教育教学论坛_2022年第3期

林钰涓 于晓章 李艳红 梁延鹏 董堃

[关键词] 植物生理学;教学方法改革;创新思维

[基金项目] 2018年度教育部“新工科”研究与实践项目“新工科背景下的地方高校环境类专业多方协同育人模式改革与实践”（教高厅函〔2018〕17号）

[作者简介] 林钰涓（1990—），女，广西岑溪人，博士，桂林理工大学环境科学与工程学院实验师，主要从事环境毒理学研究;于晓章（1966—），男，新疆乌鲁木齐人，博士，桂林理工大学环境科学与工程学院教授，主要从事有毒污染物的植物逆境生理学和环境毒理学研究;李艳红（1975—），女，湖南涟源人，博士，桂林理工大学环境科学与工程学院研究员/副院长，主要从事水处理生物技术与环境毒理学研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）03-0061-04 [收稿日期] 2021-06-05

植物生理学是一门研究植物生命活动与环境相互作用关系的科学，涉及植物的物质代谢、能量转换和生长发育等生理过程。植物的不同生理变化反映不同的外界环境对植物的毒性作用，这对研究植物的逆境生理响应具有重要作用，因此植物生理学在环境毒理学研究中得到广泛应用。近年来，植物修复技术被认为是污染治理领域的“绿色革命”，其核心技术是利用植物的吸收和代谢功能将介质中的有毒或有害物质进行分解、富集和固定的过程，这其中涉及很多植物生理过程。“植物生理学实验”是研究不同环境污染条件下的植物应答机制的重要基础。目前，“植物生理学实验”教学更多地是为生物技术、生物科学、农学、植物保护、烟草、茶学、园艺、园林等专业服务[1-3]，而其在资源与环境、环境科学等相关专业的教学中尚未得到足够重视。近年来，环境毒理学是環境类专业的重要研究方向，主要研究范畴包括环境污染物对植物、微生物和动物等的危害，而植物生理学是环境毒理学研究方向的一门重要课程。因此，本文针对环境类专业的特点探讨创新的教学模式和合适的教学内容，通过对教学内容、教学方法、课程思政等方面进行改革和探讨，旨在满足研究生的实验需求，帮助研究生尽快开展课题，提高科研效率。此外，创新性思维是当下学生亟待掌握的能力，本课程着力于在日常教学中培养学生的创新性思维和科研能力。

一、课程内容的选择

污染物与植物毒理响应机制的研究多涉及光合作用、能量代谢、植物呼吸、植物水分吸收与利用、矿物质营养运输与利用、生长发育和抗逆性等生理过程[4，5]。现有的植物生理学实验教材包含的实验项目极为广泛，有些实验项目在环境科学专业的适用性较低。因而，本文针对环境科学的专业特点，选择7个适合该专业研究生的实验教学内容，精简课程内容使其更具针对性和实用性，同时通过教学方法改革以培养学生的学习兴趣、提高学生的自主学习能力和培养其创新性思维。选择的课程内容如下。

（一）植物的细胞生理

本章节分配2个实验教学课时，选择“植物细胞的活体染色与细胞死活的鉴定”和“植物染色体荧光原位杂交”两个实验。这两个实验教学内容，不仅适用于观察植物细胞在不同环境污染物下的细胞生理变化，还适用于微生物毒理学研究方向的实验需求，从细胞和分子水平评估污染物对植物体内部的影响。

（二）植物的水分生理

在环境毒理学研究范畴，植物的蒸腾速率和水分利用率的变化是最主要的毒理响应，也是衡量污染物对植物的毒理效应大小的常用指标，适用于绝大多数污染物的植物毒理效应研究，因此本章节选取“植物的蒸腾速率测定”和“水分利用率测定”实验进行教学。

（三）植物的矿质营养

污染物不仅影响植物细胞活性，还会通过影响植物根系的生长发育从而影响根系对营养元素的吸收，因此本章节选择“植物根系活力的测定”和“钙、铁、钾、镁、钠、磷、锌、氮等元素的测定”这两个实验内容进行教学。植物根系活力测定内容涉及植物组织染色、研磨、脱色和比色等实验操作技能，简单易上手，有助于培养学生的基本实验操作能力和规范化训练。植物矿质营养元素测定实验涉及的实验过程较为复杂，可进一步加深学生对植物生理学实验的掌握。

（四）植物的光合与呼吸作用

本章节选择“叶绿素的提取与测定”和“丙酮酸激酶活力的测定”实验，引领学生探讨不同污染物对植物光合作用和呼吸作用的影响。叶绿素是衡量植物光合作用的重要指标之一，该实验根据叶绿体色素提取液对可见光谱的吸收，根据不同色素的吸收峰的差异，选择不同的波长测定其吸光度，最后根据公式计算出各色素的含量，培养学生各方面的动手能力和计算能力。丙酮酸激酶是呼吸作用糖酵解过程的限速酶，该酶活性可采用偶联法、丙酮酸比色法等多种不同的方法进行测定，可锻炼学生的实验条件优化与选择的能力。

（五）植物激素

植物激素包括吲哚乙酸、茉莉酸、脱落酸、赤霉素、细胞分裂素、乙烯等，是植物中重要的信号分子，在植物生长发育和逆境胁迫应答中起重要调控作用。植物激素的测定一般采样高效液相色谱法和酶联免疫吸附法测定。植物激素的提取和纯化是决定实验成败的关键。因此，本章节主要讲授“植物激素的提取与分离”“酶联免疫吸附法测定植物激素含量”和“吲哚乙酸和细胞分裂素含量的测定（高效液相色谱法）”实验内容。

（六）植物生长发育

植物组织培养的基本技术和植物细胞的悬浮培养是植物生理实验不可或缺的基本技术，也是重要的前处理技术，为分子生物学实验的开展培养重要基础。环境毒理学研究方向通常需要采用分子生物学实验进行毒理作用的分子机制研究，这两项实验是流式细胞术、蛋白质免疫印迹实验最基础的步骤。

（七）植物的逆境生理

本章节选择“植物体内游离脯氨酸含量的测定”“植物组织中丙二醛含量的测定”“苯丙氨酸解氨酶活性的测定”和“植物超氧阴离子自由基含量的测定”，这些生理指标均能反映植物的抗逆性，是植物逆境生理必测的指标，这几个实验对于每一步反应要求时间把握准确、实验操作误差较小，才能保证结果的有效性。

综上，本课程每章节2个课时，总共设置16个课时，在很大程度上简化了植物生理学实验的教学内容，遵循从简单到复杂的教学模式，使教学目的更为明确、有针对性。

二、教学模式的改革

近年来，国家新工科建设及国家社会与环境事业发展的新常态对环境类人才培养提出了新的要求。新工科背景下的高校教育旨在培养一批多样化、创新型卓越工程技术人才，为我国产业发展和国际竞争力提供人才支撑。环境类专业属于交叉型、综合型学科，传统教学方式已无法满足信息时代对人才建设的要求，因而以培养新工科人才为目标的教学方法改革是当下的必然产物。案例式、启发式和翻转课堂等教学模式能有效激发学生的主动学习能力，有利于学生对重点难点知识的掌握。因此，“植物生理学实验”教学改革方法主要从以下方面进行。

（一）案例式教学

研究生学习植物生理学实验主要是为了日后的研究课题做知识储备，不仅仅要学会实验操作，还需要在实验设计过程中不断创新，不同的植物在测相同指标时实验条件、反应体系、干扰排除等均需要学生做進一步的调整和改进，因此在本课程实验教学中应注重培养学生的学习兴趣和科研能力。案例式教学法是一种基于实际问题解决流程进行教学的方法，最早被哈佛大学使用和推广，其宗旨在于引导学生根据实际案例领悟课本知识，这种教学方法有利于培养学生的探索精神和创新能力。本课程的案例式教学具体措施包括：（1）教师布置5～6个研究课题，其中包括不同的植物（如水稻、小麦、油菜等）测量同一个指标或者实验（如植物细胞的悬浮培养），让学生根据不同的实验材料优化调整适合不同实验材料测定的方法;（2）学生根据选题，4～5个人组建一个小组，在课前采用互联网手段获取文献、相关书籍和视频等资料，优化现有的实验方法和前处理过程;（3）学生采用分组讨论的方式，与小组成员讨论试验方法可能存在的缺点及实验方法改进的可行性，最终确定适合他们各自不同实验体系的条件，在课上与主讲老师讨论，并在课后验证改进实验方法的可靠性和准确性;（4）学生以PPT等形式汇报实验结果，不同小组总结和分享实验结果，以进一步提升团队协作能力。

（二）启发式教学

启发式教学指教师针对某些知识点对学生进行启发，让学生在独立思考的过程中掌握学习的方法、认同社会价值理念，创新自身的思维模式，其重要任务是通过教师引导培养学生的创新能力和想象能力。在讲到各章节时，让学生通过查阅文献和相关书籍，总结与本章节相关的其他生理指标。比如植物的逆境生理章节，除了游离脯氨酸含量、丙二醛含量、苯丙氨酸解氨酶活性和超氧离子自由基含量以外，过氧化氢的含量和电解质渗漏率也是反映植物逆境生理的重要指标，可引导学生找出更多的反映逆境生理的指标，并结合自己的研究方向选择适合研究主题的实验项目，用以说明他们拟解决的科学问题，锻炼学生的实验设计能力。在这个过程中，如对原有试验方法进行了改良和创新，则鼓励学生进一步细化试验步骤和条件，为后期申请专利做准备。这不仅可以锻炼学生的文献信息收集能力，还能激发学生的创新性思维，提高学生的科研能力。

（三）翻转课堂教学模式

翻转课堂指教师提前录制视频，通过网络平台给学生发布学习任务，学生课前学习，课堂中针对课前学习中存在的问题，学生与教师一起探讨解决，这种授课模式可大大提高授课效率，增加学生的主观能动性，激发学生的学习动力和兴趣[6]。“植物生理学实验”操作烦琐复杂，在课上讲授太多实验细节会影响课程进度，因此可通过录制微课供学生课前学习主要的知识点、实验操作注意事项，以提交实验效率，课堂内学生有更多时间进行实验探索和方法改进。如植物染色体荧光原位杂交实验，教师提前在网上搜集视频资料、录制讲解视频，供学生课前学习，不仅可以保证实验课时，还能提高学生的自主学习能力。

（四）课程思政

《教育部高等学校课程思政建设指导纲要》指出，建设高水平人才培养体系，必须将思想政治工作体系贯通其中，必须抓好课程思政建设，解决好专业教育和思政教育“两张皮”问题。课程思政是以课程为载体，以立德树人为根本，充分挖掘蕴含在专业知识中的德育元素，将德育渗透、贯穿到各类课教学的全过程，促进学生全面发展。课程思政不仅是当前思想政治教育的重要部分，而且能有效促进专业知识的教学，两者相辅相成。“植物生理学实验”课程思政元素可从多方面挖掘，如：在课程前言部分，结合教师在环境科学和环境毒理学的研究中所需要用到的植物生理学知识，以及其在日常科研中的重要性，让学生了解学习本课程的目的;讲到“植物的光合作用”内容时，引用全球变暖、低碳出行、海绵城市的作用、生态文明理念等思想政治教育元素，让学生了解植物光合作用与CO2的关系，以及日常生活中如何保护生态环境的做法，有助于学生提升自身的使命感和归属感;讲到“植物的逆境生理”内容时，可通过文献中的例子，讲解植物的逆境生理能反映哪些科学问题，以启发学生环境毒理的科研思路;在整个实验课程教学中，使用危险化学品试剂、涉及危险操作过程时，及时对学生进行实验室安全管理教育，避免发生严重的实验事故。

根据环境科学类专业的特色选择教学内容，改革教学方式，有助于更好地解决“植物生理学实验”教学内容多、课时少及学习积极性低等问题。教师在选择教学内容时应充分考虑专业特色，鼓励学生开放性选择感兴趣的实验项目，在不同的授课内容多角度融入思想政治教育元素，通过实验教学内容更新和教学方法改革，充分发挥教师和学生的主观能动性，全面提升学生的创新性思维和科研能力。