魏 珍 陆 阳 许雪敏 朱世新

郑州大学生命科学学院 河南郑州 450001

2018年8月,教育部印发的《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》(教高函〔2018〕8号)指出:“各高校要全面梳理各门课程的教学内容,淘汰‘水课’、打造‘金课’。”目前,全国的高校都在大力推进“金课”的建设工作。

“植物生物学”课程对国内多数院校的生命科学类、农学类、园林类专业的本科生都是很重要的一门专业基础课程。在之前的研究中[1],我们已经对“植物生物学”混合式课程的授课形式(线上资源推送、线上直播授课和线下传统授课相结合)进行了研究与实践。本文将对利用河南省一流本科课程(线上课程)“植物生物学”(已在中国大学MOOC开课)和长江雨课堂平台技术的郑州大学线上线下混合式“金课”“植物生物学”的教学内容进行创新与探索,相关课程获得河南省本科教育线上教学优秀课程二等奖。本文将主要结合国际前沿科研成果对课程内容进行概述,提出新的见解并进一步提高课程质量。

一、课程内容

“植物生物学”“金课”的内容创新要注重“两性一度”,即高阶性、创新性和挑战度。高阶性指的是要培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维;创新性是指要注重课程内容的前沿性和时代性、教学形式的先进性和互动性以及学习结果的探究性和个性化;挑战度是指课程要有一定难度,教师要花时间精力准备课程内容,需要学生有较多的学习时间和思考做保障才能完成。本课程授课内容主要参照《植物生物学》(第4版)[2]和RavenBiologyofPlants[3]两本国内外主流教材设计,课程内容包括绪论、植物细胞与组织、植物体的形态结构和发育、植物的繁殖、生物多样性、植物的分类及命名、植物的进化和系统发育、植物类群等部分。

(一)绪论

《植物生物学》绪论部分主要介绍植物在生物分界中的地位、植物学的研究对象及学习的重要意义、植物科学的发展简史和发展趋势等内容。

由于研究手段和科学认识的局限性,包括林奈的两界系统、海克尔的三界系统、魏泰克的四界和五界系统以及后来生物学家提出的六界系统、八界系统等生物分界系统与现代生物分界系统存在一定差异。此部分内容可着重介绍基于分子生物学的三域系统的概念和基本分类方法,要讲解与经典生物分界系统的异同点,教师可以结合三域系统的生命系统树来讲解,并举例说明。如Taq DNA聚合酶是如何在美国黄石国家森林公园火山温泉中发现的?Taq DNA聚合酶是在什么微生物中首先分离的?它是一种真细菌还是一种古细菌?PCR技术的发现与推广应用怎样影响了分子生物学的发展?

植物学的研究对象是整个植物界,可分为植物解剖学、植物分类学、植物遗传学、发育植物学、植物系统与进化植物学、植物细胞学、植物生理学、种子植物学、植物生态学、古植物学、植物群落学、藻类植物学、苔藓植物学、植物生殖生物学、植物资源学、药用植物学、植物分子系统学、植物分子遗传学、应用植物学、民族植物学等多个分支学科。对于本科生来说,“植物生物学”课程主要的研究内容为被子植物的形态结构、发育、繁殖和植物类群。一些较小众的学科分支虽然不会涉及具体内容,但可以作为激发学生兴趣的切入点。如民族植物学的研究内容不仅包括人类如何认知和利用植物,也包括人类认知和利用植物的历史、现状和未来的动态演变过程,并将研究的结果应用于植物资源的可持续利用和植物多样性保护。可以列举具体的例子,如木薯是怎样从原产地巴西传播到非洲、亚洲和加勒比的热带和亚热带地区?中国人利用某种药用植物的历史、使用方法、语言及文字记载,等等,激发学生的学习兴趣。

植物科学的发展简史主要包括描述植物学时期、实验植物学时期和现代植物学时期。此部分内容可列举历史上有名的植物学家来说明,如描述植物学时期可列举英国物理学家虎克创制第一架有研究价值的显微镜并发现了植物细胞的例子。虎克第一次使用了“细胞”一词,然而他发现的其实不是真正的活细胞,而是植物死细胞的细胞壁结构。

实验植物学时期可列举林奈发表《植物种志》的过程,并简单介绍植物的双命名法;列举孟德尔的豌豆杂交实验,可以适当讨论孟德尔生活的时代背景来提高趣味性;最后可以讲述英国生物学家、进化论的奠基人达尔文个人的生活和科研经历,包括他怎样从学习医学转为学习神学;通过贝格尔号5年的环球航行,一步步成为动植物和地质学专家的过程。达尔文在1859年出版了《物种起源》这一划时代的著作,提出了生物进化论学说,从而摧毁了各种唯心的神造论和物种不变论。《物种起源》出版之后,他收到了来自全世界各地抨击进化论的来信,达尔文是怎样在这样的环境下坚持自己的理论的?

现代植物学时期可讲述沃森与克里克提出DNA的结构和自我复制机制,开创了分子生物学时代并获得诺贝尔奖的故事。此外,也应该介绍中国植物生物学的发展史及植物学研究的重要学者,如胡先骕与水杉的故事、“杂交水稻之父”袁隆平院士发现杂交水稻的故事、中国首位获得诺贝尔生理学或医学奖的屠呦呦与青蒿素的故事等。

(二)植物细胞与组织

由于植物细胞部分主要的概念在高中阶段都已经学过,为了避免学生产生厌学情绪,可将重点放到植物细胞特有的结构和细胞器上,强调动植物细胞的主要区别即可。

植物组织按发育程度可分为分生组织和成熟组织,按细胞组成又可分为简单组织和复合组织。此部分可以结合课堂提问来加深学生的记忆,如:水生植物是通过哪些组织适应水生环境的?韭菜为什么可以割了一茬又一茬?梨的果肉中硌牙的颗粒是什么组织?

(三)植物体的形态结构和发育

种子植物的根、茎、叶等营养器官的形态结构和发育是此部分的学习重点。其中,根和茎的次生生长和次生结构是难点,可利用解剖结构图、动画及实验课等多种手段进行讲解。在根、茎、叶的变态结构部分,可以利用网络资源和最新文献为学生展示多样化的植物器官。如茅膏菜、猪笼草等具有捕虫叶的植物,可以通过捕虫视频展示叶的变态器官特征,给学生具体的印象,加深记忆;通过照片和视频为学生展示“一树一森林”的榕树气生根;引入最新的研究成果来讲解菟丝子的寄生根[4-5],该器官不仅可以通过维管束系统与寄主植物维管组织相融合,从而获得寄主的水分和营养,同时可以在单子叶植物和双子叶植物之间、甚至在蕨类植物和双子叶植物之间传递昆虫取食诱导产生的系统性信号,并且可以增强信号接收植物的防御能力。

(四)植物的繁殖

种子植物的繁殖器官包括花、果实和种子。此部分重难点主要包括被子植物花的形态结构、发育及其生殖过程、种子和果实的形成过程等,涉及的概念及形态学术语较多,容易使学生感到疲劳,因此可适当引入相关的前沿研究,提升课程的先进性和科学性,吸引学生注意力。在生殖过程部分,可引入无融合生殖相关的最新研究结果,介绍2022年由KeyGene、瓦赫宁根大学及研究中心、日本TAKII公司、新西兰植物与食品研究中心及林肯大学等研究机构的科研人员发表在NatureGenetics杂志上的文章,该研究阐述了PAR(孤雌生殖的缩写)基因引起孤雌生殖的分子机制,并成功地证明了PAR基因可以使生菜和向日葵进行孤雌生殖,使无融合生殖在农作物上的应用又向前迈进了一大步[6];在传粉与受精部分,可引入榕小蜂和榕树协同进化的例子[7],解释为什么榕树和传粉小蜂在榕果形态和榕小蜂体型大小上具有形态上的匹配性,以及榕果挥发物气味对榕小蜂的特异性吸引是如何发生的;在种子的休眠部分,可以引入中国古莲和2000年前的犹太枣椰树种子萌发的实验[8]来说明种子寿命及活力的长短与物种及贮藏条件有关,并介绍枣椰树与我国人民喜好食用的红枣在分类学上的差别。

(五)生物多样性、植物的分类及命名、进化和系统发育

此部分包括生物多样性的概念和重要性、植物分类的方法、分类的基本单位和阶层系统、植物双命名法及基本类群、植物类群的进化和系统发育关系等内容,重难点在于植物分类学的方法、植物各大类群的概念和双名法及其意义。

植物的系统发育是指某种、某个类群或整个植物界的形成、发展、进化的全过程,对于本科生来讲较为抽象,但在其他生物学基础课程如进化生物学、生物信息学等也可能会涉及,因此需要对学生进行系统发育的研究内容和研究方法的简单介绍,并引入分子系统学研究的内容和方法。可以利用网络资源(如iPlant植物智、多识植物百科等)为学生解释基于分子证据的被子植物分类系统(APG VI),并介绍中国学者主导的与美国佛罗里达大学、得克萨斯州植物研究所、英国皇家植物园邱园及爱丁堡皇家植物园等国外多所大学及科研机构联合发表的覆盖被子植物433科2024属4660种的“生命之树”[9]。为了加深学生对被子植物分类群的理解,可以介绍被子植物的八大主干分支,包括基部的无油樟目、睡莲目和木兰藤目,以及核心被子植物的五大分支——金粟兰目、木兰类、单子叶植物、金鱼藻目和真双子叶植物的系统发育关系,并简单展示如何读一棵生命之树以及单系类群、并系类群、多系类群、共同祖先、祖征、衍征等基本概念。

(六)植物类群

植物类群主要包括真核藻类、苔藓植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物等类群。此部分主要学习各植物类群的一般特征和代表植物,包含大量的形态学名词,对于学生来说过于抽象,必须结合生活中、校园中的常见植物照片进行讲解。此外,校园植物观察、植物学实验和野外实践课程也是加深学生对此部分内容理解的重要手段。

本课程依托于教育部生物学课程野外实习虚拟教研室郑州大学分室及河南省本科高校大学生校外实践教育基地“郑州大学新农科(生物科学)大学生校外实践教育基地”,为学生提供植物学野外实践平台。野外实习虚拟教研室可以为学生提供室内的VR体验课程,让学生足不出户,了解到河南省的主要植物类群和常见植物。校外实践教育基地位于南阳市西峡县太平镇,由郑州大学和伏牛山国家级自然保护区黄石庵管理局共建。伏牛山是我国北亚热带和暖温带的气候分界线,生物多样性丰富,科学研究和生态价值突出,适合学生了解和学习河南省代表性植物类群。通过两周的野外实践课程,可以加深学生对本地分布植物类群的感性认识和理性认识,进一步加深其对植物类群分类特征的理解和掌握,达到较好的学习效果。

二、结论

“植物生物学”是生命科学类、农学类、园林类相关专业的本科专业基础课程,掌握好该门课程内容,为学生在高年级进行其他专业课程的学习,参加大学生创新创业训练计划项目、全国大学生生命科学竞赛、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛等学科类比赛打下良好的基础。

总之,“植物生物学”是一门既古老又年轻,既传统又在不断发展的基础学科,对其教学内容进行创新与探索,引入前沿的研究结果,不仅能适当提高课程的难度,也能够更好地建设“植物生物学”混合式“金课”,为“双一流”背景下的本科教学提供参考。