基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

王麗敏，唐輝武，梁雪蓮，周玲艷

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，廣東 廣州）

一 引言

細(xì)胞工程是指應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的理論和方法，通過類似于工程學(xué)的步驟，進(jìn)行在細(xì)胞整體水平或細(xì)胞器水平上的遺傳操作及進(jìn)行大規(guī)模的細(xì)胞和組織培養(yǎng)以獲得新型生物或一定細(xì)胞產(chǎn)品的一門綜合科學(xué)技術(shù)。細(xì)胞工程的發(fā)展隨著分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、遺傳學(xué)及其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展而飛速發(fā)展。植物細(xì)胞工程是細(xì)胞工程的重要分支之一，是以細(xì)胞全能性學(xué)說為理論基礎(chǔ)，其研究領(lǐng)域包括：在細(xì)胞水平、組織水平、以及器官等水平上所進(jìn)行的各種體外操作[1]。植物細(xì)胞工程課程在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院主要面對(duì)農(nóng)學(xué)、種子科學(xué)與工程、生物科學(xué)、生物技術(shù)專業(yè)的本科學(xué)生開設(shè)，所以在力求將理論原理和學(xué)科專業(yè)特色兼顧和協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，把課程的重點(diǎn)放在基本理論在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用上，從而較好地協(xié)調(diào)了通用性和特殊性。培養(yǎng)學(xué)生不僅要掌握扎實(shí)的理論知識(shí)，還要系統(tǒng)地掌握植物細(xì)胞工程綜合實(shí)驗(yàn)技能，在實(shí)驗(yàn)中鞏固和深化理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，并鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與動(dòng)手能力。因?yàn)橹参锛?xì)胞工程是一門對(duì)實(shí)踐能力要求較高的課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展至關(guān)重要，需要占較大的比例，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果直接關(guān)系到學(xué)生理論知識(shí)的深化、實(shí)驗(yàn)技能的養(yǎng)成以及科學(xué)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[2]。傳統(tǒng)的課程小實(shí)驗(yàn)不能滿足植物細(xì)胞工程實(shí)踐的教學(xué)要求，也不能滿足應(yīng)用型人才（農(nóng)業(yè)、園藝、生物類）的培養(yǎng)需求[3]，因此，根據(jù)植物細(xì)胞工程的課程特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容，本院整合實(shí)驗(yàn)課教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程，系統(tǒng)地開展了60 個(gè)學(xué)時(shí)的植物細(xì)胞工程綜合大實(shí)驗(yàn)，本文從植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)課程理念、教學(xué)目標(biāo)、設(shè)計(jì)思路、具體實(shí)施方式及課程效果等方面進(jìn)行了總結(jié)，為植物細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)課程的開展提供參考。

二 植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)

植物細(xì)胞工程課程具有較強(qiáng)的實(shí)用性，是進(jìn)行理論研究和應(yīng)用結(jié)合的理想平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該學(xué)科教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因?yàn)橹参锛?xì)胞工程的實(shí)驗(yàn)涉及培養(yǎng)基的配制、滅菌和無菌接種等過程，需要的時(shí)間較長(zhǎng)，所以傳統(tǒng)的小實(shí)驗(yàn)課時(shí)無法滿足要求，通過綜合大實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的理論知識(shí)在實(shí)驗(yàn)中充分應(yīng)用，深化理解；同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和綜合素質(zhì)，因此，本院根據(jù)教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)大綱，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制訂植物細(xì)胞工程綜合性大實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、統(tǒng)籌能力、團(tuán)隊(duì)合作精神及積極探索科學(xué)的精神。形成理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合的育人格局，這也是應(yīng)用型高校的發(fā)展要求[4]。

三 植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)思路和實(shí)施方式

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課由于課時(shí)有限，上實(shí)驗(yàn)課需要的實(shí)驗(yàn)試劑一般由實(shí)驗(yàn)員準(zhǔn)備、上課時(shí)老師講解實(shí)驗(yàn)原理和步驟，同學(xué)們按照實(shí)驗(yàn)流程去操作。這種實(shí)驗(yàn)課的上課方式導(dǎo)致學(xué)生不愛思考，機(jī)械地操作，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。植物細(xì)胞工程課程具有前沿性、綜合性、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，本課程將原有的小實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁臑?0 學(xué)時(shí)的大實(shí)驗(yàn)，并另計(jì)1 學(xué)分，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、材料準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)原理方法的學(xué)習(xí)、試劑配制、實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)等方面統(tǒng)籌安排，學(xué)生實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課全方位參與。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排遵循從易到難，循序漸進(jìn)的原則，先講基本操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生有一定基礎(chǔ)之后，開始做綜合性實(shí)驗(yàn)。整個(gè)大實(shí)驗(yàn)安排既有一般基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，也有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，既有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，也有半開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。學(xué)生課前先預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理和操作要點(diǎn)，教師課堂重點(diǎn)演示關(guān)鍵的操作方法，并配合一些視頻資源示范，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括從材料準(zhǔn)備、試劑的配制開始，全部由學(xué)生獨(dú)立完成。課程以學(xué)生為主體，通過完整實(shí)驗(yàn)流程的全部參與，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、統(tǒng)籌安排能力、分析和解決問題的能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思維和創(chuàng)新能力。具體的實(shí)施方式如下。

（一） 課堂理論知識(shí)講授中融合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在課程知識(shí)講授過程中，結(jié)合專業(yè)知識(shí)點(diǎn)，融入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這樣不僅能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，理論應(yīng)用到實(shí)踐能充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。講理論的同時(shí)講實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能馬上從理論知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換到實(shí)踐應(yīng)用上，學(xué)以致用能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。同時(shí)講理論的時(shí)候告知學(xué)生這一章需要同學(xué)們自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生知道后續(xù)還要用到這些理論知識(shí)，會(huì)提高學(xué)生的理論學(xué)習(xí)聽課效果，培養(yǎng)學(xué)生的開拓性創(chuàng)新思維。比如講培養(yǎng)基這一章時(shí)，講到培養(yǎng)基的種類和特點(diǎn)時(shí)，提示同學(xué)們后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課會(huì)有設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，需要同學(xué)們選擇適合的培養(yǎng)基去培養(yǎng)不同種類的植物材料，很快同學(xué)們的注意力都集中到課堂了。再比如講到原生質(zhì)體培養(yǎng)這一章時(shí)，同學(xué)們對(duì)原生質(zhì)體比較陌生，講到后續(xù)實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以自己分離提取原生質(zhì)體，并且可以去嘗試不同植物的原生質(zhì)體融合時(shí)，學(xué)生表現(xiàn)出極大的興趣。

（二） 系統(tǒng)性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)安排

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程安排零散，教學(xué)內(nèi)容和形式單一，無關(guān)聯(lián)性，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)[5]。植物細(xì)胞工程的大實(shí)驗(yàn)課程中，要求從實(shí)驗(yàn)用具的準(zhǔn)備到試劑的配制都由學(xué)生獨(dú)立完成。例如，植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)基母液的配制，要求學(xué)生配制常用的MS、B5、N6 等培養(yǎng)基的母液，接著是不同種類培養(yǎng)基的配制和滅菌，然后再進(jìn)行各種材料愈傷組織的誘導(dǎo)，獲得愈傷組織后，一部分愈傷組織可用于懸浮培養(yǎng)，建立懸浮細(xì)胞系，讓同學(xué)們對(duì)細(xì)胞懸浮培養(yǎng)進(jìn)行觀察；另一部分可以讓同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)培養(yǎng)基配方，進(jìn)行進(jìn)一步誘導(dǎo)器官分化，誘導(dǎo)生根，讓學(xué)生體驗(yàn)從一小塊組織到器官分化，再到生根長(zhǎng)成小植株的全過程。通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以對(duì)細(xì)胞全能性有更深刻的理解，同時(shí)也增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。以往的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做完以后就是寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，然后結(jié)束課程。本院自開展的植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)以來，很多同學(xué)，在課程結(jié)束之后還依然想繼續(xù)觀察，想把自己組織培養(yǎng)得到的小苗移栽，繼續(xù)培養(yǎng)。學(xué)生通過連續(xù)大實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

另一方面，由于實(shí)驗(yàn)之間具有延續(xù)性，后面的實(shí)驗(yàn)要以前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為實(shí)驗(yàn)材料，這就使得學(xué)生們做每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都非常認(rèn)真，非常嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)做不好會(huì)影響后續(xù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，這在無形之中也提高了學(xué)生的責(zé)任心，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度，學(xué)生們組織培養(yǎng)的污染率顯著降低，實(shí)驗(yàn)成功的成就感大大增強(qiáng)。利用這種方式，顯著提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成功率。

（三） 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫作方式

由于我們進(jìn)行的是一系列具有相關(guān)性的大實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫法。植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求以學(xué)術(shù)論文的形式書寫，包括摘要、關(guān)鍵詞、前言（介紹實(shí)驗(yàn)背景）、材料與方法、結(jié)果與分析（要求有圖表展示）、結(jié)論與討論、以及參考文獻(xiàn)等內(nèi)容，這種寫作方法既能讓學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)有更深的理解，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維[6]。植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)雖然實(shí)驗(yàn)是分組進(jìn)行的，一個(gè)小組3～4 位同學(xué)，要求小組同學(xué)要認(rèn)真觀察統(tǒng)計(jì)本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)還要求同學(xué)們不同組之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，從比較中讓學(xué)生更深刻地理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差異的原因，找到自己實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)和不足。因?yàn)榇髮?shí)驗(yàn)是連續(xù)的過程，實(shí)驗(yàn)之間具有關(guān)聯(lián)性，整理出全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后，可以撰寫一篇科研論文，因此植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)的實(shí)施有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力[7]。另外大實(shí)驗(yàn)還設(shè)有完全自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要先查閱文獻(xiàn)，確定培養(yǎng)材料，查找實(shí)驗(yàn)方法，相當(dāng)于完全自主地設(shè)計(jì)一個(gè)科研小課題。在此過程中學(xué)生得到了充分的科研思維鍛煉、寫作能力鍛煉和團(tuán)隊(duì)分工合作能力鍛煉。為以后畢業(yè)論文的撰寫打下了良好的基礎(chǔ)。

（四） 大實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施多元考核方式

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多以交實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核為主，植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)是一門獨(dú)立的課程，60 學(xué)時(shí)，一個(gè)學(xué)分，這就大大提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重視程度。同時(shí)，我們實(shí)施多方面、全方位綜合考核，尤其注重學(xué)生實(shí)際操作能力的考核?？己藘?nèi)容包括四個(gè)主要部分：課前預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作能力、實(shí)驗(yàn)論文的撰寫和平時(shí)成績(jī)（包含考勤和團(tuán)隊(duì)合作精神）[3]。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的考核主要是上課前教師會(huì)提前安排學(xué)生預(yù)習(xí)，查找資料，列出實(shí)驗(yàn)所需的用具和試劑等。實(shí)驗(yàn)操作考核的項(xiàng)目包括：試劑配制、無菌操作、滅菌、材料接種、繼代等等，主要考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的基本規(guī)范。實(shí)驗(yàn)報(bào)告以科研小論文的方式書寫，重點(diǎn)考查學(xué)生的文獻(xiàn)查閱能力、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析能力、特別注重對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析能力考查，考查學(xué)生是否真正理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理、步驟及意義，考查學(xué)生是否能夠查閱文獻(xiàn)與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)對(duì)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中分析透徹，有自身見解的同學(xué)給予鼓勵(lì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高創(chuàng)新能力。平時(shí)成績(jī)的考核包括考勤、做實(shí)驗(yàn)過程中的態(tài)度、做實(shí)驗(yàn)的認(rèn)真程度以及團(tuán)隊(duì)合作能力和統(tǒng)籌能力等。通過多方位的綜合考核措施，改善了以往分組做實(shí)驗(yàn)只有一位同學(xué)操作，其他同學(xué)不動(dòng)手的現(xiàn)象，整體上提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)。

四 植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，仔細(xì)梳理教學(xué)過程，注重實(shí)驗(yàn)之間的漸進(jìn)性和聯(lián)系性，合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：各種常用培養(yǎng)基母液的配制，各種類型培養(yǎng)基的配制與滅菌，不同種類外植體的消毒與接種，不同種類植物愈傷組織的誘導(dǎo)、繼代和分化，細(xì)胞懸浮細(xì)胞系的建立與繼代，植物成熟胚與幼胚的接種，植物快速繁殖，植物原生質(zhì)體游離培養(yǎng)與融合，植物遺傳轉(zhuǎn)化、植物花藥培養(yǎng)技術(shù)、植物細(xì)胞生長(zhǎng)計(jì)量及自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等。通過設(shè)置綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（包含文獻(xiàn)查閱、培養(yǎng)基配方設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備、結(jié)果預(yù)測(cè)與分析），可提高學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力[8]。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)過程中還可以充分融入課程思政元素，例如，在培養(yǎng)基的配制實(shí)驗(yàn)中，講解不同培養(yǎng)基配方的創(chuàng)制過程中有眾多科學(xué)家的不斷探索，經(jīng)過多次試驗(yàn)才得以成功，培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)持不懈的精神。在講解原生質(zhì)體游離培養(yǎng)和融合的實(shí)驗(yàn)時(shí)，與學(xué)生討論能否培育出地上部分結(jié)番茄，地下部分結(jié)花生的新品種？引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新思維，利用細(xì)胞融合技術(shù)可以打破生殖隔離的限制，培育新品種新品系，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在講授植物遺傳轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何看待轉(zhuǎn)基因技術(shù)？引導(dǎo)學(xué)生從轉(zhuǎn)基因技術(shù)的技術(shù)層面和倫理層面進(jìn)行思考，如何使轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用于造福人類。在講授這些時(shí)引導(dǎo)學(xué)生勤于思考，培養(yǎng)科學(xué)思維和辯證分析問題的能力。

五 植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)的成效

植物細(xì)胞工程是生物技術(shù)專業(yè)的主干課程之一，通過大實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，極大地提高了學(xué)生的分析能力、操作能力和寫作能力。學(xué)生普遍反映，通過大實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫的鍛煉，對(duì)學(xué)生畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)的開展和畢業(yè)論文的撰寫有很大的幫助。學(xué)生的科學(xué)思維能力、創(chuàng)新能力都得到了良好的培養(yǎng)。本院的學(xué)生大四都需要到各單位參加實(shí)習(xí)，通過對(duì)各實(shí)習(xí)單位的調(diào)研反饋，普遍認(rèn)為生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)生動(dòng)手能力極強(qiáng)、善于思考、分析問題解決問題的能力強(qiáng)。植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)的實(shí)施體現(xiàn)了良好的教學(xué)效果，切實(shí)提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力。

六 結(jié)語

本文介紹了仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索，探討了植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路、實(shí)施方式及取得的成效。隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)、園藝以及生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用型人才的需求日益增多，這就對(duì)高校人才培養(yǎng)方式提出了更高的要求，不但要求理論扎實(shí)，更要求技術(shù)水平高。通過植物細(xì)胞工程大實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，有效地提高了學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。