園藝植物基因工程原理與技術實驗課程改革

摘要 園藝植物基因工程原理與技術是園藝專業研究生的核心選修課程，其實驗教學起著非常重要的作用。本文分析了園藝植物基因工程原理與技術實驗課程存在的問題，對教學內容和方法進行了思考、探索和總結。教師在教學過程中以過程為導向，把園藝植物基因工程原理與技術實驗課程建設成一門高效培養研究生科研能力和科研素養的示范課程。

關鍵詞 研究生；園藝；基因工程原理與技術實驗

中圖分類號 Q943.2-4；G643 文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）21-0153-04

研究生教育在培養目標、層次和模式上與本科生教育有較大差異。研究能力是研究生教育創新思維和創新能力的重要體現[1]。實驗課程教學是提高研究生創新能力的重要手段，可促進其在研究上不斷進行自主創新[2]。基因工程（Gene engineering）是指不同生物體的遺傳信息在體外經過酶切、連接，構成重組DNA分子，然后轉入受體細胞中，使外源基因在受體細胞中表達。目前，基因工程廣泛應用于醫學、生物和農業領域的科學研究和應用中。其中園藝植物基因工程以分子生物學為基礎，具有很強的實踐性和技術性[3-6]。掌握基因工程實驗技術是生物技術領域從業的關鍵[4]。基因工程實驗教學可以讓高校學生了解專業的就業前景，不斷提高學生的主動性和創新性[7-9]。園藝植物基因工程課程實驗要求學生在掌握理論知識的基礎上，運用所學知識開展實驗操作和科學研究，注重培養創新能力。目前，在園藝植物基因工程實驗教學中存在課程內容設計簡單、教學方法不完善和評價體系單一等問題，不利于研究生實踐能力和創新能力的培養。為此，本文分析了園藝植物基因工程原理與技術實驗課程存在的問題，對教學內容和方法進行了思考、探索和總結，以期高效培養研究生的科研能力和科研素養。

1 園藝植物基因工程實驗課程教學現狀

1.1 課程實驗內容

園藝專業研究生的專業背景復雜，目前課程設計過程中較少考慮學生知識背景，實驗課程內容缺乏針對性和系統性。以華南農業大學園藝學院研究生基因工程實驗課為例，該課程為碩博新生的選修課，共32學時，其中實驗課學時為20學時。有不少高等院校將園藝植物生物技術作為專業核心課程，園藝背景的研究生（尤其是博士研究生）已經接觸過生物技術或者基因工程課程實驗，但其他學科背景或者本科院校沒有設置生物技術類課程的學生缺乏理論和實驗操作基礎。面對不同知識背景的學生，統一的課程設置不利于因材施教，易導致部分學生失去學習興趣，還有部分學生可能產生畏難情緒。

實驗課程內容包括“植物核酸提取”“RNA反轉錄”“PCR擴增目的基因和電泳檢測”“質粒DNA的提取”“重組DNA構建”“大腸桿菌感受態細胞制備”“重組質粒轉化大腸桿菌”和“PCR鑒定重組轉化子”等實驗操作和方法。實驗課程側重于單個實驗技術，沒有很好地將這些技術串聯起來，缺乏系統性，不利于學生構建和完善自身的知識體系。另外，多數實驗中有等待時間，例如PCR過程需要1～2 h的等待時間，大腸桿菌生長需要過夜。因此，系統且合理地安排實驗對教學效果具有極大的影響。

1.2 教學方法

傳統的基因工程因實驗耗材費用高、儀器設備較少等影響，容易導致實驗教學中學生參照實驗指導完成“規定動作”，不重視實驗質量，較少關注實驗效果。尤其由于課時限制，為了壓縮實驗過程中的等待時間，教師一般提前準備好每個階段的樣品，學生只需要完成操作。例如，質粒提取實驗中，教師準備好菌液，學生只需要按照試劑盒步驟提取質粒即可，但關于如何挑取單菌落、如何培養菌、培養菌條件怎么設置，學生均未參與。該種教學模式難以有效地讓學生系統掌握實驗過程，易導致其缺乏實驗設計和分析能力。如在PCR擴增目的基因實驗中，教師提前準備好了模板、引物和DNA聚合酶等試劑，PCR反應程序也提前設置好，大多數學生僅按照程序進行，并不了解引物如何設計，PCR反應過程中變性、退火、延伸的溫度和時間如何設置等。這種教學方式難以培養學生的自主思考能力。另外，分組式教學易導致組內一人操作、多人圍觀的現象，學生實際參與度較低，難以培養學生的創新能力。

1.3 評價體系

實驗成績多以出勤率和實驗報告完成情況為考核內容，這種考核方式難以體現學生的真實參與度，也缺乏對學生實踐能力的培養。課前、課后的出勤考核易導致學生只參與課前和課后的簽到，不參與實驗過程，因參與實驗的學生人數較多，教師很難發現曠課的學生。實驗報告也只能反映整個實驗的結果，很難反映學生的真實表現。以往的實驗報告的評分主要關注實驗報告的完整性、內容的全面性、結果的準確性，這導致學生更加關注實驗報告的書寫以及實驗結果。另外，教師在準備實驗時使用統一的實驗材料，對學生實驗進行了分組，導致學生做出的結果一致，尤其是實驗報告結果雷同，存在修改數據和抄襲現象。此種評價體系較難準確地反映學生在實驗過程中分析問題和解決問題的能力。

2 基因工程實驗課程改進措施

2.1 因材施教，設計開放性課程實驗內容

對研究生基因工程實驗課程內容的關聯性進行分析，將實驗內容分組，讓學生按照自己的知識背景以及后續科研方向進行選擇。例如，將核酸提取、RNA反轉錄和PCR擴增目的基因內容分為一組。設計開放性實驗，讓學生根據自身的科研方向進行選擇。核酸提取部分讓學生自帶樣品進行實驗操作。對于已有基因工程實驗背景的學生，教師僅提供整個大實驗的實驗目的和實驗內容，學生可按照自己的科研課題的研究內容和實驗方案在自己的實驗室進行實驗操作。對于沒有基因工程實驗背景的學生，可按照教師提供的實驗思路，完成整個大實驗。學生在操作過程中可以隨時咨詢教師，最后提交實驗報告。這種以學生為主體，教師為輔助的教學模式，能夠最大程度地發揮學生的創新能力，讓學生參與科研，了解整個實驗過程，感受實驗成功的成就感。開放性的試驗設計有助于培養學生的科研態度以及解決問題的能力。

2.2 創新實驗教學方式，培養學生創新思維

傳統實驗教學中，教師通過PPT講解實驗目的、原理和步驟等內容，學生理解起來比較抽象，教學效果較差。因此，教師有必要在實驗課前，將實驗課的視頻資料發給學生，讓學生對實驗課程內容以及實驗操作有清晰的認識。教師在基因工程實驗課開始前，帶領學生參觀實驗室，講解實驗室的組成、各個實驗室的功能，并對要使用的儀器進行操作示范，并強調實驗安全和儀器設備注意事項。在實驗課理論講解時，挑選重要實驗的視頻教學進行觀看講解。在實驗過程中，每個小組安排經驗豐富的研究生帶隊，并對重要實驗環節進行示范操作。例如，RNA提取實驗需要注意RNA酶的降解，研磨過程中注意液氮不能揮發干凈，教師親自示范研磨。另外，在實驗過程中，以試劑為例，讓學生了解所用試劑的特征特性，在實驗過程中注意自身安全防護。實驗課程結束后，讓學生在課程微信群中上傳實驗結果，教師對實驗結果進行分析，并對異常結果進行點評和講解。這種“授之以漁”的方式有助于幫助學生構建知識體系。教師引入科研成果，在教學內容上結合科研工作，將基因工程實驗設計成一個小課題，以科研帶動基因工程實驗的完善，以提高學生的積極性和主動性。例如在基因工程實驗中引入CRISPR-Cas9基因編輯技術，在教學中，通過引導學生完成引物設計，并利用重組技術，最終得到一個完整的、能夠在細胞中行使功能的CRISPR-Cas9基因編輯載體。通過后續轉化體植株DNA的提取和PCR對目的DNA的擴增和測序，使學生看到CRISPR-Cas9基因編輯最終的效果，更真切地了解生命科學領域新技術的使用和應用。

2.3 學生參與實驗前準備，培養實驗設計能力

實驗前對學生進行分組，分批進入實驗室進行前期準備。對于實驗過程中需要的試劑和培養基的配制和分裝，離心管、PCR管、移液器吸頭和培養皿等所需材料的準備由研究生帶領每組學生進行準備。在這個過程中，學生可學習pH計、PCR儀、高壓滅菌鍋等儀器的使用。另外，在引物設計方面，給每組學生分配不同的DNA序列，利用線上教學的方式進行引物設計教學，由學生自行設計引物，并對引物進行PCR驗證，選擇可用引物。這對于學生后期獨立進行科研課題設計具有重要作用。

2.4 建立“過程導向性”考核和評價體系

考核評價體系可以激發學生的積極性，也影響實驗教學效果。建立“過程導向性”的考核方式，具體包括實驗設計（20%）、實驗操作（20%）、實驗報告（60%）。實驗設計主要檢查開放性實驗中學生設計實驗方案的能力；實驗操作主要檢查學生是否按照實驗方案合理進行實驗，是否正確使用儀器設備等；實驗報告主要考查學生實驗記錄是否完整、實驗結果是否正確、對過程是否進行了思考等，培養學生良好的科研習慣和思考能力。為了避免實驗報告抄襲現象，根據學生分組情況，分發不同的試驗材料。例如在PCR實驗中，每小組的擴增引物和酶不同，所以學生要考慮PCR程序設計時延伸時長的設置。這不僅提升了學生自主設計實驗方案的能力，還能培養學生的思考能力。

實驗記錄是對科研過程中實驗操作過程和原始數據的真實描述和記載。科學規范的實驗記錄可以提升學生的基本科學素養[10]。因此，在實驗過程中要求每組每位學生做好實驗記錄，并對實驗結果進行分析總結和檢查簽字。最后，將實驗記錄作為考核方式中實驗操作板塊內容。實驗記錄的規范可以培養學生對實驗進行記錄和結果分析的習慣，也能對實驗過程進行溯源，有助于培養學生的邏輯思維能力。

3 教學改革的成效

本教學組采用問卷調查對學生知識背景和基因工程教學內容進行調查。主要結果如下：25.8%的學生在上一學習階段完全沒有進行過基因工程課程的學習，在課程理論和實驗課程設計上要考慮學生知識背景；81%的學生認為在今后的科研中會用到基因工程的實驗內容，有利于提高學生的積極性；63.8%的學生認為實驗課程學時應該增加，這體現了學生對實驗技能學習的主動性和需求性。

本教學組對教學改革的滿意度進行了調查，從結果看，大多數學生對教學改革非常滿意，調查結果如下：98.3%的學生認為該教學安排有效地提高了自己的科研能力，這有利于培養學生的科研能力；54%的學生認為開放性實驗能激發學生的科研好奇心，有利于培養學生的創新意識和科研思維；97.6%的學生認為科研實驗教學內容的分組安排以及實驗的連貫性，提高了學生的溝通能力和合理規劃實驗的能力。

4 結語

通過教學改革，基因工程實驗課程取得了較好的教學效果。基因工程實驗課程不僅提高了學生的實驗技能，也讓他們了解了生物領域所需具備的基本素養。基因編輯無論是在農業領域還是醫學領域，都展現出巨大潛力，應用領域還可以擴展到其他方面。創新性人才的培養是“雙一流”戰略下對農業高校的要求，但在培養農科創新性人才方面還需要加強。因此，在今后的教學工作中，應不斷深化生命科學研究，完善教學內容，將新的技術引入到基因工程實驗中，為培養更多具有新技術的創新性新農人提供支持。

參考文獻

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（責編：王 菁）