1.实验教学过程与实验方法

第1部分：实验教学过程

（1）基础理论学习。

        实验课开始前，要求学生对本实验项目相关背景知识进行预习。 基于“虚实结合教学方法”，教师在课堂上对学生进行相关理论的讲解，让学生初步掌握相关理论知识。然后，教师指导学生使用本虚拟仿真实验软件，在线上进一步的学习相关实验意义与原理，了解该实验所包括的具体操作模块（图1）。

图1 虚拟仿真开放式实验教室

（2）虚拟仿真实验操作。    

        该实验教学项目所属实验课程为《植物生物学实验》，共计4个实验学时。其中，实验操作模块学习共计3学时，实验课后考核占1学时。通过三维仿真技术，虚拟利用膜片钳技术探究植物干旱应答的实验环境及操作情景，学生可在整个实验室场景和情景中进行交互式操作。 

        实验流程为：登陆系统 → 实验意义目的模块 → 实验目的 → 实验意义 → 实验内容 → 实验操作模块 → 植物拟南芥的播种与培育 → 拟南芥的气孔运动实验 → 植物叶片保卫细胞的提取 → 植物保卫细胞阴离子通道电流的测定 → 实验结束 → 课后考核模式 → 退出系统。（实验项目具体操作流程请见图2）

图2 实验教学过程流程图

          在仿真教学平台上，本虚拟仿真实验教学软件一共分为：实验意义目的、实验模式和考核模式3个系统部分（图3）。

         图3 虚拟仿真实验教学的三个系统

 

各系统部分的功能如下：

    ① 实验意义目的：实验意义目的模式选择之后，将对本项目实验研究的意义和目的进行分别介绍，指导学生充分了解实验背景知识。

    ② 实验模式：选择实验模式之后，会分为四部分操作模块。在文字和高亮等提示帮助下，人机交互，一步一步引导学生学习并完成整个实验操作。

    ③ 考核模式：每个实验模块学习结束后，学生将进行实验基础知识的考核，考核结束后系统自动给出分数。

教师进一步利用本虚拟仿真实验软件的实验操作模式，通过“化繁为简与问题启发相结合教学法”，将探究植物干旱胁迫应答机制作为科学问题出发点，化繁为简，使用四部分实验模块（图4）。在每部分模块中，学生与项目互动，每步操作有文字和高亮提示，引导学生一步步从每个科学问题出发，找到并学习解决科学问题的实验方法，最终理解影响植物抗旱能力的机制原因（图5）。

               图4 四部分实验模块的操作学习

 

             图5 学生在课堂上使用虚拟仿真实验软件

         

        在具体实验模块学习中，教师将结合“探索式教学法”，让学生选择不同的参与植物干旱胁迫响应的功能基因突变体，利用野生型和所选择的突变体株系，进行ABA处理条件下的气孔运动实验，通过对气孔拍照，并使用专业生物软件（图6）对气孔开度进行测量与统计。引导学生学会探究并分析突变体气孔运动相较于野生型，表现出过敏感还是弱敏感表型。

（3）进行实验考核模式。 

        在每部分模块中设置的多个练习题（图7），既是对每部分科学问题进行的进一步概括与考核，也让学生能够进一步学会思考如何用实验去验证提出的科学问题，得到相应的实验结论，激发学生不断研究、探索，使学习成为积极主动的过程。教师将通过考核模式，检测教学效果，并根据学生普遍存在的问题，进行知识点的巩固和强化。

 

         图6 学生使用专业生物软件测量气孔开度大小

             图7 学生完成实验操作学习后，进行考核

 

第2部分：实验方法

本项目分为四部分实验模块，所包含的实验方法如下： 

（1）植物拟南芥的播种与培育方法。

        在无菌超净工作台中，通过无菌操作方法，将拟南芥种子播种到无菌培养基上。经过温室环境生长，成为幼苗后，再将幼苗移植于装有营养土的花盆中，继续培育。

（2）气孔运动实验方法。

        植物水分散失的快慢，主要是由于叶片气孔开度的变化。因此，通过测定叶片上气孔开度大小，能够反映植物对干旱耐受能力的差异。本项目采用了植物激素脱落酸（ABA）抑制气孔开放作用的Opening实验和脱落酸促进气孔关闭作用的Closure实验方法，并融合了水压片的制作和气孔开度统计方法，训练学生的动手和结果分析能力。

（3）植物叶片保卫细胞的提取方法。

        气孔由一对保卫细胞构成，保卫细胞膜上离子通道活性与气孔开度变化相关。因此，提取保卫细胞，是后续利用膜片钳技术，研究保卫细胞膜上离子通道活性的必要前提。本项目使用两步酶解法，通过酶解液的酶解作用，最终游离出保卫细胞原生质体。

（4）植物保卫细胞阴离子通道电流的测定方法。

        干旱条件下，保卫细胞合成大量脱落酸，激活细胞膜上的阴离子通道，引起阴离子外流，导致气孔关闭。因此，本项目利用膜片钳电生理系统，使用显微操作方法，记录保卫细胞膜上阴离子通道电流大小，阐释植物抗旱能力差异的具体机制。