分子生態學實驗教學改革與實踐探索

吳小紅 梁小翠 王鈞 王光軍 閆文德

[摘 要] 分子生態學實驗是分子生態學教學的重要組成部分。目前分子生態學實驗教學中存在實驗體系不合理、實驗教學模式單一和實驗教學資源不足的問題。為了解決目前實驗教學中存在的問題，提高學生的實驗動手能力、解決實際問題能力和創新思維能力，對分子生態學實驗教學內容、實驗教學方法、成績評定方式和教學資源使用等進行了一系列改革和探索。通過教學改革激發了學生學習的主觀能動性，增強了學生綜合運用知識解決實際問題的能力和創新能力，有效地提升了“分子生態學”實驗教學效果。

[關鍵詞] 分子生態學;實驗教學;教學改革

[基金項目] 2018年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“基于翻轉課堂理念的分子生態學課程教學設計”（湘教通〔2018〕436號）;2020年度湖南省學位與研究生教育改革研究項目“新農科視域下卓越農林研究生培養模式的創新與改革研究”（湘教通〔2020〕216號）;2016年度湖南省普通高等學校教學改革研究項目“以社會需求為導向的生態學專業人才培養模式改革與實踐”（XJT2016〔400〕-282）

[作者簡介] 吳小紅（1985—），女，湖南益陽人，生態學博士，中南林業科技大學生命科學與技術學院副教授，碩士生導師，主要從事分子生態學研究。

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）25-0065-04 [收稿日期] 2022-03-18

分子生態學是基于核酸和蛋白質等遺傳標記，應用分子生物學的原理和方法來研究生命系統與環境系統相互作用機理及其分子機制的科學，是生態學專業本科教學中一門重要的專業基礎課程。由于分子生態學的教學內容涉及核酸、蛋白質等微小、微量的物質，內容較為抽象，涵蓋的知識面廣，加上分子生態學相關的技術和方法更新速度快，學生難以通過理論課程的學習來理解和掌握課程內容。實驗教學作為本科教學的重要組成部分，不僅能幫助學生更好地理解和掌握理論知識，而且能培養學生的思維和創新能力，提升學生的綜合素質[1，2]。因此，在分子生態學的教學中，實驗教學也是課程設置中不可缺少的教學內容[3]。

中南林業科技大學自2011年起將分子生態學實驗課程納入了生態學本科專業課程體系。長期以來，由于分子生態學的授課手段以理論教學為主，實驗教學為輔，實驗教學一直處于被動和次要的地位而不被重視，導致該實驗課程教學效果較差。本文結合我校實際，從分子生態學實驗教學現狀入手，分析討論實驗教學中存在的主要問題，對實驗課程教學進行探索和改革，以提高該課程的教學質量。

一、分子生態學實驗教學現狀

分子生態學實驗課程以分子生態學基礎實驗技術為主，主要包括土壤和植物基因組DNA提取、聚合酶鏈式反應（PCR）擴增、瓊脂糖凝膠電泳及成像、生物大分子遺傳信息分析等基本實驗技術。實驗課程的開展，提高了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。但目前實驗教學中仍存在一些問題和不足，有待進一步克服和解決。

（一）實驗體系不合理，實驗課時受限

受傳統教學方法、實驗場地和學時等因素的限制，分子生態學的實驗項目多為簡單易行的驗證性實驗或操作性實驗，缺乏綜合設計性實驗和探究性實驗。這種實驗體系雖然包含了分子生態學主要的實驗操作技術和方法，但由于各項實驗內容相對獨立，實驗項目之間連貫性不強，導致學生應用分子生態學的方法和技術解決生態學領域相關問題的能力仍較弱，難以實現提升學生創新意識和綜合能力的教學目的。

（二）實驗教學模式單一，學生興趣不高

分子生態學實驗往往耗時長、操作煩瑣，受課時限制，實驗教學中有些實驗環節，如所用器皿的清洗和滅菌、DNA提取試劑的滅菌等均由實驗教師提前完成。在授課形式上，分子生態學實驗課程先由教師講解實驗原理、關鍵操作步驟和注意事項，然后指導學生按照實驗資料上的“規定動作”完成實驗，提交實驗報告。這種“程式化”教學方式難以激發學生的主動性，學生缺乏獨立思考和系統性操作，對與預期不一致的實驗結果不能正確分析和反思，難以達到實驗教學應有的教學效果。

（三）實驗教學資源不足，學生參與度低

為了培養每一位學生的實驗操作能力，分子生態學實驗課程一般采用分組形式進行，由2～3人構成一個實驗小組開展相關實驗。然而，由于分子生態學實驗配套的儀器設備及試劑比較昂貴，且每年學校在實驗教學方面的資金投入有限，在實驗教學過程中一些儀器設備往往難以滿足實驗教學需求，導致出現了兩個問題：一是拖慢了實驗進度，學生難以在規定的時間內完成事先計劃好的實驗內容;二是影響了學生實驗的參與度，部分實驗內容無法保證全部學生上機進行操作。

二、分子生態學實驗教學改革

結合本實驗課程特點，通過優化實驗教學內容、改革實驗教學方法、重構課程考核方式和豐富實驗教學資源等，構建分子生態學實驗課程教學體系，培養學生的自主學習能力、實踐動手能力和解決實際問題的能力，提升分子生態學實驗課程的教學質量。

（一）優化實驗教學內容，培養學生綜合應用知識的能力

按照從簡單到復雜、從分散到系統的原則，對原有實驗教學內容進行優化整合，構建一個由驗證性實驗、綜合設計性實驗和探究性實驗構成的多層次實驗體系[4]。驗證性實驗以分子生態學領域的基礎性實驗為主，實驗項目包括“土壤微生物基因組DNA提取”“瓊脂糖凝膠電泳法鑒定DNA的原理和方法”“DNA濃度檢測”“聚合酶鏈式反應（PCR）擴增”和“克隆文庫構建”等。驗證性實驗的目的是讓學生熟悉分子生態學的常用儀器設備、規范實驗操作方法、掌握基本實驗技能，為綜合設計性實驗的開展奠定基礎。

綜合設計性實驗由學生自主設計實驗內容，引導學生形成分子生態學實驗能力。自主設計過程是學生為主體的綜合實驗準備階段，要求學生基于實驗室現有設施條件，自行查閱文獻資料，撰寫實驗方案，完成實驗操作，再對實驗結果進行分析，得出結論。例如，實驗項目“利用16S rRNA基因文庫技術分析不同樹種土壤細菌群落的多樣性”，由學生自行選擇樹種類型，自主選擇16S rRNA基因擴增引物和感受態細胞，結合實驗室條件，利用所學方法提取土壤基因組DNA，鑒定DNA濃度和純度，采用引物對16S rRNA基因進行PCR擴增并構建克隆文庫。實驗完成后，學生還需進行DNA序列比對和譜系進化樹構建等數據處理和分析工作，比較不同樹種土壤細菌群落多樣性水平差異。通過開展綜合設計性實驗可以培養學生發現問題和解決問題的能力，在鍛煉學生綜合運用知識和實驗技術的同時，還能讓學生融會貫通所學知識，加深學生對知識點的理解和掌握。

探究性實驗主要依托湖南省大學生創新創業訓練計劃項目開展。由學生自行組建實驗小組，進行文獻調研后選擇自己感興趣的研究課題進行實驗設計，制定實驗方案，與教師討論后修訂實驗方案。例如，2018級生態學專業的學生經過文獻調研后，想探討叢枝菌根樹種和外生菌根樹種土壤氮循環微生物的差異及其原因，以“叢枝與外生菌根樹種對土壤氮循環的影響研究”為項目名稱提交了申請書，最終獲得了湖南省大學生創新創業訓練計劃項目的資助。通過開展此類探究性實驗，學生運用理論知識解決實際問題的能力得到了極大地鍛煉和提高。

（二）改革實驗教學方法，激發學生學習主觀能動性

為了保證實驗的順利進行，教師課前將與實驗內容相關的教學課件、微課和測試題等上傳至移動教學平臺，要求學生利用碎片化時間認真預習，了解實驗做什么、為什么做和怎么做，并要求學生完成預習測試題。教師通過分析預習測試題的數據，了解學生預習效果，并基于學生的預習情況有針對性地完成實驗教學設計，促進實驗教學的有效性[5]。課中適當設疑，引導學生積極思考問題，培養學生的批判性思維能力。例如，在“土壤微生物基因組DNA提取”“瓊脂糖凝膠電泳法鑒定DNA的原理和方法”“DNA濃度檢測”等實驗中，讓學生討論和回答“提取基因組DNA用到的主要試劑有哪些，分別起什么作用”“瓊脂糖凝膠電泳檢測時為什么要將點樣端置于電泳槽的負極端”“如何鑒定提取DNA的純度”等問題。通過上述問題的提出引導學生主動思考并積極回答，最后通過教師的歸納總結得出正確答案。這種啟發式教學方式不僅可以加深學生對知識的理解，也有利于培養學生發現問題和解決問題的能力。

由于分子生態學相關的技術和方法更新速度快，實驗教材內容往往跟不上學科發展。把教師承擔的科研項目（包括國家自然科學基金項目、省部級科研項目和其他類型的科研項目）等融入實驗教學，可以實時更新教學內容，讓學生掌握最新的研究技術和研究方法。例如，授課教師將承擔的國家自然科學基金項目“土壤自養微生物固碳速率及其功能種群差異機制”融入實驗教學，使學生提前接觸到新近發展的穩定性同位素探針技術（SIP），不僅理解了該技術的基本原理，而且了解了該技術在定向發掘土壤環境中參與自養固碳過程的微生物資源方面的功能[6]。實驗教學內容和科研項目的有機融合可以有效地解決實驗教學內容更新慢的問題，讓學生及時了解相關領域的前沿科學技術，有利于培養學生的實踐能力和創新能力。

分子生態學涉及生態現象與生態規律的發生、發展過程中的分子機理，內容尺度跨度大，且微觀內容過于抽象、宏觀內容過于想象。巧妙運用多媒體教學手段，包括PPT、視頻、圖片或知識鏈接等形式，可以方便學生更形象地理解和掌握知識內涵，提高教學效果[7]。例如，在“聚合酶鏈式反應（PCR）擴增”實驗中，可以結合PPT展示和Flash動畫向學生演示PCR擴增的基本原理和實驗操作步驟，幫助學生更好地掌握實驗原理和實驗操作步驟。另外，對于一些學生使用不規范的儀器設備，如移液槍和離心機，可以通過實地拍攝的方式制作常規儀器設備的操作方法視頻，讓學生對儀器設備的操作方法有更感性的認識和理解。此外，在介紹系統進化樹時，可以借助多媒體網絡在線演示構建系統進化樹的方法。這種教學手段不僅可以增加學習的趣味性和生動性，而且有利于幫助學生理解抽象、枯燥的知識內容，更好地調動學生學習的積極性，從而起到教學輔助作用[8]。

（三）重構課程考核方式，注重實驗過程考核

以往分子生態學實驗課程考核主要側重學生的平時考勤和實驗報告，實驗報告是學生實驗課程成績判定的重要指標。這種考核方式忽略了對實驗過程的考核，其評價結果并不能真實地反映學生的實驗技能和綜合能力。因此，我們根據分子生態學實驗課程特色和生態學專業人才總體培養目標，把實驗操作和實驗結果展示匯報等過程性要素納入課程評價考核體系，不僅關注學生課堂出勤情況和實驗報告，同時注重學生實驗過程表現，建立以實驗技能、創新能力和綜合素質培養為核心目標的多元化課程考核評價辦法[9]。新的考核辦法主要從課堂考勤、課前預習情況、實驗操作、實驗結果PPT展示匯報和實驗報告等方面進行全方位考核，把考核的重點從獲取的知識量向知識、能力、綜合素質的評價轉移。其中，課堂考勤主要考查學生的課堂出勤情況，對于請假、曠課、早退和遲到的學生給予一定的扣分。課前預習主要考查學生對教學課件、微課和測試題等課前預習資料的掌握情況。實驗操作主要考查學生能否按照實驗要求，安全準確地操作實驗設備，以及能否按照正確的實驗步驟完成實驗內容并得到準確的實驗數據。實驗結果展示匯報要求學生以PPT形式進行匯報，主要考查學生對實驗的理解以及對實驗中出現的問題的分析及解決能力。實驗報告主要考查學生對實驗原理、實驗操作步驟、實驗數據處理與分析等方面的掌握情況。重構后的課程考核方式，能夠更全面、準確地考查學生的實驗水平，不僅能提高學生學習的積極性和主動性，而且能提升學生的創新能力和綜合能力，有利于生態學綜合型人才的培養。

（四）開放多個研究平臺，共享優質教學資源

我校生態學科既是國家重點（培育）學科，也是湖南省優勢特色重點學科和湖南省“雙一流”建設學科。學科擁有南方林業生態應用技術國家工程實驗室、森林植物國家級實驗教學示范中心和城市森林生態湖南省重點實驗室等多個國家級和省部級研究平臺，均配備有分子生態學精密儀器設備。為了解決分子生態學實驗課程教學資源不足的問題，對涉及精密儀器使用的一些實驗項目，可以實行開放性實驗教學，協調多個研究平臺分時段開放相關儀器設備[10]。例如綜合型實驗“利用16S rRNA基因文庫技術分析不同樹種土壤細菌群落的多樣性”，為了保證每個學生都有上機操作的機會，采取了開放性實驗教學管理。管理上實行申請審核制，由學生個人提出申請并提交實驗方案，授課教師對實驗方案和實驗申請進行審核，授課教師審核通過后提交儀器管理員審核，管理員審核通過后學生即可進入實驗室開展實驗。在開放實驗室開展綜合型實驗，學生參與了研究內容設計、研究方法確定、實驗方案實施、實驗數據處理和分析、實驗報告撰寫等一系列實驗過程，基本實驗技能、科研思維能力和寫作能力同時得到訓練。因此，開放性的實驗教學管理，既利用平臺優勢解決了教學資源不足的問題，又可以讓學生成為教學的主體，變被動學習為主動實踐，能極大地激發學生的探究興趣，培養學生的創新思維。

結語

分子生態學實驗課程經過教學內容和教學方法的一系列改革，學生學習的主觀能動性和學習興趣被激發，綜合運用知識解決實際問題的能力也有所增強，綜合素質得到明顯提升。但是目前分子生態學實驗課程改革仍存在一些問題，如實驗經費不足、師資力量有限、開放性實驗室管理難度較大等。這需要我們在今后的教學工作中不斷探索與實踐，進一步提升分子生態學實驗課程的教學質量。

參考文獻

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Exploration of Teaching Reform and Practice of Molecular Ecology Experiments

WU Xiao-hong， LIANG Xiao-cui， WANG Jun， WANG Guang-jun， YAN Wen-de

（College of Life Science and Technology， Central South University of Forestry & Technology， Changsha， Hunan 410004， China）

Abstract： Molecular ecology experiments are an important component of Molecular Ecology teaching. At present， there are many problems in the teaching of Molecular Ecology experiments， such as the unreasonable experiment system， the single experiment teaching mode， and the insufficient experiment teaching resources， etc. In order to solve the existing problems in the current experiment teaching， improve students’ practical ability， problem-solving ability and innovative thinking ability， a series of reforms and explorations have been conducted on the experiment teaching contents， the experiment teaching methods， the performance evaluation methods and the sharing of teaching resources. The teaching reform has stimulated students’ subjective initiative in learning， enhanced their ability to comprehensively use knowledge to solve practical problems and their innovation ability， which has effectively improved the experiment teaching effect of Molecular Ecology course.

Key words： Molecular Ecology; experiment teaching; teaching reform