应用型本科院校“三性”实验的开设及其实施原则

刘海涛 张科贵 刘玲

摘  要：应用型本科院校是培养应用型、创新性人才的重要来源，综合性、设计性和研究创新性实验（即“三性”实验）教学，对于培养学生综合能力、实践能力及创新能力等具有十分重要的作用。该文在理解和界定“三性”实验内涵和特征的基础上，试图构建起一套针对植物生理学实验课程的综合性、设计性和研究探索性实验体系，以推进和深化应用型本科院校的实验教学改革。

关键词：“三性”实验;应用型本科院校;植物生理学;实施原则

中图分类号 G642.0   文献标识码 A   文章编号 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

在现代教育背景和模式下，应用型地方本科院校是人才输送的重要来源，其人才培养定位和培养方案主要是要求学生在掌握一定理论知识的基础上，结合实际将所学知识运用到实践中去，即人才培养的重点是应用型创新人才[1-2]。实验室是现代大学的心脏，高等学校实验课教学内容的优化与创新，不仅是教学改革的重要组成部分，也是培养应用型创新人才的重要途径[3-5]。植物生理学是一门理论性和实践性均很强的学科，其实验技术是验证和探索植物生命活动规律的重要手段。但传统植物生理学验证性单项实验教学基本处于“照方抓药”、被动学习的状况，不能有效锻炼和培养学生解决实际问题的能力，创新更是无从谈起。综合性、设计性和研究创新性实验（即“三性”实验）的开设是优化和整合实验教学内容的重要手段，不仅可以加强学生的实验操作技能，而且可以培养学生严谨的科学作风，是培养学生综合能力、实践能力及创新能力的重要方式[6]。本文在理解和界定“三性”实验内涵和特征的基础上，试图构建起一套针对植物生理学实验课程的综合性、设计性和研究探索性实验体系，以期为植物生理学实验课程及其相关课程的实验教学改革提供参考和借鉴。

1 开设“三性”实验的目的和意义

“三性”实验是在给定明确目标的前提下，由学生独立完成资料收集、实验选题、实验设计、选材、实验实施、数据处理、结果分析、讨论和结论等环节的实验，是学生在完成植物生理学基础实验后的进一步实践阶段，亦是科学研究的实践或模拟训练，把已掌握的基本實验技术和基础理论逐步融会贯通并熟练运用的过程[7]。其目的是培养学生独立发现问题、分析问题、解决问题，独立设计实验、实施实验、分析实验结果、撰写研究报告的能力，同时也是培养学生的科研兴趣、探索精神、科学思维、严谨作风和刻苦钻研的精神。

2 “三性”实验的界定

2.1 综合性实验 综合性实验是指学生在具备一定基础知识和实验技能的基础上，综合运用某一门或多门课程的知识，对实验方法和实验技能进行综合训练的一种复合性实验。通常情况下，综合性实验的综合性特征除了实验内容的综合性之外，还体现在实验方法的多元性、实验手段的多样性和人才培养的综合性。

2.1.1 实验内容的综合性 实验内容的综合性是综合性实验的重要特征，旨在培养学生对知识的综合能力和对综合知识的应用能力。综合性实验内容一般涉及1门或多门相关课程中2个及2个以上的知识点，即实验过程中需要将相关知识点有机结合，才能顺利完成实验并得到有效数据。

2.1.2 实验方法的多元性 在同一个实验中，运用2种或2种以上的基本实验方法去完成实验并得到最终的实验结果。多元性的实验方法着重培养学生运用不同的思维方式、不同的实验方法，综合分析问题、解决问题的能力。

2.1.3 实验手段的多样性 在同一个实验中，综合运用2种或2种以上的实验手段去完成实验并得到最终的实验结果。多样性的实验手段着重培养学生从不同的角度、通过不同的手段分析和解决问题，掌握不同的实验技能。

2.1.4 人才培养的综合性 通过实验内容、方法和手段的综合运用，达到兴趣、能力、思维、素质的综合培养。

2.2 设计性实验 设计性实验是指教师给定实验目的、要求和实验条件，以学生为主体，由学生自行设计实验方案、选择实验方法和实验仪器、拟定实验步骤，加以实施并对实验结果进行分析处理的实验。设计性实验可以采取如下形式：（1）教师在给定题目的前提下，学生通过查阅文献资料后自定实验方案、实验步骤、自选（或自行设计、制作）仪器设备并独立完成实验。（2）学生自定题目，并独立完成从查阅文献资料、拟定实验方案到完成实验的全过程。在完成整个设计性实验的过程中，学生可以单人或组成小组、团队的形式协作完成。小组或团队协作完成实验时，每个学生在小组或团队内的分工应明确，要尽可能的考虑到每个学生的个体差异，尽量使每个学生都受到一定程度的训练。设计性实验开设时机一般可在学生常规或综合性实验的基础上，经历了由浅入深的训练过程后实施。

2.3 研究创新性实验 研究创新性实验是指学生在教师指导下，在一定的研究领域或教师选定的学科方向，针对某一或某些选定研究项目所进行的具有研究、探索性质的实验，是教学与科研相结合及学生早期参加科学研究的一种重要形式。研究创新性实验本质上也属于设计性实验的范畴，一定程度上可以说是具有科学研究和探索创新性质的设计性实验，与设计性实验相比强调实验内容的自主性、实验结果的未知性、实验方法和手段的探索性等特点。

3 “三性”实验的设计原则

为确保实验设计的科学性，尽量避免和减小实验误差，取得可靠的结论，“三性”实验设计通常需遵循对照、随机和重复3个基本原则。

3.1 对照原则 在实验过程中需进行分组，设立参照物。通常实验分组为处理组和对照组。在比较各组之间的异同时，除处理因素不同外，其他非处理因素应保持相同，以了解处理因素带来的特殊效应。根据实验目的和要求的不同，可选择阴性对照、阳性对照、相互对照（又称组间对照）、历史对照、自身对照等。

3.2 随机原则 随机是指任何一个体都有均等机会被分配到任意一个组中接收处理，可消除混杂因素引起的误差以减少人为因素的干扰和影响。随机化的方法很多，长用的有完全随机（单纯随机）和均衡随机（分层随机）。

3.3 重复原则 重复是指各实验组及对照组中受试对象的个数（或实验次数）需达到一定数量，可靠的实验应能在相同的实验条件下重复出来，即实验结果能保持在一个稳定的范围内，即重现性。实验结果的重现率至少要大于95%。

4 “三性”实验的开设方式及实施原则

4.1 开设方式 “三性”实验通常分以下3个阶段开展：第1阶段安排植物生理学必做的一些基本实验;第2阶段安排部分提高性选做实验。这2个阶段主要以加强学生基础操作训练和基本技能训练为主，培养和提高学生的基本实验素质和基本实验能力;第3阶段主要安排“三性”实验，以培养学生运用植物生理学理论和技术解决实际问题的综合能力。题目可由学生自由选择，每个实验完成时间只有周次限制，每周的实验时间可不受限制，实验室实行全开放制度，由学生自己查阅资料、设计实验方案、选择实验仪器、完成实验、撰写总结报告并相互交流。此阶段的开放实验注重创新意识和创新能力的培养，为学生提供发展个性和施展才能的机会，学生通过做综合性、设计性、研究创新性实验，从成功和失败中受到训练，得到启发，并使整体素质得到提高。

4.2 实施原则 “三性”实验教学实施原则应遵如下原则：（1）学生自己选题为主，教师宏观调控为辅;（2）提倡“交互式”教学，注重师生及同学之间的讨论，适时组织交流报告;（3）贯彻“启发式”和“因材施教”的教学原则。在确定实验方案的过程中，教师重点考察设计方案的科学性及可行性，可采用启发式提问的方式启发学生自己修改实验方案的缺陷，充分发挥学生主体作用。在开放实验进行过程中，充分发挥学生的自主权，引导学生自己解决实验过程中遇到的具体问题，自己分析实验中出现的各种现象，自己评价实验结果的可靠性。对于不同层次的学生可因材施教，提出不同要求，让其完成课题的部分或全部内容，并适时给予辅导。如果学生针对实验提出多种方案，应尽可能让他们实施操作，使之从多种方案的分析、比较、验证、探讨中得出结论，求得问题的解决。即使有些设计方案教师看来不可行，也尽可能让学生进行探索，使他们从失败和成功中汲取经验、磨炼意志品质，获得科学素养和创新能力的培养和锻炼。

4.3 综合性、设计性实验选题

4.3.1 综合性实验选题 综合性实验选题应体现实验内容的综合性和实验方法的多元性。

选题1：植物水分状况分析：水占原生质总量的70%～90%，植物的水分状况对植物的生理活动具有重要影响。此实验可对不同水分状况下的植株进行自由水和束缚水含量、水势及渗透势等生理指标的测定，进而分析水对植物生长发育的影响。

選题2：氮素对植物根系活力及氮代谢的影响：氮是植物体内的生命元素，对植物的生理活动、形态表现都有影响。此实验可对植物材料进行完全营养液培养和缺氮培养，2～3周后观察缺素症状，测定根系活力、硝酸还原酶活性等生理指标，进而探讨氮素对植物根系活力及氮代谢的影响。

选题3：激素的生理效应研究：植物的生长发育受遗传因素严格控制，其在生长发育过程中除需要营养物质外，还需要激素等活性物质调控。此实验可对3叶期的植株幼苗进行外源激素（如ABA）处理，5d后测定植株根系活力、叶绿素含量、光合速率、呼吸速率等生理指标，分析激素对植物生长发育的影响。

选题4：种子萌发时的生理生化变化研究：植物种子萌发时，其内部进行着旺盛的生理生化代谢。此实验可对种子萌发过程进行呼吸速率、蛋白质含量、淀粉含量、可溶性糖含量、淀粉酶活性等生理生化指标进行测定，进而分析种子萌发过程中贮藏物的代谢变化规律。

选题5：果蔬或种子品质分析：以应季蔬菜及果实为材料，分析其可溶性蛋白质、维生素C、可溶性糖、可溶性固形物、有机酸、色素、硝酸盐含量，并对不同材料和品种进行比较，分析其营养成分。

4.3.2 研究设计性实验选题 研究设计性实验选题应以培养学生综合实践能力，激发学生学习的主动性和创造性。

选题1：植物缺素培养的形态观察及其生理代谢分析：植物体含有17种必需元素，各元素具有不同的生理功能。植物缺乏某一元素会表现出特定的缺素症状，在生理指标上也会表现出相应的变化。此实验可对植物材料进行完全营养液培养培养和缺氮、磷、钾、钙、镁、铁等元素培养，2～3周后观察缺素症状，测定相关生理指标（电导率、叶绿体色素含量、根系活力、水势、过氧化物酶活性）测定，比较分析各缺素植株的生理指标变化与其形态变化之间的关系，进而说明各元素的生理作用。

选题2：植物对低温胁迫生理适应的研究：低温会对植物幼苗造成伤害，因为低温常使幼苗的细胞膜脂发生相变，使膜结构改变，引起代谢紊乱。其伤害程度可以通过测定相应的生理指标得以反映。此实验可以植物幼苗（4～5片真叶）为测试对象，进行低温处理（植物幼苗置于5℃、10℃处理4～5h，或-20℃处理10min和20min）及相关生理指标（电导率、叶绿体色素含量、根系活力、水势、抗氧化物酶活性、脯氨酸、甜菜碱、可溶性糖）测定，根据实验结果，分析所测定的各项生理指标与抗寒性的关系。

选题3：不同种作物光合能力的比较研究：不同的植物在1d中的不同时间段及不同天气（阴、晴）里的光合能力均不同。本实验采用光合测定仪及叶绿素荧光仪测定不同作物的光合指标，比较上述情况下的光合能力的差异并分析深层次的原因。

选题4：逆境胁迫对作物抗氧化酶影响的研究：逆境下植物体内会产生活性氧自由基，抗氧化酶系统可以清除这些自由基，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。此实验可选择2叶1心期的玉米幼苗进行逆境胁迫处理，处理一段时间后（7d）后，取样测定各种抗氧化酶（超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶）活性。分析玉米幼苗每种抗氧化酶活性的大小与抗逆性强弱的关系，并解释造成酶活性大小不同的原因。

选题5：源库改变对植物的生理效应：植物体有机物的运输方向取决于提供同化物的器官与利用同化物的器官的相对位置。但源库的概念又是相对的，可因条件变化而变化。源是库的供应者，而库对源具有调节作用。源和库两者相互依赖，相互制约。通过设计源库改变植物的生理变化实验，可进一步认识有机物运输与分配的规律特点。此实验可用大豆、棉花、烟草或其他植物材料，在植物生长后期，设置不同处理，如打尖、摘除部分枝条，摘除一边的叶片、抹去部分花蕾等方法，一定时间后，和对照相比较，测定相关的形态结构、物质转化、生理生化指标、分析源库改变情况下植物的生理响应。

参考文献

[1]李彬.区域经济与地方高校人才培养定位[J].高等教育研究，2007，28（8）：64-68.

[2]余魅，习友宝，刘韵.建设国家级实验教学示范中心构建创新人才培养平台[J].实验技术与管理，2006，23（12）：10-12.

[3]冯端.实验室是现代大学的心脏[J].实验室研究與探索，2000，19（5）：1-4.

[4]冯端.实验室的重要性，再强调也不过分[J].实验室研究与探索，2012，31（10）：1-2.

[5]刘广瑞，邓秋超，张少林.构建创新平台，培养创新人才[J].实验技术与管理，2008，25（2）：26.

[6]曹中一.“三性”实验的内涵与特征[J].实验室研究与探索，2003，22（4）：10-12.

[7]郭恒俊，王晓云，张立立，等.构建生物化学综合性、设计性实验教学新模式[J].实验室研究与探索，2008（5）：99-100.

（责编：张宏民）

基金项目：安徽省高等学校省级重大教学研究项目（2017jyxm0395）;淮南师范学院改革发展重大研究项目（2017zdgg03）;淮南师范学院校级质量工程项目（2017hsyxkc92，2016hsjyxm17）。

作者简介：刘海涛（1983—），男，安徽淮南人，博士，讲师，研究方向：植物逆境生理。   收稿日期：2019-03-10