新農科背景下分子生物學實驗教學改革探索

單曉輝 席景會 趙磊 張明哲 丁雪梅 原亞萍

摘? 要：以分子生物學為主要內容的現代生物技術已被納入到新農科的知識范疇。簡單借鑒綜合性大學的分子生物學實驗課教學方案，已不能完全符合新農科建設的需求。該文詳細分析影響涉農專業分子生物學實驗課程教學效果的主要問題，并提出切合新農科建設思路，融合翻轉課堂、PBL（Problem-based Learning）、OBE（Outcomes-based Education）等教學模式的多元教學解決方案。針對傳統農科人才培養中重視實際操作，但總結和表述能力培養相對不足的實際，設立以”做得好、寫得好、講得好”為評價教學效果的新標準。初步實踐表明，該方案的實施能提高學生參與實驗課程的主動性，在教授學生實驗操作技能的同時，培養學生的創新精神和團結協作精神。在全面培養新農科學生綜合實驗能力和科學素質方向上，做出有益的探索。

關鍵詞：新農科；分子生物學實驗；教學實踐；綜合實驗能力；教學質量

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）05-0128-04

Abstract： Biotechnology， represented by molecular biology， has been incorporated into the knowledge of the new agricultural science. The teaching scheme of Molecular Biology Experiment courses simply adapted from comprehensive universities can no longer fully match the needs of the construction of new agricultural science. In this paper， the main problems affecting the effects of teaching Molecular Biology Experiment courses are analyzed in detail， and a multifaceted teaching solution is proposed which is in line with the construction of the new agricultural science and integrates Flipped Class Model， PBL （Problem-based Learning） and OBE （Outcomes-based Education）. In response to the fact that the training of traditional agricultural talents emphasizes practical operations， but the development of summarizing and presentation skills is relatively inadequate， a new standard has been established to evaluate the teaching performance by "doing well， writing well and speaking well". Preliminary practices have shown that the implementation of this system has increased the initiative of students to participate in the experiment course， and has taught them experimental skills while developing the spirit of innovation and teamwork. It has made a useful exploration in the direction of cultivating comprehensive experimental ability and scientific quality of students in the new agricultural science.

Keywords： new agricultural science; Molecular Biology Experiment; teaching practice; experiment capacity ability; teaching quality

分子生物學是一門從分子水平上探究與認知生命現象的學科，具有外延廣、更新快、實驗性強等特點。分子生物學實驗技術已被廣泛應用于現代農林專業的相關研究領域，并發揮著舉足輕重的作用。2019年，全國涉農高校聯合發布的《安吉共識——中國新農科建設宣言》指出要將生物技術納入“新農科”的知識范疇[1-3]。2022年初，中國科學院院士種康在接受《瞭望》新聞周刊專訪時，指出“生物育種是打好種業翻身仗的重要武器”。這里所說的“生物育種”就是綜合運用轉基因、基因組編輯、分子標記輔助選擇等各類分子生物學技術的育種實踐。結合教育部就教學改革提出的“強化基礎、增強能力、提高素質”的指導思想[4]。我們應根據涉農專業分子生物學實驗教學中存在的具體問題，借鑒國內各高校在運用翻轉課堂、PBL（Problem-Based Learning）、OBE（Outcomes-Based Education）等教學模式取得的成功經驗[3，5-14]，建立一套立足于本單位實際情況，符合新農科培養需求的分子生物學技術實驗課程體系，全面注重對學生綜合實驗能力和素質的培養。讓新農科學生了解和掌握分子生物學實驗技術，不但是實現“生物育種”的關鍵，而且也是打好“種業翻身仗”和解決種業“卡脖子”問題的不可或缺的武器。新農科學生既要具有“提出問題、分析問題和解決問題”的科研能力，又要具備“面向公眾推介研究成果”的推廣能力，能夠做到“做得好、寫得好、講得好”。通過新農科分子生物學實驗教學體系的改革，助力培養服務于農業科技創新的復合型人才。

一? 分子生物學實驗課程教學現狀

（一）? 符合新農科建設的教學方案尚不成熟

目前，新農科的分子生物學教學多是借鑒或秉承綜合性大學生命科學方向的教學方案。不但理論課程中所講述的內容普遍抽象，而且相關的實驗也很難展示出與植物學、動物學或微生物學實驗中呈現的細胞、組織、器官等直觀的、具體的、實物化的實驗結果。這一情況直接會導致學生的參與熱情降低。而且本科階段，大多數院校設立的分子生物學實驗內容與新農科的理念也沒有緊密聯系，往往只是提取DNA、PCR、凝膠電泳檢測等基礎內容，不但與“生物育種”“分子設計育種”等農業科學領域的熱門概念沒有形成直接關聯，也與理論課中介紹的轉錄、翻譯、表達調控等內容相去甚遠。學生所學的理論難以通過實驗課與新農科建立有機的聯系。這會進一步影響學生的參與熱情和課堂的教學效果。

（二）? 實驗條件嚴重制約實驗教學質量

在分子生物學實驗教學過程中，實驗條件也是影響教學質量的一個關鍵因素。大多數涉及新農科建設的院系，均存在用于公共實驗教學的分子生物學專業實驗儀器種類和數量少的實際問題，造成能夠開設的實驗內容有限；又由于學校能夠提供的實驗經費和實驗場地不足，很多實驗只能設置成觀摩實驗。學生接觸的實驗內容，無法與日新月異的分子生物學實驗技術發展相匹配，導致學生無法形成通過設計實驗去解決“品種改良”“種質鑒定”“基因發掘”等農業領域實際問題的能力。即使有了實驗設計的“思想火花”，由于條件限制無法實踐，也只能放棄。這都會嚴重影響學生的參與熱情。實驗教學的不足，直接導致很多本科生進入研究生階段后，盡管具備了一定的理論基礎，但是仍無法設計實驗，只能接受導師安排，成為高級勞動力，沒有自己對課題的想法和規劃，這也背離了新農科人才培養的初衷。

（三）? 考核方式單一不利于培養全面型人才

分子生物學實驗教學的目的是以提高實驗動手能力為基礎，鞏固和延伸理論知識，培養學生的創新意識。而新農科背景下，學生通過完成實驗課應該對其實驗內容和實驗結果“想得明、做得好、寫得清、講得透”。但目前實驗課的考核形式并未隨著教學要求的提高而改變，實驗報告仍是用來評價學生是否掌握此項實驗技能的主要方式，但實驗報告既無法系統地反映學生的動手能力，也無法體現學生在實驗設計、結果分析和應對突發問題的處置能力，更無法激發學生的學習熱情，不利于培養全面型新農科人才，亟待改進和完善。

二? 分子生物學實驗課程教學探索

（一）? 明確課程教學目標——助力培養綜合科研素質

培養符合新農科建設需求的具有綜合科研素質的人才，明確課程的教學目標是根本。目前，以分子生物學實驗技術為核心的生物技術正深刻地改變著全球農產品生產格局。近年來，全球范圍內生物育種技術不斷取得重大突破，世界種業進入到育種“4.0時代”，正迎來以全基因組選擇、基因編輯、合成生物及人工智能等技術融合發展為標志的新一輪科技革命。我國也在全面實施種業振興行動方案，啟動農業生物育種重大項目。分子生物學實驗課程作為分子生物學課程重要的組成部分，服務于新農科建設就應該以符合農業領域發展為目標，重視農業生產中的實際問題，以分子生物學實驗教學為著手點，培養“善提問、愛思考、敢創新、能動手、會總結”的新農科復合型人才，為新農科建設助力。

（二）? 優化課程體系——具體問題導向的模塊化實驗

模塊化是目前優化分子生物學實驗教學課程體系中較多選用的方案[8，15]。模塊化能夠將分子生物學中較為零散的實驗技術整合成幾個主題模式，雖然很大程度上實現了化零為整，但各模塊之間仍缺少密切的聯系，重技術輕科學的問題依然存在。

有鑒于此，我們在優化分子生物學實驗教學課程體系的過程中，探索性地采用了與農業生產實際問題相結合的方式，開展了以具體問題為導向的實驗模式。例如“生物育種材料的分子檢測”實驗，我們就將核酸提取、蛋白提取、各類PCR、凝膠電泳和分子雜交等相關實驗技術進行了有機整合。不但教授了具體實驗技術，而且也將具體技術在解決實際問題中所發揮的作用進行了直觀展示。學生不但學習了技術，也學會了如何應用相應技術解決國家轉基因生物安全管理規定中對申請“中間試驗”“環境釋放”“生產性試驗”提出的實際問題，還能切實服務于種業創新，實現了既授之以“魚”又授之以“漁”的效果。

（三）? 改進教學方法——探索多元教學模式

在優化課程體系的情況下，整體的實驗教學方法也要進行相應的改進。借鑒已有的翻轉課堂、PBL（Problem-Based Learning）、OBE（Outcomes-Based Education）等教學模式取得的成功經驗[5-12]，綜合運用，合理組合，因地制宜地改進教學方法。

首先，教師根據課程內容及本學院各研究方向所涉及的分子生物學研究內容，商討制定出一批與新農科發展密切相關、特色鮮明、針對性強的實際問題。問題與科研相一致，更容易激發學生參與的熱情。學生則以分組的方式，組隊挑選一個問題，查閱資料、商討方案、制定計劃，并在課堂上進行展示講解。由同學和教師進行評價和討論，再進行修正，形成最終的實驗方案。經過這一系列實驗前的教學活動，能有效地激發學生的學習積極性，有助于幫助學生建立嚴謹的科學思維方式，并提高其綜合表達能力。通過相互評價還有助于培養學生的批判精神和相互協作精神。

具體的實驗室教學階段，由于實驗內容源于具體的科研問題，任課教師可以邀請相關項目組的科研人員在實驗過程現場指導，并結合自身科研經歷為學生講解實驗中需要注意的操作要點，以及如何分析實驗中遇到的具體問題，同時提供意見建議。學生通過參與實驗，能夠真切地體驗到理論與實際相結合。又由于整個實驗模塊各個小實驗之間緊密關聯、相輔相成，學生必須認真學習掌握每一項實驗技術，成功完成具體實驗，才能實現整個實驗模塊的研究目標。這又無形中增強了學生的參與意識與責任心，還有助于培養學生的團隊協作精神。

另外，這種教學模式為承擔科研項目的教師和有意愿參與科研項目的本科生搭建了交流平臺。學生能夠了解到具體的科研項目，而相關教師則能通過參與實驗教學了解不同學生的實驗能力。這為今后學生選擇科研方向和教師選擇理想的研究生都提供了便利。相關課題組的參與也在一定程度上解決了分子生物學實驗課教師資源、試劑耗材、儀器設備和實驗場地等條件短缺的實際問題。這也是借鑒相關科研反哺教學模式的成功經驗[16-17]，在分子生物學實驗課程上的一次有益嘗試。這種多元教學模式的運用，較好地體現了“教”“學”互長、“教”“學”互促的理念。

再以“生物育種材料的分子檢測”為例。由于生物育種是我國種業振興計劃的重要組成部分，是我國農業發展的一個戰略方向，選擇此實驗的學生格外積極踴躍。學生通過前期查閱資料，了解到“生物育種”包括轉基因、基因編輯、分子標記輔助選擇和誘變等多種育種手段，根據課程的課時量很難完成一個生物育種材料的全部鑒定。因此，學生積極與本學院從事相關研究的課題組進行了溝通，達成了合作意向。由相關課題組提供待測植物材料和部分試劑，并輔助指導學生的實驗操作；而學生在學習相關實驗技術的基礎上，幫助課題組完成相關分子檢測的部分工作。在此過程中充分調動和發揮了學生的參與積極性和主觀能動性，在了解到相關課題組“生物育種”材料分子檢測工作人手不足的情況后，通過溝通既實現了學習分子生物學技術，又幫助課題組解決了檢測人員不足的實際問題。學生還通過參與“生物育種材料的分子檢測”工作，了解了我國對轉基因生物的安全管理辦法，知曉了“中間試驗”“環境釋放”“生產性試驗”等不同管理階段對轉基因材料分子檢測的要求。在商討實驗方案的過程中，學生還積極討論了是否可以利用“全基因組測序”代替“Southern Blot”證實目的片段整合入受體基因組；比較了“熒光定量PCR”和“Northern Blot”兩種技術在檢測目的基因表達水平時各自的優缺點。通過實驗課的拓展，實現了理論與實踐的結合。學生的實驗結果也成為了佐證材料，為相關課題組申請轉基因材料的“中間試驗”和“環境釋放”提供了必要的數據支撐，一組實驗課達到了“一舉多得”的效果。

（四）? 建立科學的課程考核方法

通過對實驗報告考核方式的補充和完善，達到綜合評價教學效果的目的。傳統的實驗報告多為“實驗題目”“實驗目的”“實驗原理”“實驗步驟”“實驗結果”幾部分組成。通過改進，增設了“結果討論”部分。在這一部分要求學生對具體實驗結果反映的科學問題進行分析和說明。如果遇到與預期不同的結果，則要分析出現此類問題的具體原因，制定解決方案。除了書面的“實驗報告”還要進行口頭的“實驗報告”，即“實驗結果展示”。讓學生在規定的時間內，用幻燈片等多媒體方式全面展示和介紹實驗過程和實驗結果。書面表達與口頭表達相結合的考核評價，對提高學生綜合能力，特別是補強傳統農科人才培養時對表述能力重視不足的短板，實現培養“做得好、寫得好、講得好”的新農科復合型人才有實際意義。

總結實驗課的具體評價內容：①實驗設計與計劃共15分，具體包括文獻閱讀5分，計劃書10分；②實驗技能共30分，具體包括實際操作能力20分，團隊協作能力10分；③實驗報告共40分，具體包括實驗結果與討論30分，書面報告規范性10分；④實驗成果展示共15分，具體包括多媒體展示10分，語言表達5分。

三? 結束語

以分子生物學為代表的生物技術已被納入新農科的知識范疇，這是我國旨在全面提升農業科研水平的重要舉措。對分子生物學實驗教學進行符合新農科人才培養要求的教學改革，也成為了新時期相關任課教師的新任務[1，18-20]。吉林大學植物科學學院在分子生物學實驗教學中借鑒多種教學模型的成功經驗，大膽探索嘗試，告別了生命科學類人才培養中的分子生物學實驗課教學范式。從解決農業領域實際問題出發，以“做得好、寫得好、講得好”作為評價教學效果的新標準。在全面培養新農科學生綜合實驗能力和科學素質方向上，做出了有益的探索。

打好種業翻身仗是農業領域對提高綜合國力的重要戰略支撐，而以分子生物學為技術核心的“生物育種”則是打好種業翻身仗的重要組成部分。新農科建設中，通過分子生物學實驗課程教學培養學生的創新能力和解決實際問題的綜合能力，既符合新農科實驗教學體系改革的實際需求，又為我國農業發展培養科技創新復合型后備人才進行了有益的探索。

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