植物組織培養技術實驗課教學改革創新與實踐

摘" 要：植物組織培養是植物生物學和農業科學領域中的一種革命性技術，是植物繁殖、生物多樣性保護、遺傳操作和品種改良的一種高效方法。同時，植物組織培養技術還是農學類本科專業學習的一門基礎性課程，由于其理論課程內容復雜且較為抽象，學生必須借助具體的實驗課程對重要的知識點和內容加以理解和掌握。因此，實驗課程的教學質量對于學生知識的掌握和實驗技能的培養具有重要意義。該文以揚州大學農學院開設的農學類植物組織培養技術實驗課為例，針對傳統植物組織培養技術實驗課教學中存在的問題進行優化與創新。從教學內容、教學方法和評價體系等方面優化植物組織培養技術實驗課教學體系，營造學研相結合的教學氛圍，提高實驗教學質量并促進師生之間的交流和互動，為新時期農學專業發展奠定基礎。

關鍵詞：植物組織培養技術；農學；實驗技能；教學改革；學研結合

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）23-0153-04

Abstract： Plant tissue culture is a revolutionary technology in the fields of plant biology and agricultural science. It is an efficient method of plant reproduction， biodiversity protection， genetic manipulation and variety improvement. At the same time， plant tissue culture is also a basic course for undergraduate majors in agriculture. Because the theoretical course content is complex and abstract， students must use specific experimental courses to understand and master important knowledge points and content. Therefore， the teaching quality of experimental courses is of great significance to students' mastery of knowledge and the cultivation of experimental skills. This paper takes the agricultural plant tissue culture experimental course offered by the College of Agriculture of Yangzhou University as an example to optimize and innovate the problems existing in the teaching of traditional plant tissue culture experimental courses. The teaching system of plant tissue culture experimental courses has been optimized from aspects of teaching content， teaching methods and evaluation system， created a teaching atmosphere that combines study and research， improved the quality of experimental teaching and promoted exchanges and interactions between teachers and students， thereby laying the foundation for the development of agronomy majors in the new period.

Keywords： plant tissue culture technology; agriculture; experimental skills; teaching reform; combination of learning and research

隨著生命科學的發展，植物組織培養技術已經成為現代生物學技術中應用最為廣泛的技術之一，其對植物領域的現代分子遺傳學發展也發揮了巨大的推動作用。該技術以植物細胞的全能性為核心理論基礎，通過特定的激素誘導，促使已經分化的離體植物器官（組織）分化為完整的植株的過程[1]。植物組織培養技術為現代農業生產和研究提供了一種高效、便捷、可控的方法，其已被廣泛應用于種質資源的保存、植物生產與育種和植物生物反應器等領域，同時其還是現代植物分子遺傳學和基因功能研究所不可或缺的關鍵技術[2]。因此，植物組織培養技術課程是高校生命科學類教學的基礎課程之一，盡管其往往作為專業選修課進行開設，但是其對于本科與研究生教育的銜接發揮重要作用。

該課程在揚州大學是面向大農學類本科生開設的專業選修課，該課程在注重課本理論知識學習的同時，還強調實驗教學質量。然而由于該課程教學內容少，教材針對性不強，理論課教學方式單一，導致學生對專業內容的掌握并不理想。同時，大量相似且抽象的名詞和培養基配比信息，導致課程內容相對枯燥，進而影響了學生的上課積極性。上述問題也是當前高校實驗課教學所面臨的普遍性問題，各學者也針對自身領域的植物組織培養技術實驗課進行了教學探索和研究[3-5]，然而這些探索通常是結合各自的特色學科或專業進行，相關教學體系難以直接照搬。

為了提高教學效率和質量，強化學生的動手實踐能力，作者以揚州大學農學院開設的農學專業植物組織培養技術實驗課程為例，分析了已有實驗教學中存在的問題，通過優化教學內容、教學方法和評價體系等策略，探討了新的實驗教學體系對教學質量和學生時間創新能力培養的效果。

1" 植物組織培養技術實驗教學中存在的不足

1.1" 教學內容注重理論講授，忽略實驗操作

根據作者所在學校教學計劃安排，農學類植物組織培養技術課程總課時數40學時，其中理論講授24學時，實驗課16學時。從植物組織培養技術課程內容來看，其主要包括植物組織培養基本原理、實驗室設備與基本操作、離體培養體系建立和植物組織培養各論等內容。總體看，理論課時安排相對實驗課較多，并不利于學生專業實踐能力培養。作為一門技術操作類課程，其滲透于生物學科的各個領域，與遺傳學、分子生物學及植物生物學等均密切相關，其更應該培養學生的實際操作能力[6]。通過對課程教學情況分析，發現理論課內容講授相對枯燥，學生的積極性和參與度并不高。從理論課程教學內容看，盡管其相對實驗課學時安排較多，但是其實際教學內容安排非常緊湊，多個章節要求在2個學時內完成講授，這導致知識點分散且缺乏重點。更重要的是，章節內容的講授與實驗課程的內容并沒有很好的銜接，缺乏理論與實踐的有機結合。

1.2" 實驗材料受局限

從實驗內容安排看，盡管以本學院的優勢研究作物水稻和小麥為實驗對象，但是具體的實驗內容并未考慮實驗取材的限制，造成實驗安排依賴于田間或在培養箱中材料的生長狀態，這極大地限制了實驗的正常開展。此外，就模式植物而言，其培養體系已經非常完善，通常是用作培養學生基本操作技能操練和相關激素誘導功能的理論的驗證分析，而對于組織培養中常見的一些難題如組織褐化和玻璃化等現象，模式植物通常不會出現，對應的，學生缺少認識相關現象的機會，也就無法開展問題解決實驗。上述實驗材料的選擇相關技術操作體系，對于培養學生的專業技能和專業思想顯然是不利的。因此，有必要探索多樣化的實驗材料和實驗設計，引導學生在多樣化的選擇中發展特長、培育創新精神、鍛煉實踐能力和提高科學技術素養。

1.3" 實驗教學模式不合理，學生缺少參與度

從實驗操作看，由于上課時間和實驗材料的限制，多數實驗材料的前期準備都需要由教師進行，學生只是根據設定的操作程序進行，缺乏對學生自主參與和設計實驗方案的鍛煉，也難以強化學生對理論知識與操作技能融合的能力。上述傳統實驗操作從根本上講，忽略了學生的主體作用，學生的操作實際上是依據設定的程序或操作步驟，按部就班地配制培養基和接種操作，對應的結果也是可預期的。整個實驗過程中，學生基本上處于一種被動盲目的狀態，只動手而不動腦，缺少思考和討論設計環節，相應的，學生的實驗主動性和積極性大打折扣，學生的創新意識和創新能力發展并未得到很好的鍛煉。因而，實驗教學模式的改革探索，對于學生實驗技能培養和科學思維方式的建立具有重要意義。

1.4" 實驗課考核方式單一

從實驗操作評價看，以往的評價主要以實驗報告的完成情況進行評分。盡管在實際操作中是分組進行的，但是組織形式的單一容易造成小組內部任務分工不均，部分成員參與程度低，實驗結果難以反映組內學生的實際水平，從而造成實驗課成績評分存在誤差，而影響學生的積極性。單一的強調實驗報告，會導致學生一味追求實驗結果和報告的準確性，而忽視實驗操作技能和創新性思維的鍛煉，從而造成學生的學習積極性不高。如何調動學生的主動性，并有效培養學生的創新和科研能力，是當前實驗課教學面臨的一個重要問題。因此，探索多元化的評價體系、重視技能和創新能力培養，對于提升學生的科學素養和技能水平意義重大。

2" 植物組織培養技術實驗教學優化策略

2.1" 教學內容完善，實驗材料多樣化

與理論教學相比，實驗教學更注重學生的獨立動手和創新能力的培養，因此在進行常規實驗操作鍛煉的同時，可以適當增加嘗試性實驗的比例[3]。實驗教學的初衷是培養學生的獨立動手和創新能力，實驗內容的合理設計顯得尤為重要。在實驗設計方面，首先，需要考慮實驗的系統性和銜接性，不應當將每一次實驗課單獨考慮；其次，實驗內容的學科前沿性和易操作性是實驗課的重要基礎。為此，作者首先對實驗內容設計進行了優化。

考慮到農業領域最成熟的組織培養技術是水稻的組織培養和遺傳轉化，同時為了降低獲得實驗材料的難度，我們將實驗材料選為水稻成熟胚（成熟的水稻種子），該材料可以隨時獲得，而不受限于實驗室條件和季節。利用水稻成熟胚，能夠方便地進行愈傷組織誘導、遺傳轉化和分化成苗3個連續的實驗。其中遺傳轉化實驗進行理論和操作演示實驗，與分化成苗安排在一次實驗課中，后續愈傷組織篩選和成苗等步驟根據學生意愿，課后自行參與（基于學院開放的科研平臺），該部分內容是促使學生積極主動參與科學研究的重要環節。遺傳轉化所用載體為研究生正在開展的基因功能研究相關構建（質粒），能夠促使部分本科了解或參與到具體的科研項目中。因此，基于該實驗，不僅訓練了學生的組織培養知識，同時還與遺傳學和基因工程等學科知識點有了交叉，吸引了學生關注和參與。

為了培養學生的自主設計實驗能力，在愈傷組織誘導階段，作者根據水稻品種間愈傷組織誘導的差異性，選取了4個不同的水稻品種（都能夠進行愈傷誘導，主要差異在于愈傷誘導效率不同）供不同的小組選擇和實驗，以便學生思考和分析實驗結果，并通過查閱相關文獻給出上述品種間愈傷誘導率差異的解釋。此外，為了激發學生興趣，在理論課講授期間還引入了反轉課堂教學模式[7]，通過征求學生意見，選擇了具有觀賞和藥用價值的植物鐵皮石斛作為組織培養的對象。為此，充分調動學生自主性，使學生主動查閱文獻，了解實驗技術流程和培養基配方，并最終根據文獻整理具體的培養基配方，設計具體實驗方案（包括取材、滅菌和接種等流程），即以鐵皮石斛的種子為材料，進行種胚萌發和原球莖分化成苗實驗（主要為種胚萌發實驗，學生根據興趣自主參與原球莖分化成苗實驗）。在實驗結束后，允許學生帶走自行培養的組培苗，以進一步激勵學生的興趣和自主參與度。

在具體的實驗實施方面，基于上述方案設計，首先進行各種培養基的配制工作（實驗1），在一次實驗中，通過分組配制培養基的方式，完成后續各個實驗的培養基配制，并且在配置結束后，各組跟蹤培養基污染情況，若有培養基不凝固或者長菌情況出現，則重新配置，以增加學生的責任感。隨后進行水稻愈傷組織誘導（實驗2）和鐵皮石斛種胚誘導萌發（實驗3）實驗。上述2個實驗均按照小組，提前分發水稻稻谷和鐵皮石斛種子，由小組長協調組員對樣品進行前處理。在水稻成熟胚誘導第三周，進行水稻愈傷組織的分化實驗（實驗4）。在此期間選取部分愈傷組織，利用作者實驗室已有攜帶GUS報告基因的載體，進行農桿菌介導的水稻遺傳轉化實驗（研究生協助進行），考慮到后者的實驗周期較長，實驗進行到獲得抗性愈傷組織后，開始對愈傷組織進行GUS染色觀察（實驗5）。

2.2" 教學方法創新

教學理念與方法的改革與創新是近年來教學改革首要關注的，在植物組織培養技術實驗課程教學方法探索方面，一些策略如“對分課堂”“反轉課堂”和多遠智能理論的應用都有報道[7-9]，然而怎樣結合教學實際情況采用最優的教學策略，來提高教學質量和效率一直是教學一線教師所孜孜探求的。以往的實驗課通常做法是，學生首先聽取教師進行30 min左右的實驗目的、意義、實驗器材、步驟和注意事項等的講解，然后再進入教師提前準備好的操作室，觀察教師演示或者跟隨教師按部就班的完成實驗。相關實驗內容多是經過驗證的、一定能夠成功的實驗操作，這對于學生而言僅僅是驗證某一個結果，而非自主設計和探索。隨后參照實驗教材或者教師PPT，抄寫實驗報告，并上交供教師打分。這種傳統方式對于學生而言，參與性過低，實驗操作簡單，收獲有限，獨立自主的實驗操作技能無法得到有效鍛煉。

為充分調動學生自主性，并密切結合農學專業需求，作者積極探索實驗內容和方法創新。為保證教學和學生的積極互動和實驗教學效果，教研組對實驗課規模進行了調整，實行小班授課，每個班級人數控制在20人以內，并按照4人一組進行分組實驗。在保證學生能夠獨立進行實驗操作的前提下，以問題為導向，突出學科專題特色。重點以水稻為材料進行系統的實驗設計，將水稻愈傷組織的誘導、愈傷的遺傳轉化（轉基因）和分化成苗步驟進行有機的串聯，形成專題實驗，來增加學生對于組織培養技術的理解。在此過程中，以小組比較實驗的方式，利用不同的水稻品種進行愈傷組織誘導和隨后的實驗，以此來訓練學生的數據分析、比較和總結能力。事實上，為增加學生的參與程度，在培養基配制課（實驗1）結束后，按照不同的小組分發了不同品種的水稻種子，并要求學生課后手動去殼進行樣品準備（每個小組只需要準備100粒左右糙米），這強化了學生對于實驗過程的參與度。有趣的是，個別學生取巧，借用實驗室小型礱谷機進行脫殼獲得糙米，但是在愈傷誘導后發現效果極差，這引發了學生的積極討論和思考，提高了實驗教學效果。

此外，為充分發揮學院公共科研平臺在人才培養方面的作用，在實驗設計和教學過程中，還進一步融入了科學研究元素。一方面通過全面開放實驗室，通過科研平臺管理員對學生進入實驗室進行登記和預約，讓學生能夠在課程時間外，隨時進入實驗室觀察和記錄實驗過程中的每一個環節，這不僅促進了學生主動參與實驗過程，而且也便于實驗過程評價。此外，基于科研平臺幫助，增加了與水稻愈傷組織誘導配套的遺傳轉化實驗，通過向愈傷組織中轉入攜帶報告基因的外源基因來深入學生對于組織培養技術應用的認識。同時，借助科研平臺對實驗結果進行觀察，讓學生認識到，植物組織培養技術不僅僅是簡單地利用植物細胞的全能性進行擴繁的技術，其在研究基因表達特性分析方面發揮了重要作用。為了激發學生的興趣，除主要的實驗安排外，教師可以根據實驗條件和學生需求，進行實驗探索。如本實驗設計中，通過征求學生意見，網購了具有藥用和觀賞價值的蘭科植物鐵皮石斛的種子，并讓學生通過文獻查閱，整理出了種胚誘導萌發培養基配方并進行了實施，這很好地鍛煉了學生的自主實驗設計能力。事實上，在獲得鐵皮石斛的原球莖后，不少學生還利用配制的原球莖分化成苗培養基獲得了幼苗，并帶到宿舍種養，這種方式極大地提高了學生的興趣，也鍛煉了學生的獨立動手能力。

2.3" 教學評價優化

多元化教學評價是當前高校教學改革實踐研究的重要方向，也是促進教學質量提高的有效方式[10]。為此在教學內容優化的同時，還制定了新的課程評價辦法。由于植物組織培養技術實驗課是以實驗操作為核心的綜合技能培訓課，其不僅對實驗操作有較高的要求，而且還具有明顯的連續性，如從愈傷組織誘導到再生植株的培養過程一般需要4到5個階段，這需要學生的長期觀察記錄和隨時參與。其中在愈傷組織誘導階段，若發現有霉菌等污染情況，需要在老師的協助下及時處理，并且還要保證每個小組有足夠的愈傷組織用于下一階段的實驗。因此，學生對于實驗的參與不僅僅局限于單次的課堂時間，還需要學生在課后不定期進入實驗室，觀察和記錄實驗結果并學會應對污染等事件（及時清理霉變的樣品）。而與之對應的，僅僅以實驗報告為考核標準來評價學生對實驗技能的掌握程度的評價方式是片面的，也是不科學的。

為此，作者對考核標準進行了優化，著重強調學生對實驗的參與度和認真態度。具體的評價標準由平時成績（20%）、實驗操作（40%）和實驗報告（40%）3部分組成，其中平時成績包括出勤率、師生互動和實驗值日等，著重考察學生的學習態度。實驗操作主要包括學生實驗操作的規范性、實驗物品和臺面的規律清理、學生定期進入實驗室觀察記錄情況（根據進出實驗室登記次數）等，其中前兩者以小組為單位進行評價，而對于實驗觀察和記錄過程則按照個人實地參與情況進行匯總評價。實驗報告主要考察的是報告書寫的規范性、完整性和結果分析的合理性等。基于上述評價標準，學生的實驗積極性和參與度有了明顯提高，學生能夠拿出更多的時間進行實驗觀察和記錄，而對于特別感興趣的同學，也能夠在實驗員的指導下做一些后續探索工作。

3" 結束語

植物組織培養技術是生物技術領域最為基礎、應用最為廣泛的重要手段之一，也是現代農業生產及科研的重要技術。作為強調培養學生實踐技能的植物組織培養技術實驗課，對學生課程參與度和操作性有更高的要求。同時，面對新農科建設“以學生為本、素質教育和創新性”的培養要求，更應該重視課程改革與探索，以提高人才培養質量，推動學科建設和發展。為此，我們針對植物組織培養技術實驗課進行了實驗教學內容、教學方法和教學評價體系的優化與實踐，激發了學生的學習積極性和對科學研究的興趣。其中拓展的水稻遺傳轉化實驗與遺傳學基因工程章節中的內容能夠進行很好地銜接，同時也是當前遺傳育種專業研究生最常用的技術之一，從而為有繼續深造計劃的學生做了很好的鋪墊。此外，作者發現，在教學過程中充分利用學科的公共科研平臺資源，不僅提高了實驗教學質量，也促進了教學與科研的相互融合。

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