在本科生物教学中开设毛白杨组培实验的探索

郑冬超，王甜，解丽芳，樊佳，于颖，林宏辉

（四川大学 生物科学实验教学中心，四川 成都 610065）

在本科生物教学中开设毛白杨组培实验的探索

郑冬超，王甜，解丽芳，樊佳，于颖，林宏辉

（四川大学 生物科学实验教学中心，四川 成都 610065）

针对本科生物教学中开设毛白杨组织培养相关实验，四川大学生物科学实验教学中心进行了一系列的教学研究探索。该文通过优化教学内容、开放式管理、分组活动，增加综合性和设计性实验比例等措施，毛白杨组织培养实验课在小班教学实践中取得了良好的教学效果。实践表明，此实验的开设使学生掌握了植物组织培养技术的基本理论知识和操作技能，增强了学生的学习主动性，培养了其实验设计能力、科研实践能力和自主创新能力。

毛白杨；组织培养；小班化；生物实验教学

植物组织培养是高等院校生物学、农学、林学等专业开设的一门重要的基础实验课，与植物学、植物生理学、生物化学、分子生物学、遗传学、基因工程等学科关系密切，是植物生物技术的基础［1］。植物组织培养技术已在科学研究和生产实践中得到了广泛的应用，可为快速繁殖优良品种、拯救濒危植物、培育转基因植物以及植物体细胞杂交等提供技术支持。

但在教学方面，由于植物组织培养实验内容广泛、实验材料培养周期普遍较长、对无菌操作技术要求高等特点，再加上实验室硬件条件、课程学时等条件的限制，该实验内容在各高校中开设的时间普遍较短，且内容多为验证性实验，不利于学生专业知识的培养和自主创新能力的提高。

为了让学生系统完整的掌握植物组织培养的基本原理和方法，四川大学生物科学实验教学中心对如何在本科生物教学中开设植物组织培养实验进行了一系列的探索，创新性的选择毛白杨作为植物组织培养的实验材料，在生物技术、生物科学专业中选拔出20名对组培技术感兴趣的学生进行了教学实践。指导学生分小组自行设计单因素、多因素交叉实验，研究激素、温度、酸碱度、光周期等外界条件对毛白杨分化培养、伸长培养、生根培养各阶段的影响，并引导其对结果数据进行统计分析，找出适合毛白杨各阶段生长的最佳培养体系。在此过程中教会学生掌握组织培养的基础知识及操作技能，培养其实验设计能力和动手能力，提高其对组培实验的兴趣，进而逐步将本项目及后续工作推广到本科生物实验教学中。毛白杨组织培养实验的开设还可以为后续杨树转基因技术及功能验证等相关实验的展开打下基础，将本科实验教学与科学研究结合起来，具有重要的教学指导及科研应用价值。

1 实验材料的选择依据

通常高校开设植物组织培养实验多采用油菜、马铃薯、烟草等草本植物作为实验材料［2－3］，采用木本植物作为组培材料的很少。杨树（populus spp）是世界上第一个获得全基因组框架信息的树种，其生长周期短，离体操作容易，基因组相对较小，在组织培养和基因转化方面要比其他树种简单，被公认为林木生物学研究的模式树种［4－5］。而毛白杨（populus tomentosa）是我国特有的杨属白杨派树种，广泛分布在我国黄淮海流域多个省市范围内，具有速生、材质优良、纤维长、抗性和适应性强的特点，在林业生产和生态环境建设中占有重要地位。目前有关毛白杨组织培养及其基因工程方面的研究进展迅速［6－7］。因此，选择毛白杨作为组培实验材料，可以有效加快组培实验进程，便于学生掌握组织培养的理论知识和基础操作技能，并且构建起成熟的毛白杨组织培养体系后，还可以为杨树转基因技术及后续的功能验证等研究打下基础，具有重要的教学及科研意义。

2 毛白杨组织培养实验教学平台的构建

为了保证毛白杨组培实验课的顺利开展，四川大学生物科学实验教学中心专门配备了准备室、无菌操作间、植物组培室，并配有超净工作台、人工智能气候培养箱、高压灭菌锅、接种器械灭菌器、分析天平、酸度计等基础设备和实验室常规试剂及器皿，具备完善的实验条件。另外，实验教学中心也专门安排了对杨树组培及转基因研究领域较为熟悉、并有一定实践教学经验的实验指导老师。因此，毛白杨组培实验的教学平台构建已基本完备。

3 毛白杨组织培养实验内容的设置

一般高校课程安排中植物组织培养实验开设课时较短，通常只有8～12个学时，我校根据教学需要将本实验增设到16学时，将教学内容分为以下3个方面进行。

1）植物组织培养知识介绍及基本技能培训（4学时）：给学生讲解植物组培的相关概念、背景知识、国内外发展现状及其广泛的应用价值和前景，并教会学生配置培养基、高压灭菌、无菌接种等组织培养基本操作技能，着重巩固学生的专业理论知识，培养其专业操作技能。

2）毛白杨组培各阶段培养体系构建（9学时）：引导学生分小组自行设计单因素、多因素交叉实验，以毛白杨组培苗的叶片或茎段为材料，对其进行不同激素组合、温度、pH、光周期等多种组培条件处理，找出适合毛白杨分化培养、伸长培养、生根培养各阶段生长的最佳培养体系，在此过程中培养学生实验设计能力和动手能力。

3）实验数据统计与分析处理（3学时）：教会学生组培过程中愈伤组织诱导率、分化率、污染率、褐化率、死亡率等数据结果的概念及统计方法，引导其分析比较不同外界条件对组培效果的影响，从而找出毛白杨组培的最佳培养方案，此过程着重培养学生综合分析能力。

4 毛白杨组织培养实验教学方法的改革与实践

4.1 充分利用现代教学技术手段

由于植物组织培养技术具有步骤繁琐、对无菌操作要求高、用到的仪器设备及试剂多、实验周期长等特点，实验教学的开展较为困难。为提高实验教学质量，除传统的板书教学外，教师还可以使用多媒体教学，充分利用幻灯片、视频等多媒体资料来调动学生的学习热情，激发其学习的积极性，提升教学质量。

另外，四川大学生物科学实验教学中心还专门建立了植物组织培养课程的虚拟教学平台，以虚拟操作实验的形式向学生展示培养基的配制、高压灭菌、无菌接种等过程的具体步骤、方法、注意事项等要点以及毛白杨愈伤组织诱导、分化、伸长、生根等一系列生长历程，使学生对组织培养的整体过程产生直观生动的认识，还可以参照虚拟实验要求来规范自己的操作方法，提高学习的主动性。

4.2 采用开放式的教学方式

由于植物组织培养体系的构建所需实验周期长，且需要持续地对组培材料进行观察和管理，我们采用了开放式教学的方法。学生可以利用自己的“校园一卡通”注册实验室的门禁管理系统，注册后学生可以根据自身情况，自主选择时间刷卡进入实验室进行实验操作，随时观察和管理组培材料。实验教师及研究生助教轮流值班，对学生的实验过程进行监督和管理，对其在操作中的问题及时解答，并指导其采取相应的措施进行处理。这种开放式教学方式给学生提供了大量实践操作的机会，使其积极发挥自己主观能动性，提高了学生的动手能力及分析问题解决问题的能力，也培养了学生的团队合作和责任心意识。

4.3 增加综合性、设计性实验比重

目前，教育改革对高等院校的专业实验教学提出了很多新的要求，要求加大综合性、设计性实验的比例，尽量减少验证性实验［8－9］。在以往的植物组织培养实验中，大多数实验均属验证性实验。一般是课前由实验教师将所需实验物品准备好，课上讲解实验原理、操作步骤及注意事项等知识点，然后学生按照实验指导和教师的要求按部就班地进行。这种验证性实验尽管对学生学习理论基础有所帮助，但不能培养学生的自主能力和创新能力。因此，在毛白杨组织培养实验教学中，我们在保证学生掌握基本理论知识的前提下，大大缩减了验证性实验内容，增加了综合性和设计性实验的比重。以毛白杨组培苗的叶片或茎段为材料，指导学生分小组自行设计单因素、多因素交叉实验，研究激素、温度、pH、光周期等外界条件对毛白杨分化培养、伸长培养、生根培养各阶段的影响，引导其对结果数据进行统计分析，找出适合毛白杨组织培养各阶段的最佳培养体系。通过综合性实验和设计性实验提高实验的连续性，加强学生对整个毛白杨组织培养体系构建流程的认识，锻炼学生查阅文献、收集信息、整理分析数据、归纳总结和分析解决问题的能力，培养学生的科研思维能力和创新意识。

4.4 实施分小组活动的教学模式

植物组织培养实验步骤繁琐、周期长，综合性和设计性实验的比例提升也加大了实验的难度，实验过程往往需要多人合作才能在有限的时间内顺利开展。因此，在实验教学中采取分小组的方式就非常有必要。在毛白杨组培实验的小班教学实践中，我们将学生分为4个小组，鼓励他们自行设计实验方案，分别研究激素、温度、pH、光周期对毛白杨各阶段生长的影响，各小组成员间分工合作，设立不同的梯度条件，每人负责一部分实验内容，最终一起整合实验结果，分析比较得出最适合毛白杨各阶段生长的组培条件。各小组成员间还可以定期组织开展科研思路设计及文献检索途径等的信息交流，进行广泛的讨论，发挥每个人的作用，进行合理的实验分工，实验效果得到了明显提升，也增强了学生的团队意识和协作精神。

5 教学应用推广，实现教学与科研相结合的教学模式

目前，毛白杨组织培养实验课在小班教学实践中开设的效果良好，学生反映积极，对植物组培技术兴趣浓厚，基本实验技能和专业素质都得到了有效提高。因此，本实验教学中心计划将该实验进一步推广，扩大学生数目，进而在本学院的植物学实验课程中开设这一部分实验内容。并且后期还将增设杨树转基因技术等相关实验，这样，将组培技术与分子克隆、遗传转化等相关技术结合起来，可以增强学生对生物学专业知识的系统领悟，为学生以后研究生阶段的学习奠定扎实的基础。

毛白杨组织培养及转基因实验的实施，还可以与生命科学学院的一些科研项目结合起来，我们计划从学院科研实验室挑选出一些具有明显表型和功能特征的植物基因，在本科实验课中进行基因转化。教育部在《全面提高高等教育质量的若干意见》以及关于《进一步加强高校实践育人工作的若干意见》中明确提出促进科研与教学互动，及时把科研成果转化为教学内容，支持本科生参与科研活动，早进课题、早进实验室、早进团队［10］。这样，利用教师的科研平台和成果开设综合性研究型大实验，有利于增强教学的深度，促进教学质量的提高，使学生既能学会基础实验操作，又能初步接触科学研究理念，更好地把握学科方向并加深对专业的了解［11］。同时杨树转基因技术因为周期较长，转化率相对较低，科研实验室普遍存在难以在杨树转基因领域分配充足人力的现状，因此将本科实验教学与科学研究结合起来，不仅实现了本科生物实验教学的目的，还可以为学院的一些科研项目的加快开展做贡献。这样，科研带动教学的发展，教学又为科研打下基础，教学与科研资源相整合，可以促进两者同步发展，更有利于学生的综合实践能力和创新能力的培养。

6 结束语

实验教学是高等教育的重要环节，是培养学生综合应用所学理论知识解决实际问题的重要途径，更是培养学生综合素质和创新能力的重要手段。因此，实验教学在各专业教学中占有极其重要的地位［12］。

四川大学生物科学实验教学中心创新性的采用毛白杨为材料开设植物组织培养综合实验。在教学实践中，实验教师积极更新教学理念，优化教学内容，采取开放式的教学方式，指导学生分小组自行设计实验，对激素、温度、酸碱度、光周期等多种组培条件进行探索，找出适合毛白杨各阶段生长的最佳组织培养体系。目前毛白杨组织培养实验课已在小班教学实践中达到了预期的教学目标，该实验的开设提高了学生对组培技术的兴趣，巩固了其专业理论知识，增强了其学习主动性，培养了其实验设计能力、科研实践和创新思维能力，并且加强了其团队合作意识。我们计划进一步将此实验内容推广到本科生物教学中，后续还将增设杨树转基因技术及功能验证等相关实验，有望将本科实验教学与科学研究结合起来。

［1］徐凌飞，屈锋敏，李春梅.植物组织培养实验课程改革［J］.实验室研究与探索，2004，23（3）：57－58.

［2］龚一富.植物组织培养实验指导［M］.北京：科学出版社，2011.

［3］梁明勤，陈世昌.植物组织培养技术［M］.北京：中国农业大学出版社，2013.

［4］张志毅，林善枝，张谦.中国杨树分子遗传改良的研究现状［J］.中国林学：英文版，2002（2）：1－8.

［5］赵华燕，卢善发，晁瑞堂.杨树的组织培养及其基因工程研究［J］.植物学报，2001，18（2）：169－176.

［6］郭琦，王保垒，王博文，等.毛白杨PtDREB2A基因的克隆、表达及单核苷酸多态性分析［J］.林业科学，2011，47（4）：49－56.

［7］姚娜.不同基因型毛白杨离体再生及细胞悬浮培养的比较研究［D］.北京：北京林业大学，2007.

［8］赵玉巧，钱志刚.生物工程专业实验教学改革探讨［J］.实验科学与技术，2006，4（6）：51－53.

［9］陶春元，喻国贞，曹小华，等.大学化学综合性、设计性实验教学实践与探索［J］.实验技术与管理，2011，28（6）：182－184.

［10］李莉，张英，李占军，等.将克隆猪先进技术应用于本科实验教学中［J］.实验室研究与探索，2014，33（10）：222－224.

［11］彭菲，鲁耀邦，雷思琦.植物细胞工程实验教学与科研的有机结合［J］.实验室研究与探索，2009，28（11）：117－119.

［12］付延玲.对高校实施创新性实验的认识和思考［J］.实验室研究与探索，2008，27（4）：12－15.

Exploration of Setting up the Populus Tomentosa Tissue Culture Experiment in Undergraduate Biology Teaching

ZHENG Dongchao，WANG Tian，XIE Lifang，FAN Jia，YU Ying，LIN Honghui
（Experimental Teaching Center of Biological Sciences，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

In order to set up the populus tomentosa tissue culture experiment in undergraduate biology teaching gradually，a series of researches and explorations were carried out by the experimental teaching center of biological sciences in Sichuan University.Through optimizing the teaching content，taking open management pattern，organizing subgroup activities，and increasing the proportion of comprehensive and designed experiments，the teaching of populus tomentosa tissue culture experiment has achieved good results in smallclass practice.The setup of this experiment urged students to master the basic theories and operating skills of plant tissue culture technology，strengthened students'learning initiatives，and cultivated their abilities of experiment design，scientific practice and independent innovation.

populous tomentosa；tissue culture；small－class；biology experimental teaching

S687

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.041

2015－12－14；修改日期：2016－10－25

四川大学2015年实验技术项目（2015－61）。

郑冬超（1985－），女，博士，实验师，主要从事植物学实验的教学工作。