“園藝植物生物技術”實驗教學改革探索*

楊英杰 王然 張玉剛 楊紹蘭 侯鴻敏

（青島農業大學 園藝學院，山東青島266109）

“園藝植物生物技術”實驗教學改革探索*

楊英杰 王然 張玉剛 楊紹蘭 侯鴻敏

（青島農業大學 園藝學院，山東青島266109）

“園藝植物生物技術”是園藝專業的核心課程之一，其實驗教學是該課程的重要組成部分。文章結合近幾年的實驗教學情況，剖析“園藝植物生物技術”實驗教學中存在的問題，并根據園藝學科發展特點及培養目標，改革實驗教學授課方式、調整教學內容、完善考核方式，并采取綜合性及自主設計實驗與科研相結合的模式，為全面貫徹應用型人才培養目標奠定基礎。

園藝植物生物技術；實驗教學現狀；實驗教學改革

“園藝植物生物技術”是“植物生物技術”的一個分支，是利用植物組織培養、細胞工程、染色體工程、基因工程、分子標記及生物信息學等現代生物技術，在個體、細胞、分子水平上研究、評價和改造園藝植物遺傳特性的有關理論和技術的一門課程［1］，它廣泛涉及到植物學、植物生理學、普通生物化學、普通遺傳學、分子生物學、園藝學等學科，是園藝專業的核心課程之一。“園藝植物生物技術”具有較強的理論性及應用性，因此在充足的課堂理論教學基礎上，實驗教學是該課程的重要組成部分，不僅可以提高理論教學效果，還可以培養學生的動手操作能力、創新能力和綜合應用能力［2］，使學生具備用生物技術手段在生產中培育高效、優質、高產園藝植物的能力，以及在相關科研機構、高校及企事業單位從事與園藝植物相關的研究能力，對全面貫徹應用型人才培養目標具有重要意義。

一、“園藝植物生物技術”實驗教學現狀

“園藝植物生物技術”實驗教學是針對課程相關技術而設計安排的實驗課程，內容涉及園藝植物組織培養、細胞工程、分子標記以及基因工程等幾個模塊，而每個模塊又涉及較多基本實驗技能。在多年的教學實踐中發現，“園藝植物生物技術”的實驗課程設置還存在一些與現代應用型人才培養不相適應的問題，主要有以下幾個方面：

（一）重理論、輕實驗現象嚴重，實驗教學時數偏少

“園藝植物生物技術”理論教學內容較抽象難懂，操作性、應用性較強，因此實驗教學擁有其自身的特點和教學規律，具有理論教學不可替代的作用。只有通過系統全面的實驗操作，才能加深對理論知識的理解，更好地利用理論知識指導實踐。但在傳統的教學體系中，該課程經常以理論教學為中心，而忽視了實驗教學。這種觀念導致重理論、輕實驗的現象長期存在，實驗教學得不到應有的重視，教學時數偏少。

以青島農業大學“園藝植物生物技術”課程為例，實驗教學16學時。如果要系統地完成“園藝植物生物技術”的任何一個實驗模塊，均存在實驗學時數少、周期短的問題。如組織培養實驗模塊包括培養基制備、外植體的初代培養、繼代培養、生根培養、愈傷組織誘導、體胚誘導、不定芽誘導等實驗內容。由于學時數限制，只能選擇幾個實驗進行體驗，導致學生很難全面地觀察到細胞在離體培養過程中的分化現象。而基因工程實驗模塊內容更多，包括基因分離、載體構建、核酸提取、遺傳轉化、轉基因植株鑒定等內容，加之某些實驗本身的特殊性，如載體構建需要3-4天的的實驗周期，遺傳轉化更是一個長期的實驗過程。因此在實際的實驗教學中僅僅安排一些最基本的基礎性實驗，如PCR技術、質粒提取技術、感受態制備、酶切等，只能讓學生簡單地碎片化接觸相關實驗內容，無法系統地整體了解和掌握園藝植物生物技術，更不用說將生物技術應用于生產或研究了。

（二）實驗教學方式不完善，無法激起學生的操作興趣

在傳統的“園藝植物生物技術”實驗教學中，往往是一些基礎性、驗證性實驗。教師確定了實驗原理與目的、實驗步驟、實驗條件，學生不需要過多地進行思考和分析，只要按部就班地進行操作，就可以得到實驗結果。不可否認，驗證性實驗確實對理論知識的深入理解是有重要意義。但在“園藝植物生物技術”這類技術性較強的課程中，如果只是引入一些驗證性實驗，將束縛學生的創新思想、積極性和主動性，使學生得不到應有的能力訓練，更無法激起學生的動手操作興趣，失去了實驗教學的本來作用。如外植體愈傷組織誘導試驗中，經常由教師給出最適愈傷組織誘導的激素種類及濃度配比，并未讓學生獨立思考何種激素及其濃度范圍、培養過程中如何設置光照、溫度等培養條件等可能會誘導出大量疏松的愈傷組織。所以學完這門課程，許多同學感到理論與技術脫節，無法較好地將所學知識應用于實際操作中。

（三）實驗內容設置滯后，遠遠落后于生物技術的發展

“園藝植物生物技術”大部分內容依托分子生物學、植物生理學、普通生物化學等學科。目前相關科學研究發展迅速、各種研究成果層出不窮。特別是隨著分子生物學的發展，基因工程、分子標記等技術手段也越來越多地應用于園藝植物育種及相關研究中。用人單位對人才需求的觀念也發生了變化，越來越多地需求實際動手能力和實驗操作能力較強的應用型創新人才。實驗教學是培養操作能力不可或缺的重要環節。但目前“園藝植物生物技術”實驗內容僅僅局限于一些最基本的實驗內容和方法，遠遠落后于現代科學的發展要求。如基因編輯技術發展迅速，通過此技術，已成功實現在植物基因組上對目標基因進行刪除或替換，在植物遺傳改良等領域具有廣闊的應用空間［2］。但目前“園藝植物生物技術”實驗課程中連基本的遺傳轉化載體構建實驗都很難引入，更不用提基因編輯技術了。另外，生物信息學也隨著生命科學和計算機科學的迅猛發展應運而生，越來越多的大數據與生物信息可以幫助生物工作者縮短工作周期。但目前“園藝植物生物技術”教學中只能在課堂中進行相關內容的講解，由于缺乏上機實驗等相關操作，學生對生物信息學只停留在了解的層面，不能深入、全面的理解，更談不上對生物信息學的整合及在園藝作物中的應用。

（四）教學實驗經費與儀器設備不足，嚴重限制實驗教學的進行

“園藝植物生物技術”實驗教學對實驗場地、儀器以及相關試劑耗材要求較高。如植物組織培養系列實驗要求配備準備室、操作室、組織培養室，準備室；儀器設備要求配備滅菌鍋、PH計、天平、烘箱、超凈工作臺、組織培養架、空調等儀器；而針對于基因工程、細胞工程系列實驗而言，所需儀器更多，如離心機、培養箱、搖床、PCR儀、電泳儀、凝膠成像系統、移液器、電轉儀、分光光度計等。另外，基因工程、細胞工程除了對設備要求之外，實驗過程中所用到的相關試劑耗材價格較高，如酶類、RNA提取、反轉錄、PCR相關試劑等?！皥@藝植物生物技術”實驗成本的特殊性導致本科實驗教學經費無力配備條件充足的生物技術實驗室。以青島農業大學為例，本科教學實驗室雖已基本具備組織培養操作的所有實驗條件，但超凈工作臺數量有限，每次實驗課需要10人左右的小組輪流共用一臺超凈工作臺，既限制了實驗進度，也在一定程度上影響實驗效果，外植體的污染率明顯提高，而超凈臺公用的現象也使部分同學只看不做，減少了實際操作的機會。另外，基因工程及細胞工程操作的實驗條件更是有限，嚴重限制了基因工程以及細胞工程等相關實驗的進行，也就談不上應用型人才的培養了。

（五）相關課程實驗內容重疊現象嚴重

在日常的教學中，相關課程會有序地銜接，但也經常會出現理論或實驗內容重疊的現象。如在青島農業大學，“園藝植物生物技術”于第六學期開課，而“園藝植物育種原理”于第五學期開課，在“園藝植物育種原理”實驗教學中有分子標記相關實驗，而“園藝植物生物技術”實驗教學中又安排了分子標記相關實驗，這種實驗內容重疊現象并不少見，在教學中既浪費資源與時間，又會導致學生對實驗失去興趣。

（六）考核方式不合理，學生在學習過程中態度松散

在傳統的教學中，實驗課程成績所占比重較少，一般只有20％。因此很多學生認為實驗課成績對自身總成績影響不大，不重視實驗課程的學習。另外實驗課成績主要取決于實驗報告，而驗證性實驗內容導致實驗報告千篇一律，無法從實驗報告中判定學生實驗操作是否合理，是否認真完成，以及是否取得了很不錯的實驗結果。這種不合理的考核方式導致許多學生對實驗課程采取只看不做的方式，實驗報告互相抄襲現象也極為嚴重。

二、“園藝植物生物技術”實驗教學的改進措施

針對“園藝植物生物技術”實驗教學中存在的一系列問題，我們提出以下改進措施并在日常的實驗教學中進行實施，取得了不錯的教學效果。

（一）確立實驗教學的重要地位

實驗教學不僅可以驗證課上講解的理論知識，加強學生對理論知識的理解，而且還可以培養學生應用理論知識分析解決實際問題和進行創新設計的能力，同時也有利于培養學生實事求是的科學態度和探索進取的敬業精神。在現代高等教育中，學生不僅需要堅實的理論基礎，也需要較強的動手操作能力，更需要隨之培養起的思考問題、解決問題的能力，這就需要提高實驗教學地位。近年來，我校在對實驗教學內容進行改革的基礎上，整合建立各門課程實驗教學體系，形成了相對獨立于理論教學的實驗教學體系。這樣可以保證實驗教學在整個教學體系中與理論教學具有同等地位，從而可以充分發揮其在培養學生創新精神和實驗技能方面的重要作用。

（二）調整教師與學生在實驗教學中的角色

在傳統的實驗教學中，以教師為中心，教師包攬了實驗中的絕大部分的工作，非常不利于學生積極性與創造性的發揮。根據學生實踐動手能力培養的需要，教師必須進行實驗教學中的角色轉換，主要確定實驗目標和要求，指導學生制定實驗方案，幫助學生分析實驗過程中出現的錯誤，糾正不當操作，使學生能夠較好地利用現有實驗條件獨立完成整個實驗，甚至是指導學生根據社會生產實際來提出實驗課題并完成實驗方案。同時對于開放性實驗室中的實驗指導教師，還需要對學生進行實驗室章程，實驗室安全規范，實驗儀器相關操作方法等的講解與培訓。

學生是實驗項目的最終完成者，應該是實驗方案的設計者與操作者。為了提高學生實驗的主動性，改變實驗教學方式，在實驗指導中刪除實驗步驟，只列出實驗目的、實驗原理和基本實驗條件。學生為了完成實驗項目，就必須自己設計實驗方案，進行實驗準備、完成實驗操作、分析實驗結果。在充分參與實驗的整個過程中，學生不僅要動手，而且更需要深入思考，認真設計，特別在實驗過程中要及時進行分析與整理、推理與判斷、歸納與演繹，才能避免實驗中的錯誤操作，正確評價實驗結果，最終實現實驗目的。

表1　園藝植物生物技術綜合性實驗

（三）整合與其他課程的重復性基礎實驗內容，增加綜合性實驗及自主設計實驗

為了避免時間及資源的浪費，針對“園藝植物生物技術”相關課程實驗內容重疊現象，將與其他課程的重疊性實驗內容進行整合，剔除重復。同時為了進一步強化實驗教學中學生的主體地位，加強對學生的基本生物技術和技能的訓練，培養學生的科學思維能力和綜合分析能力，并適應生物技術人才培養的要求，在掌握理論知識、完成基本實驗技術與技能訓練的前提下，適當添加綜合性實驗及自主設計實驗。

近年來，開設綜合性及設計性實驗已成為各高校培養學生創新能力和優良素質的有力手段［3-5］。在綜合性實驗中，主要針對植物組織培養、細胞工程、基因工程等內容進行系統連貫地學習，為自主性設計實驗奠定基礎。表1列出了綜合性實驗安排。在自主設計實驗中，由教師提出需要解決的實驗目的，學生將自己掌握的理論知識及相關實驗技術融會貫通地用到實際課題中去，更加突顯實驗課程的技能性、整體性、探索性、先進性、交叉性和連貫性。在自主設計實驗中，學生的選題可以結合教師的科研項目，也可以結合大學生自主創新實驗的選題。通過學生的選題、方案設計到實驗方案的實施和結果的分析論證，既是對學生系統知識理論轉化為能力培養的一種檢驗，又提高了他們的科研能力和創新意識，為部分學生的考研及研究生生活打下堅實基礎。當然，自主設計實驗一般作為“園藝植物生物技術”及相關課程開課后的選修課程，或者是參與大學生自主創新項目，所修學分計入創新學分內容。

（四）多種考核方式相結合

實驗課程不再只占此門課程成績的一部分，而是單獨考評。成績由平時成績和期末成績組成。平時成績包括出勤、平日實驗操作、實驗報告等。期末成績一般包括卷面理論考試和實驗技能檢測。該課程雖然為純實踐性課程，但卷面考核是為了考核學生對基本實驗背景知識及實驗原理的理解和掌握情況，而實驗技能檢測主要以隨機抽選實驗項目的形式單人逐個進行，最后教師點評打分。同時改革傳統的實驗報告格式，要求學生以綜合性實驗為依據，將所有實驗內容匯總為一篇科技小論文，其寫作應符合科技論文寫作規范，同時注重思路的清晰以及結果分析與討論部分的合理性。所以該課程最終成績總評分別由以上幾部分成績按比例共同構成，平時成績占40％，其中實驗報告占20％，實驗記錄與平日實驗操作各占10％；期末成績占60％，其中卷面理論考試占30％，實驗技能檢測占30％。通過考核方式的改革，學生能對實驗內容中各單元操作的意義與相互之間的關系有更深入的了解，更容易掌握理論以及實驗教學內容，并能激發學生的學習興趣。

（五）引入生物信息學上級實驗及模擬性實驗內容

生物信息學是生命科學和計算機科學的交叉學科，是“園藝植物生物技術”課程中的重要環節，在很大程度上可以幫助基因工程中相關實驗的順利實施。但在日常的教學中，一些生物信息學數據庫、相關軟件等的應用實踐非常少，限制了生物信息學的應用。在本課程的實驗教學中，我們引入了“利用數據庫查找核酸序列、設計引物并識別載體基本信息”實驗（表1），在這個實驗中，讓學生利用相關數據庫查找需要的核酸序列及有用信息，利用相關軟件進行序列比對分析，引物設計等，幫助學生深入、全面地了解生物信息學，并通過后續實驗將生物信息學整合到生物技術中，增強其在園藝作物中的應用。

同時，針對一些因儀器、經費、學時以及教學條件等限制，實驗室無法開設但又比較重要的實驗，如基因芯片、DNA測序甚至于高通量測序等技術，我們引入多媒體進行視頻教學。在一些需要等待的實驗間隙，播放與當次實驗相關的視頻模擬實驗內容（見表1），既解決了等待時間，又能夠對相似實驗進行平行介紹，使學生對生物技術的掌握更加系統。多媒體實驗課件源自網絡或由教師選取自身科研項目，引入一些實驗過程中學生自己操作很難觀測到的實驗，既讓學生掌握了知識、拓展了知識面，也激發了學生的學習興趣。

（六）利用科研平臺發展本科教育

生物技術實驗確實需要大量的相關實驗設備，短期內不可能達到一個較高的配備水平。而學院科研平臺設備齊全，完全可以資源共享，做到實驗平臺開放、實驗儀器開放，為學生相關實驗的進行提供便利條件。當然，實驗室章程，實驗室安全規范，實驗儀器相關操作方法等的培訓是必不可少的。利用科研平臺發展本科教育的概念主要應用于綜合性實驗和自主設計實驗。自主設計實驗可以以授課教師相關課題為選題，這樣可以保證選題的先進性，也可以在經費及儀器設備方面得到最大化的利用，學生可以在生物技術相關科研最前線得到鍛煉。利用科研平臺鼓勵自主設計實驗、發展本科教育的理念有利于培養學生的創新精神和能力，也可以解決本科教學經費不足、儀器設備不足的難題［6］。同時本科生自主實驗設計也可以幫助導師完成部分實驗項目，做到科研教育兩促進。

三、結束語

“園藝植物生物技術”是一門應用性很強的學科，且此門課程涉及的生物技術依托分子生物學等內容，發展迅速。在完成實驗教學改革的基礎上，如何緊緊跟隨生物技術的迅猛發展并將之引入教學，培養現代應用型人才是我們面臨的另外一個挑戰。這就要求授課教師要時刻關注相關科研最前沿，利用學校給出的教育平臺，融合新技術、新進展，隨時改革，隨時創新，為應用型人才培養目標的實現添磚加瓦。

［1］鞏振輝.園藝植物生物技術［M］.科學出版社，2008.

［2］趙欣，胡軍.CRISPR/Cas基因編輯系統及其在植物中的研究進展［J］.生物科學，2015，27（1）：64-70.

［3］華智銳，李小玲.生物技術綜合大實驗教學改革初探［J］.實驗科學與技術，2011，9（4）：90-92.

［4］彭安，向本瓊，張根發，等.大學生物開放性和設計性實驗教學探討［J］.中國大學教學，2007（3）：53-55.

［5］劉石泉，龍立平，雷存喜，等.生物技術自主設計性實驗教學模式研究［J］.現代農業科學，2008，15（7）：99-101.

［6］于兵川，吳洪特.實驗教學與科研有機結合，培養學生創新意識和能力［J］.實驗室研究與探索，2010，29（2）：76-78.

"Biotechnology of Horticultural Plant"is one of the core course of horticultural subject，of which，the experimental teaching is an important part.Combined with the recent situation in experimental teaching，we analyzed the problems existing in the experimental teaching of"Biotechnology of Horticultural Plant".At the same time，according to the characteristics of horticultural subject development and educational objectives，we reformed teaching method，adjusted course content，improved examination way，and adopted the new model to make comprehensive experiment or independently designed experiment combined with scientific research in the experimental teaching.These reforms lay a foundation for the achievement of the applied talents educational objectives.

Biotechnology of horticultural plant；current situation；experiment teaching reform

G642

A

2096-000X（2016）22-0073-04

應用型人才培養特色名校建設工程教學研究項目“興趣主導、項目驅動模式下的《園藝產品貯藏運銷學》教學模式探索”；青島農業大學園藝植物生物技術校級精品課程建設

楊英杰（1984-），女，博士，副教授，主要研究方向：果樹育種。