普通昆虫学综合自主性实验实例设计

摘要 要培养具有创新思维和综合实验能力的植保专业技术人才,必须减少单一性、验证性和演示性实验,而增加综合性、自主性和实际操作性实验。针对二年级本科生特点及课程安排情况,就普通昆虫学课程中家蚕的饲养与观察设计了一系列综合性和自主性实验,以期培养学生的基本研究方法。

关键词 普通昆虫学;综合自主性实验;实例设计

中图分类号 G642.0文献标识码 A文章编号 1007-5739(2010)13-0016-02

AnExampleDesignofComprehensiveandIndependentlyDesignedExperimentsforGeneralEntomology

MU Li-li

(College of Plant Protection,Nanjing Agricultural University,NanjingJiangsu 210095)

Abstract In order to obtain excellent students with plant protection knowledge and creative and synthetic abilities,it is necessary to reduce single,confirmatory and demonstrative experiments,and enhance comprehensive,independently designed and practicing experiments. According to the characteristics and course of the university students in the second grade,some comprehensive and independently designed experiments were designed based on culture and observation of Bombyx mori,so as to train the students to master preliminary scientific methods.

Key words general entomology;comprenensive and independenty designed experiments;example design

普通昆虫学是最先向植保专业学生开设的专业基础课之一,其理论性和实践性均强,具有2个特点:一是研究对象复杂。昆虫种类繁多,占动物界中种类数的70%～80%;个体数量庞大,如沙漠蝗的单个种群个体数可高达250亿个;分布范围广,在自然界中几乎无处不在。二是研究内容广泛。包括形态学、生物学、生理学、分类学及生态学,其中形态学名称枯燥难记、生物学名词太多易混、分类学特征细微难认、生理学内容庞杂易忘、生态学概念抽象难懂[1-2]。而通过该课程的学习,学生既要掌握扎实的基本理论、基本知识,为后续专业课奠定基础,又要掌握本课程基本操作技能。因此,普通昆虫学难教难学。

实验课在普通昆虫学教学中占有3/5的比例。实验课能使学生消化、吸收和提炼理论课讲授的知识,是学好普通昆虫学不可替代的环节。而目前普通昆虫学的实验还是以验证性实验为主,不利于培养具有创新思维和综合实验能力的专业技术人才。因此,减少单一性、验证性和演示性实验,增加综合性、自主性和实际操作性实验是普通昆虫学实验课的改革方向。

1 普通昆虫学综合性和自主性实验开设的限制条件

普通昆虫学综合性和自主性实验的开设具有诸多限制条件。

(1)开设对象的理论水平不足。普通昆虫学是最先向植保专业学生开设的与昆虫相关的课程。开设对象对专业一无所知,对生物知识也知之甚少。此时向学生开设综合性和自主性实验,设计难度大。综合性和自主性实验的普通昆虫学基本实验的综合、补充、拓展和提升,不是几个基本实验简单相加和重复,这进一步加大了综合性和自主性实验的设计难度。

(2)开设对象的课程重,空闲时间少。二年级本科生课程任务重,空闲时间少。无足够时间设计和实施综合性和自主性实验,这要求开设的综合性和自主性实验尽量少占用学生时间,且能够达到一定的综合程度和自主性。

(3)实验室使用率过高,无法满足低年级学生长时间占用。南京农业大学植物保护学院昆虫学教学实验室承担的教学实验任务繁重,无法供低年级学生长时间使用。这要求开设的综合性和自主性实验尽量少占用实验室,最好能在实验室以外的场所完成。

2 理想实验材料的选择

家蚕是植保专业学生尤其是低年级学生理想的实验对象,主要有以下理由。

(1)家蚕的饲养、产品开发以及理论研究成果,是中华民族的骄傲。以家蚕为实验对象,易被学生接受。远在古代,我国劳动人民便和家蚕结下了不解之缘,掌握了养蚕缫丝和织绸技术。从汉代开始,大批蚕丝和绢绸便通过丝绸之路运往中亚、西亚和地中海沿岸,或通过海运到达日本、朝鲜和印度等国[3]。因此,蚕丝为人类作出巨大贡献的同时,也为中国赢得了声誉。养蚕缫丝和织绸技术成为了中华民族的骄傲。

进入现代,在我国生物学家的共同努力下,家蚕领域的研究日新月异,特别是我国西南大学向仲怀院士领导完成的“中国家蚕基因组计划”,打破了日本对家蚕研究的垄断地位,开创了我国家蚕研究和应用的辉煌前景。此项成果于2004年在国际顶级刊物Science发表[4],获得世界同行的广泛认同和一致好评。我国对家蚕饲养、产品开发和理论研究的贡献,常被幼儿园、小学、中学和大学授课老师作为生物学研究成就实例反复讲述。家蚕的饲养和观察甚至在幼儿园或小学便作为课外活动而安排过。因此,即使是胆小的女生,也能接受和认同蚕宝宝,愿意饲养和仔细观察。以家蚕为实验材料可克服学生对昆虫幼虫的厌恶和恐惧心理,为随后在专业课和实习过程中观察和操作多种幼虫奠定基础。

(2)蚕丝产品的广泛使用使家蚕成为了最早驯化的昆虫种类之一,饲养技术成熟。用桑叶、人工和半人工饲料[5]均可饲养,方法简单,省时、省力,适合于课程任务重、空闲时间少的二年级本科生作为课外实验任务。

(3)家蚕经驯化后,活动能力弱,活动范围小,因而所需饲养空间小。鞋盒、小纸盒甚至火柴盒、一次性纸杯、各种广口玻璃和塑料容器,均可用于家蚕饲养。学生可在宿舍饲养和观察家蚕。这缓解了教学实验室空间小、使用频率高的压力。

(4)家蚕的个体发育历期与普通昆虫学开设时间吻合。有利于二年级本科生同步感性认知和验证在理论课和实验课上接触的各种概念、名称和技能。

3 家蚕饲养与观察的实验设计

针对二年级本科生生物理论知识薄弱、专业知识不足以及家蚕的个体发育历期与普通昆虫学理论教学同步的特点,家蚕饲养与观察的实验设计宜由简单到复杂,循序渐进。

3.1 综合性实验

南京农业大学普通昆虫学参考的实验教材为荣秀兰主编的《普通昆虫学实验指导》。该实验教材从实验一至实验九大都以形态和生物学观察为主。开设家蚕的饲养与观察实验,可将实验教材中前9个实验的大部分观察内容整合,形成一个综合性大实验。以补充、完善和拓展实验内容,加深学生对昆虫形态特征和生物学概念的理解。

具体做法是:在春季家蚕越冬卵将孵化时,以3~5粒为一组分装于直径约10 cm的塑料培养皿或一次性纸杯等替代容器中,以湿润棉花球保湿,每个学生1份;同时配备10倍左右的放大镜,以便于观察。在发放越冬卵时,同时给学生2张表格。一张是饲养操作项目记录如每日更换桑叶或人工饲料、清除食物残渣及粪便;另一张是观察项目记录,以避免学生遗忘观察内容。

观察内容包括3个方面:一是发育过程。如胚胎发育、孵化、幼虫龄期、幼虫的取食期与漫游期(蜕皮准备期)、蜕皮过程、蜕的收取、化蛹及蛹历期、羽化及展翅、成虫寿命等。二是行为。孵化行为、幼虫对食物的搜寻和摄取行为、蜕皮和化蛹行为、成虫羽化行为、交配和产卵行为。三是形态。如幼虫和成虫形态(头部包括头壳形状、缝和沟以及硬度、口器、单眼个数及排列、触角;胸部包括胸足和气门;腹部包括腹足、气门和肛门等腹末结构)、蛹发育过程中的颜色变化和成虫器官的逐步形成等。这些是每个学生必须完成的内容,学生将家蚕越冬卵带回宿舍,自行观察。

3.2 自主性实验

自主性实验不宜太难、太耗时,应是家蚕综合性观察实验内容的延伸。

(1)实验题目的选择。可参照“大学生科研训练计划(SRT)”模式将学生3～5个人分为一组,先由实验老师设定多个题目,每组学生选择1个题目进行实验。这些题目包括:一是各个发育阶段的历期。如卵发育历期、幼虫历期、蛹历期和成虫寿命等。温度与各发育阶段历期长短的关系,即发育起点温度和有效积温法则。安排此类自主性实验时,可特意将南北朝向不同的几个宿舍的学生分成一组。朝向不同,宿舍里的温度也不同,故这些学生统计的历期长短应有差异,但有效积温相似。结果可印证有效积温法则。二是各种行为的日节律。如取食、蜕皮、化蛹、羽化、交配和产卵的日节律观察。可改变饲养环境如光照、温度的日变化进一步测定各种行为日节律的调控机制。三是各种农用化合物如蚕桑区农田和蔬菜地使用的杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长刺激剂、化肥等,各种污染物如重金属、硫化物、粉尘等施用于桑叶或加入人工饲料后对家蚕取食、生长、发育、存活和繁殖的影响。以上化学品种类很多,作用机制各异,故可设计出多种多样的自主性实验。但应注意选取的化学品必须对人安全。

此外,也可鼓励学生自己设计实验题目,但二年级本科生由于生物学知识不系统,教师应适时指导。选题完成后,各组学生在教师指导下先查阅文献,设计实验方案,明确实验用具、对照与处理设置、实验记录指标、数据分析方法等。

(2)实验用具。以上自主性实验用具种类有限,如发育历期和有效积温测定仅需增加1个量程50 ℃的酒精温度计;行为的日节律测定由于多数学生均有手表,不需增加任何实验用具;测定家蚕的取食量仅需增加坐标纸(量桑叶面积)或天平(称取人工饲料重量);测定家蚕的生长速度也仅需增加天平。此外,以上自主性实验操作步骤也简单,均可在学生宿舍完成。

(3)实验的互动过程。在家蚕饲养与观察综合性实验和自主性实验实施过程中,实验教师可利用每周的实验课通过提问的方式掌握学生的观察进度及解答学生的问题,督促学生认真观察和操作以及时完成实验内容。

4 学生论文写作能力的培养

家蚕饲养与观察实验结束之后,实验教师可选一些比较典型的实验对学生进行实验报告撰写的范例讲解,要求各组同学进行数据整理和结果分析,并按照标准研究论文的格式撰写实验报告,对各自的结果进行统计分析,对存在的问题加以讨论。由于此时学生尚未学习生物统计学等课程,根据实验内容,实验教师应协助每组学生查阅相关资料,使学生掌握对应的数据分析方法。

5 结语

高等农业院校植保类人才应具有创新思维和综合实验能力。要达到这一培养目标,必须从专业基础课抓起。普通昆虫学是第一门向植保专业学生开设的昆虫学专业基础课,在实验课中加入综合性和自主性实验内容,不仅可充分调动学生自觉学习的主观能动性,变被动学习为主动学习,而且可锻炼学生分析问题、解决问题及论文写作的能力。为随后“大学生科研训练计划(SRT)”和毕业实习的实施,以及将来研究工作的顺利开展奠定基础。

6 参考文献

[1] 杨瑞生,秦利,刘限.对害虫防治学课程的初步探索[J].吉林教育,2008(17):20-21.

[2] 张建民,王文凯,李传仁,等.普通昆虫学实验教学改革探索[J].高校实验室工作研究,2008(3):11-12.

[3] 王荫长.昆虫生理学[M].北京:中国农业出版社,2004.

[4] XIA QINGYOU,ZHOU ZEYANG,LU CHENG,et al.A draft sequence for the genome of the domesticated silkworm(Bombyx mori)[J].Science,2004(306):1937-1940.

[5] 张学明.我国家蚕人工饲料育研究进展[J].蚕桑通报,2006,37(3):12-16.