植物生理生化實驗課程思政教學設計

張惠瑩，劉 建，陳冬梅，宋圓圓，曾任森，秦 源*

（1.福建農林大學 生命科學學院，福州 350002；2.福建農林大學 農學院，福州 350002）

如果說思政課程是顯性的、震人心肺式的德育，那么課程思政則是隱性的、春風化雨式的教書育人，是大德育的新提法。其實早在西漢年間就有了對課程思政和大德育的另外一種說法，比如禮學家戴圣就曾提出：“師也者，教之以事，而喻諸德者也?！爆F階段我國課程思政也取得了快速發展[1-4]：2016 年12 月，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，堅持立德樹人，把思政工作貫穿于教學全過程，全程育人、全方位育人；2017 年，課程思政正式作為全國性行動開展起來；2018 年，課程思政在全國各類課程大力推廣；2019 年，習近平總書記在學校思想政治理論課教師座談會上強調，辦好思想政治理論課，最根本的是要全面貫徹黨的教育方針，解決好培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人這個根本問題；2020 年，習近平總書記在教育文化衛生體育領域專家代表座談會上指出，把立德樹人作為教育的根本任務，深化學校思想政治理論課改革創新，培養學生愛國情懷、社會責任感、創新精神、實踐能力；2021 年，《教育部高等教育司2021 年工作要點》強調：強化價值塑造，全面加強高校課程思政建設，使各類課程與思政課程同向同行，構建全員全程全方位育人大格局。全國高校認真貫徹落實習近平總書記課程思政重要指示精神，通過舉辦教師教學發展系列活動、研討會和創新教學大賽等，引導教師創新教學理念、改進教學方法、整合教學內容，堅持把立德樹人作為中心環節，將思政元素潤物無聲融入各類教育中，形成每位教師講思政，每堂課有思政，推動全員全過程全方位協同育人[5-9]。

課程是課程思政建設的基礎，思政是進行課程思政的根本，課堂是實現課程思政的重點，教師是落實課程思政的關鍵，學生是檢驗課程思政的效果[10]。如果說理論課堂重在“思政”方向的指引，那么實驗課堂則重在“思政”能力的有效訓練和有效實踐[11]。各高校都越來越重視實驗教學環境在課程育人中的重要作用[1,12-13]。植物生理生化實驗課[14]是高等農林院校生物科學、農學、植物保護、園藝學、生態學和茶學等專業基礎必修課，筆者進行植物生物化學實驗課的實施思路是：寓道于教、寓德于教、寓教于樂。將德育與知識教學融為一體，以教學內容為載體，借助榜樣力量、生活案例、國家需求以及學生喜聞樂見的典故，適時融入德育元素，在快樂的學習中培養學生團結協作、嚴謹認真、勤于思考、善于發現、不斷創新等科研素養，在潛移默化中提高學生創新能力、實踐能力、發現問題和解決問題的能力，在潤物無聲中引導學生勇攀科學高峰、敢于追求夢想、共筑科技強國夢。黨的十八大以來，習近平總書記強調建設生態文明、推動綠色低碳循環發展[15]，硝酸還原酶（nitrate reductase，NR）活性測定這堂實驗課正是響應這一號召的關鍵實驗課，筆者精心準備、巧妙構思這堂別出心裁的實驗課程思政，為高校課程思政的開展提供借鑒。

1 課程思政教學設計思路

1.1 學情分析

通過課前預習，利用“雨課堂”或“學習通”課前、課后測試等，進行學情分析，判斷學生的學習特征和能力構成。本課程授課對象為福建農林大學農學、林學、植物保護、生物科學和園藝等專業大二上學期本科生，已掌握了植物學、專業導論、動物學和分析化學等課程的基本知識，為本課程的學習奠定了一定基礎。同時也注意到，大二學生的專業思想欠牢固，實驗技能欠佳，創新能力不足，科研素養薄弱。而植物生物化學實驗是高等農林院校生物學專業的重要專業基礎必修課，將為后繼專業課、本科畢業論文的實施以及今后從事科學研究和生產實踐奠定扎實的實驗基礎。在此背景下，必須對教學課堂精心設計，堅持以價值塑造為核心進行知識傳授和能力培養的人才培養模式，按照“筑牢基礎、提高技能、拓展視野、關注前沿”的原則組織課程內容，把課程思政元素潤物細無聲地融入課堂，循序漸進地開展教學工作，達成課程目標。

1.2 課堂教學目標的設定

按布盧姆認知領域學習目標的描述詞表，從學生角度加以描述學習目標，制定可觀察、可測量、體現等級水平的該單元學習目標。

1）知識目標

理解硝酸還原酶（NR）測定對植物氮代謝的重要意義及實際應用；了解離體法和活體法測定NR 的不同點；掌握活體法測定NR 測定的原理及其技術要點。

2）能力目標

能夠將NR 活性的測定運用于監測植物營養健康狀況以及評價農田是否需要施肥，也可作為篩選高效利用型新品種的指標之一，為綠色高效生產提供借鑒。

3）素質目標

注重培養學生創新意識、創新思維、創新精神、創新能力和創新方法等科研素質，提高學生“兩山”（綠水青山就是金山銀山）意識、科技助力鄉村振興意識和“三農”（農業、農村、農民）意識，實現“綠色”農業生產。

4）情感目標

培養學生用科學知識報效祖國的志趣，激勵學生勇攀科學高峰，為實現我國“生態文明建設”而奮斗！

注重單元目標與課程學習目標保持一致；建構“學習目標-學習活動-學習測評”的標準一致。

1.3 課堂教學策略

融合雨課堂與翻轉課堂PBL (problem-based learning) 的教學模式[6]，采用線上線下混合式教學，教師以實際生活中常見的現象導入（燒苗現象以及施肥過多引起的各種問題等），通過問題情景的設置（學以致用，我能否將所學NR 活性測定的相關知識運用到三下鄉活動中？），不斷激發學生主動思考，通過探究與合作的方式解決問題（我為農民干實事），從而學習隱含于問題背后的科學知識，提升學生綜合思考及解決實際問題的能力。另外，借助“雨課堂”等在線工具，對課前、課中和課后3 個環節進行設計與實施，以學生為中心，將課程內容擴展到實際生產應用中的熱點問題和科學前沿問題。

科研熱點：氮素是植物生長發育必需的大量元素之一，加強植物對氮的吸收同化，是提高其產量與品質的關鍵。解析農作物或果蔬氮代謝（主要指氮吸收同化）的機理是當前農學和園藝學研究的熱點之一。

科學前沿：NR 是硝酸鹽同化中第一個酶，也是限速酶，處于植物氮代謝的關鍵位置，利用基因工程手段或者合成生物學的方法提高該酶的表達或活性，有利于植物對氮的高效利用，促進作物的生長發育、品質與產量，同時減少尿素等氮肥的使用量，緩解水環境壓力，同時為綠色高效生產提供參考。

1.4 教學理念

筆者在教學上始終堅持“以學生為中心”為主體核心，以課堂教學改革創新和教師能力持續提高為兩翼，通過課程思政建設、教學團隊協作、產學研結合、大學生創新創業指導和大學生學科競賽等多維驅動為保障，逐漸形成“一體兩翼多維驅動”的教學理念。

2 實驗方案

2.1 實驗所需儀器設備、實驗材料

2.1.1 植物材料

選取新鮮的甘薯葉片或其他植物的葉片。

2.1.2 儀器設備

分光光度計、電子天平、真空抽氣設備、生化培養箱、移液管或移液槍、三角錐形瓶、普通試管、打孔器或剪刀、玻璃棒、洗瓶、小燒杯等。

2.1.3 試劑的配制

1）0.1 mol/L KNO3溶液。稱取2.527 5 g KNO3用0.1 mol/L pH7.5 的磷酸緩沖液溶解并定容至250 mL。

2）0.1 mol/L pH7.5 的磷酸緩沖液。

A 液：0.2 mol/L NaH2PO4溶液。稱取NaH2PO4·H2O 27.6 g，用去離子水溶至1 000 mL。

B 液：0.2 mol/L Na2HPO4溶液。稱取Na2HPO4·12H2O 71.7 g，用去離子水溶至1 000 mL。

取A 液16 mL、B 液84 mL，混合并用去離子水稀釋至200 mL。

3）1% 磺胺。稱1 g 磺胺，加25 mL 濃鹽酸，用去離子水稀釋至100 mL。

4）0.02% 萘基乙烯胺。準確稱取0.02 g 萘基乙烯胺，用RO 水溶解并定容至100 mL，貯于棕色瓶中。

5）亞硝酸鈉標準液。準確稱取AR 級NaNO20.985 7 g，用RO 水溶解并定容至1 000 mL。然后吸取5 mL，再用去離子水稀釋至1 000 mL，即為每毫升含NO2-5 μg 的標準液。6）30%三氯乙酸。準確稱取三氯乙酸75.0 g，用RO 水溶解并定容至250 mL。

2.2 實驗步驟及注意事項

2.2.1 標準曲線的制作

選取規格一致、干燥潔凈的7 根試管，按表1依次編號并按順序加入試劑（注意：盡量加到試管底部，每加入一種試劑，要迅速搖勻）。待試劑加完后，精確顯色20 min，立即在540 nm 波長下進行比色，讀取光密度，以光密度為縱坐標，N濃度為橫坐標，利用Excel 表格繪制標準曲線（注意：R值需要大于0.99 才算合格，才能進行下一步）。

表1 標準曲線制作及樣品液顯色過程

2.2.2 酶反應及活性測定

取樣及酶反應：在晴天上午9 點左右，從試驗田隨機選取30 片健康甘薯葉片（取樣前葉子需進行一段時間的光合作用，以積累碳水化合物，否則酶活性比較低），裝入塑料袋內，立即帶回實驗室，用蒸餾水洗干凈，吸水紙擦干表面水分（手先用肥皂洗干凈，并用蒸餾水沖洗）。用打孔器鉆取直徑約1cm 的小圓片或用剪刀剪成1 cm 左右的小方塊（避開主脈，大小要一致），混合均勻，迅速稱取0.5 g 樣品4 份，分別置于4 個50 mL三角瓶中，其中0 號瓶作為對照，1 號、2 號和3 號瓶作為測定瓶，按表2 加入試劑（葉片需全部放入液體中），然后迅速放入真空干燥箱抽氣20 min，盡量排除組織間隙的氣體，使葉片完全沉入瓶底，最后放置生化培養箱30 ℃暗處誘導30 min 并終止反應（活體法酶促反應在暗條件下進行，以防止亞硝酸鹽還原為氨）。

表2 NR 誘導過程加入試劑及處理時間

將上述各三角瓶搖均勻后，分別吸取反應液1 mL 放入試管中，按照表3 加入試劑，加入1%磺胺試劑2 mL，混合均勻，再加入0.02%萘基乙烯胺試劑2 mL，混合均勻，顯色20 min，用分光光度計在540 nm 波長下比色（以1 號管為空白），記錄光密度值。根據標準曲線查得反應液中所產生的N含量（μg），然后計算NR 活性，以每小時每克鮮重產生的N微克數表示之。

表3 NO2-含量測定加入試劑及處理時間

2.3 NR 活性計算

式中：C為根據所測樣品反應液的吸光值，在標準曲線上查得相應的 N含量μg 數；VT為反應液總體積，單位mL；W為樣品鮮重，單位g；Vs為測定時取用反應液體積，單位mL；t為反應時間，單位h。

2.4 實驗結果分析

1）小組內部之間。小組成員之間進行討論、分析原因、并找出組員實驗問題所在，勇于發現問題，并積極改正，組員之間看到別人的失敗去告誡自己不要犯類似錯誤，組員之間看到別人的優點也積極吸取。

2）各小組代表發言。需要總結小組實驗結果，并分析討論。

3）教師點評。教師根據學生的發言及時給予點評，當學生分析不當時及時指正并適當理解；當學生分析非常到位時，及時給予肯定和鼓勵。

同時教師提出高階性問題：各小組所測定的硝酸還原酶含量為什么有差異？這反應的什么科學問題？給學生5 分鐘思考時間，教師開啟彈幕模式，學生想好之后直接輸入。教師根據學生回答情況，做出深刻點評。

2.5 課后思考

逆境條件下，植物NR 活性的是否有變化？如果有變化，為什么？

3 典型教學活動-以NR 測定的實際意義為例

3.1 案例意義

NR 活性反映了植物氮同化和氮利用的能力，通過觀看“過度施肥危害”紀錄片，觸發學生心弦，心靈得到震撼；通過小組討論和老師點評，讓學生認識到過度施肥的危害，也讓學生認識到“綠水青山就是金山銀山”的深遠意義；同時讓學生認識到學以致用的重要性，增強學生內心的使命感，用科技助力農民合理施肥，實現“綠色”農業生產。

3.2 案例內容

NR 是植物進行硝酸鹽同化過程中第一個酶，也是限速酶，催化硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，NR 活性反映了植物氮同化和氮利用能力。NR 活性被作為植物營養或農田施肥的指標之一，也被作為植物品種選育的指標之一。氮肥不是使用越多越好，相反氮肥使用過度危害極大，不但使植物在遇到惡劣天氣時易倒伏，而且使抵抗病蟲害能力削弱。病蟲害加劇導致化學農藥用量增加，繼而引起食品安全問題和生態環境等一系列問題。據不完全統計，我國每年因不合理施肥導致約1 000 萬噸氮素流失到農田之外，造成直接經濟損失高達300 億元左右。除此之外，氮肥制造必須消耗大量能源，比如石油、天然氣和煤等，而這些能源都是我國緊缺資源?？梢?，全面推廣科學施肥具有極大的社會、經濟和生態效益。

通過測定植物NR 活性，反映植物氮利用的狀態，合理施肥，在增加農作物產量、提高農作物抗蟲的同時，也可以減少化肥的濫用和農藥的污染，通過觀看紀錄片和師生間交流討論，學習NR 測定對植物氮代謝的重要意義以及合理施肥的重要性。

3.3 案例實施過程

3.3.1 課前預習

學生通過雨課堂自主學習教師推送的思考題（什么是 NR？如何測定NR 酶活力？）和觀看視頻（測定NR 的實際意義？），教師根據學生完成情況設計線下課堂。

3.3.2 課中內化

1）生生互評和教師點評上次實驗的實驗報告，糾正錯誤率高的點以及容易疏忽的點，并回顧上次實驗課的重點和難點。

2）視頻導入：播放植物吸收硝酸鹽的動態過程，以小組為單位請學生歸納總結硝酸鹽同化過程，并引導思考硝酸還原酶為什么是氮吸收同化中的關鍵酶或限速酶。通過小組討論總結的方式，學生有效完成知識的內化。

3）生活常見問題引發學生深入思考：硝酸鹽施得越多越好嗎？學生帶著問題觀看教師剪切好的“過度施用肥料，造成環境污染”記錄片。以小組為單位進行討論和總結：施肥過多會帶來哪些環境問題？小組之間互評，教師進行總結并引導學生要合理施肥。

4）出乎意料小插曲：“請問對于農民而言如何把握施肥的量呢？農民家里又沒有實驗儀器，沒法做實驗”。學生的提問一針見血，學生竊竊私語，教師對學生的提問表示肯定和贊賞，并請同學們一起想想如何解決這個問題。教師由淺入深引導學生思考：先由學生了解的雙肩挑講起，大學期間學費全免，畢業后到自己家鄉服務，這是一個用知識服務家鄉的好舉措。隨著社會的進步，現在很多高校和政府機構已經組建了新的農村社會化服務體系，讓科技助力鄉村振興，加快農業現代化?，F在我們高校教師，也會選擇和自己專業對口的鄉村去服務，走入基層，幫助農民解決現實問題，即科技特派員。農民沒有條件，高校有，通過采集土壤或者葉片進行分析，根據實驗數據及時幫農民找到可行的解決辦法。另外，現在國家和政府也在推動科技小院的建設，讓科研走進農村，扎根農村，隨時隨地幫助農民解決各種問題。教師提出問題：同學們可不可以通過暑假“三下鄉”，我們為農民合理施肥做些事情呢？學生以小組為單位進行討論，學生思維瞬間被打開，比如制作科學宣傳視頻、面對面交流指導、發放一些科普書籍、科普掛圖或科普宣傳單等等。

4 結束語

本文以植物生理生化實驗課-硝酸還原酶活性的測定為例，采用視頻、講解、示范、設問、案例和反思等教學技巧，融入結合生產現象解析科學問題，調動學生學習的主動性，幫助同學構架創新思維模式；融入當前科研熱點與前沿，提高學生學習興趣，激發追求科研高峰的志向；詳細講解實驗步驟注意事項，培養學生嚴謹認真的科學態度；帶領學生分析實驗結果，培養學生善于發現問題、分析問題和解決問題的能力；引入課后思考，提高學生高階思維。將思政元素潛移默化融入課程中，利用PBL 教學模式，從植物吸收利用氮素，到氮素施肥過度，再到過度施肥帶來的食品安全和環境生態等各種問題，利用視頻播放、小組討論、師生討論等方式引導學生“兩山意識”；理論結合實際問題，我為三農辦實事等活動，厚植學生“三農”情懷，做到“一懂兩愛”（懂農業、愛農村、愛農民）。