植物生理学实验教程——综合设计实验与开放创新实验

**篇综合设计实验与开放创新实验的基本理论 **章　综合设计实验与开放创新实验理论基础 **节 综合设计实验与开放创新实验的内涵 综合设计实验与开放创新实验，是相对于传统的验证性、示范性实验的新型实验方式。验证性、示范性实验，在教学中主要训练较单一和经典的知识点或技能。在知识更新越来越快的知识经济、数字经济时代，这种无论是在教学内容还是教学目标和方法上都比较纵向和单一的模式，越来越难以适应教学发展和学生自身成长的需要。知识经济、数字经济时代，科技创新与传播的效率和效益迅猛增长，科技信息传播日益多元化、便捷化，人们获得科技信息日益便利，获取知识和基本技能的难度日益降低。但是，科技信息传播碎片化的趋势日益显著，这就要求人们在学习和实践过程中，更加要善于分析、鉴别和取舍，更加要善于整合、演绎和迁移，从而提高学习和实践的效率并激发创造潜能。正是在这种背景下，综合设计实验与开放创新实验应运而生，并成为教育教学改革和发展的趋势与潮流。 综合设计实验也常被表述为综合性设计实验或综合设计性实验，开放创新实验通常也称之为创新性实验。在教学实践中，上述称谓虽然在侧重点上略有差别，但前一类实验不同表述的共同特征是综合，后一类实验的共同特征是创新。实际上，所有的实验都包含设计的要素，或者说只有先设计实验才能开展实验，实验的过程是对设计的实行、矫正和开拓。实验设计广义的含义可理解为科学研究的一般程序，它包括从问题的提出、假说的形成、变量的选择等一直到结果的分析、论文或报告的写作一系列内容。它给研究者展示如何进行科学研究的概貌，试图解决科学问题的研究全过程。狭义的实验设计特指实施实验处理的一个计划方案以及与计划方案有关的统计分析。 相对于传统的验证性、示范性实验而言，综合性设计实验或综合设计性实验的表述，都突出设计的意图是强调在开展实验时发挥主观能动性，运用综合批判性、归纳性与发散性和演绎性思维，体验植物生理学科学实验的形成过程，进行科学发现的体验性学习，而不仅仅是对知识、实验技能的单一验证和掌握。综合性设计实验与综合设计性实验的表述，如果要说有何区别的话，那么前者更强调实验内容的综合性，而后者则更突出实验过程的设计性。在实际教学中，二者往往相辅相成，为了更加简洁和规范，本书将综合性设计实验或综合设计性实验统称为综合设计实验。综合设计实验是指在学生具有一定知识和技能的基础上，综合应用两个以上知识点、实验原理或实验方法，对实验技能和方法进行综合训练的一种探究性、比较性实验。综合设计实验的综合性体现在实验内容的复合性、实验方法的多元性、实验手段的多样性、实验目标的多维性。通过实验内容、方法、手段的综合运用，达到教学中掌握知识、考虑问题、培养能力、提高素质的综合培养目标。 开放创新实验是指学生在教师指导下，从自己兴趣出发或者按教师推介、选定的研究方向，针对某一或某些选定的研究目标所进行的具有研究、探索性质的实验，是学生早期参加科学研究的一种重要形式。开放创新实验是一种突破时空限制，促进知识、能力、素质综合提高，着力培养创新精神和实践能力的实验教学新模式。“创新”是对广大学生学习潜力的坚信。应该相信每一个学生都是具有一项或几项未经唤醒或发展的天赋才能，因此，要给予学生足够的时空去尝试创新甚至发明创造。创新实验需要一定时间实施和完成，仅靠课内教学学时远远不够，需要在课外进行，需要实验室提供开放的时间、场所和设备等条件，在教学管理上必然具有开放性特点，开放创新实验的名称较好切合这种实验类型的本质。 开放创新实验中的设计性更能体现学生的自主性和创造性，其体现在结合教学和独立于教学的实践探索，如指导教师给出题目，学生自己拟定实验方案、实验步骤，自己选择或者设计仪器设备并独立完成；或者学生自主选题，并独立完成从查阅资料、制定方案到完成实验的全过程，以*大限度发挥学习主动性和创造性。 第二节 综合设计实验的类型与开放创新实验的特点 教育规律表明，用科学方法探索事物的本质和规律，为了某一目的而搜集、分析资料的系统过程，应包括“研究问题、查阅文献、收集资料、分析资料、得出结论”这几个环节。综合设计实验教学把“科学家的研究过程引入到教学过程”，其教学的“设计和探索”具有模拟性、再现性、验证性、启发性、创新性的特征，学习过程和研究过程是统一的。 一、综合设计实验的类型 积极开展植物生理学综合设计实验，进行综合实验能力的训练有其必要性和重要性，不仅有利于学生更好地掌握课程实验技能，而且可为其今后进一步进行研究性学习或更高层次深造打下良好基础。植物生理学有关的综合设计实验大致可分为四类： **类：植物材料制备类实验，如叶绿体提取液的制备、原生质体的制备、细胞膜的制备等。 第二类：复杂仪器操作类实验，如用“阿贝折射仪”测定含水量、水势；用“红外线CO2气体分析仪”测定呼吸作用或光合作用；用“氧电极”测定光合磷酸化和氧化磷酸化；用“流式细胞仪”测定细胞的活动。随着实验手段的快速发展、新的仪器设备不断出现，这类实验将越来越丰富。 第三类：鉴定生物大分子（包括酶）的实验。这些实验都不同程度地需要用到分离、纯化核酸和蛋白质（有时还有其他生物大分子）的手段，并且还要通过一些特殊的化学反应以及仪器（层析仪、电泳仪、各种分光光度仪，甚至还有核酸和蛋白质的分析仪）来分析这些生物大分子。因此，实验时间往往比较长，实验操作难度比较大。随着分子生物学技术的发展，将来会有更多更高级的该类实验。 第四类：植物材料培养类实验，大部分属于比较经典的植物生理学实验，如“植物的缺素培养”“各类激素对植物生长的作用”等。这类实验往往要对植物材料进行预处理，配制培养液。此外，培养、观察和记录都需要很长一段时间，工作量比较大。虽然实验方法比较经典，但是现代的农业、林业、生态学以及基因工程都离不开这些实验手段。在植物生理学实验课中，应该着重训练和培养这类综合实验能力。 另外，还可以有目的地将几个相关的基本实验组合在一起，形成一个较大的综合设计实验。本书的综合设计实验主要就是依照这个思路来安排的，以下的一些组合可供参考。 （1）与叶绿素相关的实验组合：将“叶绿素的提取”“叶绿素的分离分析（纸层析或柱层析）”“叶绿素的理化性质”“叶绿素a、叶绿素b的吸收光谱曲线”“叶绿素a、叶绿素b含量测定”这几个基本实验串联组合成一个大的综合设计实验。 （2）与叶绿体相关的实验组合：将“叶绿体分离提取”“叶绿体荧光的显微观察”“叶绿体荧光强度测定”“叶绿体的希尔反应”“叶绿体中ATP酶的活性测定”这几个实验串联组合成一个大的综合设计实验。 （3）关于“溶液培养”和“矿质营养”等的组合：以小麦（或其他植物）的幼苗作为材料，将“植物的单盐毒害及离子对抗作用”“环境因子对植物吐水的影响”“植物组织中可溶性糖、可溶性蛋白的测定”等实验组合在一起，设置不同的对比条件：①单盐培养液/混合培养液；②湿润/干旱；③低温/高温。进行培养后观察：①根的生长情况；②吐水情况；③吐水液（或伤流液）的可溶性糖、可溶性蛋白的测定。这样，就可以把这些基本实验（有些原来只是验证性实验）组合成一个很有意义的综合设计实验。 （4）将“植物的必需元素”“植物的脱分化”“愈伤组织的再分化”“激素对植物生长和分化的作用”等内容，通过“植物组织培养”的手段组合成一个大的综合设计实验。“植物组织培养”本身就是一个单独的实验，通过培养基的不同设置、激素的不同配比，设置多个观察记录的指标，可以得到丰富的结果。 （5）种子性状有关实验的组合：如以大麦种子为植物材料，将“种子活力的测定（组织化学法）”“种子的过氧化物酶（或其他酶）的活性测定”“赤霉素（GA）诱导大麦种子α-淀粉酶的产生”这几个实验串联组合成一个大的综合设计实验。 （6）种子萌发实验的组合：如将“光质对莴苣种子萌发的影响”“GA对莴苣种子萌发的作用”“GA对莴苣下胚轴伸长的作用（与其他激素作对比）”这几个实验串联组合成一个大的综合设计实验。 在具体的综合设计实验中，组合的内容多少、难易程度，可根据实际情况来安排和实施。 二、开放创新实验的特点 （一）以基本理论和基本实验技能为基础 开放创新实验不是凭空想象出一个实验，而是在一定知识积淀的基础上的创造性活动。因此，需要在学习了一定植物生理学理论知识以后，并且在完成了植物生理学及相关课程如无机及分析化学、有机化学、生物化学等的基础实验，掌握了基本实验技能以后，才可能顺利进行。对此，需要有清醒的认识和明确的遵循准则，否则就是无源之水。同时，也应说明的是，综合设计实验同样以基本理论和基本实验技能为基础，这是开放创新实验和综合设计实验共同的特征。 （二）在实验内容和实验过程中体现开放性 开放创新实验，教师只是对实验的方向和范围给出指导纲要，具体的实验内容和实验所需的器材，实验所运用的方法，实验过程需要的时间，以及实验所需要的场所（有些可能还需要利用室外条件）等实验过程，都具有由学生自主控制的相对自由度。也就是说，实验内容和实验过程都突破了传统实验的局限，因而体现开放性的特点。 （三）不依赖和复制现成的实验具体步骤 开放创新实验是一种创造性活动，不能照搬现成的实验方案，而是应该应用所学过的实验方法，组建一套新的实验方案。这是一种创造性的设计过程。 （四）体现独*新颖的思路和方法 开放创新实验强调显示和训练实践过程的创造性，因此对选题、解题思路、实验方法以及解决问题、分析问题的方法要求有所创新。即使不能全新，也要求有部分创新，具有某方面的独*性或新颖性。 开放创新实验的“创新性”是*大挑战。不过，必须指出的是，作为课程实验的开放创新实验，对“创新性”的要求，自然不必太高，不需要强制达到实验结果能在学术刊物公开发表的程度。主要教学目的是训练学生的创新思维和自主控制、完成实验的能力。 （五）撰写小论文 开放创新实验的*后报告要求以正规论文范式写作，虽然不要求达到发表的水平，但要求领悟和掌握科学论文格式特征与写作规范，懂得什么是“摘要”，什么是“引言”，什么是“材料与方法”，以及如何写“结果”，如何对“结果”进行“分析”和“讨论”，等等。 综合设计实验，类似于一些学校开设的“大实验”，主要是实验内容的综合性，其中的“设计”一般是由教师完成的，所以通常不要求学生写出实验论文。 第三节 综合设计实验与开放创新实验的共同原则 一、创新性原则 无论是综合设计实验还是开放创新实验都不能忽视创新性，所不同的是综合设计实验的“创新性”主要由教师主导完成，而开放创新实验的“创新性”主体是学生。开放创新实验所要求的“创新”，即要求至少用已学过的实验方法来完成一个新型的实验，而不应该用做过的实验来替代。相对于验证性基础实验而言，综合设计实验与开放创新实验不要求也必然无法在每一个环节都创新，但实验对象、实验目的、实验技术的组合等，都要求是新颖而不同于一般的常规基础型实验。譬如，叶绿素的吸收波长是不可能变化的，但是选取什么植物材料、如何选取植物样品、实验的结果想要说明什么问题以及还可以结合哪些其他实验手段，这些都是可以设计、可以综合、可以创新的。 此外，“创新”往往要参考实验指导书上没有做过的实验，或者是参考课程以外的相关实验指导书。但应加强实验的目的性，即加强实验中设计的成分。单纯为应用掌握一个新的实验技术，意义就不是很大。譬如，测定光合作用的强度，可以参考课程以外的方法，但不要只是为做这个方法而去做这个实验。可以设定一个目标—测定光合作用的强度是为了说明植物的何种问题，还是为了说明环境的哪些问题，或是为了说明两种技术之间的内在联系。这样就赋予了某种技术一个价值、一种意义，就有了操作者本身的思想，从而体现和达到创新思