分子生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)改革與實踐探索

吳小紅 梁小翠 王鈞 王光軍 閆文德

[摘 要] 分子生態(tài)學(xué)實驗是分子生態(tài)學(xué)教學(xué)的重要組成部分。目前分子生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)中存在實驗體系不合理、實驗教學(xué)模式單一和實驗教學(xué)資源不足的問題。為了解決目前實驗教學(xué)中存在的問題，提高學(xué)生的實驗動手能力、解決實際問題能力和創(chuàng)新思維能力，對分子生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)方法、成績評定方式和教學(xué)資源使用等進(jìn)行了一系列改革和探索。通過教學(xué)改革激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，增強(qiáng)了學(xué)生綜合運(yùn)用知識解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，有效地提升了“分子生態(tài)學(xué)”實驗教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 分子生態(tài)學(xué);實驗教學(xué);教學(xué)改革

[基金項目] 2018年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的分子生態(tài)學(xué)課程教學(xué)設(shè)計”（湘教通〔2018〕436號）;2020年度湖南省學(xué)位與研究生教育改革研究項目“新農(nóng)科視域下卓越農(nóng)林研究生培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與改革研究”（湘教通〔2020〕216號）;2016年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“以社會需求為導(dǎo)向的生態(tài)學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革與實踐”（XJT2016〔400〕-282）

[作者簡介] 吳小紅（1985—），女，湖南益陽人，生態(tài)學(xué)博士，中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事分子生態(tài)學(xué)研究。

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）25-0065-04 [收稿日期] 2022-03-18

分子生態(tài)學(xué)是基于核酸和蛋白質(zhì)等遺傳標(biāo)記，應(yīng)用分子生物學(xué)的原理和方法來研究生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)相互作用機(jī)理及其分子機(jī)制的科學(xué)，是生態(tài)學(xué)專業(yè)本科教學(xué)中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。由于分子生態(tài)學(xué)的教學(xué)內(nèi)容涉及核酸、蛋白質(zhì)等微小、微量的物質(zhì)，內(nèi)容較為抽象，涵蓋的知識面廣，加上分子生態(tài)學(xué)相關(guān)的技術(shù)和方法更新速度快，學(xué)生難以通過理論課程的學(xué)習(xí)來理解和掌握課程內(nèi)容。實驗教學(xué)作為本科教學(xué)的重要組成部分，不僅能幫助學(xué)生更好地理解和掌握理論知識，而且能培養(yǎng)學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)[1，2]。因此，在分子生態(tài)學(xué)的教學(xué)中，實驗教學(xué)也是課程設(shè)置中不可缺少的教學(xué)內(nèi)容[3]。

中南林業(yè)科技大學(xué)自2011年起將分子生態(tài)學(xué)實驗課程納入了生態(tài)學(xué)本科專業(yè)課程體系。長期以來，由于分子生態(tài)學(xué)的授課手段以理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)為輔，實驗教學(xué)一直處于被動和次要的地位而不被重視，導(dǎo)致該實驗課程教學(xué)效果較差。本文結(jié)合我校實際，從分子生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀入手，分析討論實驗教學(xué)中存在的主要問題，對實驗課程教學(xué)進(jìn)行探索和改革，以提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、分子生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

分子生態(tài)學(xué)實驗課程以分子生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)實驗技術(shù)為主，主要包括土壤和植物基因組DNA提取、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增、瓊脂糖凝膠電泳及成像、生物大分子遺傳信息分析等基本實驗技術(shù)。實驗課程的開展，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。但目前實驗教學(xué)中仍存在一些問題和不足，有待進(jìn)一步克服和解決。

（一）實驗體系不合理，實驗課時受限

受傳統(tǒng)教學(xué)方法、實驗場地和學(xué)時等因素的限制，分子生態(tài)學(xué)的實驗項目多為簡單易行的驗證性實驗或操作性實驗，缺乏綜合設(shè)計性實驗和探究性實驗。這種實驗體系雖然包含了分子生態(tài)學(xué)主要的實驗操作技術(shù)和方法，但由于各項實驗內(nèi)容相對獨(dú)立，實驗項目之間連貫性不強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生應(yīng)用分子生態(tài)學(xué)的方法和技術(shù)解決生態(tài)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)問題的能力仍較弱，難以實現(xiàn)提升學(xué)生創(chuàng)新意識和綜合能力的教學(xué)目的。

（二）實驗教學(xué)模式單一，學(xué)生興趣不高

分子生態(tài)學(xué)實驗往往耗時長、操作煩瑣，受課時限制，實驗教學(xué)中有些實驗環(huán)節(jié)，如所用器皿的清洗和滅菌、DNA提取試劑的滅菌等均由實驗教師提前完成。在授課形式上，分子生態(tài)學(xué)實驗課程先由教師講解實驗原理、關(guān)鍵操作步驟和注意事項，然后指導(dǎo)學(xué)生按照實驗資料上的“規(guī)定動作”完成實驗，提交實驗報告。這種“程式化”教學(xué)方式難以激發(fā)學(xué)生的主動性，學(xué)生缺乏獨(dú)立思考和系統(tǒng)性操作，對與預(yù)期不一致的實驗結(jié)果不能正確分析和反思，難以達(dá)到實驗教學(xué)應(yīng)有的教學(xué)效果。

（三）實驗教學(xué)資源不足，學(xué)生參與度低

為了培養(yǎng)每一位學(xué)生的實驗操作能力，分子生態(tài)學(xué)實驗課程一般采用分組形式進(jìn)行，由2～3人構(gòu)成一個實驗小組開展相關(guān)實驗。然而，由于分子生態(tài)學(xué)實驗配套的儀器設(shè)備及試劑比較昂貴，且每年學(xué)校在實驗教學(xué)方面的資金投入有限，在實驗教學(xué)過程中一些儀器設(shè)備往往難以滿足實驗教學(xué)需求，導(dǎo)致出現(xiàn)了兩個問題：一是拖慢了實驗進(jìn)度，學(xué)生難以在規(guī)定的時間內(nèi)完成事先計劃好的實驗內(nèi)容;二是影響了學(xué)生實驗的參與度，部分實驗內(nèi)容無法保證全部學(xué)生上機(jī)進(jìn)行操作。

二、分子生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)改革

結(jié)合本實驗課程特點(diǎn)，通過優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容、改革實驗教學(xué)方法、重構(gòu)課程考核方式和豐富實驗教學(xué)資源等，構(gòu)建分子生態(tài)學(xué)實驗課程教學(xué)體系，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實踐動手能力和解決實際問題的能力，提升分子生態(tài)學(xué)實驗課程的教學(xué)質(zhì)量。

（一）優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力

按照從簡單到復(fù)雜、從分散到系統(tǒng)的原則，對原有實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化整合，構(gòu)建一個由驗證性實驗、綜合設(shè)計性實驗和探究性實驗構(gòu)成的多層次實驗體系[4]。驗證性實驗以分子生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性實驗為主，實驗項目包括“土壤微生物基因組DNA提取”“瓊脂糖凝膠電泳法鑒定DNA的原理和方法”“DNA濃度檢測”“聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增”和“克隆文庫構(gòu)建”等。驗證性實驗的目的是讓學(xué)生熟悉分子生態(tài)學(xué)的常用儀器設(shè)備、規(guī)范實驗操作方法、掌握基本實驗技能，為綜合設(shè)計性實驗的開展奠定基礎(chǔ)。

綜合設(shè)計性實驗由學(xué)生自主設(shè)計實驗內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生形成分子生態(tài)學(xué)實驗?zāi)芰ΑＷ灾髟O(shè)計過程是學(xué)生為主體的綜合實驗準(zhǔn)備階段，要求學(xué)生基于實驗室現(xiàn)有設(shè)施條件，自行查閱文獻(xiàn)資料，撰寫實驗方案，完成實驗操作，再對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。例如，實驗項目“利用16S rRNA基因文庫技術(shù)分析不同樹種土壤細(xì)菌群落的多樣性”，由學(xué)生自行選擇樹種類型，自主選擇16S rRNA基因擴(kuò)增引物和感受態(tài)細(xì)胞，結(jié)合實驗室條件，利用所學(xué)方法提取土壤基因組DNA，鑒定DNA濃度和純度，采用引物對16S rRNA基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增并構(gòu)建克隆文庫。實驗完成后，學(xué)生還需進(jìn)行DNA序列比對和譜系進(jìn)化樹構(gòu)建等數(shù)據(jù)處理和分析工作，比較不同樹種土壤細(xì)菌群落多樣性水平差異。通過開展綜合設(shè)計性實驗可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，在鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用知識和實驗技術(shù)的同時，還能讓學(xué)生融會貫通所學(xué)知識，加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和掌握。

探究性實驗主要依托湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目開展。由學(xué)生自行組建實驗小組，進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研后選擇自己感興趣的研究課題進(jìn)行實驗設(shè)計，制定實驗方案，與教師討論后修訂實驗方案。例如，2018級生態(tài)學(xué)專業(yè)的學(xué)生經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研后，想探討叢枝菌根樹種和外生菌根樹種土壤氮循環(huán)微生物的差異及其原因，以“叢枝與外生菌根樹種對土壤氮循環(huán)的影響研究”為項目名稱提交了申請書，最終獲得了湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目的資助。通過開展此類探究性實驗，學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實際問題的能力得到了極大地鍛煉和提高。

（二）改革實驗教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動性

為了保證實驗的順利進(jìn)行，教師課前將與實驗內(nèi)容相關(guān)的教學(xué)課件、微課和測試題等上傳至移動教學(xué)平臺，要求學(xué)生利用碎片化時間認(rèn)真預(yù)習(xí)，了解實驗做什么、為什么做和怎么做，并要求學(xué)生完成預(yù)習(xí)測試題。教師通過分析預(yù)習(xí)測試題的數(shù)據(jù)，了解學(xué)生預(yù)習(xí)效果，并基于學(xué)生的預(yù)習(xí)情況有針對性地完成實驗教學(xué)設(shè)計，促進(jìn)實驗教學(xué)的有效性[5]。課中適當(dāng)設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生積極思考問題，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維能力。例如，在“土壤微生物基因組DNA提取”“瓊脂糖凝膠電泳法鑒定DNA的原理和方法”“DNA濃度檢測”等實驗中，讓學(xué)生討論和回答“提取基因組DNA用到的主要試劑有哪些，分別起什么作用”“瓊脂糖凝膠電泳檢測時為什么要將點(diǎn)樣端置于電泳槽的負(fù)極端”“如何鑒定提取DNA的純度”等問題。通過上述問題的提出引導(dǎo)學(xué)生主動思考并積極回答，最后通過教師的歸納總結(jié)得出正確答案。這種啟發(fā)式教學(xué)方式不僅可以加深學(xué)生對知識的理解，也有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

由于分子生態(tài)學(xué)相關(guān)的技術(shù)和方法更新速度快，實驗教材內(nèi)容往往跟不上學(xué)科發(fā)展。把教師承擔(dān)的科研項目（包括國家自然科學(xué)基金項目、省部級科研項目和其他類型的科研項目）等融入實驗教學(xué)，可以實時更新教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生掌握最新的研究技術(shù)和研究方法。例如，授課教師將承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項目“土壤自養(yǎng)微生物固碳速率及其功能種群差異機(jī)制”融入實驗教學(xué)，使學(xué)生提前接觸到新近發(fā)展的穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)（SIP），不僅理解了該技術(shù)的基本原理，而且了解了該技術(shù)在定向發(fā)掘土壤環(huán)境中參與自養(yǎng)固碳過程的微生物資源方面的功能[6]。實驗教學(xué)內(nèi)容和科研項目的有機(jī)融合可以有效地解決實驗教學(xué)內(nèi)容更新慢的問題，讓學(xué)生及時了解相關(guān)領(lǐng)域的前沿科學(xué)技術(shù)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

分子生態(tài)學(xué)涉及生態(tài)現(xiàn)象與生態(tài)規(guī)律的發(fā)生、發(fā)展過程中的分子機(jī)理，內(nèi)容尺度跨度大，且微觀內(nèi)容過于抽象、宏觀內(nèi)容過于想象。巧妙運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，包括PPT、視頻、圖片或知識鏈接等形式，可以方便學(xué)生更形象地理解和掌握知識內(nèi)涵，提高教學(xué)效果[7]。例如，在“聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增”實驗中，可以結(jié)合PPT展示和Flash動畫向?qū)W生演示PCR擴(kuò)增的基本原理和實驗操作步驟，幫助學(xué)生更好地掌握實驗原理和實驗操作步驟。另外，對于一些學(xué)生使用不規(guī)范的儀器設(shè)備，如移液槍和離心機(jī)，可以通過實地拍攝的方式制作常規(guī)儀器設(shè)備的操作方法視頻，讓學(xué)生對儀器設(shè)備的操作方法有更感性的認(rèn)識和理解。此外，在介紹系統(tǒng)進(jìn)化樹時，可以借助多媒體網(wǎng)絡(luò)在線演示構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹的方法。這種教學(xué)手段不僅可以增加學(xué)習(xí)的趣味性和生動性，而且有利于幫助學(xué)生理解抽象、枯燥的知識內(nèi)容，更好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而起到教學(xué)輔助作用[8]。

（三）重構(gòu)課程考核方式，注重實驗過程考核

以往分子生態(tài)學(xué)實驗課程考核主要側(cè)重學(xué)生的平時考勤和實驗報告，實驗報告是學(xué)生實驗課程成績判定的重要指標(biāo)。這種考核方式忽略了對實驗過程的考核，其評價結(jié)果并不能真實地反映學(xué)生的實驗技能和綜合能力。因此，我們根據(jù)分子生態(tài)學(xué)實驗課程特色和生態(tài)學(xué)專業(yè)人才總體培養(yǎng)目標(biāo)，把實驗操作和實驗結(jié)果展示匯報等過程性要素納入課程評價考核體系，不僅關(guān)注學(xué)生課堂出勤情況和實驗報告，同時注重學(xué)生實驗過程表現(xiàn)，建立以實驗技能、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)為核心目標(biāo)的多元化課程考核評價辦法[9]。新的考核辦法主要從課堂考勤、課前預(yù)習(xí)情況、實驗操作、實驗結(jié)果PPT展示匯報和實驗報告等方面進(jìn)行全方位考核，把考核的重點(diǎn)從獲取的知識量向知識、能力、綜合素質(zhì)的評價轉(zhuǎn)移。其中，課堂考勤主要考查學(xué)生的課堂出勤情況，對于請假、曠課、早退和遲到的學(xué)生給予一定的扣分。課前預(yù)習(xí)主要考查學(xué)生對教學(xué)課件、微課和測試題等課前預(yù)習(xí)資料的掌握情況。實驗操作主要考查學(xué)生能否按照實驗要求，安全準(zhǔn)確地操作實驗設(shè)備，以及能否按照正確的實驗步驟完成實驗內(nèi)容并得到準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果展示匯報要求學(xué)生以PPT形式進(jìn)行匯報，主要考查學(xué)生對實驗的理解以及對實驗中出現(xiàn)的問題的分析及解決能力。實驗報告主要考查學(xué)生對實驗原理、實驗操作步驟、實驗數(shù)據(jù)處理與分析等方面的掌握情況。重構(gòu)后的課程考核方式，能夠更全面、準(zhǔn)確地考查學(xué)生的實驗水平，不僅能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，而且能提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合能力，有利于生態(tài)學(xué)綜合型人才的培養(yǎng)。

（四）開放多個研究平臺，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源

我校生態(tài)學(xué)科既是國家重點(diǎn)（培育）學(xué)科，也是湖南省優(yōu)勢特色重點(diǎn)學(xué)科和湖南省“雙一流”建設(shè)學(xué)科。學(xué)科擁有南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室、森林植物國家級實驗教學(xué)示范中心和城市森林生態(tài)湖南省重點(diǎn)實驗室等多個國家級和省部級研究平臺，均配備有分子生態(tài)學(xué)精密儀器設(shè)備。為了解決分子生態(tài)學(xué)實驗課程教學(xué)資源不足的問題，對涉及精密儀器使用的一些實驗項目，可以實行開放性實驗教學(xué)，協(xié)調(diào)多個研究平臺分時段開放相關(guān)儀器設(shè)備[10]。例如綜合型實驗“利用16S rRNA基因文庫技術(shù)分析不同樹種土壤細(xì)菌群落的多樣性”，為了保證每個學(xué)生都有上機(jī)操作的機(jī)會，采取了開放性實驗教學(xué)管理。管理上實行申請審核制，由學(xué)生個人提出申請并提交實驗方案，授課教師對實驗方案和實驗申請進(jìn)行審核，授課教師審核通過后提交儀器管理員審核，管理員審核通過后學(xué)生即可進(jìn)入實驗室開展實驗。在開放實驗室開展綜合型實驗，學(xué)生參與了研究內(nèi)容設(shè)計、研究方法確定、實驗方案實施、實驗數(shù)據(jù)處理和分析、實驗報告撰寫等一系列實驗過程，基本實驗技能、科研思維能力和寫作能力同時得到訓(xùn)練。因此，開放性的實驗教學(xué)管理，既利用平臺優(yōu)勢解決了教學(xué)資源不足的問題，又可以讓學(xué)生成為教學(xué)的主體，變被動學(xué)習(xí)為主動實踐，能極大地激發(fā)學(xué)生的探究興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

結(jié)語

分子生態(tài)學(xué)實驗課程經(jīng)過教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的一系列改革，學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性和學(xué)習(xí)興趣被激發(fā)，綜合運(yùn)用知識解決實際問題的能力也有所增強(qiáng)，綜合素質(zhì)得到明顯提升。但是目前分子生態(tài)學(xué)實驗課程改革仍存在一些問題，如實驗經(jīng)費(fèi)不足、師資力量有限、開放性實驗室管理難度較大等。這需要我們在今后的教學(xué)工作中不斷探索與實踐，進(jìn)一步提升分子生態(tài)學(xué)實驗課程的教學(xué)質(zhì)量。

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Exploration of Teaching Reform and Practice of Molecular Ecology Experiments

WU Xiao-hong， LIANG Xiao-cui， WANG Jun， WANG Guang-jun， YAN Wen-de

（College of Life Science and Technology， Central South University of Forestry & Technology， Changsha， Hunan 410004， China）

Abstract： Molecular ecology experiments are an important component of Molecular Ecology teaching. At present， there are many problems in the teaching of Molecular Ecology experiments， such as the unreasonable experiment system， the single experiment teaching mode， and the insufficient experiment teaching resources， etc. In order to solve the existing problems in the current experiment teaching， improve students’ practical ability， problem-solving ability and innovative thinking ability， a series of reforms and explorations have been conducted on the experiment teaching contents， the experiment teaching methods， the performance evaluation methods and the sharing of teaching resources. The teaching reform has stimulated students’ subjective initiative in learning， enhanced their ability to comprehensively use knowledge to solve practical problems and their innovation ability， which has effectively improved the experiment teaching effect of Molecular Ecology course.

Key words： Molecular Ecology; experiment teaching; teaching reform