在本科生物教學(xué)中開設(shè)毛白楊組培實驗的探索

鄭冬超，王甜，解麗芳，樊佳，于穎，林宏輝

（四川大學(xué) 生物科學(xué)實驗教學(xué)中心，四川 成都 610065）

在本科生物教學(xué)中開設(shè)毛白楊組培實驗的探索

鄭冬超，王甜，解麗芳，樊佳，于穎，林宏輝

（四川大學(xué) 生物科學(xué)實驗教學(xué)中心，四川 成都 610065）

針對本科生物教學(xué)中開設(shè)毛白楊組織培養(yǎng)相關(guān)實驗，四川大學(xué)生物科學(xué)實驗教學(xué)中心進行了一系列的教學(xué)研究探索。該文通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、開放式管理、分組活動，增加綜合性和設(shè)計性實驗比例等措施，毛白楊組織培養(yǎng)實驗課在小班教學(xué)實踐中取得了良好的教學(xué)效果。實踐表明，此實驗的開設(shè)使學(xué)生掌握了植物組織培養(yǎng)技術(shù)的基本理論知識和操作技能，增強了學(xué)生的學(xué)習主動性，培養(yǎng)了其實驗設(shè)計能力、科研實踐能力和自主創(chuàng)新能力。

毛白楊；組織培養(yǎng)；小班化；生物實驗教學(xué)

植物組織培養(yǎng)是高等院校生物學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)等專業(yè)開設(shè)的一門重要的基礎(chǔ)實驗課，與植物學(xué)、植物生理學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程等學(xué)科關(guān)系密切，是植物生物技術(shù)的基礎(chǔ)［1］。植物組織培養(yǎng)技術(shù)已在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中得到了廣泛的應(yīng)用，可為快速繁殖優(yōu)良品種、拯救瀕危植物、培育轉(zhuǎn)基因植物以及植物體細胞雜交等提供技術(shù)支持。

但在教學(xué)方面，由于植物組織培養(yǎng)實驗內(nèi)容廣泛、實驗材料培養(yǎng)周期普遍較長、對無菌操作技術(shù)要求高等特點，再加上實驗室硬件條件、課程學(xué)時等條件的限制，該實驗內(nèi)容在各高校中開設(shè)的時間普遍較短，且內(nèi)容多為驗證性實驗，不利于學(xué)生專業(yè)知識的培養(yǎng)和自主創(chuàng)新能力的提高。

為了讓學(xué)生系統(tǒng)完整的掌握植物組織培養(yǎng)的基本原理和方法，四川大學(xué)生物科學(xué)實驗教學(xué)中心對如何在本科生物教學(xué)中開設(shè)植物組織培養(yǎng)實驗進行了一系列的探索，創(chuàng)新性的選擇毛白楊作為植物組織培養(yǎng)的實驗材料，在生物技術(shù)、生物科學(xué)專業(yè)中選拔出20名對組培技術(shù)感興趣的學(xué)生進行了教學(xué)實踐。指導(dǎo)學(xué)生分小組自行設(shè)計單因素、多因素交叉實驗，研究激素、溫度、酸堿度、光周期等外界條件對毛白楊分化培養(yǎng)、伸長培養(yǎng)、生根培養(yǎng)各階段的影響，并引導(dǎo)其對結(jié)果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找出適合毛白楊各階段生長的最佳培養(yǎng)體系。在此過程中教會學(xué)生掌握組織培養(yǎng)的基礎(chǔ)知識及操作技能，培養(yǎng)其實驗設(shè)計能力和動手能力，提高其對組培實驗的興趣，進而逐步將本項目及后續(xù)工作推廣到本科生物實驗教學(xué)中。毛白楊組織培養(yǎng)實驗的開設(shè)還可以為后續(xù)楊樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)及功能驗證等相關(guān)實驗的展開打下基礎(chǔ)，將本科實驗教學(xué)與科學(xué)研究結(jié)合起來，具有重要的教學(xué)指導(dǎo)及科研應(yīng)用價值。

1 實驗材料的選擇依據(jù)

通常高校開設(shè)植物組織培養(yǎng)實驗多采用油菜、馬鈴薯、煙草等草本植物作為實驗材料［2－3］，采用木本植物作為組培材料的很少。楊樹（populus spp）是世界上第一個獲得全基因組框架信息的樹種，其生長周期短，離體操作容易，基因組相對較小，在組織培養(yǎng)和基因轉(zhuǎn)化方面要比其他樹種簡單，被公認為林木生物學(xué)研究的模式樹種［4－5］。而毛白楊（populus tomentosa）是我國特有的楊屬白楊派樹種，廣泛分布在我國黃淮海流域多個省市范圍內(nèi)，具有速生、材質(zhì)優(yōu)良、纖維長、抗性和適應(yīng)性強的特點，在林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)中占有重要地位。目前有關(guān)毛白楊組織培養(yǎng)及其基因工程方面的研究進展迅速［6－7］。因此，選擇毛白楊作為組培實驗材料，可以有效加快組培實驗進程，便于學(xué)生掌握組織培養(yǎng)的理論知識和基礎(chǔ)操作技能，并且構(gòu)建起成熟的毛白楊組織培養(yǎng)體系后，還可以為楊樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)及后續(xù)的功能驗證等研究打下基礎(chǔ)，具有重要的教學(xué)及科研意義。

2 毛白楊組織培養(yǎng)實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建

為了保證毛白楊組培實驗課的順利開展，四川大學(xué)生物科學(xué)實驗教學(xué)中心專門配備了準備室、無菌操作間、植物組培室，并配有超凈工作臺、人工智能氣候培養(yǎng)箱、高壓滅菌鍋、接種器械滅菌器、分析天平、酸度計等基礎(chǔ)設(shè)備和實驗室常規(guī)試劑及器皿，具備完善的實驗條件。另外，實驗教學(xué)中心也專門安排了對楊樹組培及轉(zhuǎn)基因研究領(lǐng)域較為熟悉、并有一定實踐教學(xué)經(jīng)驗的實驗指導(dǎo)老師。因此，毛白楊組培實驗的教學(xué)平臺構(gòu)建已基本完備。

3 毛白楊組織培養(yǎng)實驗內(nèi)容的設(shè)置

一般高校課程安排中植物組織培養(yǎng)實驗開設(shè)課時較短，通常只有8～12個學(xué)時，我校根據(jù)教學(xué)需要將本實驗增設(shè)到16學(xué)時，將教學(xué)內(nèi)容分為以下3個方面進行。

1）植物組織培養(yǎng)知識介紹及基本技能培訓(xùn)（4學(xué)時）：給學(xué)生講解植物組培的相關(guān)概念、背景知識、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其廣泛的應(yīng)用價值和前景，并教會學(xué)生配置培養(yǎng)基、高壓滅菌、無菌接種等組織培養(yǎng)基本操作技能，著重鞏固學(xué)生的專業(yè)理論知識，培養(yǎng)其專業(yè)操作技能。

2）毛白楊組培各階段培養(yǎng)體系構(gòu)建（9學(xué)時）：引導(dǎo)學(xué)生分小組自行設(shè)計單因素、多因素交叉實驗，以毛白楊組培苗的葉片或莖段為材料，對其進行不同激素組合、溫度、pH、光周期等多種組培條件處理，找出適合毛白楊分化培養(yǎng)、伸長培養(yǎng)、生根培養(yǎng)各階段生長的最佳培養(yǎng)體系，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力和動手能力。

3）實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析處理（3學(xué)時）：教會學(xué)生組培過程中愈傷組織誘導(dǎo)率、分化率、污染率、褐化率、死亡率等數(shù)據(jù)結(jié)果的概念及統(tǒng)計方法，引導(dǎo)其分析比較不同外界條件對組培效果的影響，從而找出毛白楊組培的最佳培養(yǎng)方案，此過程著重培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力。

4 毛白楊組織培養(yǎng)實驗教學(xué)方法的改革與實踐

4.1 充分利用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)手段

由于植物組織培養(yǎng)技術(shù)具有步驟繁瑣、對無菌操作要求高、用到的儀器設(shè)備及試劑多、實驗周期長等特點，實驗教學(xué)的開展較為困難。為提高實驗教學(xué)質(zhì)量，除傳統(tǒng)的板書教學(xué)外，教師還可以使用多媒體教學(xué)，充分利用幻燈片、視頻等多媒體資料來調(diào)動學(xué)生的學(xué)習熱情，激發(fā)其學(xué)習的積極性，提升教學(xué)質(zhì)量。

另外，四川大學(xué)生物科學(xué)實驗教學(xué)中心還專門建立了植物組織培養(yǎng)課程的虛擬教學(xué)平臺，以虛擬操作實驗的形式向?qū)W生展示培養(yǎng)基的配制、高壓滅菌、無菌接種等過程的具體步驟、方法、注意事項等要點以及毛白楊愈傷組織誘導(dǎo)、分化、伸長、生根等一系列生長歷程，使學(xué)生對組織培養(yǎng)的整體過程產(chǎn)生直觀生動的認識，還可以參照虛擬實驗要求來規(guī)范自己的操作方法，提高學(xué)習的主動性。

4.2 采用開放式的教學(xué)方式

由于植物組織培養(yǎng)體系的構(gòu)建所需實驗周期長，且需要持續(xù)地對組培材料進行觀察和管理，我們采用了開放式教學(xué)的方法。學(xué)生可以利用自己的“校園一卡通”注冊實驗室的門禁管理系統(tǒng)，注冊后學(xué)生可以根據(jù)自身情況，自主選擇時間刷卡進入實驗室進行實驗操作，隨時觀察和管理組培材料。實驗教師及研究生助教輪流值班，對學(xué)生的實驗過程進行監(jiān)督和管理，對其在操作中的問題及時解答，并指導(dǎo)其采取相應(yīng)的措施進行處理。這種開放式教學(xué)方式給學(xué)生提供了大量實踐操作的機會，使其積極發(fā)揮自己主觀能動性，提高了學(xué)生的動手能力及分析問題解決問題的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生的團隊合作和責任心意識。

4.3 增加綜合性、設(shè)計性實驗比重

目前，教育改革對高等院校的專業(yè)實驗教學(xué)提出了很多新的要求，要求加大綜合性、設(shè)計性實驗的比例，盡量減少驗證性實驗［8－9］。在以往的植物組織培養(yǎng)實驗中，大多數(shù)實驗均屬驗證性實驗。一般是課前由實驗教師將所需實驗物品準備好，課上講解實驗原理、操作步驟及注意事項等知識點，然后學(xué)生按照實驗指導(dǎo)和教師的要求按部就班地進行。這種驗證性實驗盡管對學(xué)生學(xué)習理論基礎(chǔ)有所幫助，但不能培養(yǎng)學(xué)生的自主能力和創(chuàng)新能力。因此，在毛白楊組織培養(yǎng)實驗教學(xué)中，我們在保證學(xué)生掌握基本理論知識的前提下，大大縮減了驗證性實驗內(nèi)容，增加了綜合性和設(shè)計性實驗的比重。以毛白楊組培苗的葉片或莖段為材料，指導(dǎo)學(xué)生分小組自行設(shè)計單因素、多因素交叉實驗，研究激素、溫度、pH、光周期等外界條件對毛白楊分化培養(yǎng)、伸長培養(yǎng)、生根培養(yǎng)各階段的影響，引導(dǎo)其對結(jié)果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找出適合毛白楊組織培養(yǎng)各階段的最佳培養(yǎng)體系。通過綜合性實驗和設(shè)計性實驗提高實驗的連續(xù)性，加強學(xué)生對整個毛白楊組織培養(yǎng)體系構(gòu)建流程的認識，鍛煉學(xué)生查閱文獻、收集信息、整理分析數(shù)據(jù)、歸納總結(jié)和分析解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力和創(chuàng)新意識。

4.4 實施分小組活動的教學(xué)模式

植物組織培養(yǎng)實驗步驟繁瑣、周期長，綜合性和設(shè)計性實驗的比例提升也加大了實驗的難度，實驗過程往往需要多人合作才能在有限的時間內(nèi)順利開展。因此，在實驗教學(xué)中采取分小組的方式就非常有必要。在毛白楊組培實驗的小班教學(xué)實踐中，我們將學(xué)生分為4個小組，鼓勵他們自行設(shè)計實驗方案，分別研究激素、溫度、pH、光周期對毛白楊各階段生長的影響，各小組成員間分工合作，設(shè)立不同的梯度條件，每人負責一部分實驗內(nèi)容，最終一起整合實驗結(jié)果，分析比較得出最適合毛白楊各階段生長的組培條件。各小組成員間還可以定期組織開展科研思路設(shè)計及文獻檢索途徑等的信息交流，進行廣泛的討論，發(fā)揮每個人的作用，進行合理的實驗分工，實驗效果得到了明顯提升，也增強了學(xué)生的團隊意識和協(xié)作精神。

5 教學(xué)應(yīng)用推廣，實現(xiàn)教學(xué)與科研相結(jié)合的教學(xué)模式

目前，毛白楊組織培養(yǎng)實驗課在小班教學(xué)實踐中開設(shè)的效果良好，學(xué)生反映積極，對植物組培技術(shù)興趣濃厚，基本實驗技能和專業(yè)素質(zhì)都得到了有效提高。因此，本實驗教學(xué)中心計劃將該實驗進一步推廣，擴大學(xué)生數(shù)目，進而在本學(xué)院的植物學(xué)實驗課程中開設(shè)這一部分實驗內(nèi)容。并且后期還將增設(shè)楊樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)等相關(guān)實驗，這樣，將組培技術(shù)與分子克隆、遺傳轉(zhuǎn)化等相關(guān)技術(shù)結(jié)合起來，可以增強學(xué)生對生物學(xué)專業(yè)知識的系統(tǒng)領(lǐng)悟，為學(xué)生以后研究生階段的學(xué)習奠定扎實的基礎(chǔ)。

毛白楊組織培養(yǎng)及轉(zhuǎn)基因?qū)嶒灥膶嵤?，還可以與生命科學(xué)學(xué)院的一些科研項目結(jié)合起來，我們計劃從學(xué)院科研實驗室挑選出一些具有明顯表型和功能特征的植物基因，在本科實驗課中進行基因轉(zhuǎn)化。教育部在《全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》以及關(guān)于《進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》中明確提出促進科研與教學(xué)互動，及時把科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，支持本科生參與科研活動，早進課題、早進實驗室、早進團隊［10］。這樣，利用教師的科研平臺和成果開設(shè)綜合性研究型大實驗，有利于增強教學(xué)的深度，促進教學(xué)質(zhì)量的提高，使學(xué)生既能學(xué)會基礎(chǔ)實驗操作，又能初步接觸科學(xué)研究理念，更好地把握學(xué)科方向并加深對專業(yè)的了解［11］。同時楊樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)因為周期較長，轉(zhuǎn)化率相對較低，科研實驗室普遍存在難以在楊樹轉(zhuǎn)基因領(lǐng)域分配充足人力的現(xiàn)狀，因此將本科實驗教學(xué)與科學(xué)研究結(jié)合起來，不僅實現(xiàn)了本科生物實驗教學(xué)的目的，還可以為學(xué)院的一些科研項目的加快開展做貢獻。這樣，科研帶動教學(xué)的發(fā)展，教學(xué)又為科研打下基礎(chǔ)，教學(xué)與科研資源相整合，可以促進兩者同步發(fā)展，更有利于學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

6 結(jié)束語

實驗教學(xué)是高等教育的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識解決實際問題的重要途徑，更是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要手段。因此，實驗教學(xué)在各專業(yè)教學(xué)中占有極其重要的地位［12］。

四川大學(xué)生物科學(xué)實驗教學(xué)中心創(chuàng)新性的采用毛白楊為材料開設(shè)植物組織培養(yǎng)綜合實驗。在教學(xué)實踐中，實驗教師積極更新教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，采取開放式的教學(xué)方式，指導(dǎo)學(xué)生分小組自行設(shè)計實驗，對激素、溫度、酸堿度、光周期等多種組培條件進行探索，找出適合毛白楊各階段生長的最佳組織培養(yǎng)體系。目前毛白楊組織培養(yǎng)實驗課已在小班教學(xué)實踐中達到了預(yù)期的教學(xué)目標，該實驗的開設(shè)提高了學(xué)生對組培技術(shù)的興趣，鞏固了其專業(yè)理論知識，增強了其學(xué)習主動性，培養(yǎng)了其實驗設(shè)計能力、科研實踐和創(chuàng)新思維能力，并且加強了其團隊合作意識。我們計劃進一步將此實驗內(nèi)容推廣到本科生物教學(xué)中，后續(xù)還將增設(shè)楊樹轉(zhuǎn)基因技術(shù)及功能驗證等相關(guān)實驗，有望將本科實驗教學(xué)與科學(xué)研究結(jié)合起來。

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Exploration of Setting up the Populus Tomentosa Tissue Culture Experiment in Undergraduate Biology Teaching

ZHENG Dongchao，WANG Tian，XIE Lifang，F(xiàn)AN Jia，YU Ying，LIN Honghui
（Experimental Teaching Center of Biological Sciences，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

In order to set up the populus tomentosa tissue culture experiment in undergraduate biology teaching gradually，a series of researches and explorations were carried out by the experimental teaching center of biological sciences in Sichuan University.Through optimizing the teaching content，taking open management pattern，organizing subgroup activities，and increasing the proportion of comprehensive and designed experiments，the teaching of populus tomentosa tissue culture experiment has achieved good results in smallclass practice.The setup of this experiment urged students to master the basic theories and operating skills of plant tissue culture technology，strengthened students'learning initiatives，and cultivated their abilities of experiment design，scientific practice and independent innovation.

populous tomentosa；tissue culture；small－class；biology experimental teaching

S687

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.041

2015－12－14；修改日期：2016－10－25

四川大學(xué)2015年實驗技術(shù)項目（2015－61）。

鄭冬超（1985－），女，博士，實驗師，主要從事植物學(xué)實驗的教學(xué)工作。