植物保护专业“分子生物学”课程教学改革初探

赵文丽，关若冰，魏纪珍，杜孟芳

（河南农业大学植物保护学院 河南 郑州 450002）

1953 年，詹姆斯 沃森和弗朗西斯 克里克提出DNA的双螺旋结构模型，标志着生物学研究进入分子生物学时代。分子生物学以分子水平上阐明生命活动规律进而揭示生命本质为目标，是一门研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学。作为生命科学领域发展最迅速的学科之一，分子生物学已深入影响各个传统生命科学领域，包括生物化学、细胞生物学、遗传学等。

分子生物学技术推动植物保护学科的发展，从作物病虫害防治方面保护我国的粮食生产。粮食作物包括小麦、水稻和玉米等，是人类最主要的食物来源。目前，随着全球气候多变及环境污染问题，作物病虫害发生与危害日趋严重极大地影响和制约着粮食作物的产量。分子生物学在作物病虫害防治方面已有革命性突破和进展。例如，苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt）在代谢过程中产生的Bt 蛋白，对多种害虫具有毒杀作用。利用分子生物学技术将Bt 基因导入棉花细胞中，转Bt 棉株体内也能合成Bt杀虫蛋白，从而对棉铃虫、红铃虫、卷叶虫等鳞翅目害虫具有显著抗性。近三十年来，Bt 转基因抗虫棉在全世界的种植已显著减少虫害发生、降低农药用量、提高经济收益并且保护农业生产环境和生态环境。稻瘟病是由稻瘟病原菌引起的一种严重危害水稻的病害。在稻瘟病流行年份，一般减产10%-20%，重的达40%-50%，局部稻田甚至颗粒无收。利用分子生物学进行稻瘟病抗性基因的克隆，目前已经克隆得到近70 个稻瘟病抗性位点，总计84 个主效基因被发掘，对稻瘟病的病害防治具有重要的意义。由此可见，以分子生物学技术为支撑，开辟作物病虫害防治新途径，具有良好的发展势头。作为植物保护专业学生，掌握分子生物学的基础理论知识，并熟悉分子生物学的基本研究方法，十分必要。

面向植物保护专业的分子生物学课程，内容包括理论课和实验课两部分。虽然理论课所介绍的知识都是细胞内最基本的生命过程，但是由于知识点所涉及领域微观、知识较为抽象，存在学生掌握知识点困难的问题。在实验课程中，虽然学生兴趣较浓厚，但多数学生实验操作不规范。因此，为了使学生掌握分子生物学基本原理并掌握基本的实验操作，利用分子生物学知识解决作物病虫害防治中的问题，分子生物学课程改革迫在眉睫。

1 课程内容及教学目标

分子生物学是植物保护专业的专业必修课程。理论课程包括绪论、DNA 与染色体、DNA 复制、RNA 转录、蛋白质翻译、原核基因表达调控和真核基因表达调控这七个章节。理论课程是以克里克提出的“中心法则”为主线来展开的。实验课程包括十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）法提取植物基因组DNA、聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）、琼脂糖凝胶电泳、PCR产物回收四个实验。这四个实验是系列实验，以CTAB法所提取的基因组DNA为模板进行PCR扩增，然后利用琼脂糖凝胶电泳检测PCR实验的产物，最后利用产物回收试剂盒进行PCR产物DNA片段的回收。

以上述知识点为课程内容的分子生物学教学目标主要有以下两点：使学生掌握分子生物学的定义，掌握生命活动中生物大分子的基本结构与功能、遗传信息的表达及其调控等内容，了解分子生物学在生命科学领域的应用与前景。使学生能够综合运用所掌握的分子生物学知识，具备对分子生物学相关复杂问题进行综合分析、研究、提出相应对策或解决方案的能力，为今后的科研或教学工作打下坚实的基础。

2 教学内容与教学方法改革

根据分子生物学课程内容，将教学改革分为理论课教学改革和实验课教学改革两部分。关于理论课的教学改革，主要措施有以下三点。

3.1 选用优质教材，凝练教学内容

按照学校规定选用高质量教材，由高等教育出版社出版的“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，朱玉贤院士主编的《分子生物学》满足植物保护专业学生的课程需求。同时推荐由本杰明·卢因编写的《基因Ⅷ精要》作为补充教材。并对教学内容进行了优化调整，例如在“DNA与染色体”章节删除染色体的压缩包装机制；删除分子生物学研究方法章节，将方法介绍放在实验教学中；删除“疾病与人类健康”和“基因与发育”这两个章节。这样，分子生物学的理论教学以中心法则为主线展开，重点讲述遗传信息的复制、传递和表达调控。有利于学生重点掌握分子生物学核心知识，教师也有更多的精力对课程内容进行重点、深入的讲解。

2.2 合理使用多媒体，便于学生理解抽象的内容

在进行理论教学的过程中，除了传统的PPT课件加黑板板书之外，教师还应当同时利用网络学习软件督促学生进行线上课程的学习。例如，利用学习通APP 建立网络课程学习班级，在每节线下课程开始之前将章节内容PPT及相关资料上传至学习通，方便学生预习；在每节线下课程结束后利用学习通进行课程知识点小结及作业布置，督促学生在线上进行作业书写，之后由教师进行线上作业批改和纠错，利于知识点的查漏补缺。这样线上线下相结合的教学方式利于师生互动，便于教师对学生开展一对一沟通和指导。对于每个章节的知识学习，除了总体上利用网络线上学习之外，应加入多种教学方式激发学生的学习兴趣。

2.3 采用多种教学模式，激发学生的学习兴趣

在每章节内容讲述时，教师应紧扣章节知识点与日常生活及科学研究进展的联系，利于学生理解相对枯燥的分子生物学知识点。比如在讲述DNA 的双螺旋结构知识点时，考虑到高中生物课程已经涉及该内容，学生较为熟悉，可采用提前分组，每个小组在课下进行10 分钟小课堂准备，在上课时随机抽取一组由学生进行内容讲述，不足之处由其他小组纠错和补充。同时将小组授课过程进行录像，将录像上传到学习通软件。利用翻转课堂的方式，可以激发学生的学习兴趣、督促学生主动进行课程知识点的学习。在介绍DNA 复制这一章节的理论知识时，通过学生感兴趣的方式引出理论知识的学习：人体胃细胞7 天更新一次；皮肤细胞28 天左右更新一次；肝脏细胞150 天更换一次；红细胞120 天更新一次；在一年左右的时间，身体98%的细胞都会重新更新一次；有丝分裂产生新的细胞，在有丝分裂过程中最重要的就是DNA 的复制过程。以人体细胞新陈代谢吸引学生注意后，再系统、完整地介绍相关理论知识。在RNA 转录章节，通过介绍2006 年获得诺贝尔生理或医学奖的RNA 技术来进行章节知识点的讲述。例如，为什么体外双链RNA合成时要加一段启动子序列？启动子与转录有什么关系？双链RNA 合成体系里为什么要加入T7 RNA 聚合酶和dNTP？RNA 聚合酶的作用是什么？从而引出RNA 聚合酶识别启动子序列、利用dNTP底物进行RNA 链延伸的知识点。

关于实验课程教学的改革，针对学生掌握实验步骤困难、容易操作失误的现象，主要改革措施有以下3 点：①充分利用多媒体资源，促使学生主动学习。在每次实验课之前，由教师将实验课涉及的实验视频资源上传至学习通软件，督促学生提前观看。②以学生带学生，做到手把手实验教学。在进行实验课时，以PCR 实验课程为例，从目前新型冠状病毒核酸检测进行课程引入，利用提问启发式教学方法引入PCR的原理，例如为什么在进行核酸检测取样之后的3-6 小时我们才能拿到检测结果？阴性结果说明什么？阳性结果说明什么？从而介绍涉及的PCR 实验所用到的DNA分子在不同温度下可逆的变复性的性质、PCR的体系构成和PCR 的程序设计等相关知识点。在介绍完以上内容之后，由硕士研究生根据自身PCR实验的经验讲述易错点。之后学生4-5 人一组进行实验，并且每小组配备一个硕士研究生进行全程指导，防止出现因教师指导不到位而导致学生实验失败的现象。③查漏补缺。在结束实验课之后，除了每人上交实验报告作业之外，每名学生还要在学习通上进行实验易错点的总结作业书写。利用这样的实验课程教学方式，来完成学生理解实验原理、熟悉实验步骤、顺利达成实验操作的实验课程目标。

3 教学效果评价方式改革

传统的分子生物学教学效果评价由3 部分构成，包括上课签到成绩，实验课成绩和期末考试卷面成绩。其中考试卷面成绩占比较高，约60%-70%，实验课20%-30%，平时成绩10%。学生只要采用死记硬背、上交实验报告的方式就能及格。但是，传统的教学效果评价方式不利于激发学生的学习兴趣，也不能全面评价学生对分子生物学课程内容的掌握程度。我们在上述理论课和实验课教学过程中引入小组学习、翻转课堂、学习通线上学习和学习通网络作业等多种学习方式后，分子生物学的教学效果评价不再采用传统的评价方式。结合教学内容和教学方式的改革，对教学效果评价采用如下改革方式：①提高网络课程学习成绩的占比。学习通中视频学习资料的学习完成情况占比20%来考查学生对知识的预习和复习情况，学习通理论课程作业和实验课作业占比20%来考查学生对课程知识的掌握程度。②增加课堂参与度的考核。翻转课堂参与程度占比20%来衡量学生主动学习的情况。③降低卷面成绩占比。实验课签到和实验报告占比20%来考察学生的实验操作完成情况，最后卷面考试成绩仅占比20%来考查学生对知识点的记忆和理解情况。采用上述多种考核方式相结合的教学效果考核方式，重点考核教学过程中的实际参与度，能避免学生死记硬背但不理解知识点、上交实验报告但不会实验操作的情况，更能反映学生参与课程学习情况、平时学习情况和最后掌握情况，易于激发学生的学习兴趣，比传统的考核方式更加合理。

4 存在的问题

分子生物学是一门实验性极强的学科。教师只有通过不断的学习学科热点前沿并掌握实验技术才能传授给学生并完成教学目标。学生只有通过实验动手操作才能理解理论知识的意义和应用。但是由于种种原因，我校植物保护专业分子生物学课程的理论课时较少，实验课内容少，这在一定程度上影响了这门课程的教学效果。前沿热点知识的不断更新，教学手段的不断改进是当务之急。在学校加大课时倾斜和教师在不断的努力下，争取更好地完成教学任务。

5 结语

教师通过上述面向植物保护专业本科生的分子生物学课程教学内容、教学方式和教学效果评价方式的改革，来激发学生主动学习的热情和兴趣，引导学生关注本领域研究中的热点问题，培养学生的科研思维和创新精神，提高学生的综合素质。使学生掌握基本的分子生物学实验技能来加深其对分子生物学知识的理解，可为学生进一步深造和将来利用分子生物学解决作物病虫害实际生产上的难题打下坚实的基础。通过分子生物学课程的学习塑造学生的职业素养与工匠精神，增强学生的时代责任感、使命感以及民族自豪感。培养学生成为德才兼备、全面发展的植物保护人才。