扬州大学牧草生物技术课程教学改革探索

张 兵，王小山，严学兵，刘大林，魏臻武

（扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州225009）

在人才培养、引领国际科技前沿以及重大科技成果产出等方面满足新时代国家发展的战略需求是我国高校教学科研工作的首要任务。积极加强以立德树人为根本，以国家粮食安全、食品安全、生态安全和区域协调发展为使命，多学科交叉融合的“新农科”建设，是涉农高校教学科研改革与发展的重要目标[1]。牧草生物技术不仅是草业科学专业重要的专业课程，也是草业科学与生命科学紧密结合的交叉学科研究前沿。在“新农科”教育改革背景下对牧草生物技术课程教学进行深化改革，不仅是草业科学专业适应新时代国家战略培养高素质宽视野草业人才的紧迫需求，也是建设草业科学与生命科学交叉融合新兴学科的重要举措。

1 课程概况及教学特点

扬州大学动物科学与技术学院草业科学本科专业自2009年设立以来，围绕我国南方地区草业发展的产业需求，依托扬州大学农学、畜牧学、生物学相关学科的优势资源，制订了具有南方特色的草业科学本科专业人才培养方案，将牧草生物技术课程设置为草业科学本科专业的专业必修课之一[2-3]。该课程的教学目标是使学生掌握现代生物技术的基本概念、基本原理和基本操作技术，了解并熟悉现代生物技术在牧草和草坪草育种领域的实际应用，为学生牧草和草坪草育种学习及从事该领域科研、创业和实践工作奠定基础。课程教学遵循“以学生为中心”的教育理念，充分尊重学生的主体地位，调动学生学习的主动性和积极性，目标是通过课程教学培养学生创新思维、综合分析和解决实际问题的能力。作为全校公选课，该课程不仅面向草业科学专业学生，每年也吸引了来自农学院、生命科学学院、园艺与植保学院等学院的数十名学生听课学习。

2 课程教学存在的问题

2.1 教学内容繁杂，课时安排不足

牧草生物技术是草业科学专业一门重要的专业课程。该课程的主要内容包括植物细胞工程、植物组织培养、植物基因工程、转基因植物、牧草研究与育种中生物技术的应用、分子标记以及基因组学等[4-6]。相比草业科学其他主干课程如牧草育种学、牧草栽培学等课程，牧草生物技术课程所涵盖的知识点多且杂[7-9]。另一方面，由于草业科学人才培养计划的限定，学生缺乏细胞生物学和分子生物学等相关课程的基础，在课程讲授时为了让学生能够理解和掌握植物细胞工程、基因工程和分子标记的原理，需额外花费时间介绍相关背景知识[10]。在内容繁杂且讲授困难的情况下，目前整个牧草生物技术课程包括实验教学环节仅设定48个学时，存在课时安排不足的缺陷。

2.2 参考教材陈旧，内容衔接不够

目前，国内牧草生物技术课程通用教材为2011年出版的，由郭振飞教授主编的国家普通高等教育“十二五”精品课程建设教材《牧草生物技术》[4]。该教材由国内各个高校从事牧草生物技术教学与研究的多位专家集思广益合力编写，系统地介绍了植物细胞工程与基因工程的理论与技术，同时也融合了生物技术在牧草研究与育种中的应用，是一本理论联系实际的优秀教材。然而，随着近十年来生命科学的快速发展，生物技术领域新概念新技术的不断涌现，这本教材已不能很好地反映生物技术的最新内容与知识。在使用该教材进行教学的同时还发现许多内容存在衔接不够、相互脱节的现象。例如植物细胞工程是植物基因工程和遗传转化的基础，但是该教材在第8章叙述植物遗传转化相关内容时并没有与第1到第4章植物组织培养和细胞工程的内容进行有机衔接。第11到13章专门阐述基因工程在牧草育种中的应用，但是与之密切关联的细胞工程相关技术的应用却并未详细介绍。

2.3 理论讲授过多，实验操作匮乏

顾名思义，牧草生物技术是一门偏向技术应用的课程。然而，和其他草业科学主干课程类似，该课程大量的概念、知识点和原理均通过讲授的方式传递给学生，因此48个课时的课程共设置了36个课时为理论教学部分，仅安排了12个课时为实验课程。12个课时的实验课程编排了“植物组织培养无菌操作”、“植物基因组DNA提取”、“SSR分子标记PCR与目的DNA扩增片段电泳检测”共3次实验，预期目标是让学生理解植物组织培养的过程，掌握植物基因克隆的步骤和方法，了解分子标记的概念和应用[11]。然而，教学过程中发现，学生动手能力普遍较差，少数动手能力较强的学生也仅按照实验步骤说明按部就班的操作，并没有探究实验原理与技术细节，因此也没有达到通过实验教学加深概念理解进而锻炼其科研能力的预期目标。

2.4 课程教学枯燥，师生互动不够

现行的牧草生物技术教学过程采用传统的教学模式即教师讲授传递知识给学生的方式进行，学生通过接受式学习模式来掌握教学大纲要求的各种概念和知识点[12]。在考试为主的考核模式下，学生会重点学习记忆重要的基础概念而忽视教师在讲解这些概念过程中介绍的科学发现历史和相关应用实例，最终课程考试成绩的高低并不能如实反映学生对课程的兴趣爱好和知识的深入理解。在这种传统教学模式下，学生发现问题、分析问题和解决问题的能力不能得到有效培养，因此并不能实现课程教学期望的培养学生创新思维、综合分析和解决实际问题的能力这一既定目标[13]。值得注意的是不仅牧草生物技术课程教学存在这一困境，采用传统教学模式的草业科学其他课程教学过程也有相似器官培养、快繁和脱毒”3个章节的内容有机整合为“植物细胞工程与组织培养”一个教学内容。通过“基因工程”一个教学内容，又整合了教材中“基因工程概念与原理”、“目的基因克隆”、“植物基因工程常用的载体及构建”3个章节。“遗传转化技术”、“转基因植物的检测与鉴定”、“转基因植物的安全性评价”3个章节的内容则被整合为“遗传转化与转基因植物”一个教学内容。作为草业科学的专业课程，牧草生物技术课程和生命科学专业的分子生物学、细胞生物学课程不同，更加偏重技术的应用性。为了凸显这一课程特点，把教材中“基因工程在牧草品质改良”、“抗生物胁迫育种”、“抗非生物胁迫育种上的应用”3个章节，“豆科牧草–根瘤菌共生固氮”问题存在[7,9,14-15]。

3 针对问题开展的课程改革尝试

3.1 精简课程内容，更新专业知识

针对课程内容繁杂课时安排不足的问题，我们将牧草生物技术教学内容进行了合理的精简和编排。如表1所示，将《牧草生物技术》教材中“植物愈伤组织培养、再生及体细胞无性系变异”、“细胞培养、原生质体培养与体细胞杂交”、“单倍体培养、胚章节以及植物组织培养相关章节中各种技术在牧草研究和育种上的应用等内容有机整合为“生物技术在牧草、草坪草基础研究中的应用”和“生物技术在牧草、草坪草育种中的应用”两个教学内容，这一调整不仅逻辑上更为缜密，也突出展示了生物技术在我国南方地区特色草坪产业相关的科研与应用案例[16]。针对课程参考教材内容较为陈旧这一问题，我们加入了“遗传标记和标记辅助育种”和“基因组学、转录组学和蛋白质组学”两个新的教学内容。在这两个教学内容中，我们不仅向学生介绍了分子标记、数量性状基因座、基因组、转录组、蛋白质组等基本概念，也向其传授了最新的全基因组关联分析(GWAS)、全基因组选择、多组学分析以及基因编辑技术等知识。通过上述整合编排，课程教学大纲规定的所有知识点均能够在36个理论教学课时中得到讲授，同时也更加凸显了牧草生物技术偏重应用的课程特色。3次实验课则紧随相应的理论课进行设置，力争加深学生对相应概念和知识的理解。

表1 扬州大学牧草生物技术课程课时安排表Table1 Time arrangement of the foragegrass biotechnology course in Yangzhou University

3.2 采用案例教学，提高科学素养

在合理地整合编排课程教学内容的基础上，我们尝试利用案例教学方法来开展课程教学。在“植物细胞工程与组织培养”教学内容中，以紫花苜蓿(Medicago sativa)这一优质牧草植物材料为例，通过叶片外植体诱导愈伤组织生成、愈伤继代培养、愈伤诱导分化、叶和根器官生成、花粉培养等过程的实例描述，融入细胞工程和组织培养各种基本概念的介绍，让学生通过实体化的案例记忆相关知识概念。在“基因工程”和“遗传转化与转基因植物”两个课程内容的教学过程中，围绕沙漠植物霸王(Zygophyllum xanthoxylon)液泡膜氢离子焦磷酸酶基因的克隆、构建双元载体、农杆菌介导的苜蓿遗传转化、阳性植株的筛选、转基因苜蓿的安全性问题这一故事脉络开展了案例教学。通过案例教学，学生融会贯通地理解掌握了从基因克隆到转基因植物所用到的各种技术方法。在“遗传标记和标记辅助育种”课程内容教学中，则先简要介绍了分子标记的概念和类型，然后以实例的方式重点介绍了其在牧草生物技术中的应用，包括SSR标记在苜蓿群体遗传结构和遗传多样性分析中的应用[17]、AFLP标记在高冰草(Thinopyrum ponticum)和小麦(Triticum aestivum)体细胞融合后代真实性检测中的应用[18]、基于分子标记和BAC文库的图位克隆在苜蓿根瘤发育相关激酶NORK克隆中的应用[19]以及第3代SNP标记在苜蓿黄萎病抗性相关基因的GWAS分析中的应用[20]等(图1)。在每个案例的讲解过程中，尽可能地按照问题的提出、实验的设计、结果的意义和局限性不同方面进行逐层深入的分析，让学生身临其境地体验科学发现过程。通过案例教学的实施，不仅能够让学生更好地记忆相关概念和知识，也能够培养学生科学的认知方法，在开展课程学习的同时潜移默化地提高其科学素养。

3.3 引入“雨课堂”软件，加强师生互动

针对传统讲授式教学较为枯燥、学生积极性调动不足的缺陷，我们尝试引入“雨课堂”软件进行互动式教学。在制备课件过程中，通过“雨课堂”软件插件在幻灯片中特定位置提供与课程内容相关的问题，同时配以参考答案。学生在手机微信客户端登入课程后，可及时看到问题并在规定的时间内进行解答[21]。如图2所示，在讲授“生物技术在牧草、草坪草育种中的应用”关于体细胞无性系在牧草草坪草育种中的应用课程内容过程中，首先介绍了体细胞无性系的概念和其局限性，然后用多个实例来举例说明其具体的应用。通过“雨课堂”插件，在介绍实例结束后，设置问题“什么是体细胞无性系变异？其用于牧草和草坪草改良的缺点是什么？”让学生思考回答，即可让学生立刻回顾前面讲述的概念内容。通过与案例教学法结合，基于“雨课堂”的互动式授课方法不仅极大的调动了学生的积极性、增进了学生对概念的掌握，同时通过教师电脑端的记录也可以有效地对学生的表现进行评价，完成课程平时成绩的评定。值得一提的是，在新型冠状病毒疫情影响下，师生高度互动的“雨课堂”远程教学模式将得到更广泛的应用，发挥越来越大的作用[22]。

3.4 设计开放式实验，增进知识理解

图1 分子标记应用的教学案例Figure 1 Case teaching of the application of molecular markers

针对实验课程教学实践中发现的学生积极性不高，未能通过动手实践掌握相关实验的技术原理以及实验所依据的基础理论这一问题，我们尝试对传统的实验教学进行教学模式的改革，设计开放式实验，增进学生对知识的理解同时培养其创新能力[23]。在“植物细胞工程与组织培养”实验课程的设计中，除了使用烟草(Nicotinana benthamiana)这一快速诱导愈伤组织的植物作为实验材料让学生进行愈伤组织的诱导分化实验外，也让学生选择自己日常生活中见到的各种植物作为材料进行愈伤组织的诱导和分化。通过比较不同植物、不同组织的愈伤诱导效率，让学生更好地理解外植体的差异对愈伤组织形成的影响。在“遗传标记和标记辅助育种”实验课程的设计中，依托扬州大学草学苗圃200余份燕麦(Avena sativa)和苜蓿种质资源，让学生利用不同SSR引物对这些燕麦和苜蓿种质资源的遗传多样性进行评价，通过对实验结果的分析比较加深学生对分子标记概念的理解。这种开放式实验教学模式不仅可以加深学生对实验课程本身的兴趣，增进其学习相关理论知识，也能够培养其实验设计能力，促进其科研素养的提升[24]。

3.5 开展研究型教学，锻炼学生能力

近年来，越来越多的课程在教学过程中均引入了研究型教学的教学方法，通过教师提出问题、学生调研报告、教师逐一点评的方式让学生从被动接受知识转换成主动汲取知识，培养锻炼了学生分析问题和解决问题的能力[25-26]。在牧草生物技术教学过程中，尝试引入研究型教学的课程改革，尤其是在“生物技术在牧草、草坪草育种中的应用”教学内容中，在介绍了最新的相关技术在牧草、草坪草育种中的应用后，针对江苏省沿海滩涂土壤改良、生态绿化和高效利用的客观需求，向学生提出了“江苏沿海滩涂土壤含盐量很高，一般植物无法正常生长。如何利用所学习的生物技术课程知识来尝试培育耐盐性提高的牧草和草坪草新品种，使其能够在这些含盐量高的土壤上生长进而发挥其生态功能并产生经济效益”这一问题。在给予学生一周的准备时间后，让每个学生通过幻灯片讲解的方式介绍其设想的方案，教师再进行逐一点评，分析其合理性和创新性。实践表明，这种新的教学模式产生了较好的反馈效果，学生的各项能力包括分析和解决问题的能力、制作以及讲解幻灯片的能力都在这一过程中获得了较好的锻炼和提高。

3.6 增强思政教育，培养国际视野

将思政教育融入专业课程，在教学的同时彰显育人功能是“新农科”教育的内在要求。社会主义核心价值观、中华优秀传统文化、民族精神和时代精神的教育以及科学精神和人文素养的培养均是思政教育的重要内容[27]。在牧草生物技术教学过程中，通过在案例教学中有意识地放入我国科学家扎根祖国大地围绕国家需求开展的研究工作，如“基因克隆”和“遗传转化与转基因植物”两个教学内容介绍的兰州大学王锁民教授开展的沙漠植物霸王耐盐碱基因转化苜蓿培育耐盐碱转基因苜蓿以及“生物技术在牧草、草坪草育种中的应用”教学内容中介绍的浙江大学柴明良教授开展的耐寒抗除草剂的草坪草细胞工程育种等案例，在讲解案例的同时着重介绍其工作的艰辛和意义，很好地培养了学生为国担当、奋发有为的拼搏精神以及求真务实、追求卓越的科学态度。与此同时，在一些案例中也加入了国外优秀科学家的工作，通过英文文献的解读和用英语设置“雨课堂”问答环节，力求实现学生国际视野的培养和提升。

4 课程改革效果评价

在“以生为本”的现代教育理念下，学生是课程教学的主体，教学需要了解学生的需求、满足学生的求知，更需要知道学生的反馈[28]。在对牧草生物技术课程教学进行改革尝试后，通过调查问卷的方式获取了学生对于这些改革举措的反馈意见(表2)。绝大多数的学生对于精简教学内容后的课程设置、案例教学为主的教学方式、开放式实验课的安排以及使用“雨课堂”对平时成绩进行评定均表示认可。同时，绝大多数的学生通过课程的学习也增加了对牧草生物技术以及草业科学专业的兴趣。这些正面反馈结果以及教学改革后显著提升的学生平均成绩(从76.2提升到83.4)均表明，扬州大学动物科学与技术学院对牧草生物技术课程教学进行的改革取得了良好的成效。通过问卷调查，也收获了一些有益的建议，包括需要在课程教学过程中进一步增大音量、降低语速，同时进一步增加师生互动等。

表2 学生对教学改革后的牧草生物技术课程的评价与反馈Table 2 Student’sevaluation and feedback on the reformed foragegrass biotechnology course

5 结语

牧草生物技术课程是草业科学本科专业的重要专业课。针对教学实践过程中发现的诸多问题，我们通过精简课程内容、引入案例教学、使用“雨课堂”软件、设计开放式实验、开展研究型教学、增强思政教育等多种手段对该课程的教学过程进行了多方面的改革探索。通过教学督导和选课学生反馈的信息，这些改革均取得了较好的教学效果。然而任何教学改革均是一个动态的过程，不会一蹴而就，需要在教学实践中不断进行探索和尝试。在今后的教学过程中我们仍需要与时俱进，融合各种新颖的教学形式，吸纳其他优秀课程的教学经验，进一步完善优化相关教学过程。