揚州大學牧草生物技術課程教學改革探索

張 兵，王小山，嚴學兵，劉大林，魏臻武

（揚州大學動物科學與技術學院，江蘇揚州225009）

在人才培養(yǎng)、引領國際科技前沿以及重大科技成果產(chǎn)出等方面滿足新時代國家發(fā)展的戰(zhàn)略需求是我國高校教學科研工作的首要任務。積極加強以立德樹人為根本，以國家糧食安全、食品安全、生態(tài)安全和區(qū)域協(xié)調發(fā)展為使命，多學科交叉融合的“新農(nóng)科”建設，是涉農(nóng)高校教學科研改革與發(fā)展的重要目標[1]。牧草生物技術不僅是草業(yè)科學專業(yè)重要的專業(yè)課程，也是草業(yè)科學與生命科學緊密結合的交叉學科研究前沿。在“新農(nóng)科”教育改革背景下對牧草生物技術課程教學進行深化改革，不僅是草業(yè)科學專業(yè)適應新時代國家戰(zhàn)略培養(yǎng)高素質寬視野草業(yè)人才的緊迫需求，也是建設草業(yè)科學與生命科學交叉融合新興學科的重要舉措。

1 課程概況及教學特點

揚州大學動物科學與技術學院草業(yè)科學本科專業(yè)自2009年設立以來，圍繞我國南方地區(qū)草業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)需求，依托揚州大學農(nóng)學、畜牧學、生物學相關學科的優(yōu)勢資源，制訂了具有南方特色的草業(yè)科學本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案，將牧草生物技術課程設置為草業(yè)科學本科專業(yè)的專業(yè)必修課之一[2-3]。該課程的教學目標是使學生掌握現(xiàn)代生物技術的基本概念、基本原理和基本操作技術，了解并熟悉現(xiàn)代生物技術在牧草和草坪草育種領域的實際應用，為學生牧草和草坪草育種學習及從事該領域科研、創(chuàng)業(yè)和實踐工作奠定基礎。課程教學遵循“以學生為中心”的教育理念，充分尊重學生的主體地位，調動學生學習的主動性和積極性，目標是通過課程教學培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、綜合分析和解決實際問題的能力。作為全校公選課，該課程不僅面向草業(yè)科學專業(yè)學生，每年也吸引了來自農(nóng)學院、生命科學學院、園藝與植保學院等學院的數(shù)十名學生聽課學習。

2 課程教學存在的問題

2.1 教學內容繁雜，課時安排不足

牧草生物技術是草業(yè)科學專業(yè)一門重要的專業(yè)課程。該課程的主要內容包括植物細胞工程、植物組織培養(yǎng)、植物基因工程、轉基因植物、牧草研究與育種中生物技術的應用、分子標記以及基因組學等[4-6]。相比草業(yè)科學其他主干課程如牧草育種學、牧草栽培學等課程，牧草生物技術課程所涵蓋的知識點多且雜[7-9]。另一方面，由于草業(yè)科學人才培養(yǎng)計劃的限定，學生缺乏細胞生物學和分子生物學等相關課程的基礎，在課程講授時為了讓學生能夠理解和掌握植物細胞工程、基因工程和分子標記的原理，需額外花費時間介紹相關背景知識[10]。在內容繁雜且講授困難的情況下，目前整個牧草生物技術課程包括實驗教學環(huán)節(jié)僅設定48個學時，存在課時安排不足的缺陷。

2.2 參考教材陳舊，內容銜接不夠

目前，國內牧草生物技術課程通用教材為2011年出版的，由郭振飛教授主編的國家普通高等教育“十二五”精品課程建設教材《牧草生物技術》[4]。該教材由國內各個高校從事牧草生物技術教學與研究的多位專家集思廣益合力編寫，系統(tǒng)地介紹了植物細胞工程與基因工程的理論與技術，同時也融合了生物技術在牧草研究與育種中的應用，是一本理論聯(lián)系實際的優(yōu)秀教材。然而，隨著近十年來生命科學的快速發(fā)展，生物技術領域新概念新技術的不斷涌現(xiàn)，這本教材已不能很好地反映生物技術的最新內容與知識。在使用該教材進行教學的同時還發(fā)現(xiàn)許多內容存在銜接不夠、相互脫節(jié)的現(xiàn)象。例如植物細胞工程是植物基因工程和遺傳轉化的基礎，但是該教材在第8章敘述植物遺傳轉化相關內容時并沒有與第1到第4章植物組織培養(yǎng)和細胞工程的內容進行有機銜接。第11到13章專門闡述基因工程在牧草育種中的應用，但是與之密切關聯(lián)的細胞工程相關技術的應用卻并未詳細介紹。

2.3 理論講授過多，實驗操作匱乏

顧名思義，牧草生物技術是一門偏向技術應用的課程。然而，和其他草業(yè)科學主干課程類似，該課程大量的概念、知識點和原理均通過講授的方式傳遞給學生，因此48個課時的課程共設置了36個課時為理論教學部分，僅安排了12個課時為實驗課程。12個課時的實驗課程編排了“植物組織培養(yǎng)無菌操作”、“植物基因組DNA提取”、“SSR分子標記PCR與目的DNA擴增片段電泳檢測”共3次實驗，預期目標是讓學生理解植物組織培養(yǎng)的過程，掌握植物基因克隆的步驟和方法，了解分子標記的概念和應用[11]。然而，教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生動手能力普遍較差，少數(shù)動手能力較強的學生也僅按照實驗步驟說明按部就班的操作，并沒有探究實驗原理與技術細節(jié)，因此也沒有達到通過實驗教學加深概念理解進而鍛煉其科研能力的預期目標。

2.4 課程教學枯燥，師生互動不夠

現(xiàn)行的牧草生物技術教學過程采用傳統(tǒng)的教學模式即教師講授傳遞知識給學生的方式進行，學生通過接受式學習模式來掌握教學大綱要求的各種概念和知識點[12]。在考試為主的考核模式下，學生會重點學習記憶重要的基礎概念而忽視教師在講解這些概念過程中介紹的科學發(fā)現(xiàn)歷史和相關應用實例，最終課程考試成績的高低并不能如實反映學生對課程的興趣愛好和知識的深入理解。在這種傳統(tǒng)教學模式下，學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力不能得到有效培養(yǎng)，因此并不能實現(xiàn)課程教學期望的培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維、綜合分析和解決實際問題的能力這一既定目標[13]。值得注意的是不僅牧草生物技術課程教學存在這一困境，采用傳統(tǒng)教學模式的草業(yè)科學其他課程教學過程也有相似器官培養(yǎng)、快繁和脫毒”3個章節(jié)的內容有機整合為“植物細胞工程與組織培養(yǎng)”一個教學內容。通過“基因工程”一個教學內容，又整合了教材中“基因工程概念與原理”、“目的基因克隆”、“植物基因工程常用的載體及構建”3個章節(jié)?！斑z傳轉化技術”、“轉基因植物的檢測與鑒定”、“轉基因植物的安全性評價”3個章節(jié)的內容則被整合為“遺傳轉化與轉基因植物”一個教學內容。作為草業(yè)科學的專業(yè)課程，牧草生物技術課程和生命科學專業(yè)的分子生物學、細胞生物學課程不同，更加偏重技術的應用性。為了凸顯這一課程特點，把教材中“基因工程在牧草品質改良”、“抗生物脅迫育種”、“抗非生物脅迫育種上的應用”3個章節(jié)，“豆科牧草–根瘤菌共生固氮”問題存在[7,9,14-15]。

3 針對問題開展的課程改革嘗試

3.1 精簡課程內容，更新專業(yè)知識

針對課程內容繁雜課時安排不足的問題，我們將牧草生物技術教學內容進行了合理的精簡和編排。如表1所示，將《牧草生物技術》教材中“植物愈傷組織培養(yǎng)、再生及體細胞無性系變異”、“細胞培養(yǎng)、原生質體培養(yǎng)與體細胞雜交”、“單倍體培養(yǎng)、胚章節(jié)以及植物組織培養(yǎng)相關章節(jié)中各種技術在牧草研究和育種上的應用等內容有機整合為“生物技術在牧草、草坪草基礎研究中的應用”和“生物技術在牧草、草坪草育種中的應用”兩個教學內容，這一調整不僅邏輯上更為縝密，也突出展示了生物技術在我國南方地區(qū)特色草坪產(chǎn)業(yè)相關的科研與應用案例[16]。針對課程參考教材內容較為陳舊這一問題，我們加入了“遺傳標記和標記輔助育種”和“基因組學、轉錄組學和蛋白質組學”兩個新的教學內容。在這兩個教學內容中，我們不僅向學生介紹了分子標記、數(shù)量性狀基因座、基因組、轉錄組、蛋白質組等基本概念，也向其傳授了最新的全基因組關聯(lián)分析(GWAS)、全基因組選擇、多組學分析以及基因編輯技術等知識。通過上述整合編排，課程教學大綱規(guī)定的所有知識點均能夠在36個理論教學課時中得到講授，同時也更加凸顯了牧草生物技術偏重應用的課程特色。3次實驗課則緊隨相應的理論課進行設置，力爭加深學生對相應概念和知識的理解。

表1 揚州大學牧草生物技術課程課時安排表Table1 Time arrangement of the foragegrass biotechnology course in Yangzhou University

3.2 采用案例教學，提高科學素養(yǎng)

在合理地整合編排課程教學內容的基礎上，我們嘗試利用案例教學方法來開展課程教學。在“植物細胞工程與組織培養(yǎng)”教學內容中，以紫花苜蓿(Medicago sativa)這一優(yōu)質牧草植物材料為例，通過葉片外植體誘導愈傷組織生成、愈傷繼代培養(yǎng)、愈傷誘導分化、葉和根器官生成、花粉培養(yǎng)等過程的實例描述，融入細胞工程和組織培養(yǎng)各種基本概念的介紹，讓學生通過實體化的案例記憶相關知識概念。在“基因工程”和“遺傳轉化與轉基因植物”兩個課程內容的教學過程中，圍繞沙漠植物霸王(Zygophyllum xanthoxylon)液泡膜氫離子焦磷酸酶基因的克隆、構建雙元載體、農(nóng)桿菌介導的苜蓿遺傳轉化、陽性植株的篩選、轉基因苜蓿的安全性問題這一故事脈絡開展了案例教學。通過案例教學，學生融會貫通地理解掌握了從基因克隆到轉基因植物所用到的各種技術方法。在“遺傳標記和標記輔助育種”課程內容教學中，則先簡要介紹了分子標記的概念和類型，然后以實例的方式重點介紹了其在牧草生物技術中的應用，包括SSR標記在苜蓿群體遺傳結構和遺傳多樣性分析中的應用[17]、AFLP標記在高冰草(Thinopyrum ponticum)和小麥(Triticum aestivum)體細胞融合后代真實性檢測中的應用[18]、基于分子標記和BAC文庫的圖位克隆在苜蓿根瘤發(fā)育相關激酶NORK克隆中的應用[19]以及第3代SNP標記在苜蓿黃萎病抗性相關基因的GWAS分析中的應用[20]等(圖1)。在每個案例的講解過程中，盡可能地按照問題的提出、實驗的設計、結果的意義和局限性不同方面進行逐層深入的分析，讓學生身臨其境地體驗科學發(fā)現(xiàn)過程。通過案例教學的實施，不僅能夠讓學生更好地記憶相關概念和知識，也能夠培養(yǎng)學生科學的認知方法，在開展課程學習的同時潛移默化地提高其科學素養(yǎng)。

3.3 引入“雨課堂”軟件，加強師生互動

針對傳統(tǒng)講授式教學較為枯燥、學生積極性調動不足的缺陷，我們嘗試引入“雨課堂”軟件進行互動式教學。在制備課件過程中，通過“雨課堂”軟件插件在幻燈片中特定位置提供與課程內容相關的問題，同時配以參考答案。學生在手機微信客戶端登入課程后，可及時看到問題并在規(guī)定的時間內進行解答[21]。如圖2所示，在講授“生物技術在牧草、草坪草育種中的應用”關于體細胞無性系在牧草草坪草育種中的應用課程內容過程中，首先介紹了體細胞無性系的概念和其局限性，然后用多個實例來舉例說明其具體的應用。通過“雨課堂”插件，在介紹實例結束后，設置問題“什么是體細胞無性系變異？其用于牧草和草坪草改良的缺點是什么？”讓學生思考回答，即可讓學生立刻回顧前面講述的概念內容。通過與案例教學法結合，基于“雨課堂”的互動式授課方法不僅極大的調動了學生的積極性、增進了學生對概念的掌握，同時通過教師電腦端的記錄也可以有效地對學生的表現(xiàn)進行評價，完成課程平時成績的評定。值得一提的是，在新型冠狀病毒疫情影響下，師生高度互動的“雨課堂”遠程教學模式將得到更廣泛的應用，發(fā)揮越來越大的作用[22]。

3.4 設計開放式實驗，增進知識理解

圖1 分子標記應用的教學案例Figure 1 Case teaching of the application of molecular markers

針對實驗課程教學實踐中發(fā)現(xiàn)的學生積極性不高，未能通過動手實踐掌握相關實驗的技術原理以及實驗所依據(jù)的基礎理論這一問題，我們嘗試對傳統(tǒng)的實驗教學進行教學模式的改革，設計開放式實驗，增進學生對知識的理解同時培養(yǎng)其創(chuàng)新能力[23]。在“植物細胞工程與組織培養(yǎng)”實驗課程的設計中，除了使用煙草(Nicotinana benthamiana)這一快速誘導愈傷組織的植物作為實驗材料讓學生進行愈傷組織的誘導分化實驗外，也讓學生選擇自己日常生活中見到的各種植物作為材料進行愈傷組織的誘導和分化。通過比較不同植物、不同組織的愈傷誘導效率，讓學生更好地理解外植體的差異對愈傷組織形成的影響。在“遺傳標記和標記輔助育種”實驗課程的設計中，依托揚州大學草學苗圃200余份燕麥(Avena sativa)和苜蓿種質資源，讓學生利用不同SSR引物對這些燕麥和苜蓿種質資源的遺傳多樣性進行評價，通過對實驗結果的分析比較加深學生對分子標記概念的理解。這種開放式實驗教學模式不僅可以加深學生對實驗課程本身的興趣，增進其學習相關理論知識，也能夠培養(yǎng)其實驗設計能力，促進其科研素養(yǎng)的提升[24]。

3.5 開展研究型教學，鍛煉學生能力

近年來，越來越多的課程在教學過程中均引入了研究型教學的教學方法，通過教師提出問題、學生調研報告、教師逐一點評的方式讓學生從被動接受知識轉換成主動汲取知識，培養(yǎng)鍛煉了學生分析問題和解決問題的能力[25-26]。在牧草生物技術教學過程中，嘗試引入研究型教學的課程改革，尤其是在“生物技術在牧草、草坪草育種中的應用”教學內容中，在介紹了最新的相關技術在牧草、草坪草育種中的應用后，針對江蘇省沿海灘涂土壤改良、生態(tài)綠化和高效利用的客觀需求，向學生提出了“江蘇沿海灘涂土壤含鹽量很高，一般植物無法正常生長。如何利用所學習的生物技術課程知識來嘗試培育耐鹽性提高的牧草和草坪草新品種，使其能夠在這些含鹽量高的土壤上生長進而發(fā)揮其生態(tài)功能并產(chǎn)生經(jīng)濟效益”這一問題。在給予學生一周的準備時間后，讓每個學生通過幻燈片講解的方式介紹其設想的方案，教師再進行逐一點評，分析其合理性和創(chuàng)新性。實踐表明，這種新的教學模式產(chǎn)生了較好的反饋效果，學生的各項能力包括分析和解決問題的能力、制作以及講解幻燈片的能力都在這一過程中獲得了較好的鍛煉和提高。

3.6 增強思政教育，培養(yǎng)國際視野

將思政教育融入專業(yè)課程，在教學的同時彰顯育人功能是“新農(nóng)科”教育的內在要求。社會主義核心價值觀、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、民族精神和時代精神的教育以及科學精神和人文素養(yǎng)的培養(yǎng)均是思政教育的重要內容[27]。在牧草生物技術教學過程中，通過在案例教學中有意識地放入我國科學家扎根祖國大地圍繞國家需求開展的研究工作，如“基因克隆”和“遺傳轉化與轉基因植物”兩個教學內容介紹的蘭州大學王鎖民教授開展的沙漠植物霸王耐鹽堿基因轉化苜蓿培育耐鹽堿轉基因苜蓿以及“生物技術在牧草、草坪草育種中的應用”教學內容中介紹的浙江大學柴明良教授開展的耐寒抗除草劑的草坪草細胞工程育種等案例，在講解案例的同時著重介紹其工作的艱辛和意義，很好地培養(yǎng)了學生為國擔當、奮發(fā)有為的拼搏精神以及求真務實、追求卓越的科學態(tài)度。與此同時，在一些案例中也加入了國外優(yōu)秀科學家的工作，通過英文文獻的解讀和用英語設置“雨課堂”問答環(huán)節(jié)，力求實現(xiàn)學生國際視野的培養(yǎng)和提升。

4 課程改革效果評價

在“以生為本”的現(xiàn)代教育理念下，學生是課程教學的主體，教學需要了解學生的需求、滿足學生的求知，更需要知道學生的反饋[28]。在對牧草生物技術課程教學進行改革嘗試后，通過調查問卷的方式獲取了學生對于這些改革舉措的反饋意見(表2)。絕大多數(shù)的學生對于精簡教學內容后的課程設置、案例教學為主的教學方式、開放式實驗課的安排以及使用“雨課堂”對平時成績進行評定均表示認可。同時，絕大多數(shù)的學生通過課程的學習也增加了對牧草生物技術以及草業(yè)科學專業(yè)的興趣。這些正面反饋結果以及教學改革后顯著提升的學生平均成績(從76.2提升到83.4)均表明，揚州大學動物科學與技術學院對牧草生物技術課程教學進行的改革取得了良好的成效。通過問卷調查，也收獲了一些有益的建議，包括需要在課程教學過程中進一步增大音量、降低語速，同時進一步增加師生互動等。

表2 學生對教學改革后的牧草生物技術課程的評價與反饋Table 2 Student’sevaluation and feedback on the reformed foragegrass biotechnology course

5 結語

牧草生物技術課程是草業(yè)科學本科專業(yè)的重要專業(yè)課。針對教學實踐過程中發(fā)現(xiàn)的諸多問題，我們通過精簡課程內容、引入案例教學、使用“雨課堂”軟件、設計開放式實驗、開展研究型教學、增強思政教育等多種手段對該課程的教學過程進行了多方面的改革探索。通過教學督導和選課學生反饋的信息，這些改革均取得了較好的教學效果。然而任何教學改革均是一個動態(tài)的過程，不會一蹴而就，需要在教學實踐中不斷進行探索和嘗試。在今后的教學過程中我們仍需要與時俱進，融合各種新穎的教學形式，吸納其他優(yōu)秀課程的教學經(jīng)驗，進一步完善優(yōu)化相關教學過程。