“林木遺傳育種學”課程實驗教學改革的探討
——以北京林業(yè)大學林學專業(yè)為例

王 君 胡冬梅 康向陽 楊麗娜

(北京林業(yè)大學生物科學與技術(shù)學院，北京 100083)

“林木遺傳育種學”課程實驗教學改革的探討
——以北京林業(yè)大學林學專業(yè)為例

王 君 胡冬梅 康向陽 楊麗娜

(北京林業(yè)大學生物科學與技術(shù)學院，北京 100083)

“林木遺傳育種學”課程實踐教學是促進我國現(xiàn)代林木種業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。北京林業(yè)大學原來的“林木遺傳育種學”課程實驗教學內(nèi)容較為陳舊、關(guān)聯(lián)性差、知識點覆蓋率低、設(shè)計缺乏問題引導，難以調(diào)動學生學習的興趣，致使該課程教學效果一般。隨著學校教學實驗條件的不斷改善，筆者對“林木遺傳育種學”課程實驗教學進行了改革。以室內(nèi)和室外相結(jié)合的半開放性實驗為思路，設(shè)計了關(guān)聯(lián)性強、知識覆蓋面廣的創(chuàng)新性實驗，制作了詳細的實驗指導書，明確了合理的考核方式。從改革效果反饋看，新的實驗教學模式激發(fā)了學生對“林木遺傳育種”課程學習的興趣，提升了學生獨立思考、團隊協(xié)作、分析問題、解決問題的綜合能力，符合現(xiàn)代高等教育目標。

林木遺傳育種學；實驗教學；改革與實踐；人才培養(yǎng)

2012年國務院辦公廳印發(fā)了《加強林木種苗工作的意見》(國辦發(fā)[2012]58號)，要求全面提升林木種苗良種化水平，爭取到2020年我國主要造林樹種良種使用率達到75%以上。2013年國務院頒布《關(guān)于深化種業(yè)體制改革，提高創(chuàng)新能力的意見》(國辦發(fā)[2013]109號)，提出深化種業(yè)體制改革，提高創(chuàng)新能力，并提出重點突破種子創(chuàng)新、新品種選育、高效繁育等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，提高種業(yè)科技創(chuàng)新能力[1]。

“林木遺傳育種學”課程是林學專業(yè)的核心必修課程，是一門實踐性很強的課程，是現(xiàn)代林木種業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)課程[2]，它的前身是林學專業(yè)的“遺傳學”和“林木育種學”2門課程，2015年被整合為“林木遺傳育種學”課程。由于知識內(nèi)容的不斷更新以及課時數(shù)的限制，原來的“林木遺傳育種學”課程實驗教學已不能完全滿足現(xiàn)代林木種業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，因此“林木遺傳育種學”課程實驗教學改革勢在必行。

一、“林木遺傳育種學”課程實驗教學存在的問題

(一)實驗教學內(nèi)容陳舊

“林木遺傳育種學”課程實驗教學內(nèi)容陳舊，包括花粉母細胞減數(shù)分裂觀察、群體遺傳分析、花粉生活力測定與形態(tài)觀察、優(yōu)樹選擇與遺傳變異觀測等4個主要的實驗內(nèi)容。其中，花粉母細胞減數(shù)分裂觀察仍然讓學生觀察百合等植物材料的減數(shù)分裂永久制片，學生難以掌握減數(shù)分裂的制片方法并提高各種減數(shù)分裂異常情況的識別能力；優(yōu)樹選擇與遺傳變異觀測是在沒有開設(shè)“林木遺傳育種學實習”課程時的權(quán)宜手段，目前已調(diào)整到新開設(shè)的實習課程中[3]。這些陳舊的實驗教學內(nèi)容未能有效提高學生的動手實驗能力，難以滿足當代大學生的需要。

(二)實驗教學內(nèi)容關(guān)聯(lián)性差

“林木遺傳育種學”課程各個實驗不僅采用不同的實驗材料，而且各實驗內(nèi)容相對孤立、關(guān)聯(lián)性差、相互之間沒有邏輯關(guān)系，致使學生不能系統(tǒng)地將各部分實驗結(jié)果進行連貫分析。尤其當學生未來進入研究生階段學習或更高層次深造時，由于邏輯思維訓練的不足，使得他們不能將不同實驗內(nèi)容中所掌握的實驗技能系統(tǒng)完整地應用于科學研究中。

(三)實驗教學內(nèi)容知識點覆蓋率低

由于實驗教學條件的限制，“林木遺傳育種學”課程實驗教學內(nèi)容僅覆蓋了細胞遺傳學、群體遺傳學、雜交育種等少量知識點。而隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代遺傳育種研究中，分子遺傳學、多倍體育種、基因工程等研究方法已被廣泛應用，如果不能及時更新實驗教學內(nèi)容，引入最新的研究手段，尤其對于本科階段接觸分子生物學研究較少的林學專業(yè)學生而言，很可能意味著畢業(yè)后就落后于現(xiàn)代生物學的發(fā)展步伐。

(四)實驗教學內(nèi)容設(shè)計缺乏問題引導

“林木遺傳育種學”課程原有的實驗教學內(nèi)容多以驗證性實驗為主，缺乏問題引導性的實驗。學生經(jīng)過實驗過程僅能獲得一個通用的結(jié)果，難以在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上進行深入的思考、討論和分析，不利于激發(fā)學生學習該課程的興趣。因此，有必要重新設(shè)計實驗教學內(nèi)容，以問題來引導學生通過實驗過程收集數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，解釋問題產(chǎn)生的原因，從而提高學生邏輯思維和創(chuàng)新能力。

二、“林木遺傳育種學”課程實驗教學的改革措施

(一)實驗條件的改善

近年來，隨著北京林業(yè)大學對“林木遺傳育種學”課程實驗教學的不斷重視，林木遺傳育種本科教學實驗室的教學儀器、設(shè)備條件有了明顯的改善，購置了光照培養(yǎng)箱、電泳儀、純水制備儀、核酸熒光定量分析儀、凝膠成像儀、微量移液器等儀器設(shè)備。另外，生物科學與技術(shù)學院投建的生物教學中心顯微互動實驗室，基本滿足了現(xiàn)代“林木遺傳育種學”課程實驗教學的要求，為開展問題引導性實驗奠定了基礎(chǔ)。

(二)實驗內(nèi)容的設(shè)計

針對“林木遺傳育種學”課程實驗教學內(nèi)容存在的問題，筆者通過整合、調(diào)整實驗內(nèi)容，設(shè)計了不僅符合當前教學實際而且具有創(chuàng)新特點的實驗教學內(nèi)容，包括：實驗一，多倍體樹木花粉母細胞減數(shù)分裂制片及染色體行為觀察；實驗二，樹木異倍體有性雜交、后代遺傳變異及其親本分析；實驗三，樹木開花授粉習性觀察；實驗四，樹木花粉收集、貯存與生活力測定；實驗五，質(zhì)量性狀的群體遺傳平衡分析等，見圖1。新設(shè)計的實驗教學內(nèi)容縮減了驗證性實驗，增強了創(chuàng)新性實驗，使知識點覆蓋率提高，涵蓋了細胞遺傳學、群體遺傳學、分子標記輔助育種、雜交育性、倍性育種、遺傳變異分析等內(nèi)容，滿足了林學專業(yè)本科生對現(xiàn)代“林木遺傳育種學”課程重要知識點的學習要求。其中，實驗一，多倍體樹木花粉母細胞減數(shù)分裂制片及染色體行為觀察，屬于細胞遺傳學內(nèi)容，包括減數(shù)分裂染色體制片、減數(shù)分裂時期的識別、多倍體減數(shù)分裂過程染色體聯(lián)會特征與染色體行為觀察等知識點；實驗二，樹木異倍體有性雜交、后代遺傳變異及其親本分析，涵蓋了雜交育種、倍性育種技術(shù)、遺傳變異分析及分子標記輔助育種等知識點內(nèi)容；實驗三，樹木開花授粉習性觀察，學生在對樹木開花授粉習性進行觀察時可以掌握雌雄花發(fā)育觀察、控制授粉雜交操作、雜交結(jié)實習性觀察等知識點；實驗四，樹木花粉收集、貯存與生活力測定，主要教授學生有關(guān)花粉采集與貯藏方法、花粉形態(tài)變異觀察、花粉生活力測定等技術(shù)方法；實驗五，質(zhì)量性狀群體遺傳平衡分析，屬于群體遺傳學內(nèi)容，包括質(zhì)量性狀觀察與分析方法、群體遺傳分析方法、遺傳數(shù)據(jù)處理與分析等知識點。這5個實驗內(nèi)容充分整合了遺傳學和育種學的重要知識點，保證了學生學習的全面性。同時，在新設(shè)計的實驗內(nèi)容中，筆者充分挖掘了近年較為成熟的科研成果，如多倍體配子變異規(guī)律及其細胞學機制和異倍體雜交全同胞子代遺傳變異分析等，通過對其進行整合和設(shè)計，形成了關(guān)聯(lián)性實驗內(nèi)容，不僅激發(fā)了學生的學習興趣，而且增強了學生的邏輯思維和創(chuàng)新思考能力。尤其利用SSR分子標記手段，篩選共顯性分離的引物進行雜種親本分析，既可以分析雜種子代的真假親本，又可以分析子代的分子核型，讓學生接觸到分子遺傳學分析方法和技術(shù)，引導他們利用分子手段探討研究遺傳學問題。

圖1 新設(shè)計的“林木遺傳育種學”課程實驗教學內(nèi)容

(三)實驗方案的制定

以新設(shè)計的實驗教學內(nèi)容為基礎(chǔ)，筆者制定了科學、合理的實驗教學方案。

首先，開放式實驗教學模式已成為北京林業(yè)大學遺傳學和林木育種學教學的基本特點，對于學生創(chuàng)新能力和動手能力的提升具有積極意義[4-5]。然而，完全的開放性實驗也造成實驗試劑耗材的巨大損耗，課程成本顯著增加。新設(shè)計的實驗內(nèi)容形成了室內(nèi)和室外相結(jié)合的半開放性模式，見圖1。它既便于控制實驗進程，又給予學生較大程度的自主空間。其中，多倍體樹木花粉母細胞減數(shù)分裂制片及其染色體行為觀察、質(zhì)量性狀群體遺傳平衡分析等實驗內(nèi)容采用室內(nèi)隨堂開展的形式；樹木開花授粉習性觀察實驗采用室外開放形式；樹木異倍體有性雜交，后代遺傳變異及其親本分析，樹木花粉收集、貯存與生活力測定等實驗則采取室內(nèi)與室外相結(jié)合的形式。

其次，通過實驗材料的一致性來強化實驗內(nèi)容間的關(guān)聯(lián)性。如，減數(shù)分裂觀察和有性雜交實驗采用相同的多倍體材料，學生通過觀察減數(shù)分裂行為及其異?，F(xiàn)象，結(jié)合有性雜交實驗的結(jié)果，對2個不同實驗結(jié)果進行關(guān)聯(lián)，分析探討造成后代變異的原因，強化實驗內(nèi)容間的關(guān)聯(lián)性。樹木開花授粉習性觀察和樹木花粉收集、貯存與生活力測定等實驗可由學生自主選擇校園里的樹木材料進行花粉收集與授粉習性的研究，一方面可以節(jié)約實驗時間，另一方面學生可以探究樹種的花粉生活力與授粉習性間的關(guān)系。

最后，以問題引導激發(fā)學生的實驗熱情。如，教師提出“多倍體通常是高度敗育的，因此產(chǎn)生了無籽西瓜、無籽葡萄等品種，那么為什么多倍體會高度敗育？利用多倍體進行雜交能否獲得種子呢？”“很多植物都能產(chǎn)生未減數(shù)配子，那么不同植物的未減數(shù)配子變異規(guī)律如何？”“異花授粉植物能否通過自交繁殖？”等問題，讓學生帶著問題進行實驗。學生通過實驗觀察、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，解答這些問題，不僅激發(fā)了學生的實驗熱情，而且還強化了學生對知識的理解。

(四)實驗指導書的編寫

為保證實驗內(nèi)容的可操作性和實驗過程的順利進行，“林木遺傳育種學”實驗教學改革課程組根據(jù)實驗內(nèi)容和實驗條件的實際情況，編寫了相應的實驗指導書，制作了多媒體課件。實驗指導書的內(nèi)容包括各實驗教學內(nèi)容的目的、材料、儀器設(shè)備、試劑耗材、操作步驟、注意事項、參考文獻，以及附錄和實驗報告格式模板等。在“林木遺傳育種”課程實驗教學開始前，首先學生要對實驗指導書進行認真研讀；其次指導教師講解實驗內(nèi)容、步驟和注意事項；再次各實驗小組通過討論和文獻查閱擬定實驗方案、制定實驗計劃；最后學生開展相關(guān)的半開放性實驗內(nèi)容的學習。實驗報告格式模板的提供在于保證最終提交的實習報告的一致性和規(guī)范性以及便于存檔性。實驗指導書的編寫，不僅為實驗教學過程的順利實施奠定了基礎(chǔ)，同時也為學生未來開展相關(guān)的科研工作提供了借鑒和指導。

(五)實驗成績的考核

實驗成績的評定采用百分制，成績除含實驗報告質(zhì)量和出勤情況外，還特別強化了對實驗成果的多媒體匯報環(huán)節(jié)，并要求各小組在實驗過程中，不僅要收集實驗結(jié)果的相關(guān)照片資料，而且還要保留小組成員的實驗操作照片，以督促每位學生都能積極主動地參與到實驗過程中。另外，根據(jù)成績權(quán)重，各環(huán)節(jié)占據(jù)不同的分值，其中實驗態(tài)度占40分，主要考核各小組的團結(jié)協(xié)作精神、學生參與實驗過程的認真態(tài)度以及是否嚴格遵守實驗管理規(guī)定；實習報告的質(zhì)量占40分，主要考核數(shù)據(jù)的收集、整理和分析是否科學準確，報告撰寫是否認真規(guī)范等；多媒體匯報環(huán)節(jié)占20分，由每個小組推舉1名學生代表完成，主要考核學生對實驗過程的熟悉程度、多媒體制作能力以及語言表達能力。多媒體制作應美觀、大方，匯報中要能體現(xiàn)團隊協(xié)作的精神。實驗成績考核的目的是為了督促學生全身心投入到實驗過程中，真正掌握實驗技能，培養(yǎng)學生嚴謹、求真的科學精神和團結(jié)協(xié)作的意識。

三、“林木遺傳育種學”課程實驗教學改革的效果

(一)學生的評價

“林木遺傳育種學”課程結(jié)束后，筆者對參與學習的2014級林學專業(yè)68名學生進行了問卷調(diào)查，共發(fā)出問卷68份，收回問卷68份，有效問卷率100%。調(diào)查的內(nèi)容及結(jié)果見表1。

從學生問卷調(diào)查的結(jié)果可以看出，所有的學生都認為改革后的“林木遺傳育種學”課程實驗教學內(nèi)容知識點覆蓋較好，各實驗內(nèi)容間具有系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性，半開放性實驗教學模式具有較好的實驗效果，實驗教學提高了學生的實踐動手能力和對儀器設(shè)備的操作技能，培養(yǎng)了學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力；92.65%的學生對實驗指導書的詳實程度和指導作用表示了認可(“非常好”和“好”)；95.59%的學生認為“林木遺傳育種學”實驗課程激發(fā)了他們研究學習林學專業(yè)的興趣(“非常好”和“好”)，提高了團隊協(xié)作精神，促進了學生之間的交流，提升了學生的綜合能力。在實驗過程中，學生普遍反映“這門課很有意思，很喜歡”“這門課程總的來說很有特點，能激發(fā)學生獨立動手動腦的能力，理論與實踐相結(jié)合很有創(chuàng)意”“這是我們第一次真正自己設(shè)計、自己獨立思考并完成的實驗課程，是一種完全不同的體驗，對實踐能力的提高確實幫助很大”“這學期的‘遺傳育種學’實驗在我們自主思考、主動操作的過程中結(jié)束，這種實驗模式鍛煉了我們的能力，讓我們學到了更多的知識”?？梢?，總體而言，改革后的“林木遺傳育種學”課程實驗教學內(nèi)容和方案得到了學生的廣泛認可，體現(xiàn)出學生對開放式、創(chuàng)新式實驗教學模式的渴求。盡管如此，學生也提出“希望教務處應安排更多的實驗學時數(shù)”“增加組內(nèi)成員的相互評價環(huán)節(jié)”等建議，這將在未來的教學過程中逐漸完善。

表1 學生對“林木遺傳育種學”課程實驗教學改革的評價 %

調(diào)查結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，學生對不同實驗內(nèi)容的喜好程度差異較小。由表2可知，學生最感興趣的實驗內(nèi)容是“樹木開花授粉觀察”，占22.05%；其次是“樹木花粉收集、貯藏與生活力測定”，占20.59%。這2部分實驗相互關(guān)聯(lián)，學生通過室外套袋、去雄、控制授粉或不授粉等設(shè)計，分析了不同樹種的授粉習性，并對收集的花粉進行了活力的測定。實驗表明，學生對有性雜交等育種技術(shù)相對具有更強的興趣，也可能與減數(shù)分裂觀察等遺傳學知識點相對難度較大有關(guān)。

表2 學生感興趣的“林木遺傳育種學”課程實驗內(nèi)容%

(二)教師的評價

1.改革后的“林木遺傳育種學”課程實驗教學內(nèi)容顯著提升了學生的創(chuàng)造力

任課教師在實際教學過程中，發(fā)現(xiàn)通過新實驗教學方案的實施，很多學生對林木遺傳育種的實質(zhì)有了更加深入的理解，認識了通過育種手段創(chuàng)造變異、選擇變異并利用變異的遺傳育種本質(zhì)。

此外，任課教師發(fā)現(xiàn)，“林木遺傳育種學”課程新的實驗教學方案明顯提高了學生的創(chuàng)新意識。學生需要通過查閱資料、小組討論、制定方案、實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、分析討論等一系列環(huán)節(jié)，完成實驗任務。一旦遇到困難或問題，馬上展開團隊研討和分析，并提出解決方案，如林學14-1班的4名學生利用離體培養(yǎng)基萌發(fā)法對花粉活力進行測定時，發(fā)現(xiàn)使用傳統(tǒng)方法將培養(yǎng)基滴在凹槽載玻片上，存在培養(yǎng)基面積小、容易干燥、花粉容易集團、觀察不便等問題。他們分析后將其改為用培養(yǎng)皿固體培養(yǎng)基薄層培養(yǎng)，將花粉倒扣于有水的培養(yǎng)皿上蓋中以保濕的方法對花粉進行萌發(fā)，其萌發(fā)效果良好，并且便于操作和觀察，該方法也在各小組廣泛使用。可見，“林木遺傳育種學”課程實驗增強了學生對課堂知識的理解，培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的綜合能力，提高了學生的創(chuàng)新思維。

2.改革后的“林木遺傳育種學”課程實驗教學方案設(shè)計合理、內(nèi)容飽滿

多名教師對改革后的“林木遺傳育種學”課程實驗教學內(nèi)容進行了分析，一致認為新的實驗教學方案更加符合當前的本科生教學實際，并且做到了與當代林木遺傳育種學前沿知識的銜接，知識點覆蓋面廣、內(nèi)容設(shè)計合理，滿足了當前我國林木遺傳育種創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基本需求。尤其將科研成果或進展整合到教學內(nèi)容中，是現(xiàn)代高?！傲帜具z傳育種學”課程教學改革的總趨勢，在豐富教學內(nèi)容的同時，激發(fā)了學生學習的興趣以及投身科研工作的熱情。

總之，“林木遺傳育種學”課程實驗教學改革形成了較為合理的創(chuàng)新性實驗教學方案和教學內(nèi)容，激發(fā)了學生對林木遺傳育種研究的興趣，促進了學生對理論知識的掌握和運用，提升了學生獨立思考、團隊協(xié)作、分析問題、解決問題的綜合能力，符合現(xiàn)代高等教育的目標。

[1] 國務院辦公廳.關(guān)于深化種業(yè)體制改革提高創(chuàng)新能力的意見[J].中華人民共和國農(nóng)業(yè)部公報，2014(2)：13-14.

[2] 陳金換，程武，康向陽.林木遺傳育種學科研究生培養(yǎng)模式改革及思考[J].教育教學論壇，2016(23)：192-193.

[3] 王君，康向陽，李偉，等.“林木育種學”課程實踐教學的改革探索——以北京林業(yè)大學為例[J].中國林業(yè)教育，2015，33(4)：59-62.

[4] 康向陽，胡冬梅.“林木育種學”開放式實驗教學實踐[J].中國林業(yè)教育，2008，26(1)：68-70.

[5] 胡冬梅，張金鳳，沈一嵐.創(chuàng)新性遺傳學大實驗對提高大學生綜合能力的研究[J].中國林業(yè)教育，2008，26(6)：5-7.

(責任編輯 孫艷玲)

北京林業(yè)大學教學改革研究項目——“林木遺傳育種學”課程實驗教學改革與實踐，項目編號BJFU2016JG018。