摘要 園藝植物基因工程原理與技術(shù)是園藝專業(yè)研究生的核心選修課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著非常重要的作用。本文分析了園藝植物基因工程原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行了思考、探索和總結(jié)。教師在教學(xué)過程中以過程為導(dǎo)向，把園藝植物基因工程原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)成一門高效培養(yǎng)研究生科研能力和科研素養(yǎng)的示范課程。

關(guān)鍵詞 研究生；園藝；基因工程原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào) Q943.2-4；G643 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2023）21-0153-04

研究生教育在培養(yǎng)目標(biāo)、層次和模式上與本科生教育有較大差異。研究能力是研究生教育創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要體現(xiàn)[1]。實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)是提高研究生創(chuàng)新能力的重要手段，可促進(jìn)其在研究上不斷進(jìn)行自主創(chuàng)新[2]?；蚬こ蹋℅ene engineering）是指不同生物體的遺傳信息在體外經(jīng)過酶切、連接，構(gòu)成重組DNA分子，然后轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞中，使外源基因在受體細(xì)胞中表達(dá)。目前，基因工程廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)研究和應(yīng)用中。其中園藝植物基因工程以分子生物學(xué)為基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和技術(shù)性[3-6]。掌握基因工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)是生物技術(shù)領(lǐng)域從業(yè)的關(guān)鍵[4]?；蚬こ虒?shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓高校學(xué)生了解專業(yè)的就業(yè)前景，不斷提高學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)新性[7-9]。園藝植物基因工程課程實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)開展實(shí)驗(yàn)操作和科學(xué)研究，注重培養(yǎng)創(chuàng)新能力。目前，在園藝植物基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、教學(xué)方法不完善和評(píng)價(jià)體系單一等問題，不利于研究生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，本文分析了園藝植物基因工程原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程存在的問題，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行了思考、探索和總結(jié)，以期高效培養(yǎng)研究生的科研能力和科研素養(yǎng)。

1 園藝植物基因工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

園藝專業(yè)研究生的專業(yè)背景復(fù)雜，目前課程設(shè)計(jì)過程中較少考慮學(xué)生知識(shí)背景，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容缺乏針對(duì)性和系統(tǒng)性。以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院研究生基因工程實(shí)驗(yàn)課為例，該課程為碩博新生的選修課，共32學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)為20學(xué)時(shí)。有不少高等院校將園藝植物生物技術(shù)作為專業(yè)核心課程，園藝背景的研究生（尤其是博士研究生）已經(jīng)接觸過生物技術(shù)或者基因工程課程實(shí)驗(yàn)，但其他學(xué)科背景或者本科院校沒有設(shè)置生物技術(shù)類課程的學(xué)生缺乏理論和實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)。面對(duì)不同知識(shí)背景的學(xué)生，統(tǒng)一的課程設(shè)置不利于因材施教，易導(dǎo)致部分學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，還有部分學(xué)生可能產(chǎn)生畏難情緒。

實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容包括“植物核酸提取”“RNA反轉(zhuǎn)錄”“PCR擴(kuò)增目的基因和電泳檢測(cè)”“質(zhì)粒DNA的提取”“重組DNA構(gòu)建”“大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞制備”“重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌”和“PCR鑒定重組轉(zhuǎn)化子”等實(shí)驗(yàn)操作和方法。實(shí)驗(yàn)課程側(cè)重于單個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，沒有很好地將這些技術(shù)串聯(lián)起來，缺乏系統(tǒng)性，不利于學(xué)生構(gòu)建和完善自身的知識(shí)體系。另外，多數(shù)實(shí)驗(yàn)中有等待時(shí)間，例如PCR過程需要1～2 h的等待時(shí)間，大腸桿菌生長需要過夜。因此，系統(tǒng)且合理地安排實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)效果具有極大的影響。

1.2 教學(xué)方法

傳統(tǒng)的基因工程因?qū)嶒?yàn)耗材費(fèi)用高、儀器設(shè)備較少等影響，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)完成“規(guī)定動(dòng)作”，不重視實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，較少關(guān)注實(shí)驗(yàn)效果。尤其由于課時(shí)限制，為了壓縮實(shí)驗(yàn)過程中的等待時(shí)間，教師一般提前準(zhǔn)備好每個(gè)階段的樣品，學(xué)生只需要完成操作。例如，質(zhì)粒提取實(shí)驗(yàn)中，教師準(zhǔn)備好菌液，學(xué)生只需要按照試劑盒步驟提取質(zhì)粒即可，但關(guān)于如何挑取單菌落、如何培養(yǎng)菌、培養(yǎng)菌條件怎么設(shè)置，學(xué)生均未參與。該種教學(xué)模式難以有效地讓學(xué)生系統(tǒng)掌握實(shí)驗(yàn)過程，易導(dǎo)致其缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析能力。如在PCR擴(kuò)增目的基因?qū)嶒?yàn)中，教師提前準(zhǔn)備好了模板、引物和DNA聚合酶等試劑，PCR反應(yīng)程序也提前設(shè)置好，大多數(shù)學(xué)生僅按照程序進(jìn)行，并不了解引物如何設(shè)計(jì)，PCR反應(yīng)過程中變性、退火、延伸的溫度和時(shí)間如何設(shè)置等。這種教學(xué)方式難以培養(yǎng)學(xué)生的自主思考能力。另外，分組式教學(xué)易導(dǎo)致組內(nèi)一人操作、多人圍觀的現(xiàn)象，學(xué)生實(shí)際參與度較低，難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.3 評(píng)價(jià)體系

實(shí)驗(yàn)成績多以出勤率和實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況為考核內(nèi)容，這種考核方式難以體現(xiàn)學(xué)生的真實(shí)參與度，也缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。課前、課后的出勤考核易導(dǎo)致學(xué)生只參與課前和課后的簽到，不參與實(shí)驗(yàn)過程，因參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)較多，教師很難發(fā)現(xiàn)曠課的學(xué)生。實(shí)驗(yàn)報(bào)告也只能反映整個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，很難反映學(xué)生的真實(shí)表現(xiàn)。以往的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)分主要關(guān)注實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整性、內(nèi)容的全面性、結(jié)果的準(zhǔn)確性，這導(dǎo)致學(xué)生更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外，教師在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)時(shí)使用統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分組，導(dǎo)致學(xué)生做出的結(jié)果一致，尤其是實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果雷同，存在修改數(shù)據(jù)和抄襲現(xiàn)象。此種評(píng)價(jià)體系較難準(zhǔn)確地反映學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中分析問題和解決問題的能力。

2 基因工程實(shí)驗(yàn)課程改進(jìn)措施

2.1 因材施教，設(shè)計(jì)開放性課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)研究生基因工程實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分組，讓學(xué)生按照自己的知識(shí)背景以及后續(xù)科研方向進(jìn)行選擇。例如，將核酸提取、RNA反轉(zhuǎn)錄和PCR擴(kuò)增目的基因內(nèi)容分為一組。設(shè)計(jì)開放性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生根據(jù)自身的科研方向進(jìn)行選擇。核酸提取部分讓學(xué)生自帶樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。對(duì)于已有基因工程實(shí)驗(yàn)背景的學(xué)生，教師僅提供整個(gè)大實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生可按照自己的科研課題的研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方案在自己的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。對(duì)于沒有基因工程實(shí)驗(yàn)背景的學(xué)生，可按照教師提供的實(shí)驗(yàn)思路，完成整個(gè)大實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在操作過程中可以隨時(shí)咨詢教師，最后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這種以學(xué)生為主體，教師為輔助的教學(xué)模式，能夠最大程度地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，讓學(xué)生參與科研，了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，感受實(shí)驗(yàn)成功的成就感。開放性的試驗(yàn)設(shè)計(jì)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研態(tài)度以及解決問題的能力。

2.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通過PPT講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃砗筒襟E等內(nèi)容，學(xué)生理解起來比較抽象，教學(xué)效果較差。因此，教師有必要在實(shí)驗(yàn)課前，將實(shí)驗(yàn)課的視頻資料發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)操作有清晰的認(rèn)識(shí)。教師在基因工程實(shí)驗(yàn)課開始前，帶領(lǐng)學(xué)生參觀實(shí)驗(yàn)室，講解實(shí)驗(yàn)室的組成、各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的功能，并對(duì)要使用的儀器進(jìn)行操作示范，并強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)安全和儀器設(shè)備注意事項(xiàng)。在實(shí)驗(yàn)課理論講解時(shí)，挑選重要實(shí)驗(yàn)的視頻教學(xué)進(jìn)行觀看講解。在實(shí)驗(yàn)過程中，每個(gè)小組安排經(jīng)驗(yàn)豐富的研究生帶隊(duì)，并對(duì)重要實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行示范操作。例如，RNA提取實(shí)驗(yàn)需要注意RNA酶的降解，研磨過程中注意液氮不能揮發(fā)干凈，教師親自示范研磨。另外，在實(shí)驗(yàn)過程中，以試劑為例，讓學(xué)生了解所用試劑的特征特性，在實(shí)驗(yàn)過程中注意自身安全防護(hù)。實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，讓學(xué)生在課程微信群中上傳實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)異常結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和講解。這種“授之以漁”的方式有助于幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系。教師引入科研成果，在教學(xué)內(nèi)容上結(jié)合科研工作，將基因工程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成一個(gè)小課題，以科研帶動(dòng)基因工程實(shí)驗(yàn)的完善，以提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。例如在基因工程實(shí)驗(yàn)中引入CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，在教學(xué)中，通過引導(dǎo)學(xué)生完成引物設(shè)計(jì)，并利用重組技術(shù)，最終得到一個(gè)完整的、能夠在細(xì)胞中行使功能的CRISPR-Cas9基因編輯載體。通過后續(xù)轉(zhuǎn)化體植株DNA的提取和PCR對(duì)目的DNA的擴(kuò)增和測(cè)序，使學(xué)生看到CRISPR-Cas9基因編輯最終的效果，更真切地了解生命科學(xué)領(lǐng)域新技術(shù)的使用和應(yīng)用。

2.3 學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力

實(shí)驗(yàn)前對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，分批進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行前期準(zhǔn)備。對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中需要的試劑和培養(yǎng)基的配制和分裝，離心管、PCR管、移液器吸頭和培養(yǎng)皿等所需材料的準(zhǔn)備由研究生帶領(lǐng)每組學(xué)生進(jìn)行準(zhǔn)備。在這個(gè)過程中，學(xué)生可學(xué)習(xí)pH計(jì)、PCR儀、高壓滅菌鍋等儀器的使用。另外，在引物設(shè)計(jì)方面，給每組學(xué)生分配不同的DNA序列，利用線上教學(xué)的方式進(jìn)行引物設(shè)計(jì)教學(xué)，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)引物，并對(duì)引物進(jìn)行PCR驗(yàn)證，選擇可用引物。這對(duì)于學(xué)生后期獨(dú)立進(jìn)行科研課題設(shè)計(jì)具有重要作用。

2.4 建立“過程導(dǎo)向性”考核和評(píng)價(jià)體系

考核評(píng)價(jià)體系可以激發(fā)學(xué)生的積極性，也影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。建立“過程導(dǎo)向性”的考核方式，具體包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（20%）、實(shí)驗(yàn)操作（20%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（60%）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要檢查開放性實(shí)驗(yàn)中學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力；實(shí)驗(yàn)操作主要檢查學(xué)生是否按照實(shí)驗(yàn)方案合理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是否正確使用儀器設(shè)備等；實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)記錄是否完整、實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確、對(duì)過程是否進(jìn)行了思考等，培養(yǎng)學(xué)生良好的科研習(xí)慣和思考能力。為了避免實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象，根據(jù)學(xué)生分組情況，分發(fā)不同的試驗(yàn)材料。例如在PCR實(shí)驗(yàn)中，每小組的擴(kuò)增引物和酶不同，所以學(xué)生要考慮PCR程序設(shè)計(jì)時(shí)延伸時(shí)長的設(shè)置。這不僅提升了學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，還能培養(yǎng)學(xué)生的思考能力。

實(shí)驗(yàn)記錄是對(duì)科研過程中實(shí)驗(yàn)操作過程和原始數(shù)據(jù)的真實(shí)描述和記載?？茖W(xué)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)記錄可以提升學(xué)生的基本科學(xué)素養(yǎng)[10]。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中要求每組每位學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)記錄，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)和檢查簽字。最后，將實(shí)驗(yàn)記錄作為考核方式中實(shí)驗(yàn)操作板塊內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)記錄的規(guī)范可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行記錄和結(jié)果分析的習(xí)慣，也能對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行溯源，有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。

3 教學(xué)改革的成效

本教學(xué)組采用問卷調(diào)查對(duì)學(xué)生知識(shí)背景和基因工程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)查。主要結(jié)果如下：25.8%的學(xué)生在上一學(xué)習(xí)階段完全沒有進(jìn)行過基因工程課程的學(xué)習(xí)，在課程理論和實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)上要考慮學(xué)生知識(shí)背景；81%的學(xué)生認(rèn)為在今后的科研中會(huì)用到基因工程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有利于提高學(xué)生的積極性；63.8%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)應(yīng)該增加，這體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)技能學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和需求性。

本教學(xué)組對(duì)教學(xué)改革的滿意度進(jìn)行了調(diào)查，從結(jié)果看，大多數(shù)學(xué)生對(duì)教學(xué)改革非常滿意，調(diào)查結(jié)果如下：98.3%的學(xué)生認(rèn)為該教學(xué)安排有效地提高了自己的科研能力，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力；54%的學(xué)生認(rèn)為開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生的科研好奇心，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研思維；97.6%的學(xué)生認(rèn)為科研實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的分組安排以及實(shí)驗(yàn)的連貫性，提高了學(xué)生的溝通能力和合理規(guī)劃實(shí)驗(yàn)的能力。

4 結(jié)語

通過教學(xué)改革，基因工程實(shí)驗(yàn)課程取得了較好的教學(xué)效果?；蚬こ虒?shí)驗(yàn)課程不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，也讓他們了解了生物領(lǐng)域所需具備的基本素養(yǎng)?；蚓庉嫙o論是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域還是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，都展現(xiàn)出巨大潛力，應(yīng)用領(lǐng)域還可以擴(kuò)展到其他方面。創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)是“雙一流”戰(zhàn)略下對(duì)農(nóng)業(yè)高校的要求，但在培養(yǎng)農(nóng)科創(chuàng)新性人才方面還需要加強(qiáng)。因此，在今后的教學(xué)工作中，應(yīng)不斷深化生命科學(xué)研究，完善教學(xué)內(nèi)容，將新的技術(shù)引入到基因工程實(shí)驗(yàn)中，為培養(yǎng)更多具有新技術(shù)的創(chuàng)新性新農(nóng)人提供支持。

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（責(zé)編：王 菁）