研究生“植物細胞工程”課程教學研究

韓 梅，蘇 濤

（南京林業大學 生物與環境學院，江蘇 南京 210037）

引言

課程學習是我國學位和研究生教育制度的重要特征，也是保障研究生培養質量的必備環節，在研究生成長成才中具有全面、綜合和基礎性作用［1］。然而，隨著我國研究生培養人數的增加，研究生人才培養出現了“寬進寬出”的現象。加之當前研究生教育偏重科研學術能力的培養，造成在讀研究生的課程學習動力不足，課程教育的質量有所下滑。因此，進一步改革研究生課程教學方法，重視研究生課程學習，加強課程建設，提高課程質量，是當前深化研究生教育改革的重要和緊迫任務。

細胞工程是一門現代生物科學理論與工程技術相結合的綜合性學科，是生物技術和生物工程等相關專業的基礎課程之一［2］。植物細胞工程是細胞工程的一個研究分支，主要研究植物的離體生活細胞怎樣在體外條件下進行培養、繁殖或人為地使植物細胞的某些生物學特性按照人們的意愿發生改變，從而改良植物品種或創造新品種，加速繁育植物個體或獲得某種有用物質的過程。在綜合知識體系建立的大背景下，“植物細胞工程”課程在植物領域的重要性越來越多地凸顯出來，尤其是在農林類高等院校生物學相關專業的課程設置中具有不可替代的地位。植物學、植物分子生物學、林木遺傳育種、植物生理學等專業的研究生，都有必要掌握一定的植物細胞工程知識。

植物細胞工程具有知識點多、內容龐雜、知識更新周期短、技術創新速度快、實踐性和應用性強等特點。單一的理論教學對學生能力的培養效果有限，學生的學習興趣不高，課后不會運用。針對上述問題，筆者結合多年的研究生教學和科研工作經驗以及南京林業大學研究生“植物細胞工程”課程的開設情況，從教學內容、教學方式和考核機制上進行改革，優化教學內容和方法，充分調動學生的學習興趣和積極性，提高課堂教學質量，從而提高教學效果，培養學生的創新思維，以滿足雙一流大學建設對研究生多元化發展、探索精神和創新能力的培養要求。

一、教材的選用和教學內容的優化

研究生課程是否需要固定教材是一個頗具爭議的問題。通常來說研究生課程教學最好同時選用多本教材或參考書，這樣比固定一本教材的效果要好，畢竟不同的編者由于專業背景不同，對學科的不同領域的知識點的理解程度也不同。國內外有不少版本的細胞工程教材，但這些教材普遍偏重動物細胞和腫瘤細胞，專門針對植物細胞工程的教材很少。胡尚連主編的《植物細胞工程》（2019）和白江平主編的《植物組織培養實驗指導》（2019）都系統地介紹了消毒滅菌技術、細胞分化與器官培養、植物體細胞胚胎發生與調控、人工種子、植物細胞懸浮培養與次生代謝產物生產、植物原生質體培養與體細胞雜交、植物離體快速繁殖和脫毒技術、植物病毒檢測技術、植物種質離體保存等理論和實驗操作技術，可以作為本課程的教學參考書。但是，植物細胞工程發展速度快，研究成果日新月異，一些新的研究進展在教材中并沒有體現出來。針對上述情況，要求教師緊跟國內外一些最新的研究進展，在掌握教學體系的基礎上，把前沿成果應用到教學中去，更新授課內容。此外，隨著網絡技術的發展，線上豐富的教學資源也是“植物細胞工程”課程補充知識、拓展交叉學科內容的好渠道。

隨著生物技術和基因工程的發展，植物細胞工程涉及的領域越來越廣，包含的理論知識和技術方法也越來越豐富。但是由于課時的限制，教學過程中不可能做到面面俱到，只能有選擇性地講解重點內容。筆者在教學過程中，對本課程的教學內容進行了一定的篩選，淘汰了一些比較陳舊的知識，刪減了部分與其他學科（如植物細胞生物學和遺傳學等）重疊的知識點。另外，要兼顧課程內容的基礎性和前沿性。在理順教學體系的基礎上，大量查閱各類中外文期刊，根據近年來植物細胞工程領域的發展動態，把最新科研成果和亟待解決的關鍵問題滲透到教學內容中。在授課過程中增加了植物細胞工程研究的一些新知識和新熱點，例如，針對COVID-19病毒的防御問題，講解利用植物細胞工程將被修飾的COVID-19全長刺突蛋白在植物細胞中表達，讓其自發組裝為病毒樣顆粒（VLP），生產新型COVID-19冠狀病毒疫苗的相關理論和技術：Medicago植物疫苗CoVLP的技術方法和應用前景［3］；針對CRISPR/Cas基因編輯技術應用在植物基因功能研究和育種改良領域這一熱點技術，講解CRISPR作為精確育種的“分子剪刀”用于切割DNA，去除、替換或編輯某種農藝性狀的原理和應用現狀以及未來發展方向［4］。像這樣及時調整和更新課程內容，能夠幫助學生加深對學科知識的理解，掌握植物細胞工程前沿的科學技術，培養學生的創新意識和創新能力。

二、教學模式的改革

（一）啟發式教學

由于有跨專業和考研調劑等情況，本校選修“植物細胞工程”的研究生的專業基礎和學習意愿差異較大，若開門見山地講授植物細胞工程的相關理論和技術，對于一些非植物學相關背景的學生來說，很難理解和體會本課程的重要性。為此，筆者在講授過程中采用啟發式教學方法，增加課堂討論，激發學生的學習興趣。在緒論部分除了介紹“植物細胞工程”課程的研究內容和重要地位，還增加了“Why Study Plants？”的相關討論和交流，使學生充分了解植物尤其是木本植物在實際生產和科學研究中的重要地位，提高學生學習植物細胞工程的積極性。在講解培養基成分和配制時，指出目前植物培養基使用方面存在的問題：即由于植物組織培養技術對于無菌環境的要求極為嚴格，需要無菌操作臺、生物安全柜、高壓滅菌鍋等配套設施來避免微生物污染，這種無菌環境的營造和維護的成本巨大；加上植物的種類、取材時間、處理方法、消毒方式及超凈工作臺的質量等因素導致污染無法完全避免，這些問題極大地限制了植物組培技術在農林業常規生產中的推廣與普及。啟發學生思考：能否開發一種對無菌環境要求不那么苛刻、操作程序簡化、成本低廉的植物組織培養技術？實現植物在自然、開放的有菌環境中的組織培養操作。進而引導學生探索和思考相應的改進方式，借此向學生介紹最新的植物開放式組培技術，鼓勵學生針對抑菌劑、組培器皿、自然生長條件等方面提出改進的建議和自己的想法，討論植物開放式組培技術的未來發展趨勢。這種方式既激勵了學生主動學習的積極性，又鍛煉了學生的邏輯思維和信息捕獲等多種能力。學生反映，他們自己的科研實驗都或多或少地涉及植物組織培養，在實驗過程中經常會遇到染菌的問題，開放式植物組培養為今后的課題實施提供了新的應對策略。

（二）案例式教學

植物細胞工程是以植物組織和細胞的離體操作為基礎的實驗性學科，其實踐性、操作性和技術性很強，要求學生能運用已掌握的基本理論知識和實驗技能，完成較為復雜的專業技術實驗。然而由于實驗設備、場地和課時限制，本課程實踐條件薄弱，實驗教學難以開展。學生缺乏實踐體驗，無法對所學知識有一個深刻的認識。為解決這一問題，筆者采用靈活多樣的教學手段，通過引入具體案例，最大限度地幫助學生增加實踐體驗。并且，教學中將相關內容制成圖片和視頻進行展示，簡單明了、形象直觀，學生較容易掌握。具體來說，筆者為南京林業大學生物化學與分子生物學方向的研究生導師，研究課題涉及基因的克隆表達、遺傳轉化、基因編輯和組織培養等方面。為了幫助學生獲得更親近的實踐體驗，筆者把自己多年來的研究內容、研究成果、研究方法穿插進教學內容中，通過圖片和視頻，讓學生有一個感性認識。例如，在講解原生質體章節時，把前期進行的長春花DXS基因啟動子活性檢測的相關實驗方法詳細介紹給學生，包括原生質體提取分離、PEG介導外源基因轉化、用雙熒光素酶檢測法測定轉錄因子ORCA3調控DXS啟動子活性的實驗原理、方法、操作過程及注意事項等［5］。另外，考慮到我校選修本課程的研究生大都從事林木相關研究，筆者還特地增加了木本植物原生質體的提取分離和轉化方法的相關內容，把權威雜志Nature Protocol上的經典方法介紹給學生［6］。為保證教學效果，這部分實驗筆者在課前一步步親自或指導自己的研究生進行實踐操作，確保實驗的可操作性和可重復性，并對實驗過程中可能出現的問題進行歸納總結，課堂上以演示的方法教授給學生，引導學生針對項目開展過程中可能遇到的實際困難進行積極思考并開展討論。

隨著科研工作的不斷推進，筆者還將課題組新的研究成果引入課程教學，提高教學質量。楊樹作為木本植物模式樹種，其轉基因技術已開發多年，目前根癌農桿菌介導的轉基因方法在楊樹中被普遍使用，但實際應用中由于不同實驗室的實驗條件、植物材料、操作人員的技術水平等方面的差異，其轉化效率往往達不到期望水平。筆者在楊樹遺傳轉化研究中不斷進行改革和創新，收到了很好的效果。具體來說，我校建立了一種簡單快速高效的發根農桿菌介導的楊樹轉基因體系，并獲得了國家發明專利授權。講課過程中，筆者把這一研究成果引入課堂。在教學過程中增加了這些與學生相關的實例，幫助學生打開思路，鼓勵學生勇于創新，科研中不斷摸索和建立適合自身的方法。這些內容與學生的科研緊密相關，然而在課本上沒有解釋更沒有答案。通過以上引入具體案例的方式，能夠真正幫助學生解決實際問題，將理論與實踐結合到一起。

（三）雙語教學

植物細胞工程是當前植物學領域中發展最快并正在與其他學科廣泛交叉與滲透的重要前沿學科，采用英漢雙語進行教學，對跟蹤植物細胞工程發展前沿、教學內容與水平同國際接軌等方面具有重要意義。教學過程中PPT課件主要內容幾乎全部采用英文展示，以幫助學生熟悉和了解植物細胞工程的專業術語及相關內容的規范表述。同時，還有針對性地節選web of science、Science Direct和Springer Link等數據庫中英文原版論文用于教學。將這些文獻推送給學生，要求學生認真閱讀并思考和理解作者為什么要研究、如何研究和研究出了哪些成果。教會學生閱讀技巧，提高學生研讀文獻的能力。

三、課程考核方式改革

課程考核是檢驗教學效果的有效手段和保證教學質量的重要環節。課程考核方式對學生的學習具有導向性。研究生教育重點培養的是研究生的科研創新能力，僅參考筆試成績難以對學生的能力進行評價，需根據平時和期末的綜合表現進行評價，考查學生對基本理論的掌握和理解應用能力。為了更好地評價學生對植物細胞工程的理解和綜合運用能力，我校從三個方面開展綜合評價，分別是課堂表現、專題報告的表現和研討報告。其中課堂表現占總成績的10%，考查學生的出勤率和課堂討論；專題報告的表現占總成績的30%，考查學生的報告內容、語言表達、問題解答；研討報告占總成績的60%，考查學生的文獻查閱、歸納總結、科技寫作。

結語

筆者近年來在“植物細胞工程”教學中不斷探索和實踐，及時更新理論知識與實踐內容，學生反映在課堂上所學理論和技能在科研實踐中能得到很好的應用，教學效果很好。但植物細胞工程是一門快速發展的技術，因此對教學工作提出了更高的要求，要緊隨科技發展的步伐，不斷更新和優化現有課程體系和內容，進行教學方法上的研究和完善，在提高教學質量上下功夫，努力使“植物細胞工程”課程的教學在我校研究生專業能力和創新意識的培養中發揮更大的作用。