“园艺植物生物技术”实验教学改革探索*

杨英杰 王然 张玉刚 杨绍兰 侯鸿敏

（青岛农业大学 园艺学院，山东青岛266109）

“园艺植物生物技术”实验教学改革探索*

杨英杰 王然 张玉刚 杨绍兰 侯鸿敏

（青岛农业大学 园艺学院，山东青岛266109）

“园艺植物生物技术”是园艺专业的核心课程之一，其实验教学是该课程的重要组成部分。文章结合近几年的实验教学情况，剖析“园艺植物生物技术”实验教学中存在的问题，并根据园艺学科发展特点及培养目标，改革实验教学授课方式、调整教学内容、完善考核方式，并采取综合性及自主设计实验与科研相结合的模式，为全面贯彻应用型人才培养目标奠定基础。

园艺植物生物技术；实验教学现状；实验教学改革

“园艺植物生物技术”是“植物生物技术”的一个分支，是利用植物组织培养、细胞工程、染色体工程、基因工程、分子标记及生物信息学等现代生物技术，在个体、细胞、分子水平上研究、评价和改造园艺植物遗传特性的有关理论和技术的一门课程［1］，它广泛涉及到植物学、植物生理学、普通生物化学、普通遗传学、分子生物学、园艺学等学科，是园艺专业的核心课程之一。“园艺植物生物技术”具有较强的理论性及应用性，因此在充足的课堂理论教学基础上，实验教学是该课程的重要组成部分，不仅可以提高理论教学效果，还可以培养学生的动手操作能力、创新能力和综合应用能力［2］，使学生具备用生物技术手段在生产中培育高效、优质、高产园艺植物的能力，以及在相关科研机构、高校及企事业单位从事与园艺植物相关的研究能力，对全面贯彻应用型人才培养目标具有重要意义。

一、“园艺植物生物技术”实验教学现状

“园艺植物生物技术”实验教学是针对课程相关技术而设计安排的实验课程，内容涉及园艺植物组织培养、细胞工程、分子标记以及基因工程等几个模块，而每个模块又涉及较多基本实验技能。在多年的教学实践中发现，“园艺植物生物技术”的实验课程设置还存在一些与现代应用型人才培养不相适应的问题，主要有以下几个方面：

（一）重理论、轻实验现象严重，实验教学时数偏少

“园艺植物生物技术”理论教学内容较抽象难懂，操作性、应用性较强，因此实验教学拥有其自身的特点和教学规律，具有理论教学不可替代的作用。只有通过系统全面的实验操作，才能加深对理论知识的理解，更好地利用理论知识指导实践。但在传统的教学体系中，该课程经常以理论教学为中心，而忽视了实验教学。这种观念导致重理论、轻实验的现象长期存在，实验教学得不到应有的重视，教学时数偏少。

以青岛农业大学“园艺植物生物技术”课程为例，实验教学16学时。如果要系统地完成“园艺植物生物技术”的任何一个实验模块，均存在实验学时数少、周期短的问题。如组织培养实验模块包括培养基制备、外植体的初代培养、继代培养、生根培养、愈伤组织诱导、体胚诱导、不定芽诱导等实验内容。由于学时数限制，只能选择几个实验进行体验，导致学生很难全面地观察到细胞在离体培养过程中的分化现象。而基因工程实验模块内容更多，包括基因分离、载体构建、核酸提取、遗传转化、转基因植株鉴定等内容，加之某些实验本身的特殊性，如载体构建需要3-4天的的实验周期，遗传转化更是一个长期的实验过程。因此在实际的实验教学中仅仅安排一些最基本的基础性实验，如PCR技术、质粒提取技术、感受态制备、酶切等，只能让学生简单地碎片化接触相关实验内容，无法系统地整体了解和掌握园艺植物生物技术，更不用说将生物技术应用于生产或研究了。

（二）实验教学方式不完善，无法激起学生的操作兴趣

在传统的“园艺植物生物技术”实验教学中，往往是一些基础性、验证性实验。教师确定了实验原理与目的、实验步骤、实验条件，学生不需要过多地进行思考和分析，只要按部就班地进行操作，就可以得到实验结果。不可否认，验证性实验确实对理论知识的深入理解是有重要意义。但在“园艺植物生物技术”这类技术性较强的课程中，如果只是引入一些验证性实验，将束缚学生的创新思想、积极性和主动性，使学生得不到应有的能力训练，更无法激起学生的动手操作兴趣，失去了实验教学的本来作用。如外植体愈伤组织诱导试验中，经常由教师给出最适愈伤组织诱导的激素种类及浓度配比，并未让学生独立思考何种激素及其浓度范围、培养过程中如何设置光照、温度等培养条件等可能会诱导出大量疏松的愈伤组织。所以学完这门课程，许多同学感到理论与技术脱节，无法较好地将所学知识应用于实际操作中。

（三）实验内容设置滞后，远远落后于生物技术的发展

“园艺植物生物技术”大部分内容依托分子生物学、植物生理学、普通生物化学等学科。目前相关科学研究发展迅速、各种研究成果层出不穷。特别是随着分子生物学的发展，基因工程、分子标记等技术手段也越来越多地应用于园艺植物育种及相关研究中。用人单位对人才需求的观念也发生了变化，越来越多地需求实际动手能力和实验操作能力较强的应用型创新人才。实验教学是培养操作能力不可或缺的重要环节。但目前“园艺植物生物技术”实验内容仅仅局限于一些最基本的实验内容和方法，远远落后于现代科学的发展要求。如基因编辑技术发展迅速，通过此技术，已成功实现在植物基因组上对目标基因进行删除或替换，在植物遗传改良等领域具有广阔的应用空间［2］。但目前“园艺植物生物技术”实验课程中连基本的遗传转化载体构建实验都很难引入，更不用提基因编辑技术了。另外，生物信息学也随着生命科学和计算机科学的迅猛发展应运而生，越来越多的大数据与生物信息可以帮助生物工作者缩短工作周期。但目前“园艺植物生物技术”教学中只能在课堂中进行相关内容的讲解，由于缺乏上机实验等相关操作，学生对生物信息学只停留在了解的层面，不能深入、全面的理解，更谈不上对生物信息学的整合及在园艺作物中的应用。

（四）教学实验经费与仪器设备不足，严重限制实验教学的进行

“园艺植物生物技术”实验教学对实验场地、仪器以及相关试剂耗材要求较高。如植物组织培养系列实验要求配备准备室、操作室、组织培养室，准备室；仪器设备要求配备灭菌锅、PH计、天平、烘箱、超净工作台、组织培养架、空调等仪器；而针对于基因工程、细胞工程系列实验而言，所需仪器更多，如离心机、培养箱、摇床、PCR仪、电泳仪、凝胶成像系统、移液器、电转仪、分光光度计等。另外，基因工程、细胞工程除了对设备要求之外，实验过程中所用到的相关试剂耗材价格较高，如酶类、RNA提取、反转录、PCR相关试剂等。“园艺植物生物技术”实验成本的特殊性导致本科实验教学经费无力配备条件充足的生物技术实验室。以青岛农业大学为例，本科教学实验室虽已基本具备组织培养操作的所有实验条件，但超净工作台数量有限，每次实验课需要10人左右的小组轮流共用一台超净工作台，既限制了实验进度，也在一定程度上影响实验效果，外植体的污染率明显提高，而超净台公用的现象也使部分同学只看不做，减少了实际操作的机会。另外，基因工程及细胞工程操作的实验条件更是有限，严重限制了基因工程以及细胞工程等相关实验的进行，也就谈不上应用型人才的培养了。

（五）相关课程实验内容重叠现象严重

在日常的教学中，相关课程会有序地衔接，但也经常会出现理论或实验内容重叠的现象。如在青岛农业大学，“园艺植物生物技术”于第六学期开课，而“园艺植物育种原理”于第五学期开课，在“园艺植物育种原理”实验教学中有分子标记相关实验，而“园艺植物生物技术”实验教学中又安排了分子标记相关实验，这种实验内容重叠现象并不少见，在教学中既浪费资源与时间，又会导致学生对实验失去兴趣。

（六）考核方式不合理，学生在学习过程中态度松散

在传统的教学中，实验课程成绩所占比重较少，一般只有20％。因此很多学生认为实验课成绩对自身总成绩影响不大，不重视实验课程的学习。另外实验课成绩主要取决于实验报告，而验证性实验内容导致实验报告千篇一律，无法从实验报告中判定学生实验操作是否合理，是否认真完成，以及是否取得了很不错的实验结果。这种不合理的考核方式导致许多学生对实验课程采取只看不做的方式，实验报告互相抄袭现象也极为严重。

二、“园艺植物生物技术”实验教学的改进措施

针对“园艺植物生物技术”实验教学中存在的一系列问题，我们提出以下改进措施并在日常的实验教学中进行实施，取得了不错的教学效果。

（一）确立实验教学的重要地位

实验教学不仅可以验证课上讲解的理论知识，加强学生对理论知识的理解，而且还可以培养学生应用理论知识分析解决实际问题和进行创新设计的能力，同时也有利于培养学生实事求是的科学态度和探索进取的敬业精神。在现代高等教育中，学生不仅需要坚实的理论基础，也需要较强的动手操作能力，更需要随之培养起的思考问题、解决问题的能力，这就需要提高实验教学地位。近年来，我校在对实验教学内容进行改革的基础上，整合建立各门课程实验教学体系，形成了相对独立于理论教学的实验教学体系。这样可以保证实验教学在整个教学体系中与理论教学具有同等地位，从而可以充分发挥其在培养学生创新精神和实验技能方面的重要作用。

（二）调整教师与学生在实验教学中的角色

在传统的实验教学中，以教师为中心，教师包揽了实验中的绝大部分的工作，非常不利于学生积极性与创造性的发挥。根据学生实践动手能力培养的需要，教师必须进行实验教学中的角色转换，主要确定实验目标和要求，指导学生制定实验方案，帮助学生分析实验过程中出现的错误，纠正不当操作，使学生能够较好地利用现有实验条件独立完成整个实验，甚至是指导学生根据社会生产实际来提出实验课题并完成实验方案。同时对于开放性实验室中的实验指导教师，还需要对学生进行实验室章程，实验室安全规范，实验仪器相关操作方法等的讲解与培训。

学生是实验项目的最终完成者，应该是实验方案的设计者与操作者。为了提高学生实验的主动性，改变实验教学方式，在实验指导中删除实验步骤，只列出实验目的、实验原理和基本实验条件。学生为了完成实验项目，就必须自己设计实验方案，进行实验准备、完成实验操作、分析实验结果。在充分参与实验的整个过程中，学生不仅要动手，而且更需要深入思考，认真设计，特别在实验过程中要及时进行分析与整理、推理与判断、归纳与演绎，才能避免实验中的错误操作，正确评价实验结果，最终实现实验目的。

表1　园艺植物生物技术综合性实验

（三）整合与其他课程的重复性基础实验内容，增加综合性实验及自主设计实验

为了避免时间及资源的浪费，针对“园艺植物生物技术”相关课程实验内容重叠现象，将与其他课程的重叠性实验内容进行整合，剔除重复。同时为了进一步强化实验教学中学生的主体地位，加强对学生的基本生物技术和技能的训练，培养学生的科学思维能力和综合分析能力，并适应生物技术人才培养的要求，在掌握理论知识、完成基本实验技术与技能训练的前提下，适当添加综合性实验及自主设计实验。

近年来，开设综合性及设计性实验已成为各高校培养学生创新能力和优良素质的有力手段［3-5］。在综合性实验中，主要针对植物组织培养、细胞工程、基因工程等内容进行系统连贯地学习，为自主性设计实验奠定基础。表1列出了综合性实验安排。在自主设计实验中，由教师提出需要解决的实验目的，学生将自己掌握的理论知识及相关实验技术融会贯通地用到实际课题中去，更加突显实验课程的技能性、整体性、探索性、先进性、交叉性和连贯性。在自主设计实验中，学生的选题可以结合教师的科研项目，也可以结合大学生自主创新实验的选题。通过学生的选题、方案设计到实验方案的实施和结果的分析论证，既是对学生系统知识理论转化为能力培养的一种检验，又提高了他们的科研能力和创新意识，为部分学生的考研及研究生生活打下坚实基础。当然，自主设计实验一般作为“园艺植物生物技术”及相关课程开课后的选修课程，或者是参与大学生自主创新项目，所修学分计入创新学分内容。

（四）多种考核方式相结合

实验课程不再只占此门课程成绩的一部分，而是单独考评。成绩由平时成绩和期末成绩组成。平时成绩包括出勤、平日实验操作、实验报告等。期末成绩一般包括卷面理论考试和实验技能检测。该课程虽然为纯实践性课程，但卷面考核是为了考核学生对基本实验背景知识及实验原理的理解和掌握情况，而实验技能检测主要以随机抽选实验项目的形式单人逐个进行，最后教师点评打分。同时改革传统的实验报告格式，要求学生以综合性实验为依据，将所有实验内容汇总为一篇科技小论文，其写作应符合科技论文写作规范，同时注重思路的清晰以及结果分析与讨论部分的合理性。所以该课程最终成绩总评分别由以上几部分成绩按比例共同构成，平时成绩占40％，其中实验报告占20％，实验记录与平日实验操作各占10％；期末成绩占60％，其中卷面理论考试占30％，实验技能检测占30％。通过考核方式的改革，学生能对实验内容中各单元操作的意义与相互之间的关系有更深入的了解，更容易掌握理论以及实验教学内容，并能激发学生的学习兴趣。

（五）引入生物信息学上级实验及模拟性实验内容

生物信息学是生命科学和计算机科学的交叉学科，是“园艺植物生物技术”课程中的重要环节，在很大程度上可以帮助基因工程中相关实验的顺利实施。但在日常的教学中，一些生物信息学数据库、相关软件等的应用实践非常少，限制了生物信息学的应用。在本课程的实验教学中，我们引入了“利用数据库查找核酸序列、设计引物并识别载体基本信息”实验（表1），在这个实验中，让学生利用相关数据库查找需要的核酸序列及有用信息，利用相关软件进行序列比对分析，引物设计等，帮助学生深入、全面地了解生物信息学，并通过后续实验将生物信息学整合到生物技术中，增强其在园艺作物中的应用。

同时，针对一些因仪器、经费、学时以及教学条件等限制，实验室无法开设但又比较重要的实验，如基因芯片、DNA测序甚至于高通量测序等技术，我们引入多媒体进行视频教学。在一些需要等待的实验间隙，播放与当次实验相关的视频模拟实验内容（见表1），既解决了等待时间，又能够对相似实验进行平行介绍，使学生对生物技术的掌握更加系统。多媒体实验课件源自网络或由教师选取自身科研项目，引入一些实验过程中学生自己操作很难观测到的实验，既让学生掌握了知识、拓展了知识面，也激发了学生的学习兴趣。

（六）利用科研平台发展本科教育

生物技术实验确实需要大量的相关实验设备，短期内不可能达到一个较高的配备水平。而学院科研平台设备齐全，完全可以资源共享，做到实验平台开放、实验仪器开放，为学生相关实验的进行提供便利条件。当然，实验室章程，实验室安全规范，实验仪器相关操作方法等的培训是必不可少的。利用科研平台发展本科教育的概念主要应用于综合性实验和自主设计实验。自主设计实验可以以授课教师相关课题为选题，这样可以保证选题的先进性，也可以在经费及仪器设备方面得到最大化的利用，学生可以在生物技术相关科研最前线得到锻炼。利用科研平台鼓励自主设计实验、发展本科教育的理念有利于培养学生的创新精神和能力，也可以解决本科教学经费不足、仪器设备不足的难题［6］。同时本科生自主实验设计也可以帮助导师完成部分实验项目，做到科研教育两促进。

三、结束语

“园艺植物生物技术”是一门应用性很强的学科，且此门课程涉及的生物技术依托分子生物学等内容，发展迅速。在完成实验教学改革的基础上，如何紧紧跟随生物技术的迅猛发展并将之引入教学，培养现代应用型人才是我们面临的另外一个挑战。这就要求授课教师要时刻关注相关科研最前沿，利用学校给出的教育平台，融合新技术、新进展，随时改革，随时创新，为应用型人才培养目标的实现添砖加瓦。

［1］巩振辉.园艺植物生物技术［M］.科学出版社，2008.

［2］赵欣，胡军.CRISPR/Cas基因编辑系统及其在植物中的研究进展［J］.生物科学，2015，27（1）：64-70.

［3］华智锐，李小玲.生物技术综合大实验教学改革初探［J］.实验科学与技术，2011，9（4）：90-92.

［4］彭安，向本琼，张根发，等.大学生物开放性和设计性实验教学探讨［J］.中国大学教学，2007（3）：53-55.

［5］刘石泉，龙立平，雷存喜，等.生物技术自主设计性实验教学模式研究［J］.现代农业科学，2008，15（7）：99-101.

［6］于兵川，吴洪特.实验教学与科研有机结合，培养学生创新意识和能力［J］.实验室研究与探索，2010，29（2）：76-78.

"Biotechnology of Horticultural Plant"is one of the core course of horticultural subject，of which，the experimental teaching is an important part.Combined with the recent situation in experimental teaching，we analyzed the problems existing in the experimental teaching of"Biotechnology of Horticultural Plant".At the same time，according to the characteristics of horticultural subject development and educational objectives，we reformed teaching method，adjusted course content，improved examination way，and adopted the new model to make comprehensive experiment or independently designed experiment combined with scientific research in the experimental teaching.These reforms lay a foundation for the achievement of the applied talents educational objectives.

Biotechnology of horticultural plant；current situation；experiment teaching reform

G642

A

2096-000X（2016）22-0073-04

应用型人才培养特色名校建设工程教学研究项目“兴趣主导、项目驱动模式下的《园艺产品贮藏运销学》教学模式探索”；青岛农业大学园艺植物生物技术校级精品课程建设

杨英杰（1984-），女，博士，副教授，主要研究方向：果树育种。