例谈高校生物类认知实验的开展及其意义

张 悦 常雅宁

华东理工大学生物工程学院发酵工程实验教学示范中心 （上海 200237）

认知教学法也被称为“认知-符号法”。它以认知心理学为理论依据，重视感知、理解、逻辑思维等智力活动在获取知识过程中的积极作用，强调对规则的理解，着眼于培养学生实际运用知识的综合能力。现代认知学习理论认为，学生的学习过程就是学生运用原有认知结构同化新知识的过程，亦即认知结构的建构、转换、发展和重建的过程。因此，要促进学生的有效学习，必须根据学生的原有认知结构进行教学，促进学生认知结构的转换与重建，从而达到完善认知结构、开发学生智力的目的[1]。整个教学过程分为复习旧知、启发生疑、以疑引探、总结归纳、巩固迁移5个阶段[2]。

实验教学是高校理工类专业教学的重要组成部分，在培养学生动手能力、专业知识传递、发散思维培养等方面具有重要作用[3]。实验教学可以帮助学生形成概念、理解和巩固生物学知识，培养学生观察现象并提出问题、分析问题、解决问题、辩证地思考问题和用发展的眼光看待事物的能力，既有利于学生学习能力的提高，又有利于学生个性特长的发展，更重要的是在探索性实验的过程中学会如何去学习、获得知识和信息，为探索未知领域奠定基础[4]。

在实验教学中建构学生认知结构的过程包括几个阶段：（1）设计问题，激发学生的学习动机。认知心理学研究发现，好的问题可以激发学生的学习动机，实验教学同样如此，无论是验证性实验，还是探索性实验，在开展实验教学之前，教师要精心设计具有启发性和指导性的问题，激活学生头脑中已有的知识经验，为接受和加工新的信息做好准备。（2）强化注意，使学生对学习做好心理准备。要使学习获得所希望的结果，必须使学生在学习时具有接受刺激的倾向和准备，教师可以运用强化等手段来刺激和形成学生适当的注意倾向和动机。（3）直接提出适当的刺激。（4）反馈准备。教师需把学生的实验结果告诉他们，然后通过评价、打分，甚至点头、微笑或者示意其继续进行下一项工作等，达到强化学生行为的目的。

1 认知实验开展的必要性

生物类专业，因学科涵盖面广、研究对象较多、使用技术较广、交叉领域较大，大多数学校在拟定教学计划时安排了很大比例的实验课程，但是都在大二以后开展，学生在大一阶段专业课也较少，课程大多是高等数学等公共基础课和现代基础化学等专业基础课。学生在大一一整年接触不到专业时的困惑容易与初入大学校门时对未来的憧憬产生激烈碰撞，迸发出消极、迷茫、不知所措等情绪。这一负面情绪一旦产生，对学生后续学习信心的建立和学生积极性的培养都非常不利。华东理工大学生物工程学院发酵工程实验教学示范中心考虑到这一情况，认为有必要结合学生高中时期的生物学知识储备、大学专业课知识结构及当前学业任务，从知识性、应用性、创新性、趣味性4个方向出发，选择难易适中且具有代表性的实验，每月定时开展，感兴趣的学生可自由选择实验参加。

2 认知实验的开展

2.1人类ABO血型测定——知识性

人类ABO血型测定是遗传学中的经典实验，内容与生活较为接近，可以很好地调动学生的积极性，实验操作相对简单，无危险因素，安全性高，成本较低。实验所需试剂等用品也较少，仅包括白瓷板、采血笔、采血针、酒精棉球、抗A抗体、抗B抗体[5]，如图1所示。

图1 ABO血型测定实验所需用品

对已报名学生进行分组后，讲解相关知识，如血液的组成、血型的遗传背景、血型测定的基本方法及自身血型测定的注意事项。血液由血浆和血细胞组成，血细胞分为红细胞、白细胞、血小板。血型是指血液中红细胞膜上存在的特异抗原的类型，该抗原的类型由一对复等位基因决定。若仅具有产生乙酰半乳糖胺基转移酶基因，则为A型；若仅具有半乳糖基转移酶基因，则为B型；若同时具备以上两种基因，则为AB型；若两种基因均无，则为O型。实验过程中着重介绍了血型测定的步骤及注意事项：清洗双手后取用酒精棉球擦拭左手无名指，然后将采血针安装进入采血笔头部凹槽，盖上笔帽，将笔对准左手无名指，右手摁蓝色正方形按钮，采血针被弹簧弹出并刺入手指，挤压伤口，将血分别挤入白瓷板上蓝色和黄色液体（分别为抗A和抗B血型定型试剂）中，用牙签轻微搅动，待其发生凝集反应。若仅蓝色液体发生凝集，则为A型；若仅黄色液体发生凝集，则为B型；若两种液体均发生凝集，则为AB型；若二者均不发生凝集，则为O型[6]。

实验操作完成后，学生兴高采烈地端着白瓷板围在老师周围讨论自己的血型及父母的血型，有学生主动提出为什么要选择左手无名指采血，万能受血者和万能授血者分别为哪个血型以及献血的利弊等较为深入的问题。这些问题的提出是实验效果最直接的体现。

2.2酸奶的制作——应用性

与血型测定的理论性相比，酸奶的制作着意向应用性倾斜。讲述发酵和微生物纯培养的概念以及酸奶发酵的步骤[7-8]，结合实验室现有条件，引导学生挖掘实验室现有替代品及操作，完成相应工艺，如：牛奶等原料的杀菌由工厂的巴氏杀菌改为电磁炉加热至沸腾数秒，发酵容器改为一次性杯子，密闭性由保鲜膜和橡皮筋实现，温度控制由培养箱完成，菌种改为市售酸奶，学生可根据自己口味选择酸奶种类及加糖量。在这个过程中，学生掌握了发酵工业的精髓——不断优化每个工艺流程，争取产量最大化、产物最优化。实验过程中还给学生展示了华东理工大学国家生化工程技术研究中心发酵罐及其配套设备的图片，在视觉上给予学生更加强烈的冲击，有学生当即表示很喜欢发酵这一由反应物转化为产物的神奇过程。

酸奶经过24 h发酵后，每位学生按要求完成一份感官评价表，从色、香、味的角度评价发酵后的酸奶，并且通过最简单的pH测定计算产酸速率，让学生有意识地通过参数检测判断发酵终点。实验中设计的感官评价，就是通过品尝的方式给予学生必要的尝试和体验，让味蕾刺激加深其印象。

2.3植物切花保鲜——创新性

该实验设计了植物切花保鲜，从什么是切花及为什么要进行切花保鲜、切花衰老的原因、如何进行切花保鲜、保鲜效果的鉴定及凋谢生成物质的鉴定、实验对植物生理学学习的启发、实验对创新创业的启发、生活中的切花保鲜等问题出发，带领学生进入切花的世界开始一场漂亮的衰老对抗赛。学生由人及花，争相发表自己的看法，有同学提出了水分和能量物质的重要之处，有同学认为乙烯的产生促使植物加快成熟，是导致其衰老的主要原因，还有同学提出微生物污染是花朵腐败的主要因素之一[9-10]。切花衰老的原因及对策如表1所示。实验课老师给出了康乃馨保鲜液的配方：2 mmol/L银离子，5%蔗糖，100 mg/L 8-羟基喹啉，200 mg/L柠檬酸，100 mg/L外源激素6-BA。该配方又引出了新一轮的思考，如：配方中的每样物质分别起什么作用？为什么用柠檬酸而不用其他酸调节pH？为什么不用葡萄糖而用蔗糖作能源物质？保鲜液成本与鲜花成本的比例分别是多少，如何达到较低的总成本和更好的保鲜效果？个别学生由本次康乃馨保鲜想到了其他名贵花种的保鲜，并从中发现商机；研发成本低且效果好的保鲜液，可作为毕业后创新创业的内容，在促成自身就业的前提下带动就业，实现自我的同时为社会尽绵薄之力。

表1 切花衰老的原因及对策

2.4微生物作画大赛——趣味性

微生物是一类普遍存在的生物，它存在于空气、水、土壤等自然环境中，存在于人体的皮肤、口腔、消化道等部位，既是人类的朋友，也是人类的敌人。微生物学是生物类专业学生的必修课，有必要在学生入学之初进行初步介绍[11]。大赛利用微生物菌落丰富的颜色及微生物生长从肉眼不可见到肉眼可见的直观视觉效果，结合以接种针模拟画笔的新奇之处，设计了该实验。讲解先从微生物的定义开始，到目镜、低倍镜、高倍镜、油镜的使用、视野的寻找、用后清理等。随后介绍了微生物的分类及特点，如：细菌最小，长得最快，有臭味，有球状、杆状、螺旋状；放线菌较大、丝状、有土腥味；酵母菌椭圆形、有酒香味；霉菌丝状、有霉味。之后介绍了不同微生物的食物及接种方式、培养方式，特别是实验所用培养基在成分和pH上的特殊之处——既要满足白色的啤酒酵母、红色的红酵母的生长需求，又要满足黄色的四联球菌的生长需求。学生尽情发挥想象力设计图案，培养结果如图2所示：左上为Hello kitty图案；右上为一只抓着胡萝卜的小兔子图案，红色（兔子的眼睛、耳朵及胡萝卜）的点缀让这只兔子更加栩栩如生；左下为花朵图案；右下为华东理工大学校徽图案。

图2 微生物作画大赛作品

实验完成之后，引导学生就刚才的操作进行新一轮的思考，如：微生物有颜色吗？微生物会游泳吗？微生物如何吃东西？微生物的家在哪里？冰箱里有微生物吗？微生物是好还是坏？每张纸币带多少微生物？人体体表及体内存在多少微生物？老师在逐一解答疑问的同时也引导学生思考这些问题中的关键因素，当然学生的疑问也直接表明了其在这种课堂形式下的收获。

3 认知实验开展的意义

3.1 加深学生对专业的了解

认知实验是在大一新生对专业不了解的基础上开设的。就4次实验课的课堂气氛和学生提问问题的方向来讲，学生对生物工程、生物技术、生物科学专业的区别与联系进行了了解，也通过动脑思考、动手实验加深了对专业的了解，并培养了学习的主动性，为大学生活开了好头。

3.2 提高实验技术人员的工作能力

俗话说，实践出真知。高校实验技术人员目前的工作状态多数倾向于按照传统工作内容及工作方式定位自身价值，设计认知实验表明他们能够积极关注当前学生状况及专业课程安排情况，主动服务大一学生这个特殊群体，在此过程中不仅提高了自身工作能力，也提升了自身价值。类似的实验思路在以后的工作中，在其他高校及实验技术人员的工作中，还可以得到深入的思考和运用。

3.3 提高实验室使用效率

如何提高实验室及仪器的使用效率，使教学资源得到充分使用，是每一个实验室管理者及实验技术人员都在思考的问题。文中所述认知实验均选择周五下午开展，一是因为这个时间是学生短学期自由学习的时间，学校不会安排其他教学内容；二是因为学校不在这个时间安排常规实验课程，那么利用这个时间段开设认知实验则提高了实验室的使用效率。

4 结语

选取的人类ABO血型测定、酸奶的制作、植物切花保鲜、微生物作画大赛4个实验，均与专业相关，分别从知识性、应用性、创新性、趣味性4个方向出发，为新生开展，有针对性地引导了学生的思路，有效地帮助学生了解专业内容、认识专业结构；学生可结合自身兴趣，为未来发展方向提前进行自我定位。该类实验的开展也在一定程度上提高了生物工程学院实验室的利用率，提升了实验技术人员的专业水平，为更好地服务学生的本科实验添砖加瓦。