基于應用型人才培養的植物細胞工程大實驗教學探索與實踐

王麗敏，唐輝武，梁雪蓮，周玲艷

（仲愷農業工程學院 農業與生物學院，廣東 廣州）

一 引言

細胞工程是指應用細胞生物學和分子生物學的理論和方法，通過類似于工程學的步驟，進行在細胞整體水平或細胞器水平上的遺傳操作及進行大規模的細胞和組織培養以獲得新型生物或一定細胞產品的一門綜合科學技術。細胞工程的發展隨著分子生物學、細胞生物學、發育生物學、遺傳學及其他相關學科的發展而飛速發展。植物細胞工程是細胞工程的重要分支之一，是以細胞全能性學說為理論基礎，其研究領域包括：在細胞水平、組織水平、以及器官等水平上所進行的各種體外操作[1]。植物細胞工程課程在仲愷農業工程學院農業與生物學院主要面對農學、種子科學與工程、生物科學、生物技術專業的本科學生開設，所以在力求將理論原理和學科專業特色兼顧和協調的基礎上，把課程的重點放在基本理論在農業領域的應用上，從而較好地協調了通用性和特殊性。培養學生不僅要掌握扎實的理論知識，還要系統地掌握植物細胞工程綜合實驗技能，在實驗中鞏固和深化理論知識的學習，并鍛煉學生的實驗設計與動手能力。因為植物細胞工程是一門對實踐能力要求較高的課程，其實驗教學的開展至關重要，需要占較大的比例，實驗教學效果直接關系到學生理論知識的深化、實驗技能的養成以及科學創新思維的培養[2]。傳統的課程小實驗不能滿足植物細胞工程實踐的教學要求，也不能滿足應用型人才（農業、園藝、生物類）的培養需求[3]，因此，根據植物細胞工程的課程特點和教學內容，本院整合實驗課教學內容，優化實驗過程，系統地開展了60 個學時的植物細胞工程綜合大實驗，本文從植物細胞工程大實驗課程理念、教學目標、設計思路、具體實施方式及課程效果等方面進行了總結，為植物細胞工程實驗課程的開展提供參考。

二 植物細胞工程大實驗的教學目標

植物細胞工程課程具有較強的實用性，是進行理論研究和應用結合的理想平臺，實驗教學是該學科教學的關鍵環節。因為植物細胞工程的實驗涉及培養基的配制、滅菌和無菌接種等過程，需要的時間較長，所以傳統的小實驗課時無法滿足要求，通過綜合大實驗可讓學生課堂學習的理論知識在實驗中充分應用，深化理解；同時增強學生的實驗技能和綜合素質，因此，本院根據教學計劃和教學大綱，結合現代農業和生物技術產業的發展，制訂植物細胞工程綜合性大實驗的實驗方案，強化學生對理論知識的掌握程度，提高學生的動手能力，培養學生的創新思維能力、統籌能力、團隊合作精神及積極探索科學的精神。形成理論教學與實驗教學緊密結合的育人格局，這也是應用型高校的發展要求[4]。

三 植物細胞工程大實驗的主要設計思路和實施方式

傳統的實驗課由于課時有限，上實驗課需要的實驗試劑一般由實驗員準備、上課時老師講解實驗原理和步驟，同學們按照實驗流程去操作。這種實驗課的上課方式導致學生不愛思考，機械地操作，不利于培養學生的創新實踐能力。植物細胞工程課程具有前沿性、綜合性、應用性強的特點，因此，本課程將原有的小實驗模式改為60 學時的大實驗，并另計1 學分，讓學生從實驗計劃、材料準備、實驗原理方法的學習、試劑配制、實驗流程設計等方面統籌安排，學生實現實驗課全方位參與。實驗內容的安排遵循從易到難，循序漸進的原則，先講基本操作實驗，學生有一定基礎之后，開始做綜合性實驗。整個大實驗安排既有一般基礎性實驗，也有設計性實驗，既有傳統實驗教學模式，也有半開放性實驗模式。學生課前先預習實驗原理和操作要點，教師課堂重點演示關鍵的操作方法，并配合一些視頻資源示范，整個實驗系統包括從材料準備、試劑的配制開始，全部由學生獨立完成。課程以學生為主體，通過完整實驗流程的全部參與，培養學生獨立思考能力、統籌安排能力、分析和解決問題的能力，有助于培養學生的科學研究思維和創新能力。具體的實施方式如下。

（一） 課堂理論知識講授中融合實驗設計

在課程知識講授過程中，結合專業知識點，融入實驗設計，這樣不僅能加深學生對理論知識的理解，理論應用到實踐能充分提高學生的學習熱情。講理論的同時講實驗，讓學生能馬上從理論知識學習轉換到實踐應用上，學以致用能夠調動學生的學習積極性。同時講理論的時候告知學生這一章需要同學們自己設計實驗，學生知道后續還要用到這些理論知識，會提高學生的理論學習聽課效果，培養學生的開拓性創新思維。比如講培養基這一章時，講到培養基的種類和特點時，提示同學們后續的實驗課會有設計性實驗，需要同學們選擇適合的培養基去培養不同種類的植物材料，很快同學們的注意力都集中到課堂了。再比如講到原生質體培養這一章時，同學們對原生質體比較陌生，講到后續實驗學生可以自己分離提取原生質體，并且可以去嘗試不同植物的原生質體融合時，學生表現出極大的興趣。

（二） 系統性地進行實驗安排

傳統實驗課程安排零散，教學內容和形式單一，無關聯性，學生的學習興趣不強[5]。植物細胞工程的大實驗課程中，要求從實驗用具的準備到試劑的配制都由學生獨立完成。例如，植物細胞工程大實驗的第一個實驗是培養基母液的配制，要求學生配制常用的MS、B5、N6 等培養基的母液，接著是不同種類培養基的配制和滅菌，然后再進行各種材料愈傷組織的誘導，獲得愈傷組織后，一部分愈傷組織可用于懸浮培養，建立懸浮細胞系，讓同學們對細胞懸浮培養進行觀察；另一部分可以讓同學們設計培養基配方，進行進一步誘導器官分化，誘導生根，讓學生體驗從一小塊組織到器官分化，再到生根長成小植株的全過程。通過系統的實驗，學生可以對細胞全能性有更深刻的理解，同時也增強學生的實驗興趣。以往的傳統實驗，學生做完以后就是寫實驗報告，然后結束課程。本院自開展的植物細胞工程大實驗以來，很多同學，在課程結束之后還依然想繼續觀察，想把自己組織培養得到的小苗移栽，繼續培養。學生通過連續大實驗的設計，由被動變為主動，極大地增強了學生的學習興趣。

另一方面，由于實驗之間具有延續性，后面的實驗要以前一個實驗的結果為實驗材料，這就使得學生們做每一個實驗都非常認真，非常嚴謹，因為本實驗做不好會影響后續的實驗進展，這在無形之中也提高了學生的責任心，培養了學生科學嚴謹的實驗態度，學生們組織培養的污染率顯著降低，實驗成功的成就感大大增強。利用這種方式，顯著提高了學生的實驗成功率。

（三） 改進實驗報告的寫作方式

由于我們進行的是一系列具有相關性的大實驗，改進了傳統實驗報告的寫法。植物細胞工程大實驗的實驗報告要求以學術論文的形式書寫，包括摘要、關鍵詞、前言（介紹實驗背景）、材料與方法、結果與分析（要求有圖表展示）、結論與討論、以及參考文獻等內容，這種寫作方法既能讓學生對整個實驗有更深的理解，又能激發學生的學習動力，培養學生的科研思維[6]。植物細胞工程大實驗雖然實驗是分組進行的，一個小組3～4 位同學，要求小組同學要認真觀察統計本組實驗結果，同時還要求同學們不同組之間進行實驗結果的比較，從比較中讓學生更深刻地理解實驗結果有差異的原因，找到自己實驗結果的優點和不足。因為大實驗是連續的過程，實驗之間具有關聯性，整理出全部實驗結果進行分析后，可以撰寫一篇科研論文，因此植物細胞工程大實驗的實施有助于培養學生的科研能力[7]。另外大實驗還設有完全自主設計性實驗，學生需要先查閱文獻，確定培養材料，查找實驗方法，相當于完全自主地設計一個科研小課題。在此過程中學生得到了充分的科研思維鍛煉、寫作能力鍛煉和團隊分工合作能力鍛煉。為以后畢業論文的撰寫打下了良好的基礎。

（四） 大實驗課程實施多元考核方式

傳統實驗教學大多以交實驗報告考核為主，植物細胞工程大實驗是一門獨立的課程，60 學時，一個學分，這就大大提高了學生對實驗課的重視程度。同時，我們實施多方面、全方位綜合考核，尤其注重學生實際操作能力的考核。考核內容包括四個主要部分：課前預習和實驗準備、實驗操作能力、實驗論文的撰寫和平時成績（包含考勤和團隊合作精神）[3]。實驗準備的考核主要是上課前教師會提前安排學生預習，查找資料，列出實驗所需的用具和試劑等。實驗操作考核的項目包括：試劑配制、無菌操作、滅菌、材料接種、繼代等等，主要考查學生實驗操作的基本規范。實驗報告以科研小論文的方式書寫，重點考查學生的文獻查閱能力、實驗結果的分析能力、特別注重對實驗結果分析能力考查，考查學生是否真正理解整個實驗的原理、步驟及意義，考查學生是否能夠查閱文獻與前人的實驗結果進行對比分析。同時對在實驗報告中分析透徹，有自身見解的同學給予鼓勵，激發學生的學習積極性，提高創新能力。平時成績的考核包括考勤、做實驗過程中的態度、做實驗的認真程度以及團隊合作能力和統籌能力等。通過多方位的綜合考核措施，改善了以往分組做實驗只有一位同學操作，其他同學不動手的現象，整體上提高了學生的動手能力和綜合素質。

四 植物細胞工程大實驗教學內容設計

在植物細胞工程大實驗教學實踐中，仔細梳理教學過程，注重實驗之間的漸進性和聯系性，合理安排實驗內容，實驗內容主要包括：各種常用培養基母液的配制，各種類型培養基的配制與滅菌，不同種類外植體的消毒與接種，不同種類植物愈傷組織的誘導、繼代和分化，細胞懸浮細胞系的建立與繼代，植物成熟胚與幼胚的接種，植物快速繁殖，植物原生質體游離培養與融合，植物遺傳轉化、植物花藥培養技術、植物細胞生長計量及自主設計性實驗等。通過設置綜合設計性實驗（包含文獻查閱、培養基配方設計、實驗材料準備、結果預測與分析），可提高學生的科學思維和創新能力[8]。具體實驗設計見表1。

表1 植物細胞工程大實驗設計

在植物細胞工程大實驗過程中還可以充分融入課程思政元素，例如，在培養基的配制實驗中，講解不同培養基配方的創制過程中有眾多科學家的不斷探索，經過多次試驗才得以成功，培養學生堅持不懈的精神。在講解原生質體游離培養和融合的實驗時，與學生討論能否培育出地上部分結番茄，地下部分結花生的新品種？引導學生的創新思維，利用細胞融合技術可以打破生殖隔離的限制，培育新品種新品系，增強學生的學習興趣。在講授植物遺傳轉化實驗時，如何看待轉基因技術？引導學生從轉基因技術的技術層面和倫理層面進行思考，如何使轉基因技術應用于造福人類。在講授這些時引導學生勤于思考，培養科學思維和辯證分析問題的能力。

五 植物細胞工程大實驗的成效

植物細胞工程是生物技術專業的主干課程之一，通過大實驗的實施，極大地提高了學生的分析能力、操作能力和寫作能力。學生普遍反映，通過大實驗報告撰寫的鍛煉，對學生畢業論文實驗的開展和畢業論文的撰寫有很大的幫助。學生的科學思維能力、創新能力都得到了良好的培養。本院的學生大四都需要到各單位參加實習，通過對各實習單位的調研反饋，普遍認為生物技術專業的學生動手能力極強、善于思考、分析問題解決問題的能力強。植物細胞工程大實驗的實施體現了良好的教學效果，切實提高了學生的創新思維和動手能力。

六 結語

本文介紹了仲愷農業工程學院農業與生物學院植物細胞工程大實驗教學的改革與探索，探討了植物細胞工程大實驗的設計思路、實施方式及取得的成效。隨著經濟、社會的發展，農業、園藝以及生物學領域應用型人才的需求日益增多，這就對高校人才培養方式提出了更高的要求，不但要求理論扎實，更要求技術水平高。通過植物細胞工程大實驗的實施，有效地提高了學生的綜合實驗技能、科學思維和創新能力。為應用型人才的培養提供了一個良好的平臺。