新農科背景下植物分子生物學教學改革探索

摘" 要：新農科建設的核心是培養(yǎng)新型人才，構建新型教育體系，對課程體系創(chuàng)新是新農科建設面臨的首要任務。該研究以植物分子生物學課程為例，針對現教學中存在的痛點，從課程思政建設、引入虛擬仿真實驗、混合式教學、PAD課堂模式及優(yōu)化考核評價體系角度出發(fā)，探討改革策略，以期達到提高教學質量、培養(yǎng)高素質復合型新農人為目的，為新農科背景下的農學專業(yè)課程教學改革提供理論參考。

關鍵詞：新農科；植物分子生物學；教學改革；課程思政；課程評價

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）23-0149-04

Abstract： The core of the construction of new agricultural sciences is to cultivate new talents and build a new education system. Innovating the curriculum system is the primary task facing the construction of new agricultural sciences. Taking the course of plant molecular biology as an example， this study explores reform strategies from the perspectives of ideological and political education， introduction of virtual simulation experiments， hybrid teaching， PAD classroom model and optimization of the assessment and evaluation system， aiming at improving the quality of teaching and cultivating high-quality compound new farmers， and provides theoretical reference for the teaching reform of agronomy majors in the context of new agricultural science.

Keywords： new agricultural science; plant molecular biology; teaching reform; ideological and political education; curriculum evaluation

2019年9月5日，習近平總書記給全國涉農高校的書記校長和專家代表的回信中，要求涉農高校“以立德樹人為根本，以強農興農為己任”。為新時代高等農林教育高質量內涵發(fā)展指明了方向，明確了任務，推進建設新農科[1-2]。2024年中央一號文件又明確指出要加強高等教育新農科建設，加快培養(yǎng)農林水利類緊缺專業(yè)人才[3]。全國新農科建設中心秘書長曹志軍表示，以農學本科專業(yè)為例，除了要求學生進一步夯實生命科學與數理化等基礎學習，也需要掌握一定的工學與信息、人文社科、生態(tài)與環(huán)境等學科領域的基礎知識，現代生物技術、信息技術、環(huán)境科學等多學科的融合，為農業(yè)科學的創(chuàng)新提供了新的路徑。

目前人工智能技術不斷地滲入并融合到農業(yè)的各個方面[4]，包含AI[5]、組學大數據分析[6]及各種新興生物產業(yè)的萌發(fā)，共同推進“新農科”蓬勃發(fā)展。多種技術巧妙融合才能筑牢我國“三農”穩(wěn)、快發(fā)展進程，強國必先強農，農強方能國強，只有知農、敬農、愛農的年輕人加入新農人的行列，農業(yè)才能越來越強。隨著農業(yè)的發(fā)展，高等教育也在適應與轉變，學科作為人才培養(yǎng)與社會發(fā)展的載體，必須創(chuàng)新改革，才能加快新農科建設腳步，為鄉(xiāng)村振興發(fā)展提供更強有力的人才支撐[7]。新農科強調科技創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展齊頭共進，通過基因編輯、智能農業(yè)、大數據和人工智能等技術，推動農業(yè)生產方式的轉變和升級。例如CRISPR-Cas9基因編輯技術在作物改良中的應用，在提高作物產量、改良作物品質、獲得生物和非生物抗性等方面都有廣泛應用[8]；智能農業(yè)系統(tǒng)通過傳感器和大數據分析，實現了精準農業(yè)管理，提高了農田資源的利用效率和農作物的產量和質量[9]；農田生態(tài)系統(tǒng)管理和有機農業(yè)模式的推廣，可以改善土壤結構，提高作物的抗病能力[10]。傳統(tǒng)農業(yè)學科在資源集約利用和生態(tài)文明建設等領域有所欠缺，原先固有的傳統(tǒng)農學專業(yè)教學知識體系已經無法滿足新農科的發(fā)展需求，新興交叉學科的出現將彌補此前傳統(tǒng)農業(yè)知識的不足，同時新農科人才的培養(yǎng)要求及培養(yǎng)方式也將發(fā)生變化。高等院校新農科建設是建立在新經濟、新興產業(yè)的基礎之上，隨著經濟的發(fā)展，新職業(yè)對人才的需求不斷發(fā)生變化，而學科作為人才培養(yǎng)和科技發(fā)展的載體，必須順應發(fā)展進行創(chuàng)新改革，才能滿足社會對人才的需求。

植物分子生物學是研究植物生命活動的分子基礎及其調控機制的科學，通過運用分子生物學技術手段，揭示植物在生長、發(fā)育、代謝和應激反應等過程中的分子機制，對于植物育種、作物改良、生物技術和環(huán)境保護等領域具有重要的理論和應用價值，課程以立德樹人為根本任務，圍繞新農科建設，通過課程理論與實踐的學習，使學生對目前植物分子生物技術有一定的了解，在作物育種的過程中能夠初步使用分子育種手段，為創(chuàng)新種質資源提供理論支撐，旨在為培養(yǎng)知農、敬農、愛農和具有國際視野的優(yōu)秀新農人筑牢基礎。

1" 傳統(tǒng)教學模式的痛點

傳統(tǒng)的教學模式中以教師為中心，主要通過課堂講授的方式傳授知識，學生被動接受信息，缺乏主動參與，師生互動時間較短，知識流通方向單一，學生對于知識點以及知識之間的邏輯關系接受較為被動，課中與課后學習過程分離且不同頻，并不利于培養(yǎng)學生的開創(chuàng)性思維能力；同時前期不了解學生的學習情況，對于課內存在的問題沒有及時溝通反饋，學生問題無法解決逐漸累積導致后期失去學習興趣；討論式教學雖然可以通過學生之間的頭腦風暴與歸納整理，梳理基礎知識，分析問題，得出結論，但是不完全適用于課程難度較高且學生基礎知識不牢固的課堂。因此植物分子生物學不能完全套用討論式課堂，需要探索新型的教學模式，既以學生為中心，又能在提高學生興趣的同時發(fā)揮主觀能動性[11]。傳統(tǒng)教學模式注重理論知識的講授，忽視實踐操作能力和動手能力的培養(yǎng)，由于實驗前沿性強、時間跨度性大、實驗室建設與利用不夠等因素導致學生無法接觸基因編輯等分子育種方法，也無法將新農科提倡的產學研深入融合到教學設計中。傳統(tǒng)的植物分子生物學課程主要依賴期末考試來評價學生的學習效果以及對理論知識的掌握程度，閉卷考核評價指標單一，難以全面反映學生的綜合學習能力和實際表現，容易忽視學生在平時學習過程中的努力和進步，無法充分地反映學生對課程的掌握程度、實際應用能力與思維擴展能力。

2" 植物分子生物學教學改革思路

植物分子生物學教學改革應緊密圍繞新農科建設，深度挖掘思政育人元素，以立德樹人為根本核心，提升學生思想道德修養(yǎng)、對農業(yè)的熱愛與家國情懷；引入虛擬仿真實驗平臺，彌補實驗短板；通過線上線下混合式教學模式，引入以問題為導向的PAD課堂教學模式[12]，優(yōu)化課程考核評價體系，注重過程考核，提升開放性試題所占百分比，在增強學生主觀能動性與動手能力的前提下鍛煉開放性思維與知識整合能力（圖1）。新農科建設背景下的植物分子生物學教學改革，以切實提高課堂教學質量為基本，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和實踐技能的農業(yè)科技人才，為現代農業(yè)發(fā)展輸送專業(yè)人才提供質量保障。

3" 植物分子生物學教學改革相關措施

3.1" 以立德樹人為核心，思政教育融入諾貝爾獎相關案例

習近平總書記強調，要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人[13]。植物分子生物學作為一門專業(yè)性較強的課程，將思政教育有機融入教學過程，對于培養(yǎng)學生的科學精神、家國情懷和社會責任感具有重要意義。通過講解植物分子生物學中基因工程在農業(yè)發(fā)展中的應用，可以讓學生了解科技對農業(yè)生產、糧食安全和生態(tài)環(huán)境的重要貢獻，增強學生的可持續(xù)發(fā)展理念和家國情懷。同時植物分子生物學發(fā)展史也側面展現著諾貝爾獎的授予史，在諾貝爾獎案例中創(chuàng)新挖掘出符合新農科建設背景下的課程育人目標，將理論教學與思政育人有機融合起來，助力提升大學生思想道德素質與愛國情懷（表1）。

3.2" 引入虛擬仿真實驗平臺彌補實驗短板

以實驗空間國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺（https：//www.ilab-x.com/）為技術支撐，使用浙江大學公開的模式植物擬南芥CRISPR/Cas9基因編輯虛擬仿真實驗。模式植物擬南芥和CRISPR/Cas9基因編輯技術結合的虛擬仿真實驗操作不僅讓學生可以了解到前沿的植物分子育種技術手段，同時還克服了實體教學在資金、場地、時間及實驗室安全等方面的局限性，打破了普通院校和一流高校教學資源的壁壘。基因編輯實驗本身就具備技術難度大、實驗周期長、成功率難以保證的特點，而虛擬仿真實驗彌補了此短板，同時也有利于增強學生對專業(yè)理論知識的理解，提升對植物分子生物技術創(chuàng)造性的體驗（表2）。基因編輯類虛擬仿真實驗融入教學是保證高質量農學人才培養(yǎng)發(fā)展的必要手段，很大程度地拓展了植物分子生物學教學的廣度、深度和前沿度，虛擬仿真實驗教學開放平臺共享并應用到基礎理論教學中，也是新農科建設中農學學科發(fā)展的必然趨勢[14]。

3.3" 線上線下混合式教學

本門課程選取的課程網絡教學資源是智慧樹平臺上臺州學院的知識圖譜課程——分子生物學及實驗，線上資源涵蓋理論和實驗課程的視頻講解與課后習題，還可以發(fā)布任務供學生課前預習以及課后總結測驗使用。課堂上采用雨課堂教學模式，雨課堂教學可以讓老師與學生、學生與學生之間交流路徑更順暢，程序更通暢，每一個教學環(huán)節(jié)都設置學生參與的點，真正做到以學生為中心，達到課上及時互動，課下及時溝通的目的。同時學生還可以發(fā)送彈幕和參與投票，彈幕的形式能夠提高學生的積極性和參與度。例如在講授第四章DNA的復制端粒部分時，彈幕問題發(fā)送“如果可以增加五厘米，你想增加到什么地方？”引出“可以增加在端粒上”的回復，從而激發(fā)學生對于端粒以及端粒酶的學習興趣。學生不需要下載額外的APP，在微信公眾號中就可以參與雨課堂的互動，包括課前簽到，課中查看老師的授課PPT，標注有疑問的地方，教師還可以通過雨課堂對每部分課內知識點進行總結、發(fā)送練習題等互動操作。

3.4" 以問題為導向的PAD課堂教學模式

PAD課堂模式是指將傳統(tǒng)的講授法轉化為講授（Presentation）、內化與吸收（Assimilation）和討論（Discussion）三合一的新型教學模式，簡稱PAD。其中課前先提出問題，讓學生帶著問題聽課、思考，講授環(huán)節(jié)由教師在課上完成；內化吸收環(huán)節(jié)由學生課后通過智慧樹平臺或者問卷星平臺完成，通過課下的學習內容，可以一定程度上對教師在課上的內容進行加深記憶，補充課上沒有講到的知識點；討論環(huán)節(jié)為學生分組進行課堂討論并總結，討論內容一般為課前教師提出的問題，時間一般為10～15 min，這種以問題為導向的PAD課堂模式，從課前準備階段就能夠讓學生了解到本節(jié)課的重點，帶著問題進行學習并思考，同時討論階段大家也可以互相分享，通過頭腦風暴，最大可能吸收課堂內容并鍛煉學生的開創(chuàng)性思維與合作溝通能力。例如在學習轉錄部分章節(jié)的時候，課前對學生提出問題“如果沒有σ因子，轉錄會如何發(fā)生，會出現什么結果？”讓學生帶著問題聽課，會更加將注意力集中在對于轉錄中各因子不同功能的探索中，這種以問題為導向的PAD課堂模式，在一定程度上能提高學生的專注力以及思維整合能力。

3.5" 優(yōu)化課程考核評價體系，注重過程考核

植物分子生物學在課前通過問卷星對學生進行學情分析，從認知結構、學習習慣及學習能力3個方面設計問卷[15]；課中通過雨課堂設置隨堂測試練習與課后作業(yè)檢測，期中考試采取開卷形式，試題均為開放性試題，沒有標準答案，考查學生對本門課程的理解能力、開創(chuàng)性思維、發(fā)散思維以及逆向思維等綜合能力；期末為閉卷考試。通過以上多個維度共同去監(jiān)測學生的學習效果。優(yōu)化課程考核評價方式，構建“過程性評價+終結性評價”多元考核相結合的評價體系（圖2）。

4" 結束語

強國必先強農，農強方能國強，為助力我國農村、農業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)新農人，農學專業(yè)課程改革勢在必行，為提高高等教育教學質量，需要不斷探索多元化的教學新體系。植物分子生物學作為農學領域重要的一門分支學科，其內容前沿晦澀，難以理解，學生學習主觀能動性不強，通過將諾貝爾獎相關案例融入思政教育、引入虛擬仿真實驗平臺、使用線上線下混合式教學和以問題為導向的PAD課堂模式、優(yōu)化課程考核評價體系等多位一體的改革方法，可以有效激發(fā)學生學習興趣，提升多方面綜合能力，從多角度突破傳統(tǒng)教學理念的壁壘以期完成課程目標達成度，為后續(xù)持續(xù)改進提供理論基礎，形成長效機制，提升教學質量，為促進新農科專業(yè)型人才培養(yǎng)提供助力。

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