觀賞園藝專業(yè)“花卉分子生物學(xué)”課程教學(xué)改革
——以北京林業(yè)大學(xué)為例

黃 河 洪 艷 戴思蘭

(北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，北京 100083)

北京林業(yè)大學(xué)觀賞園藝專業(yè)辦學(xué)歷史悠久，是依托國家“雙一流”建設(shè)學(xué)科風(fēng)景園林學(xué)，由陳俊愉院士于2000年牽頭建立的，并于2019年獲批國家級一流本科專業(yè)。專業(yè)建設(shè)初期，以培養(yǎng)掌握花卉現(xiàn)代化生產(chǎn)，園林植物生產(chǎn)及應(yīng)用，觀賞植物經(jīng)營管理方面的理論、知識和技能人才為目標(biāo)。該專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后主要從事觀賞植物生產(chǎn)經(jīng)營、庭院綠化施工管理等方面的工作。2010年以后，隨著分子生物學(xué)、基因組學(xué)及計算生物學(xué)在植物類學(xué)科中的迅速發(fā)展，分子生物學(xué)技術(shù)在觀賞園藝產(chǎn)業(yè)中的作用日益增加。同時，每年該專業(yè)有大量優(yōu)秀本科生保送或考取國內(nèi)重點大學(xué)及科研院所風(fēng)景園林(農(nóng)學(xué))碩士研究生或直博生。在升入高一階段學(xué)習(xí)的過程中，往往由于基礎(chǔ)理論知識和基本實驗技能的匱乏，學(xué)生需要花費大量時間進(jìn)行基礎(chǔ)操作的摸索，導(dǎo)致課題進(jìn)展緩慢。基于此，從2012年開始在觀賞園藝專業(yè)培養(yǎng)計劃中大四上學(xué)期增設(shè)了必修課“花卉分子生物學(xué)”，包括32個理論學(xué)時和24個實驗學(xué)時。

一、“花卉分子生物學(xué)”課程教學(xué)特點

分子生物學(xué)(molecular biology)是一門從分子水平研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能，從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的學(xué)科，具有體系完整、發(fā)展迅速、理論內(nèi)容寬泛且實踐性強等特點。觀賞園藝專業(yè)的“花卉分子生物學(xué)”課程既要涵蓋分子生物學(xué)的基本知識點，同時也要結(jié)合該專業(yè)特色。目前，部分綜合類高校和農(nóng)林類高校開設(shè)了該課程及其衍生的“生物化學(xué)”“基因組學(xué)”等相關(guān)課程，但往往屬于通識平臺或基礎(chǔ)生物學(xué)類的課程。而觀賞園藝專業(yè)主要的關(guān)注對象——花卉和觀賞植物，在花色、花香、開花期、株型、抗逆性等方面都具有模式植物無法比擬的豐富變異類型。這些性狀產(chǎn)生的深層次遺傳學(xué)機理和基因表達(dá)調(diào)控原理，往往是傳統(tǒng)的分子生物學(xué)課程所無法涉及的。另外，如何在相對固定的知識框架中，盡可能為學(xué)生介紹更多新的知識，并將實驗課程貫穿其中，是“花卉分子生物學(xué)”課程教學(xué)組織的一個難點。

二、“花卉分子生物學(xué)”課程教學(xué)面臨的問題

北京林業(yè)大學(xué)觀賞園藝專業(yè)自2012年起開設(shè)了“花卉分子生物學(xué)”課程，通過幾輪的教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)了一些問題和弊端。①該課程包括32個理論學(xué)時和24個實驗學(xué)時，如何在有限的學(xué)時內(nèi)使學(xué)生盡可能多地掌握最前沿的分子生物學(xué)知識是我們首要思考的。②由于大四上學(xué)期學(xué)生課業(yè)安排較繁重，學(xué)生對開設(shè)該課程具有較大的抵觸情緒，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣和熱情降低，加之課程本身的難度較大，一些學(xué)生甚至對該課程產(chǎn)生了恐懼感。③實驗教學(xué)方面，傳統(tǒng)的“教師演示+學(xué)生模仿”的實驗教學(xué)方式，使學(xué)生喪失了自行設(shè)計實驗的機會，一些較深入實驗難以在教學(xué)中開展。④學(xué)生欠缺基本科研素養(yǎng)，我們期望學(xué)生在學(xué)習(xí)完該課程后，應(yīng)完成包括文獻(xiàn)檢索、基本實驗記錄、實驗報告及論文寫作、實驗結(jié)果的分析等基本科研訓(xùn)練。但從現(xiàn)實教學(xué)結(jié)果看，學(xué)生不會檢索文獻(xiàn)、語言表述口語化、圖表和統(tǒng)計分析不規(guī)范、文不對題等問題層出不窮。

三、“花卉分子生物學(xué)”課程教學(xué)改革措施

(一)科學(xué)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容

生物化學(xué)和遺傳學(xué)是現(xiàn)代分子生物學(xué)課程體系的理論基礎(chǔ)。隨著新理論、新技術(shù)的發(fā)展，逐漸融入基因工程、基因組學(xué)、合成生物學(xué)、計算生物學(xué)和基因編輯等分支學(xué)科，使得分子生物學(xué)的課程體系日益豐滿。但隨之而來的問題是新舊知識點混雜在一起，導(dǎo)致課程體系過大。這就需要我們在了解專業(yè)前期基礎(chǔ)課程的前提上，大膽地對部分通識知識點進(jìn)行調(diào)整和刪減。例如，遺傳物質(zhì)的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)、RNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯等通識知識點，在“觀賞植物遺傳育種學(xué)”“植物生理學(xué)”中均有所講授，但在傳統(tǒng)分子生物學(xué)教材與大綱中仍然占用大量教學(xué)課時。而現(xiàn)代分子生物學(xué)中最精華的部分如基因表達(dá)調(diào)控、基因組、基因編輯等的授課內(nèi)容則受到擠壓，課時較少。

針對這種情況，筆者與“觀賞植物遺傳育種學(xué)”“植物生理學(xué)”“植物學(xué)”等課程的授課老師進(jìn)行了充分溝通，并結(jié)合相似課程的教學(xué)經(jīng)驗[1-2]，在不變更課程體系和教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上，突出分子生物學(xué)的教學(xué)重點，如“基因的概念”部分，不再重復(fù)講述核苷酸化學(xué)結(jié)構(gòu)、雙鏈DNA結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，而是加入基因組方面的內(nèi)容；在“基因工程”部分，鑒于“觀賞植物遺傳育種學(xué)”課程中已有講授，在簡單復(fù)習(xí)基本載體構(gòu)建、轉(zhuǎn)化方法的基礎(chǔ)上，著重介紹基因編輯在觀賞植物育種中的應(yīng)用。另外，借助于北京林業(yè)大學(xué)國家花卉產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種重點實驗室、北京市林木高精尖中心等科研平臺，自2016年起，筆者組織本科生參加了數(shù)十場以分子生物學(xué)為主題的學(xué)術(shù)報告。通過這種不斷的知識沖擊和浸潤，學(xué)生能夠近距離地與科學(xué)家接觸并感受科研精神的魅力，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

(二)改進(jìn)教學(xué)方式方法

分子生物學(xué)理論基礎(chǔ)較為枯燥，且課程安排在大四上學(xué)期，此時就業(yè)、考研占用學(xué)生大量精力，如果采用被動的灌輸式教學(xué)，學(xué)生興趣不高，更無法實現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量評價中最為重要的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。因此，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)其學(xué)習(xí)方法養(yǎng)成和主觀能動性是教學(xué)改革中的重點。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐后，筆者認(rèn)為使用案例導(dǎo)入、討論課、混合式教學(xué)和項目教學(xué)法，在提高學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)主觀能動性方面能夠起到較為積極的效果。

1.導(dǎo)入熱點案例

提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵在于每節(jié)課開始的10～20分鐘內(nèi)明確章節(jié)內(nèi)容與目標(biāo)，抓住學(xué)生的興奮點。筆者選擇一些與課程內(nèi)容緊密結(jié)合的新聞事件，引出這些事件中蘊含的科學(xué)問題，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，教師在講解“基因編輯”一節(jié)時，引入社會反響非常大的南方科技大學(xué)基因編輯嬰兒事件，全面解析基因突變、基因編輯原理及分子生物學(xué)倫理的相關(guān)知識；在“分子標(biāo)記”一節(jié)中，以親子鑒定中簡單重復(fù)序列標(biāo)記的具體應(yīng)用，結(jié)合觀賞植物分子身份證在新品種保護(hù)中的重要性進(jìn)行講解；在實驗技術(shù)中講解PCR(polymerase chain reaction，簡稱PCR，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))和熒光定量PCR時，以近期新冠疫情中核酸檢測的重要意義進(jìn)行導(dǎo)入。同時增設(shè)討論環(huán)節(jié)，學(xué)生們圍繞上述熱點問題，結(jié)合分子生物學(xué)的相關(guān)知識點展開熱烈討論，各抒己見，打破了沉悶的課堂氛圍，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2.引入混合式教學(xué)方式

混合式教學(xué)是指將數(shù)字化學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)相結(jié)合，從而明確以學(xué)生為主體、以教師為導(dǎo)向、以能力為目標(biāo)的教學(xué)理念，確立“線上+線下”的培養(yǎng)方式、“理論+實踐”的培養(yǎng)思想、“課前+課中+課后”的培養(yǎng)流程[3-4]。為了充分發(fā)揮教師在教學(xué)過程中的引導(dǎo)和監(jiān)督作用，調(diào)動學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動性和積極性，“花卉分子生物學(xué)”課程在基因表達(dá)調(diào)控、基因組學(xué)兩章引入了混合式教學(xué)方式。這些章節(jié)具有理論知識內(nèi)容多、知識更新快、難度大的特點。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，學(xué)生往往對這兩章內(nèi)容感到晦澀難懂、枯燥無趣，學(xué)習(xí)效果不甚理想。通過混合式教學(xué)方式的實施，打破了傳統(tǒng)教學(xué)中“教師灌，學(xué)生聽”的被動教學(xué)方式，有效發(fā)揮了“線上學(xué)習(xí)”和“線下教學(xué)”的優(yōu)勢。

3.教學(xué)與科研相結(jié)合，推進(jìn)項目教學(xué)法

觀賞園藝專業(yè)是應(yīng)用基礎(chǔ)型學(xué)科，學(xué)習(xí)分子生物學(xué)的最終目的是為了應(yīng)用。因此，除了掌握基本的理論和知識點，如何將這些知識點應(yīng)用到實踐當(dāng)中，是教學(xué)改革的重要方向之一。“花卉分子生物學(xué)”課程開課時間設(shè)在大四上學(xué)期，畢業(yè)論文和大學(xué)生創(chuàng)新計劃均為學(xué)生參與到具體項目中提供了便利，因此筆者將項目教學(xué)法引入到課程中。項目教學(xué)法以項目應(yīng)用教學(xué)為導(dǎo)向，學(xué)生為主體，由教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計和處理一個相對獨立的科研項目，包括信息的整理收集、方案的整體設(shè)計、項目的實施進(jìn)程及對教學(xué)效果的評價。大學(xué)生創(chuàng)新計劃是絕大部分本科生首次近距離接觸科學(xué)研究、思考科學(xué)問題、撰寫完整計劃書的重要機會[5-7]。

2014年至今，筆者在“花卉分子生物學(xué)”課程進(jìn)行到中期時，進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新計劃和畢業(yè)論文的宣講和動員工作，并提前組織相關(guān)教師和研究生結(jié)合本科生自身情況，設(shè)計便于理解、具有一定研究張力的科研題目。此舉大大激發(fā)了學(xué)生的科研熱情，提出的許多觀點和想法體現(xiàn)了學(xué)生的發(fā)散性思維。

(三)充實實驗教學(xué)內(nèi)容

“花卉分子生物學(xué)”實驗課程只有24學(xué)時，原大綱中全部為演示性實驗，例如提取DNA、RNA、質(zhì)粒、PCR等實驗內(nèi)容，這些在整個生物類課程中都是類似的，無法突出觀賞園藝專業(yè)特色。同時由于實驗中樣品的取樣、試劑配制、設(shè)備準(zhǔn)備都已提前準(zhǔn)備好，學(xué)生無法從整體層面了解這些實驗的前因后果，對于具體原理更是一知半解。

針對該情況，結(jié)合相關(guān)農(nóng)林院校及文獻(xiàn)報道的教學(xué)經(jīng)驗，筆者將實驗分為三大類。①第1類是技能性實驗，主要訓(xùn)練學(xué)生的基本分子生物學(xué)操作技術(shù)。②第2類是綜合性實驗，要求在掌握操作技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一個簡單的科學(xué)問題，并通過設(shè)計幾個基本技能實驗來解決這個問題，需要學(xué)生對實驗的全過程有較為清晰的掌握。例如在“菊花花色突變體中MBW復(fù)合體基因的表達(dá)分析”實驗中，筆者在2013—2016級觀賞園藝專業(yè)學(xué)生四年級上學(xué)期中大膽進(jìn)行嘗試，全天開放實驗室，讓學(xué)生自主選擇實驗時間，同時安排了研究生助教指導(dǎo)學(xué)生獨立完成資料搜集與實驗方案設(shè)計、材料準(zhǔn)備、試劑配制、操作步驟、結(jié)果分析和綜合報告等環(huán)節(jié)。③第3類為虛擬實驗。很多分子生物學(xué)實驗周期長，借助教育部發(fā)布的虛擬實驗室及虛擬課程的篩選，筆者選擇與觀賞園藝研究密切相關(guān)的幾個虛擬實驗，輔助學(xué)生了解周期長的實驗的原理和方法。2019年，筆者選擇了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)平臺上的“轉(zhuǎn)基因水稻培育虛擬仿真綜合實驗”(http：//www.ilab-x.com/details?id=2711&isView=true)，學(xué)生對實驗動畫、實時知識點原理講解、細(xì)致的試驗過程操作的滿意度非常高。問卷調(diào)查顯示，認(rèn)為虛擬實驗平臺類實驗教學(xué)應(yīng)當(dāng)繼續(xù)在教學(xué)中推進(jìn)的學(xué)生比例占93.22%。

(四)增加小論文寫作環(huán)節(jié)

“花卉分子生物學(xué)”課程的連貫性很強，需要學(xué)生具有敏銳的邏輯思維。因此在保證完成基本教學(xué)任務(wù)的同時，提升學(xué)生邏輯思維能力和寫作表達(dá)能力是深化該門課程教學(xué)改革的另一項重要的任務(wù)。

科學(xué)、規(guī)范的寫作訓(xùn)練是培養(yǎng)縝密邏輯思維的重要途徑和方法，也是學(xué)生從踏入實驗室大門就應(yīng)養(yǎng)成的重要科研素養(yǎng)[8]。在具體的教學(xué)工作中，筆者主要通過課程預(yù)習(xí)作業(yè)、課堂討論、實驗報告和討論課4個環(huán)節(jié)來訓(xùn)練學(xué)生的寫作能力。例如，在以往的課堂教學(xué)過程中，作業(yè)的內(nèi)容和形式以對知識點地快速復(fù)習(xí)為主，學(xué)生可以從教材甚至網(wǎng)絡(luò)上找到答案，輔助復(fù)習(xí)的效果甚微。筆者將作業(yè)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€小的科學(xué)題目(見表1)，鼓勵學(xué)生在公共數(shù)據(jù)庫上搜集所需要的資料完成科學(xué)寫作。從最初的二三百字的科學(xué)寫作訓(xùn)練到最終結(jié)課時提交基本達(dá)到期刊發(fā)表要求的規(guī)范小綜述，逐步訓(xùn)練了學(xué)生的邏輯性思維能力和自主創(chuàng)新能力。

表1 改革前后課堂作業(yè)內(nèi)容比較

(五)改革課程考核方式

教學(xué)改革前的“花卉分子生物學(xué)”課程的考核方式是期末閉卷考試，考試成績占總成績的70%，導(dǎo)致一些學(xué)生平時不學(xué)習(xí)、考試前突擊或者臨時背題就能很容易通過考試，甚至能得高分，這樣往往不能真實地反映學(xué)生掌握分子生物學(xué)內(nèi)容的水平。其次閉卷考試內(nèi)容較為局限，更新慢，不利于及時追蹤分子生物學(xué)前沿的發(fā)展動態(tài)。但完全將閉卷考試取消則起不到對基本知識點掌握的作用。基于此，筆者將該部分的占比降至50%，將綜合性環(huán)節(jié)中的小論文寫作、課堂討論、文獻(xiàn)閱讀匯報的比例分別由原來的10%、10%和10%提升至15%、15%和20%；對于實驗教學(xué)成績，將原有占比100%的實驗報告成績降低至40%，將前述綜合類實驗完成情況比例提升至40%，并選擇虛擬實驗課堂中帶有隨堂練習(xí)的實驗，通過邊做實驗邊答題的方式，生成最終虛擬實驗報告及成績，該部分占比20%。

四、“花卉分子生物學(xué)”課程教學(xué)改革的效果

(一)有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才

將教學(xué)科研活動和實驗教學(xué)活動有機地結(jié)合起來，突出了“研究特色”。通過綜合類實驗，進(jìn)一步提升了學(xué)生對獲取實驗知識的興趣，提高了實驗操作能力，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作意識，取得了較好的實驗教學(xué)效果。目前，與分子生物學(xué)類課題相關(guān)的觀賞園藝類大學(xué)生創(chuàng)新計劃研究題目明顯增多。截至2019年，北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院立項的5項觀賞園藝類大學(xué)生創(chuàng)新計劃，全部為分子生物學(xué)類課題，且物種、關(guān)注的性狀各不相同，表現(xiàn)出了很好的專業(yè)性和多樣性。2019、2020屆園林學(xué)院畢業(yè)生獲校級優(yōu)秀畢業(yè)論文題目中，分子生物學(xué)類課程占比超過70%。

(二)加強了理論知識與實驗內(nèi)容的融會貫通

“花卉分子生物學(xué)”課程理論教學(xué)考試成績的優(yōu)秀率由改革前的11%提高到了35%。期末考試試卷中最為明顯的特點是，學(xué)生對綜合類試題解答的邏輯性及知識掌握能力明顯提高。比如，回答“當(dāng)發(fā)現(xiàn)開白花的矮牽牛品種中出現(xiàn)一株紅色花突變體，應(yīng)如何從分子生物學(xué)層面進(jìn)行突變機制的解析？”等試題時，學(xué)生能從代謝組學(xué)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)、基因表達(dá)分析、基因序列差異、轉(zhuǎn)基因和基因表達(dá)調(diào)控等多個層面答題，不僅答得有條有理，而且還較符合科研實際情況。很多同學(xué)能結(jié)合所讀文獻(xiàn)及參與綜合實驗中的心得進(jìn)行答題，且能夠舉出一些雖然本科期間無法接觸，但確實行之有效的研究方法，明顯看出不是死記硬背而是基于所學(xué)知識自己組織思路的結(jié)果，說明改革后的“花卉分子生物學(xué)”課程實踐教學(xué)內(nèi)容有助于學(xué)生消化理解理論知識。