個實驗項目為一個題目，對不同的實驗項目內(nèi)容測定匯總進行分析，得出自己認為的結(jié)果，實驗報告以科技論文的模式書寫。對實驗結(jié)果的分析是實驗教學(xué)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生分析問題能力的主要手段，也是提高教學(xué)效果的有效途徑。學(xué)生對實驗結(jié)果討論分析需要說明一定的問題，如驗證了什么現(xiàn)象、得出了什么結(jié)論、存在什么問題等。對實驗課的體會和想法也要體現(xiàn)在實驗報告中，這樣有利于學(xué)生認真的思考實驗的真正意義；同時以科技論文的形式完成實驗報告有利于學(xué)生對科學(xué)論文撰寫技能的學(xué)習(xí)和提高，為本科生畢業(yè)論文的撰寫積累一定的經(jīng)驗。

4 實驗綜合成績考核

5 結(jié)束語

通過綜合實驗教學(xué)，學(xué)生對資料查閱和科研選題、實驗設(shè)計、實驗的實施、實驗數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析和討論，以及對科研論文的撰寫有了一定程度的了解和學(xué)習(xí)。綜合實驗教學(xué)明顯提高了學(xué)生對實驗的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生自覺學(xué)習(xí)的能力、團結(jié)協(xié)作的精神和嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。綜合實驗的選題和教師的科研研究項目結(jié)合，以科學(xué)成果充實了教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考、分析和解決問題的能力，提高了學(xué)生對植物生理生態(tài)學(xué)研究的興趣，更好地掌握了本專業(yè)的知識，對目前全球氣候變化下的生態(tài)環(huán)境有了更好的解讀。綜合實驗對學(xué)生考核的多元化評價，對學(xué)生實驗記錄分析總結(jié)、課程過程中的隨機提問及實驗中問題的解決方法、科研論文撰寫實驗報告等方式，促進了學(xué)生的可持續(xù)全面發(fā)展。 因此綜合類實驗不僅有利于學(xué)生基本技能的訓(xùn)練，而且對于實驗設(shè)計能力、思維擴展及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常重要，特別是促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性、主動性和可持續(xù)發(fā)展，符合21世紀對林業(yè)人才和生態(tài)建設(shè)的需求。

實驗中也存在一些問題，一方面是教學(xué)資源不足，該實驗涉及的儀器和設(shè)備都較為貴重和精密，需要在數(shù)量上有所提高；另一方面課時有限而綜合實驗比較耗時，需要更好的規(guī)劃和協(xié)調(diào)使得實驗順利開展，同時需要建立規(guī)范的科研和實驗教學(xué)相結(jié)合的實驗基地，更好地把科研和實驗相結(jié)合、相融合，而課程的改革也需要教師和學(xué)生的多方面交流與溝通，從而不斷努力提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

[1]張剛.環(huán)境科學(xué)專業(yè)實驗課教學(xué)改革探討[J].實驗室科學(xué)，2009，12(2)：44-46.

[2]吳燕,楊毅,楊艷燕,等.從生物學(xué)實驗教學(xué)看學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索,2005,24(2):69-71.

[3]淮虎銀，金銀根，孫國榮，等.植物學(xué)綜合性實驗項目的設(shè)計與實踐[J].實驗室研究與探索，2006，25(5)：638-640.

[4]孫設(shè)宗，丁愛玲，王生慧，等.生物化學(xué)綜合性研究性實驗的實踐與評價[J].山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育版)，2005，7(3)：298-300.

[5]段曉英，姚天明，楊勇，等.巧設(shè)綜合實驗提升綜合能力[J].實驗室研究與探索，2008，27(4)：97-99.

[6]張小林，周美華，李茂康.綜合性、設(shè)計性實驗教學(xué)改革探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2007，24(7)：94-96.

[7]梁曉夏，王國慶，馮家勛，等.生物類本科生綜合性實驗設(shè)計與實踐[J].實驗室科學(xué)與技術(shù)，2009，7(3)：116-118.

[8]田運生，劉維華，王景春.綜合性設(shè)計性實驗項目建設(shè)的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2012，19(2)：126-129.

[9]蔣高明.當前植物生理生態(tài)學(xué)研究的幾個熱點問題[J].植物生態(tài)學(xué)報，2001，25(5)：514-519.

[10]王林.植物生理生態(tài)學(xué)研究與展望[J].玉溪師范學(xué)院學(xué)報，2001，17(sl)：260-261.

[11]李曉萍，付有志，劉戎，等.有機化學(xué)綜合性、設(shè)計性實驗的選擇與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].白城師范學(xué)院學(xué)報，2011，25(1)：84-88.

[12]韓宏巖，許維岸.生物類本科生綜合實驗設(shè)計與實踐的探索[J].實驗室研究與探索，2014，33(3)：168-171.

DesignandPracticeoftheComprehensiveExperimentinPlantEcophysiology

YUAN Huanying

(National Demonstration Center for Experimental Forestry Education,Zhejiang Agriculture and Forestry University,Lin’an 311300，China)

Comprehensive experimental teaching plays an important role in the students’ practical ability，innovation ability and comprehensive quality training.Based on the scientific research projects，this paper discussed the design，practice and effect of the comprehensive experimental project in plant ecophysiology.As a result，the reform practice effectively improved the learning initiative and enthusiasm of students’，trained the ability of scientific research，and independently analysis and problem solving ability，achieved a good teaching effect.As a new mode of experiment teaching，it is a useful way for the experiment teaching.

plant ecophysiology;comprehensive experiment;design;practice

2015-11-28；修改日期:2016-01-12

浙江農(nóng)林大學(xué)實驗室管理與教改項目(KG14065)。

原煥英，(1974-)，女，碩士，助理研究員，主要從事生態(tài)學(xué)及土壤環(huán)境污染方面的研究。

G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.028