“植物分子育種”課程案例教學(xué)改革與實(shí)踐

宿俊吉，楊德龍，王彩香，陳 濤，栗孟飛

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

案例教學(xué)法是美國哈佛大學(xué)法學(xué)院首次提出的一種開放式、互動(dòng)式的新型教學(xué)方式。案例教學(xué)主要包括兩方面的內(nèi)容：第一，教師課前選擇編寫案例，并使用案例指導(dǎo)學(xué)生提前預(yù)習(xí)；第二，課堂上組織學(xué)生討論，形成互動(dòng)與交流，通過各種知識、信息、觀點(diǎn)的交匯融合，達(dá)到啟示理論和思維的目的。案例教學(xué)法是以學(xué)生為中心的、使學(xué)生學(xué)習(xí)變被動(dòng)為主動(dòng)的教學(xué)方式，將傳統(tǒng)“灌輸式”方法改變?yōu)椤盎?dòng)式”教學(xué)，能顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)功效。案例教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)在于能將復(fù)雜問題簡單化，使抽象的問題淺顯易懂，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?；诖朔N優(yōu)點(diǎn)案例教學(xué)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于法學(xué)、理學(xué)、工學(xué)、醫(yī)學(xué)等專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中，并取得了較好的教學(xué)效果。隨著植物基因組學(xué)、分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)等學(xué)科快速發(fā)展，這些基礎(chǔ)學(xué)科研究成果應(yīng)用推動(dòng)了植物分子育種的發(fā)展，加快了育種速度，提高了育種效率，成為當(dāng)今植物育種的重要發(fā)展趨勢，即形成了多學(xué)科交叉發(fā)展的“植物分子育種”課程。該課程體系以遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)、生物信息學(xué)為基礎(chǔ)，以基因工程、分子標(biāo)記輔助育種、分子設(shè)計(jì)育種原理與技術(shù)作為知識體系，來支撐植物遺傳改良理論與技術(shù)，是一門涉及多領(lǐng)域多學(xué)科知識的綜合性應(yīng)用課程?！爸参锓肿佑N”作為前沿性專業(yè)課程，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)主要面向生物學(xué)、作物學(xué)等學(xué)科碩士研究生開設(shè)，該課程從植物轉(zhuǎn)基因育種、基因編輯技術(shù)、分子標(biāo)記輔助選擇育種和全基因組分子設(shè)計(jì)育種等四個(gè)方面，系統(tǒng)建立“植物分子育種”的知識結(jié)構(gòu)，使碩士研究生能運(yùn)用所學(xué)的基本理論和方法，解決現(xiàn)代植物育種領(lǐng)域研究中的實(shí)際問題。

一、“植物分子育種”課程在碩士研究生教學(xué)中存在的主要問題

隨著基因組測序技術(shù)快速發(fā)展，越來越多農(nóng)作物物種完成了全基因組測序，基因挖掘、基因功能及其調(diào)控機(jī)制等相關(guān)研究已成為熱點(diǎn)，植物育種已經(jīng)進(jìn)入分子育種階段。然而當(dāng)前的“植物分子育種”教學(xué)方法研究相對滯后，主要存在以下三個(gè)方面的問題：（1）由于植物分子育種是從分子水平探討育種的方法，內(nèi)容較為微觀、抽象，僅采用灌輸式課堂講授上述各章節(jié)的理論知識點(diǎn)，學(xué)生理解內(nèi)容的難度較大。（2）“植物分子育種”是一門理論和實(shí)踐結(jié)合較強(qiáng)的課程，其課程的教學(xué)內(nèi)容主要由理論和實(shí)踐兩個(gè)部分組成，實(shí)踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)更為重要。然而目前該課程的教學(xué)重點(diǎn)集中在理論知識點(diǎn)的講授上，研究生的實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)有待提高。（3）傳統(tǒng)的灌輸式課堂教學(xué)存在較大的缺陷，缺乏互動(dòng)式的課堂，難以激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。因此，如何讓全部研究生參與課堂教學(xué)與實(shí)踐的全過程，是目前“植物分子育種”應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)。因此，基于“植物分子育種”課程本身的知識新穎性、交叉性、抽象性、實(shí)踐性等特點(diǎn)，很有必要改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，從灌輸式向互動(dòng)式教學(xué)轉(zhuǎn)變，建立以“學(xué)生發(fā)展為中心”的教學(xué)模式，培養(yǎng)碩士研究生深厚的理論知識和實(shí)踐創(chuàng)新能力，更有利于研究生獨(dú)立開展本專業(yè)相關(guān)科學(xué)研究工作。

二、案例教學(xué)在“植物分子育種”課程教學(xué)中應(yīng)用的必要性

隨著分子生物學(xué)、基因工程、生物信息學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，傳統(tǒng)植物育種方法不斷整合新知識、新技術(shù)，逐步發(fā)展形成了現(xiàn)代植物分子育種技術(shù)體系。如何將現(xiàn)代植物分子育種理論充分應(yīng)用于實(shí)踐創(chuàng)新，是生物學(xué)、作物學(xué)等學(xué)科碩士研究生高質(zhì)量培養(yǎng)亟待解決的問題。因此，開展“植物分子育種”課程教學(xué)改革迫在眉睫。近年來興起的案例式教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)術(shù)性與實(shí)踐性的高度統(tǒng)一，其特點(diǎn)是以培養(yǎng)研究生的實(shí)踐創(chuàng)新能力為核心，加強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。此外，案例教學(xué)的實(shí)施前提是理念到位，讓研究生置身于真實(shí)的情境中，通過深度參與將已有的知識和案例相結(jié)合，轉(zhuǎn)化為理論與實(shí)踐并舉的學(xué)習(xí)模式。因此，系統(tǒng)總結(jié)植物分子育種核心技術(shù)方面的典型教學(xué)案例，對于提高“植物分子育種”研究生課程的教學(xué)質(zhì)量，全面培養(yǎng)研究生的動(dòng)手能力、獨(dú)立科研和創(chuàng)新能力等方面至關(guān)重要。

三、“植物分子育種”課程教學(xué)案例的建設(shè)

根據(jù)“植物分子育種”課程要求和教學(xué)目標(biāo)，聚焦本課程的核心內(nèi)容進(jìn)行案例庫設(shè)計(jì)與構(gòu)建。在案例內(nèi)容設(shè)計(jì)中，要求知識背景清晰，教學(xué)主題明確，內(nèi)容翔實(shí)，過程完整。為此，本課程緊密結(jié)合植物分子育種理論基礎(chǔ)和發(fā)展前沿，針對植物轉(zhuǎn)基因育種、基因編輯技術(shù)、分子標(biāo)記輔助選擇育種和作物全基因組分子設(shè)計(jì)育種的授課內(nèi)容，從知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)等方面分別總結(jié)了與其對應(yīng)的四個(gè)案例，其詳細(xì)的案例內(nèi)容見表1。

表1 “植物分子育種”課程教學(xué)中使用案例的內(nèi)容

在“植物轉(zhuǎn)基因育種”案例模塊中，教學(xué)內(nèi)容主要包括植物轉(zhuǎn)基因的研究背景和應(yīng)用現(xiàn)狀、基因同源克隆、遺傳轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)基因植株鑒定的原理和方法。通過“理論學(xué)習(xí)+場景設(shè)計(jì)+實(shí)驗(yàn)操作”案例教學(xué)環(huán)節(jié)，讓研究生以植物分子育種工作人員的角色進(jìn)入教學(xué)場景，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，開展外源目的基因克隆及遺傳轉(zhuǎn)化等方面實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生提前預(yù)測設(shè)計(jì)獲得轉(zhuǎn)基因植株分子鑒定的圖譜，確定轉(zhuǎn)基因后代的分子鑒定方法。通過本案例教學(xué)不僅讓研究生掌握目的基因遺傳轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)基因陽性植株鑒定的原理和方法等知識，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生自己動(dòng)手，協(xié)作實(shí)驗(yàn)和預(yù)判實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力，增強(qiáng)他們對植物轉(zhuǎn)基因育種的創(chuàng)新意識。在“植物基因編輯育種”案例模塊中，教學(xué)內(nèi)容主要包括植物基因編輯的研究背景和種質(zhì)創(chuàng)新應(yīng)用現(xiàn)狀、CRISPR／Cas9系統(tǒng)的作用原理及優(yōu)化方案、突變體鑒定方法等。通過“理論學(xué)習(xí)+場景設(shè)計(jì)+在線模擬與預(yù)測”的案例教學(xué)環(huán)節(jié)，讓研究生系統(tǒng)掌握植物基因編輯理論，通過在線模擬與預(yù)測實(shí)訓(xùn)，系統(tǒng)培養(yǎng)他們的植物基因編輯育種創(chuàng)新能力及能夠與時(shí)俱進(jìn)、接受新事物的發(fā)展理念。在“植物分子標(biāo)記輔助選擇育種”案例模塊中，教學(xué)內(nèi)容主要包括植物分子標(biāo)記輔助選擇育種的研究背景及其應(yīng)用現(xiàn)狀、分子標(biāo)記的原理和應(yīng)用策略等。通過“理論學(xué)習(xí)+場景設(shè)計(jì)+實(shí)驗(yàn)操作”案例教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生系統(tǒng)掌握植物分子標(biāo)記類型、基因定位方法、優(yōu)異等位變異挖掘、分子標(biāo)記開發(fā)及應(yīng)用育種等理論與技術(shù)，培養(yǎng)他們主動(dòng)收集資料、閱讀文獻(xiàn)、協(xié)作實(shí)干、總結(jié)知識和技術(shù)應(yīng)用的綜合能力。在“植物全基因組分子設(shè)計(jì)育種”案例模塊中，教學(xué)內(nèi)容主要包括植物全基因組分子設(shè)計(jì)育種研究背景及其應(yīng)用現(xiàn)狀、基因組學(xué)原理與技術(shù)、分子模塊設(shè)計(jì)育種的原理及相關(guān)技術(shù)。通過“理論學(xué)習(xí)+場景設(shè)計(jì)+計(jì)算機(jī)模擬”的案例教學(xué)環(huán)節(jié)，讓研究生利用生物信息學(xué)平臺找出現(xiàn)有作物品種的優(yōu)異基因型，利用其優(yōu)異基因設(shè)計(jì)目標(biāo)品種基因型，并制定其設(shè)計(jì)品種的育種方案。該分子設(shè)計(jì)育種過程就是利用計(jì)算機(jī)對育種程序中的諸多因素進(jìn)行模擬、篩選和優(yōu)化，提出最佳符合育種目標(biāo)的基因型以及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基因型的親本選配和后代選擇策略。通過該案例式教學(xué)，使學(xué)生深刻掌握農(nóng)作物分子模塊設(shè)計(jì)育種的原理及實(shí)施步驟，培養(yǎng)他們利用生物信息學(xué)、設(shè)計(jì)育種技術(shù)等平臺開展創(chuàng)新研究的能力，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新活力。

四、案例教學(xué)實(shí)踐及其效果

針對內(nèi)容復(fù)雜、微觀抽象的課程，實(shí)施案例教學(xué)法能顯著提升課堂教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果。在案例教學(xué)中，教師作為“導(dǎo)演”可采取多種教學(xué)方法和手段來組織教學(xué)活動(dòng)，充分發(fā)揮案例教學(xué)法的優(yōu)勢。在“植物分子育種”課程案例教學(xué)實(shí)踐中，通過建立QQ或微信群，提前發(fā)布課程相關(guān)教學(xué)大綱、課程案例、相關(guān)教學(xué)補(bǔ)充資料和思考題，讓研究生熟悉課程內(nèi)容和課程要求，提前進(jìn)行案例預(yù)習(xí)，增強(qiáng)研究生對該課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和求知欲。在課堂教學(xué)中，通過理論知識講授、案例展示、分組討論案例內(nèi)容，將研究生快速引入到案例場景，增強(qiáng)案例感性認(rèn)知。同時(shí)，通過模塊案例教學(xué)設(shè)計(jì)，要求研究生查閱資料，分組討論，師生交流，制定個(gè)性化案例實(shí)踐方案。在實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)研究生獨(dú)立思考，積極嘗試用所學(xué)知識來解決實(shí)踐中存在的問題，最終形成統(tǒng)一解決方案并實(shí)施，使研究生對案例的理解從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，達(dá)到了課程教學(xué)的要求。

通過案例教學(xué)在“植物分子育種”課程教學(xué)改革中的實(shí)踐探索，徹底改變了以講授為主、“填鴨式”教學(xué)的傳統(tǒng)模式，建立了“以研究生為中心，注重理論與實(shí)踐創(chuàng)新并舉培養(yǎng)”的教學(xué)理念。在案例教學(xué)過程中，以案例呈現(xiàn)和情景模擬與實(shí)操為紐帶，通過師生互動(dòng)、生生合作，使研究生在理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐創(chuàng)新之間架起溝通的橋梁，縮短從理論到實(shí)踐的距離，幫助研究生更加容易地理解從基因到種質(zhì)創(chuàng)新及品種選育的轉(zhuǎn)化過程。同時(shí)，通過研究生分組討論、合作交互學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課程論文撰寫等方式的課程學(xué)習(xí)效果考察，發(fā)現(xiàn)案例教學(xué)有利于研究生理解和應(yīng)用抽象的理論知識來解決實(shí)際問題，激發(fā)了研究生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，系統(tǒng)鍛煉了研究生對植物分子育種等相關(guān)知識文獻(xiàn)資料查閱、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課程論文撰寫、語言表達(dá)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的綜合能力。通過案例教學(xué)的實(shí)施，不僅增強(qiáng)了研究生對理論知識和學(xué)科前沿發(fā)展的掌握程度，同時(shí)提升了他們發(fā)現(xiàn)問題、分析分體、解決問題的能力以及實(shí)踐創(chuàng)新意識。

通過對“植物分子育種”課程核心內(nèi)容案例設(shè)計(jì)和案例庫建設(shè)，以研究生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為中心，實(shí)施師生互動(dòng)案例教學(xué)法，充分調(diào)動(dòng)了研究生學(xué)習(xí)“植物分子育種”課程的興趣和求知的欲望，顯著提升了研究生從主動(dòng)學(xué)習(xí)到自主鉆研分析和解決植物分子育種問題的能力。案例教學(xué)在“植物分子育種”課程教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的缺陷，增強(qiáng)了研究生的創(chuàng)新意識與能力，有助于進(jìn)一步深化高層次人才培養(yǎng)教育教學(xué)改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。