“植物生物學(xué)”混合式“金課”教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新與探索

魏 珍 陸 陽 許雪敏 朱世新

鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 河南鄭州 450001

2018年8月,教育部印發(fā)的《關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實(shí)的通知》(教高函〔2018〕8號)指出:“各高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容,淘汰‘水課’、打造‘金課’。”目前,全國的高校都在大力推進(jìn)“金課”的建設(shè)工作。

“植物生物學(xué)”課程對國內(nèi)多數(shù)院校的生命科學(xué)類、農(nóng)學(xué)類、園林類專業(yè)的本科生都是很重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。在之前的研究中[1],我們已經(jīng)對“植物生物學(xué)”混合式課程的授課形式(線上資源推送、線上直播授課和線下傳統(tǒng)授課相結(jié)合)進(jìn)行了研究與實(shí)踐。本文將對利用河南省一流本科課程(線上課程)“植物生物學(xué)”(已在中國大學(xué)MOOC開課)和長江雨課堂平臺技術(shù)的鄭州大學(xué)線上線下混合式“金課”“植物生物學(xué)”的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新與探索,相關(guān)課程獲得河南省本科教育線上教學(xué)優(yōu)秀課程二等獎。本文將主要結(jié)合國際前沿科研成果對課程內(nèi)容進(jìn)行概述,提出新的見解并進(jìn)一步提高課程質(zhì)量。

一、課程內(nèi)容

“植物生物學(xué)”“金課”的內(nèi)容創(chuàng)新要注重“兩性一度”,即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。高階性指的是要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維;創(chuàng)新性是指要注重課程內(nèi)容的前沿性和時代性、教學(xué)形式的先進(jìn)性和互動性以及學(xué)習(xí)結(jié)果的探究性和個性化;挑戰(zhàn)度是指課程要有一定難度,教師要花時間精力準(zhǔn)備課程內(nèi)容,需要學(xué)生有較多的學(xué)習(xí)時間和思考做保障才能完成。本課程授課內(nèi)容主要參照《植物生物學(xué)》(第4版)[2]和RavenBiologyofPlants[3]兩本國內(nèi)外主流教材設(shè)計,課程內(nèi)容包括緒論、植物細(xì)胞與組織、植物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)育、植物的繁殖、生物多樣性、植物的分類及命名、植物的進(jìn)化和系統(tǒng)發(fā)育、植物類群等部分。

(一)緒論

《植物生物學(xué)》緒論部分主要介紹植物在生物分界中的地位、植物學(xué)的研究對象及學(xué)習(xí)的重要意義、植物科學(xué)的發(fā)展簡史和發(fā)展趨勢等內(nèi)容。

由于研究手段和科學(xué)認(rèn)識的局限性,包括林奈的兩界系統(tǒng)、海克爾的三界系統(tǒng)、魏泰克的四界和五界系統(tǒng)以及后來生物學(xué)家提出的六界系統(tǒng)、八界系統(tǒng)等生物分界系統(tǒng)與現(xiàn)代生物分界系統(tǒng)存在一定差異。此部分內(nèi)容可著重介紹基于分子生物學(xué)的三域系統(tǒng)的概念和基本分類方法,要講解與經(jīng)典生物分界系統(tǒng)的異同點(diǎn),教師可以結(jié)合三域系統(tǒng)的生命系統(tǒng)樹來講解,并舉例說明。如Taq DNA聚合酶是如何在美國黃石國家森林公園火山溫泉中發(fā)現(xiàn)的?Taq DNA聚合酶是在什么微生物中首先分離的?它是一種真細(xì)菌還是一種古細(xì)菌?PCR技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與推廣應(yīng)用怎樣影響了分子生物學(xué)的發(fā)展?

植物學(xué)的研究對象是整個植物界,可分為植物解剖學(xué)、植物分類學(xué)、植物遺傳學(xué)、發(fā)育植物學(xué)、植物系統(tǒng)與進(jìn)化植物學(xué)、植物細(xì)胞學(xué)、植物生理學(xué)、種子植物學(xué)、植物生態(tài)學(xué)、古植物學(xué)、植物群落學(xué)、藻類植物學(xué)、苔蘚植物學(xué)、植物生殖生物學(xué)、植物資源學(xué)、藥用植物學(xué)、植物分子系統(tǒng)學(xué)、植物分子遺傳學(xué)、應(yīng)用植物學(xué)、民族植物學(xué)等多個分支學(xué)科。對于本科生來說,“植物生物學(xué)”課程主要的研究內(nèi)容為被子植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、發(fā)育、繁殖和植物類群。一些較小眾的學(xué)科分支雖然不會涉及具體內(nèi)容,但可以作為激發(fā)學(xué)生興趣的切入點(diǎn)。如民族植物學(xué)的研究內(nèi)容不僅包括人類如何認(rèn)知和利用植物,也包括人類認(rèn)知和利用植物的歷史、現(xiàn)狀和未來的動態(tài)演變過程,并將研究的結(jié)果應(yīng)用于植物資源的可持續(xù)利用和植物多樣性保護(hù)。可以列舉具體的例子,如木薯是怎樣從原產(chǎn)地巴西傳播到非洲、亞洲和加勒比的熱帶和亞熱帶地區(qū)?中國人利用某種藥用植物的歷史、使用方法、語言及文字記載,等等,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

植物科學(xué)的發(fā)展簡史主要包括描述植物學(xué)時期、實(shí)驗(yàn)植物學(xué)時期和現(xiàn)代植物學(xué)時期。此部分內(nèi)容可列舉歷史上有名的植物學(xué)家來說明,如描述植物學(xué)時期可列舉英國物理學(xué)家虎克創(chuàng)制第一架有研究價值的顯微鏡并發(fā)現(xiàn)了植物細(xì)胞的例子。虎克第一次使用了“細(xì)胞”一詞,然而他發(fā)現(xiàn)的其實(shí)不是真正的活細(xì)胞,而是植物死細(xì)胞的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)植物學(xué)時期可列舉林奈發(fā)表《植物種志》的過程,并簡單介紹植物的雙命名法;列舉孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn),可以適當(dāng)討論孟德爾生活的時代背景來提高趣味性;最后可以講述英國生物學(xué)家、進(jìn)化論的奠基人達(dá)爾文個人的生活和科研經(jīng)歷,包括他怎樣從學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)為學(xué)習(xí)神學(xué);通過貝格爾號5年的環(huán)球航行,一步步成為動植物和地質(zhì)學(xué)專家的過程。達(dá)爾文在1859年出版了《物種起源》這一劃時代的著作,提出了生物進(jìn)化論學(xué)說,從而摧毀了各種唯心的神造論和物種不變論。《物種起源》出版之后,他收到了來自全世界各地抨擊進(jìn)化論的來信,達(dá)爾文是怎樣在這樣的環(huán)境下堅持自己的理論的?

現(xiàn)代植物學(xué)時期可講述沃森與克里克提出DNA的結(jié)構(gòu)和自我復(fù)制機(jī)制,開創(chuàng)了分子生物學(xué)時代并獲得諾貝爾獎的故事。此外,也應(yīng)該介紹中國植物生物學(xué)的發(fā)展史及植物學(xué)研究的重要學(xué)者,如胡先骕與水杉的故事、“雜交水稻之父”袁隆平院士發(fā)現(xiàn)雜交水稻的故事、中國首位獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的屠呦呦與青蒿素的故事等。

(二)植物細(xì)胞與組織

由于植物細(xì)胞部分主要的概念在高中階段都已經(jīng)學(xué)過,為了避免學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒,可將重點(diǎn)放到植物細(xì)胞特有的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器上,強(qiáng)調(diào)動植物細(xì)胞的主要區(qū)別即可。

植物組織按發(fā)育程度可分為分生組織和成熟組織,按細(xì)胞組成又可分為簡單組織和復(fù)合組織。此部分可以結(jié)合課堂提問來加深學(xué)生的記憶,如:水生植物是通過哪些組織適應(yīng)水生環(huán)境的?韭菜為什么可以割了一茬又一茬?梨的果肉中硌牙的顆粒是什么組織?

(三)植物體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)育

種子植物的根、莖、葉等營養(yǎng)器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)和發(fā)育是此部分的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。其中,根和莖的次生生長和次生結(jié)構(gòu)是難點(diǎn),可利用解剖結(jié)構(gòu)圖、動畫及實(shí)驗(yàn)課等多種手段進(jìn)行講解。在根、莖、葉的變態(tài)結(jié)構(gòu)部分,可以利用網(wǎng)絡(luò)資源和最新文獻(xiàn)為學(xué)生展示多樣化的植物器官。如茅膏菜、豬籠草等具有捕蟲葉的植物,可以通過捕蟲視頻展示葉的變態(tài)器官特征,給學(xué)生具體的印象,加深記憶;通過照片和視頻為學(xué)生展示“一樹一森林”的榕樹氣生根;引入最新的研究成果來講解菟絲子的寄生根[4-5],該器官不僅可以通過維管束系統(tǒng)與寄主植物維管組織相融合,從而獲得寄主的水分和營養(yǎng),同時可以在單子葉植物和雙子葉植物之間、甚至在蕨類植物和雙子葉植物之間傳遞昆蟲取食誘導(dǎo)產(chǎn)生的系統(tǒng)性信號,并且可以增強(qiáng)信號接收植物的防御能力。

(四)植物的繁殖

種子植物的繁殖器官包括花、果實(shí)和種子。此部分重難點(diǎn)主要包括被子植物花的形態(tài)結(jié)構(gòu)、發(fā)育及其生殖過程、種子和果實(shí)的形成過程等,涉及的概念及形態(tài)學(xué)術(shù)語較多,容易使學(xué)生感到疲勞,因此可適當(dāng)引入相關(guān)的前沿研究,提升課程的先進(jìn)性和科學(xué)性,吸引學(xué)生注意力。在生殖過程部分,可引入無融合生殖相關(guān)的最新研究結(jié)果,介紹2022年由KeyGene、瓦赫寧根大學(xué)及研究中心、日本TAKII公司、新西蘭植物與食品研究中心及林肯大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的科研人員發(fā)表在NatureGenetics雜志上的文章,該研究闡述了PAR(孤雌生殖的縮寫)基因引起孤雌生殖的分子機(jī)制,并成功地證明了PAR基因可以使生菜和向日葵進(jìn)行孤雌生殖,使無融合生殖在農(nóng)作物上的應(yīng)用又向前邁進(jìn)了一大步[6];在傳粉與受精部分,可引入榕小蜂和榕樹協(xié)同進(jìn)化的例子[7],解釋為什么榕樹和傳粉小蜂在榕果形態(tài)和榕小蜂體型大小上具有形態(tài)上的匹配性,以及榕果揮發(fā)物氣味對榕小蜂的特異性吸引是如何發(fā)生的;在種子的休眠部分,可以引入中國古蓮和2000年前的猶太棗椰樹種子萌發(fā)的實(shí)驗(yàn)[8]來說明種子壽命及活力的長短與物種及貯藏條件有關(guān),并介紹棗椰樹與我國人民喜好食用的紅棗在分類學(xué)上的差別。

(五)生物多樣性、植物的分類及命名、進(jìn)化和系統(tǒng)發(fā)育

此部分包括生物多樣性的概念和重要性、植物分類的方法、分類的基本單位和階層系統(tǒng)、植物雙命名法及基本類群、植物類群的進(jìn)化和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系等內(nèi)容,重難點(diǎn)在于植物分類學(xué)的方法、植物各大類群的概念和雙名法及其意義。

植物的系統(tǒng)發(fā)育是指某種、某個類群或整個植物界的形成、發(fā)展、進(jìn)化的全過程,對于本科生來講較為抽象,但在其他生物學(xué)基礎(chǔ)課程如進(jìn)化生物學(xué)、生物信息學(xué)等也可能會涉及,因此需要對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育的研究內(nèi)容和研究方法的簡單介紹,并引入分子系統(tǒng)學(xué)研究的內(nèi)容和方法。可以利用網(wǎng)絡(luò)資源(如iPlant植物智、多識植物百科等)為學(xué)生解釋基于分子證據(jù)的被子植物分類系統(tǒng)(APG VI),并介紹中國學(xué)者主導(dǎo)的與美國佛羅里達(dá)大學(xué)、得克薩斯州植物研究所、英國皇家植物園邱園及愛丁堡皇家植物園等國外多所大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)表的覆蓋被子植物433科2024屬4660種的“生命之樹”[9]。為了加深學(xué)生對被子植物分類群的理解,可以介紹被子植物的八大主干分支,包括基部的無油樟目、睡蓮目和木蘭藤目,以及核心被子植物的五大分支——金粟蘭目、木蘭類、單子葉植物、金魚藻目和真雙子葉植物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,并簡單展示如何讀一棵生命之樹以及單系類群、并系類群、多系類群、共同祖先、祖征、衍征等基本概念。

(六)植物類群

植物類群主要包括真核藻類、苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物、被子植物等類群。此部分主要學(xué)習(xí)各植物類群的一般特征和代表植物,包含大量的形態(tài)學(xué)名詞,對于學(xué)生來說過于抽象,必須結(jié)合生活中、校園中的常見植物照片進(jìn)行講解。此外,校園植物觀察、植物學(xué)實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)踐課程也是加深學(xué)生對此部分內(nèi)容理解的重要手段。

本課程依托于教育部生物學(xué)課程野外實(shí)習(xí)虛擬教研室鄭州大學(xué)分室及河南省本科高校大學(xué)生校外實(shí)踐教育基地“鄭州大學(xué)新農(nóng)科(生物科學(xué))大學(xué)生校外實(shí)踐教育基地”,為學(xué)生提供植物學(xué)野外實(shí)踐平臺。野外實(shí)習(xí)虛擬教研室可以為學(xué)生提供室內(nèi)的VR體驗(yàn)課程,讓學(xué)生足不出戶,了解到河南省的主要植物類群和常見植物。校外實(shí)踐教育基地位于南陽市西峽縣太平鎮(zhèn),由鄭州大學(xué)和伏牛山國家級自然保護(hù)區(qū)黃石庵管理局共建。伏牛山是我國北亞熱帶和暖溫帶的氣候分界線,生物多樣性豐富,科學(xué)研究和生態(tài)價值突出,適合學(xué)生了解和學(xué)習(xí)河南省代表性植物類群。通過兩周的野外實(shí)踐課程,可以加深學(xué)生對本地分布植物類群的感性認(rèn)識和理性認(rèn)識,進(jìn)一步加深其對植物類群分類特征的理解和掌握,達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。

二、結(jié)論

“植物生物學(xué)”是生命科學(xué)類、農(nóng)學(xué)類、園林類相關(guān)專業(yè)的本科專業(yè)基礎(chǔ)課程,掌握好該門課程內(nèi)容,為學(xué)生在高年級進(jìn)行其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí),參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目、全國大學(xué)生生命科學(xué)競賽、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等學(xué)科類比賽打下良好的基礎(chǔ)。

總之,“植物生物學(xué)”是一門既古老又年輕,既傳統(tǒng)又在不斷發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科,對其教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新與探索,引入前沿的研究結(jié)果,不僅能適當(dāng)提高課程的難度,也能夠更好地建設(shè)“植物生物學(xué)”混合式“金課”,為“雙一流”背景下的本科教學(xué)提供參考。