新农科背景下分子生物学实验教学改革探索

2024-02-20单晓辉席景会赵磊张明哲丁雪梅原亚萍

高教学刊 2024年5期

单晓辉席景会赵磊张明哲丁雪梅原亚萍

摘要：以分子生物学为主要内容的现代生物技术已被纳入到新农科的知识范畴。简单借鉴综合性大学的分子生物学实验课教学方案，已不能完全符合新农科建设的需求。该文详细分析影响涉农专业分子生物学实验课程教学效果的主要问题，并提出切合新农科建设思路，融合翻转课堂、PBL（Problem-based Learning）、OBE（Outcomes-based Education）等教学模式的多元教学解决方案。针对传统农科人才培养中重视实际操作，但总结和表述能力培养相对不足的实际，设立以”做得好、写得好、讲得好”为评价教学效果的新标准。初步实践表明，该方案的实施能提高学生参与实验课程的主动性，在教授学生实验操作技能的同时，培养学生的创新精神和团结协作精神。在全面培养新农科学生综合实验能力和科学素质方向上，做出有益的探索。

关键词：新农科；分子生物学实验；教学实践；综合实验能力；教学质量

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）05-0128-04

Abstract： Biotechnology， represented by molecular biology， has been incorporated into the knowledge of the new agricultural science. The teaching scheme of Molecular Biology Experiment courses simply adapted from comprehensive universities can no longer fully match the needs of the construction of new agricultural science. In this paper， the main problems affecting the effects of teaching Molecular Biology Experiment courses are analyzed in detail， and a multifaceted teaching solution is proposed which is in line with the construction of the new agricultural science and integrates Flipped Class Model， PBL （Problem-based Learning） and OBE （Outcomes-based Education）. In response to the fact that the training of traditional agricultural talents emphasizes practical operations， but the development of summarizing and presentation skills is relatively inadequate， a new standard has been established to evaluate the teaching performance by "doing well， writing well and speaking well". Preliminary practices have shown that the implementation of this system has increased the initiative of students to participate in the experiment course， and has taught them experimental skills while developing the spirit of innovation and teamwork. It has made a useful exploration in the direction of cultivating comprehensive experimental ability and scientific quality of students in the new agricultural science.

Keywords： new agricultural science; Molecular Biology Experiment; teaching practice; experiment capacity ability; teaching quality

分子生物學是一门从分子水平上探究与认知生命现象的学科，具有外延广、更新快、实验性强等特点。分子生物学实验技术已被广泛应用于现代农林专业的相关研究领域，并发挥着举足轻重的作用。2019年，全国涉农高校联合发布的《安吉共识——中国新农科建设宣言》指出要将生物技术纳入“新农科”的知识范畴[1-3]。2022年初，中国科学院院士种康在接受《瞭望》新闻周刊专访时，指出“生物育种是打好种业翻身仗的重要武器”。这里所说的“生物育种”就是综合运用转基因、基因组编辑、分子标记辅助选择等各类分子生物学技术的育种实践。结合教育部就教学改革提出的“强化基础、增强能力、提高素质”的指导思想[4]。我们应根据涉农专业分子生物学实验教学中存在的具体问题，借鉴国内各高校在运用翻转课堂、PBL（Problem-Based Learning）、OBE（Outcomes-Based Education）等教学模式取得的成功经验[3，5-14]，建立一套立足于本单位实际情况，符合新农科培养需求的分子生物学技术实验课程体系，全面注重对学生综合实验能力和素质的培养。让新农科学生了解和掌握分子生物学实验技术，不但是实现“生物育种”的关键，而且也是打好“种业翻身仗”和解决种业“卡脖子”问题的不可或缺的武器。新农科学生既要具有“提出问题、分析问题和解决问题”的科研能力，又要具备“面向公众推介研究成果”的推广能力，能够做到“做得好、写得好、讲得好”。通过新农科分子生物学实验教学体系的改革，助力培养服务于农业科技创新的复合型人才。

一分子生物学实验课程教学现状

（一）符合新农科建设的教学方案尚不成熟

目前，新农科的分子生物学教学多是借鉴或秉承综合性大学生命科学方向的教学方案。不但理论课程中所讲述的内容普遍抽象，而且相关的实验也很难展示出与植物学、动物学或微生物学实验中呈现的细胞、组织、器官等直观的、具体的、实物化的实验结果。这一情况直接会导致学生的参与热情降低。而且本科阶段，大多数院校设立的分子生物学实验内容与新农科的理念也没有紧密联系，往往只是提取DNA、PCR、凝胶电泳检测等基础内容，不但与“生物育种”“分子设计育种”等农业科学领域的热门概念没有形成直接关联，也与理论课中介绍的转录、翻译、表达调控等内容相去甚远。学生所学的理论难以通过实验课与新农科建立有机的联系。这会进一步影响学生的参与热情和课堂的教学效果。

（二）实验条件严重制约实验教学质量

在分子生物学实验教学过程中，实验条件也是影响教学质量的一个关键因素。大多数涉及新农科建设的院系，均存在用于公共实验教学的分子生物学专业实验仪器种类和数量少的实际问题，造成能够开设的实验内容有限；又由于学校能够提供的实验经费和实验场地不足，很多实验只能设置成观摩实验。学生接触的实验内容，无法与日新月异的分子生物学实验技术发展相匹配，导致学生无法形成通过设计实验去解决“品种改良”“种质鉴定”“基因发掘”等农业领域实际问题的能力。即使有了实验设计的“思想火花”，由于条件限制无法实践，也只能放弃。这都会严重影响学生的参与热情。实验教学的不足，直接导致很多本科生进入研究生阶段后，尽管具备了一定的理论基础，但是仍无法设计实验，只能接受导师安排，成为高级劳动力，沒有自己对课题的想法和规划，这也背离了新农科人才培养的初衷。

（三）考核方式单一不利于培养全面型人才

分子生物学实验教学的目的是以提高实验动手能力为基础，巩固和延伸理论知识，培养学生的创新意识。而新农科背景下，学生通过完成实验课应该对其实验内容和实验结果“想得明、做得好、写得清、讲得透”。但目前实验课的考核形式并未随着教学要求的提高而改变，实验报告仍是用来评价学生是否掌握此项实验技能的主要方式，但实验报告既无法系统地反映学生的动手能力，也无法体现学生在实验设计、结果分析和应对突发问题的处置能力，更无法激发学生的学习热情，不利于培养全面型新农科人才，亟待改进和完善。

二分子生物学实验课程教学探索

（一）明确课程教学目标——助力培养综合科研素质

培养符合新农科建设需求的具有综合科研素质的人才，明确课程的教学目标是根本。目前，以分子生物学实验技术为核心的生物技术正深刻地改变着全球农产品生产格局。近年来，全球范围内生物育种技术不断取得重大突破，世界种业进入到育种“4.0时代”，正迎来以全基因组选择、基因编辑、合成生物及人工智能等技术融合发展为标志的新一轮科技革命。我国也在全面实施种业振兴行动方案，启动农业生物育种重大项目。分子生物学实验课程作为分子生物学课程重要的组成部分，服务于新农科建设就应该以符合农业领域发展为目标，重视农业生产中的实际问题，以分子生物学实验教学为着手点，培养“善提问、爱思考、敢创新、能动手、会总结”的新农科复合型人才，为新农科建设助力。

（二）优化课程体系——具体问题导向的模块化实验

模块化是目前优化分子生物学实验教学课程体系中较多选用的方案[8，15]。模块化能够将分子生物学中较为零散的实验技术整合成几个主题模式，虽然很大程度上实现了化零为整，但各模块之间仍缺少密切的联系，重技术轻科学的问题依然存在。

有鉴于此，我们在优化分子生物学实验教学课程体系的过程中，探索性地采用了与农业生产实际问题相结合的方式，开展了以具体问题为导向的实验模式。例如“生物育种材料的分子检测”实验，我们就将核酸提取、蛋白提取、各类PCR、凝胶电泳和分子杂交等相关实验技术进行了有机整合。不但教授了具体实验技术，而且也将具体技术在解决实际问题中所发挥的作用进行了直观展示。学生不但学习了技术，也学会了如何应用相应技术解决国家转基因生物安全管理规定中对申请“中间试验”“环境释放”“生产性试验”提出的实际问题，还能切实服务于种业创新，实现了既授之以“鱼”又授之以“渔”的效果。

（三）改进教学方法——探索多元教学模式

在优化课程体系的情况下，整体的实验教学方法也要进行相应的改进。借鉴已有的翻转课堂、PBL（Problem-Based Learning）、OBE（Outcomes-Based Education）等教学模式取得的成功经验[5-12]，综合运用，合理组合，因地制宜地改进教学方法。

首先，教师根据课程内容及本学院各研究方向所涉及的分子生物学研究内容，商讨制定出一批与新农科发展密切相关、特色鲜明、针对性强的实际问题。问题与科研相一致，更容易激发学生参与的热情。学生则以分组的方式，组队挑选一个问题，查阅资料、商讨方案、制定计划，并在课堂上进行展示讲解。由同学和教师进行评价和讨论，再进行修正，形成最终的实验方案。经过这一系列实验前的教学活动，能有效地激发学生的学习积极性，有助于帮助学生建立严谨的科学思维方式，并提高其综合表达能力。通过相互评价还有助于培养学生的批判精神和相互协作精神。

具体的实验室教学阶段，由于实验内容源于具体的科研问题，任课教师可以邀请相关项目组的科研人员在实验过程现场指导，并结合自身科研经历为学生讲解实验中需要注意的操作要点，以及如何分析实验中遇到的具体问题，同时提供意见建议。学生通过参与实验，能够真切地体验到理论与实际相结合。又由于整个实验模块各个小实验之间紧密关联、相辅相成，学生必须认真学习掌握每一项实验技术，成功完成具体实验，才能实现整个实验模块的研究目标。这又无形中增强了学生的参与意识与责任心，还有助于培养学生的团队协作精神。

另外，这种教学模式为承担科研项目的教师和有意愿参与科研项目的本科生搭建了交流平台。学生能够了解到具体的科研项目，而相关教师则能通过参与实验教学了解不同学生的实验能力。这为今后学生选择科研方向和教师选择理想的研究生都提供了便利。相关课题组的参与也在一定程度上解决了分子生物学实验课教师资源、试剂耗材、仪器设备和实验场地等条件短缺的实际问题。这也是借鉴相关科研反哺教学模式的成功经验[16-17]，在分子生物学实验课程上的一次有益尝试。这种多元教学模式的运用，较好地体现了“教”“学”互长、“教”“学”互促的理念。

再以“生物育种材料的分子检测”为例。由于生物育种是我国种业振兴计划的重要组成部分，是我国农业发展的一个战略方向，选择此实验的学生格外积极踊跃。学生通过前期查阅资料，了解到“生物育种”包括转基因、基因编辑、分子标记辅助选择和诱变等多种育种手段，根据课程的课时量很难完成一个生物育种材料的全部鉴定。因此，学生积极与本学院从事相关研究的课题组进行了沟通，达成了合作意向。由相关课题组提供待测植物材料和部分试剂，并辅助指导学生的实验操作；而学生在学习相关实验技术的基础上，帮助课题组完成相关分子检测的部分工作。在此过程中充分调动和发挥了学生的参与积极性和主观能动性，在了解到相关课题组“生物育种”材料分子检测工作人手不足的情况后，通过沟通既实现了学习分子生物学技术，又帮助课题组解决了检测人员不足的实际问题。学生还通过参与“生物育种材料的分子检测”工作，了解了我国对转基因生物的安全管理办法，知晓了“中间试验”“环境释放”“生产性试验”等不同管理阶段对转基因材料分子检测的要求。在商讨实验方案的过程中，学生还积极讨论了是否可以利用“全基因组测序”代替“Southern Blot”证实目的片段整合入受体基因组；比较了“荧光定量PCR”和“Northern Blot”两种技术在检测目的基因表达水平时各自的优缺点。通过实验课的拓展，实现了理论与实践的结合。学生的实验结果也成为了佐证材料，为相关课题组申请转基因材料的“中间试验”和“环境释放”提供了必要的数据支撑，一组实验课达到了“一举多得”的效果。

（四）建立科学的课程考核方法

通过对实验报告考核方式的补充和完善，达到综合评价教学效果的目的。传统的实验报告多为“实验题目”“实验目的”“实验原理”“实验步骤”“实验结果”几部分组成。通过改进，增设了“结果讨论”部分。在这一部分要求学生对具体实验结果反映的科学问题进行分析和说明。如果遇到与预期不同的结果，则要分析出现此类问题的具体原因，制定解决方案。除了书面的“实验报告”还要进行口头的“实验报告”，即“实验结果展示”。让学生在规定的时间内，用幻灯片等多媒体方式全面展示和介绍实验过程和实验结果。书面表达与口头表达相结合的考核评价，对提高学生综合能力，特别是补强传统农科人才培养时对表述能力重视不足的短板，实现培养“做得好、写得好、讲得好”的新农科复合型人才有实际意义。

总结实验课的具体评价内容：①实验设计与计划共15分，具体包括文献阅读5分，计划书10分；②实验技能共30分，具体包括实际操作能力20分，团队协作能力10分；③实验报告共40分，具体包括实验结果与讨论30分，书面报告规范性10分；④实验成果展示共15分，具体包括多媒体展示10分，语言表达5分。

三结束语

以分子生物学为代表的生物技术已被纳入新农科的知识范畴，这是我国旨在全面提升农业科研水平的重要举措。对分子生物学实验教学进行符合新农科人才培养要求的教学改革，也成为了新时期相关任课教师的新任务[1，18-20]。吉林大学植物科学学院在分子生物学实验教学中借鉴多种教学模型的成功经验，大胆探索尝试，告别了生命科学类人才培养中的分子生物学实验课教学范式。从解决农业领域实际问题出发，以“做得好、写得好、讲得好”作为评价教学效果的新标准。在全面培养新农科学生综合实验能力和科学素质方向上，做出了有益的探索。

打好种业翻身仗是农业领域对提高综合国力的重要战略支撑，而以分子生物学为技术核心的“生物育种”则是打好种业翻身仗的重要组成部分。新农科建设中，通过分子生物学实验课程教学培养学生的创新能力和解决实际问题的综合能力，既符合新农科实验教学体系改革的实际需求，又为我国农业发展培养科技创新复合型后备人才进行了有益的探索。

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