“植物分子育種”課程改革初探

雷建峰，陳 琴，吳鵬昊

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

隨著生物技術(shù)日新月異的發(fā)展，現(xiàn)階段不斷涌現(xiàn)出各種植物育種的新技術(shù)。傳統(tǒng)植物育種的方式為植物（作物）的基礎(chǔ)研究做出了巨大的貢獻，但是常規(guī)育種或多或少的盲目性已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代植物育種的需求，因此“植物分子育種”課程應(yīng)運而生。目前，多種植物包含農(nóng)作物在內(nèi)的物種全基因組測序已基本完成，后基因組時代的主要任務(wù)是對這些植物的海量測序數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，挖掘和解析重要的功能基因并應(yīng)用于植物（作物）分子育種中。同時，還有很多植物功能基因組學(xué)的研究相對滯后，究其原因主要是缺乏相應(yīng)的研究技術(shù)手段和專業(yè)人才。要想從根源上解決這些問題，必須要培養(yǎng)勇于創(chuàng)新的專業(yè)人才。“植物分子育種”課程是一門以遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和作物育種學(xué)為基礎(chǔ)的多領(lǐng)域交叉學(xué)科［1］，是我校農(nóng)科類本科生的專業(yè)核心課，涉及農(nóng)學(xué)、種子科學(xué)與工程、生物技術(shù)等專業(yè)，其重要性不言而喻。然而筆者在授課過程中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生對這門課程并不感興趣，通過在課后與學(xué)生溝通了解得知有以下幾點原因：（1）農(nóng)學(xué)類專業(yè)學(xué)生難以理解分子生物學(xué)的基礎(chǔ)理論知識。分子生物學(xué)主要從微觀層面解析生命現(xiàn)象，而遺傳物質(zhì)DNA或RNA是看不見摸不著的，因此農(nóng)學(xué)類專業(yè)學(xué)生對分子生物學(xué)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了畏難心理，久而久之學(xué)生就跟不上分子生物學(xué)的教學(xué)進度了。（2）學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)動力，好奇心不強。大部分學(xué)生認為分子生物學(xué)很難應(yīng)用于植物（作物）分子育種學(xué)中，即便可以實現(xiàn)，也離他們的生活和就業(yè)很遠，與其花費大量的時間學(xué)習(xí)這門課程，不如花時間多考取幾個從業(yè)資格證書為就業(yè)增加籌碼。（3）沒有實驗教學(xué)作為支撐。沒有實驗教學(xué)是“植物分子育種”課程最大的短板。課堂上僅憑教師講授基礎(chǔ)理論知識和展示豐富多彩的分子育種案例不足以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。由于學(xué)生沒有參與到整個實驗操作過程中，因此對實驗環(huán)節(jié)的理解是模糊不清的。如何結(jié)合學(xué)生的實際學(xué)情和心理狀態(tài)調(diào)動他們的學(xué)習(xí)主動性值得授課教師深思。筆者將針對不同專業(yè)的本科生對優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改變教學(xué)模式、開展實驗教學(xué)和改革考核方式進行探索，以期在提高教學(xué)質(zhì)量的同時，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和信心，使學(xué)生充分理解植物分子育種的理論體系，并掌握過硬的實驗操作技能。

一、針對不同專業(yè)優(yōu)化“植物分子育種”課程內(nèi)容

我校“植物分子育種”課程的主要內(nèi)容包含四大板塊：分子標(biāo)記輔助選擇育種、轉(zhuǎn)基因育種、基因編輯育種及分子設(shè)計育種。就目前學(xué)情來看，雖然農(nóng)學(xué)、種子科學(xué)與工程、生物技術(shù)專業(yè)的本科生已學(xué)習(xí)了“遺傳學(xué)”“分子生物學(xué)”等課程，但實際上并沒有把這些理論知識很好地融合到植物分子育種中。例如，農(nóng)學(xué)和種子科學(xué)與工程專業(yè)的本科生對遺傳學(xué)和作物育種學(xué)的學(xué)習(xí)理解比生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)生要好，但是對分子生物學(xué)的學(xué)習(xí)理解卻遠不如生物技術(shù)專業(yè)本科生。相反，生物技術(shù)專業(yè)的本科生雖然對分子生物學(xué)理論知識的掌握優(yōu)于農(nóng)學(xué)和種子科學(xué)與工程專業(yè)的本科生，但對農(nóng)學(xué)和作物育種學(xué)知識的掌握相對欠缺。因此，授課教師面臨的問題是如何做好因材施教，如何合理布局教學(xué)內(nèi)容。分子生物學(xué)的內(nèi)容大多數(shù)是肉眼不可見的、抽象的概念，為了使學(xué)生將分子育種技術(shù)手段和常規(guī)育種技術(shù)手段相結(jié)合，筆者針對不同專業(yè)學(xué)生的學(xué)情優(yōu)化不同的教學(xué)內(nèi)容。例如：對于農(nóng)學(xué)和種子科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生，教師應(yīng)在繼續(xù)鞏固遺傳學(xué)和作物育種學(xué)的基礎(chǔ)上，重點講解分子生物學(xué)的內(nèi)容，以及基因是如何復(fù)制、轉(zhuǎn)錄并翻譯表達的；如何構(gòu)建相應(yīng)的表達載體驗證基因的功能；植物遺傳轉(zhuǎn)化有哪些技術(shù)方法，各有什么樣的優(yōu)缺點；如何檢測轉(zhuǎn)基因陽性植株，可通過哪些技術(shù)指標(biāo)驗證轉(zhuǎn)基因植株的功能；等等。對于生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，教師應(yīng)在繼續(xù)鞏固分子生物學(xué)的基礎(chǔ)上，側(cè)重于農(nóng)學(xué)和作物育種學(xué)的基本內(nèi)容。如，不同植物（作物）的生長習(xí)性、如何正確進行田間管理、大田育種有哪些技術(shù)方法、如何根據(jù)自己的實驗需求制定育種目標(biāo)等。實際上，植物（作物）分子育種和常規(guī)育種是統(tǒng)一且密不可分的關(guān)系，分子育種的目標(biāo)最終還是要結(jié)合常規(guī)育種選育的方式實現(xiàn)。針對不同專業(yè)的學(xué)生優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，取長補短，對培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方向的植物（作物）育種專業(yè)人才非常有必要。

二、與時俱進，緊跟學(xué)科發(fā)展

截至目前，我校還沒有針對“植物分子育種”課程設(shè)置專門的教材，只是借助一些植物分子育種方面的書籍作為教學(xué)參照內(nèi)容，這就出現(xiàn)了一些問題。一方面，這些書籍大部分以研究性內(nèi)容為主，直接展示相應(yīng)的研究成果，并沒有解釋清楚其中的實驗操作流程及注意要點。另一方面，這些書籍年代久遠，相關(guān)研究內(nèi)容、技術(shù)手段與現(xiàn)代植物分子育種內(nèi)容相差甚遠，不能與時俱進、緊跟學(xué)科發(fā)展。因此，這些教學(xué)內(nèi)容并沒有合理地應(yīng)用到專業(yè)人才的培養(yǎng)中。植物分子育種學(xué)科發(fā)展迅猛，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。例如：就基因編輯技術(shù)而言，2011年轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶TALEN被開發(fā)利用，并相繼成功應(yīng)用于植物育種和農(nóng)作物育種中。2013年，CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的問世迅速代替了TALEN技術(shù)。現(xiàn)如今，在CRISPR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，更是衍生出一些新技術(shù)，如單堿基編輯系統(tǒng)、引導(dǎo)編輯系統(tǒng)。這就要求授課教師要與時俱進，緊跟學(xué)科發(fā)展，及時更新教學(xué)內(nèi)容，增加該學(xué)科最新的科學(xué)研究成果，激發(fā)學(xué)生對科研的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)。這些教學(xué)內(nèi)容既可以保證學(xué)生對基本知識的理解和把握，又可以保證教學(xué)內(nèi)容的先進性。科研是教學(xué)的源頭活水，如果沒有科研做支撐，植物分子育種教學(xué)就會失去“靈魂”。具有較高科研水平的教師，對教學(xué)內(nèi)容思考得更為深刻透徹，對知識的把握更為準(zhǔn)確，有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)與理解。而且，對科研的關(guān)注使教師能夠及時將前沿的學(xué)術(shù)成果充實到自己的課堂中，填補原有課程知識與最新研究之間的“斷層”，這將有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。與此同時，筆者將碩士和博士研究生期間的研究工作與科研經(jīng)歷整合到相關(guān)的課程內(nèi)容中，并分享給學(xué)生，同時培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)研究思路及科學(xué)探索精神。這些內(nèi)容都取得了較好的教學(xué)效果，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。

三、開展實驗課程，提升學(xué)生的實踐能力

“植物分子育種”是一門理論講解和實踐操作并重的課程，僅靠課堂上的理論和案例講解是遠遠不夠的，因此實驗教學(xué)環(huán)節(jié)必不可少［2］。實驗教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合實驗的動手能力。例如：就轉(zhuǎn)基因育種而言，轉(zhuǎn)基因中的“轉(zhuǎn)”是動詞，是以實際操作為導(dǎo)向，讓學(xué)生親自從植物DNA或RNA提取、引物設(shè)計、基因克隆、載體構(gòu)建、遺傳轉(zhuǎn)化，以及轉(zhuǎn)基因植物的鑒定做起。然而，由于實驗學(xué)時數(shù)的限制及不同專業(yè)本科生專業(yè)知識背景的不同，合理安排實驗內(nèi)容存在一定難度。針對此問題筆者認為，對生物技術(shù)專業(yè)本科生而言，在大學(xué)二年級已經(jīng)學(xué)習(xí)過植物DNA或RNA提取、引物設(shè)計、基因克隆、載體構(gòu)建的基礎(chǔ)實驗操作，為了避免基因克隆和載體構(gòu)建實驗的重復(fù)及實驗材料的浪費，前期的這些實驗內(nèi)容可由農(nóng)學(xué)和種子科學(xué)與工程專業(yè)的本科生完成。授課教師可選取一些功能已知、表型明顯的“明星基因”作為實驗的靶基因，便于學(xué)生對實驗結(jié)果的觀察和理解。而后期的遺傳轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)基因植物的鑒定等實驗內(nèi)容，其實是一個漫長等待的過程。例如，將構(gòu)建好的植物表達載體轉(zhuǎn)化擬南芥，其實驗操作在兩個學(xué)時內(nèi)即可完成，但收獲轉(zhuǎn)基因種子卻要經(jīng)歷兩個月的漫長等待。在此期間，生物技術(shù)、農(nóng)學(xué)、種子科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生都可以參與其中，保證實驗的同步性和延續(xù)性。與此同時，我校基本在每個教學(xué)實驗室安裝了多媒體硬件設(shè)施，授課教師在開展實驗教學(xué)前，可以利用一些網(wǎng)絡(luò)資源，以視頻的方式向?qū)W生展示預(yù)開展實驗的整個操作流程和注意事項。如果學(xué)生全程參與了整個實驗流程，不僅會加強學(xué)生對理論知識的理解，提升其實驗操作技能，還能促進學(xué)生更加客觀、科學(xué)、準(zhǔn)確地評價“植物分子育種”課程。

四、改變授課方式，提升教學(xué)效果

使用PPT對學(xué)生進行知識傳播是目前高校普遍采用的授課方式，然而這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式只是對學(xué)生進行單向的知識傳播，卻忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位［3］。另外，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，很多網(wǎng)站上有豐富的學(xué)習(xí)資源，如慕課、嗶哩嗶哩等平臺上的在線資源，這些豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源使學(xué)生學(xué)習(xí)信息的來源多樣化。在具體的課程教學(xué)時，如何充分利用線上線下資源，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為積極主動學(xué)習(xí)？筆者對此問題開展了新的教學(xué)方式的探索。如上文所述，“植物分子育種”課程偏向于分子生物學(xué)內(nèi)容，學(xué)生對宏觀層面上的知識理解相對容易，但對微觀層面上的知識理解還存在一定的難度。比如，從學(xué)生對宏觀世界的認知出發(fā)，植物由哪些系統(tǒng)器官組成、這些器官都由哪些細胞器組成、植物細胞組織有哪些特點等，這些內(nèi)容都相對容易理解。但對于核酸和蛋白質(zhì)在植物體內(nèi)以什么樣的狀態(tài)存在、它們是如何在植物組織細胞中活動的、如何從微觀角度解釋植物生命活動的現(xiàn)象等內(nèi)容，僅通過教師在課堂上的講解不足以讓學(xué)生充分了解微觀世界，必須要開展相應(yīng)的視頻教學(xué)。視頻教學(xué)圖文聲像并茂，能突破視覺的限制，并且能夠突出重點，有助于學(xué)生對概念的理解和實驗方法的掌握。對于一些難以理解的動態(tài)生命現(xiàn)象更是能生動、形象地展現(xiàn)出來，有利于突破教學(xué)中的難點。目前，我校已開通了學(xué)習(xí)通等教學(xué)App軟件，教師可在軟件上建設(shè)自己的課程及發(fā)布相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，學(xué)生可在課后參與教師的教學(xué)環(huán)節(jié)，這不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，還可以提高教師的教學(xué)效率。線上線下混合式教學(xué)就是將傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢和網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢結(jié)合起來，二者優(yōu)勢互補，從而獲得更佳的教學(xué)效果。隨著教學(xué)進度的深入，以學(xué)生為主體的翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)應(yīng)運而生［4］。翻轉(zhuǎn)課堂是一種新的教學(xué)模式，全面提升了師生課堂的互動性。例如，就基因編輯作物是否可以看成常規(guī)作物這一命題，讓學(xué)生開展討論。持支持觀點和反對觀點的學(xué)生各自形成一個小組，組內(nèi)學(xué)生結(jié)合自己的理解發(fā)表自己的觀點。這時候教師的角色已從教育內(nèi)容的呈現(xiàn)者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的教練，這讓教師有時間與學(xué)生交談，回答學(xué)生的問題，并參與到學(xué)習(xí)小組中，對每個學(xué)生的學(xué)習(xí)進行指導(dǎo)。該教學(xué)方式促進了師生、生生之間的交流，有效幫助學(xué)生融入課程、掌握知識。

五、優(yōu)化課程考核方式

考試是用來衡量學(xué)生對知識掌握程度、反饋教師教學(xué)效果的基本手段。一直以來，我校“植物分子育種”課程的考核方式較單一，主要以平時成績和課程論文成績評定學(xué)生的期末成績。這種考核方式缺乏對學(xué)生多維度的考核評價，也不利于學(xué)生發(fā)揮自身的主觀能動性。例如：學(xué)生在實驗課上是否具有較強的動手能力，對待科學(xué)問題能否做到舉一反三，通過課程和實驗學(xué)習(xí)后是否具備實驗設(shè)計能力和科學(xué)創(chuàng)新思維等。對學(xué)生學(xué)習(xí)成績的評價應(yīng)著重考查學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否發(fā)揮了主觀能動性。“植物分子育種”課程是一門理論與實踐并重的應(yīng)用型專業(yè)課程，其課程性質(zhì)決定了不能僅通過一篇課程論文評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此，筆者認為考核學(xué)生對課程知識的掌握和應(yīng)用需要更加科學(xué)的方式。相比以往的平時成績（包含學(xué)生的到課率、課堂表現(xiàn)等）占30%、課程論文占70%的評定方式，筆者在期末考核中添加了實驗操作和小組討論的成績，因此相應(yīng)地降低了課程論文占總成績的比例，調(diào)整為40%，實驗操作和小組討論的成績各占15%。考核方式的改變，使得學(xué)生不再以死記硬背基礎(chǔ)理論知識和實驗方法為導(dǎo)向，更多地融入學(xué)生對課程內(nèi)容的理解及對科研探索能力的考核，充分體現(xiàn)了學(xué)生解決科學(xué)問題的實際能力。例如，針對植物分子育種某一研究領(lǐng)域開展專題討論，課堂上學(xué)生各抒己見，面對植物分子育種晦澀難懂的語言，學(xué)生像講故事一樣娓娓道來。學(xué)生已從最初的教師提問被動回答，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢葬槍δ骋豢茖W(xué)問題闡述自己的觀點。在這個過程中，教師只是對學(xué)生講述的內(nèi)容進行點評和總結(jié)。多元化的考核方式，不僅能全方位地客觀評價學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，還可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，鼓勵其積極參與教師的授課環(huán)節(jié)。

結(jié)語

“植物分子育種”是一門理論講解和實踐操作并重的應(yīng)用型專業(yè)課程，其知識點龐雜，多在微觀層面上解析植物的生物學(xué)功能。隨著植物生物技術(shù)的發(fā)展，分子育種新技術(shù)更是發(fā)展迅猛。改革“植物分子育種”課程的教學(xué)和實踐，對培養(yǎng)植物（作物）育種專業(yè)人才具有重要意義。筆者針對不同專業(yè)的本科生對優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改變教學(xué)模式、開展實驗教學(xué)和轉(zhuǎn)變考核方式等進行了探索，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性有所提高，同時實踐能力也得到了相應(yīng)的提升。雖然取得了一些進步，但以上教學(xué)模式和方法仍需要教師根據(jù)學(xué)生的實際學(xué)情進行設(shè)計，并不斷完善教案。筆者借此文拋磚引玉，希望能對“植物分子育種”的授課教師有所啟發(fā)，為進一步提高“植物分子育種”的教學(xué)效果做出貢獻。