農(nóng)學(xué)專業(yè)《植物基因組學(xué)》“生信+作物”多維教學(xué)模式的研究

黎 珉，劉二寶，李瑞清，石英堯

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 安徽，合肥 230036）

自20 世紀(jì)末人類基因組被測序以來，整個(gè)生命科學(xué)研究都處在“基因組浪潮”中。植物科學(xué)研究亦緊隨大勢，1999—2002 年間完成了模式植物擬南芥及模式作物水稻的全基因組序列精確測定，開啟了植物基因組的新紀(jì)元。隨著新一代測序技術(shù)的飛速發(fā)展和測序成本的不斷降低，針對多個(gè)或大規(guī)模植物基因組的測序和重測序已經(jīng)愈發(fā)常見和成熟。迄今已發(fā)表的全基因組被測序的植物近400 種，人們可以更多地基于基因組及其變異數(shù)據(jù)，系統(tǒng)深入地解析植物的遺傳多樣性及其復(fù)雜的內(nèi)在規(guī)律。植物基因組學(xué)的快速發(fā)展極大地推動(dòng)了整個(gè)植物科學(xué)的發(fā)展。研究植物基因組學(xué)已成為植物科學(xué)研究的核心，特別是植物遺傳學(xué)研究的核心[1，2]。

在這一背景下，農(nóng)學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)方案也有了新的變化，從以往的以傳統(tǒng)（經(jīng)典）遺傳育種學(xué)為主逐步擴(kuò)大到包含了基因組學(xué)、生物技術(shù)、生物信息學(xué)等前沿技術(shù)的“新農(nóng)科”，范圍拓展到作物精確育種、作物生產(chǎn)前沿及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展專題、智慧農(nóng)業(yè)理論與產(chǎn)業(yè)等前沿課程。新農(nóng)科專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)重點(diǎn)之一也是將學(xué)生訓(xùn)練具備作物遺傳育種及相關(guān)作物生產(chǎn)方面的核心理論、前沿知識和主要技能的創(chuàng)新型、復(fù)合應(yīng)用型科學(xué)技術(shù)人才。對于農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生來說，接觸最多的作物屬于植物科學(xué)的重要部分，認(rèn)識作物基因組及相關(guān)遺傳知識，不僅是專業(yè)培養(yǎng)的需要，更是深入研究作物表型及相關(guān)機(jī)理的基礎(chǔ)，所以在農(nóng)學(xué)專業(yè)開設(shè)《植物基因組學(xué)》十分必要[2，3]。

同時(shí)，在當(dāng)前疫情防控常態(tài)化時(shí)期，對于高校來說，線上教學(xué)已由“不得已”變?yōu)椤安豢苫蛉薄保饾u從一種“應(yīng)急模式”轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N“常規(guī)操作”。線上教學(xué)作為線下教學(xué)的有效互補(bǔ)方式已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，“線上+線下”教學(xué)模式也慢慢成為教學(xué)研究的重點(diǎn)之一，也是今后教學(xué)改革的發(fā)展趨勢[4]?；谇捌诮虒W(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和課程面臨的諸多問題，本文旨在探討一種“多維度”教學(xué)模式[5]，首先是課程互融：如何將生物信息學(xué)的基本概念和分析方法融入《植物基因組學(xué)》課程教學(xué)中，以作物為核心對象，結(jié)合基因組研究的最新進(jìn)展和課程思政，通過一系列手段提升課堂教學(xué)效果；其次是“線上+線下”互融：豐富完善課程線上模塊的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)“生信+作物”模式的核心理念，并豐富課程內(nèi)容及考核方式，為《植物基因組學(xué)》在農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過程中的課程建設(shè)提供有益參考，為學(xué)生進(jìn)入研究生階段起到更好的橋梁作用。

1 農(nóng)學(xué)專業(yè)《植物基因組學(xué)》課程面臨的問題

1.1 課程相關(guān)基礎(chǔ)薄弱

前期，在本院農(nóng)學(xué)專業(yè)進(jìn)行的《植物基因組學(xué)》課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的突出問題是，課程中有很多內(nèi)容涉及生物信息（生信）學(xué)，而農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生生物信息學(xué)基礎(chǔ)幾乎沒有，比如涉及到基因組測序、組裝及變異檢測部分內(nèi)容，如果沒有序列比對的基礎(chǔ)概念，學(xué)生往往很難聽懂，對課程理解存在困難。植物基因組學(xué)也是與生物信息學(xué)結(jié)合最為緊密的課程。因?yàn)槎鄶?shù)概念存在交叉和從屬關(guān)系，大多學(xué)生在首次授課后的反饋中均表示“不是很懂”，感覺很多知識“很有用”，但具體不明白是什么或者為什么。

1.2 適合本科學(xué)習(xí)的教材缺乏

相對于植物基因組研究的飛速發(fā)展，《植物基因組學(xué)》相關(guān)教材相對滯后，2020年由浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院樊龍江教授主編的《植物基因組學(xué)》歷時(shí)三年精心編寫正式出版，為國內(nèi)第一本植物基因組學(xué)領(lǐng)域教材，也是一本系統(tǒng)、前沿和權(quán)威的植物基因組學(xué)的教科書，內(nèi)容整體相對偏向研究生使用。如何針對豐富的課程內(nèi)容進(jìn)一步篩選和設(shè)計(jì)，針對農(nóng)學(xué)本科不同專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行選擇性講授也是很有必要的。

1.3 線上教學(xué)模塊建設(shè)不足

在我國目前疫情防控常態(tài)化的局勢下，線上教學(xué)變得愈發(fā)重要，目前比較常用的線上教學(xué)軟件（模式）有騰訊課堂、雨課堂、超星學(xué)習(xí)通等，老師們多通過在線授課結(jié)合線上答疑的方式進(jìn)行教學(xué)。但線上教學(xué)也存在師生互動(dòng)性弱，學(xué)生注意力不集中等問題，同時(shí)也受到網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備限制，影響教學(xué)效果。針對我校農(nóng)學(xué)專業(yè)《植物基因組學(xué)》課程來說，之前基于線上教學(xué)進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)課程模塊的建設(shè)相對不足，也在一定程度上制約了線上線下協(xié)同教學(xué)模式的順利開展。

1.4 考核方式單一

農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生多數(shù)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)課程，考核方式仍多以課后作業(yè)（平時(shí)成績）和課程試卷（期末考試）為主，植物基因組學(xué)課程相對于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)課程，更加注重學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)的理解和運(yùn)用，特別是對科學(xué)思維、邏輯思維以及解決科學(xué)問題能力的培養(yǎng)，如果只是對課程中的原始概念進(jìn)行死記硬背，對該課程的掌握很難達(dá)到預(yù)期效果[6]。在以往的考核中我們也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對各類“組學(xué)”概念理解不夠，特別是對“序列”相關(guān)（比對，變異檢測）知識點(diǎn)缺乏實(shí)際認(rèn)識，即便背下來考出“不錯(cuò)”的卷面成績，課后也反映無法真正弄懂，希望更有更多的實(shí)際分析的機(jī)會(huì)和更加靈活的考核方式。

1.5 課程思政結(jié)合不夠

“課程思政”指以構(gòu)建“三全”育人格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把“立德樹人”作為教育的根本任務(wù)的一種綜合教育理念。課程思政提出和實(shí)施的時(shí)間雖然不長，但已作為重要的教學(xué)改革內(nèi)容為各大高校各個(gè)學(xué)科進(jìn)行積極探索[7]。就植物基因組課程本身而言，成熟的“課程思政”路線還未形成。結(jié)合前期課程實(shí)踐及信息整理，目前農(nóng)林高校植物基因組學(xué)“課程思政”面臨的主要問題包括：缺乏豐富及合適的“課程思政”內(nèi)容；“課程”和“思政”結(jié)合不夠；教學(xué)內(nèi)容中如何有效“浸潤”思政內(nèi)容，存在方式方法上的不足。師生也普遍反映課程思政部分內(nèi)容“生硬”，銜接不自然，教學(xué)和思政育人效果不夠理想。

2 農(nóng)學(xué)專業(yè)《植物基因組學(xué)》多維教學(xué)模式

針對上述問題，我們從課程內(nèi)容、講義設(shè)計(jì)、教學(xué)模式、考核方式和思政融合等方面探索并提出了農(nóng)學(xué)專業(yè)《植物基因組學(xué)》“生信+作物”多維教學(xué)模式。

2.1 “生信”+補(bǔ)充課程基礎(chǔ)

針對農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生生信基礎(chǔ)薄弱問題，講授《植物基因組學(xué)》課程時(shí)，嘗試將概念回歸到《生物信息學(xué)》中。比如生信中的測序技術(shù)發(fā)展、序列比對、基因注釋及預(yù)測等，正是《植物基因組學(xué)》中基因組重測序、變異種類和基因結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)，涉及相關(guān)核心及難點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行概念單獨(dú)講解，再返回到課程中聯(lián)系應(yīng)用在《植物基因組學(xué)》課程中，當(dāng)講到作物時(shí)，結(jié)合主要作物基因組的最新研究進(jìn)展，引導(dǎo)學(xué)生深入理解基因組結(jié)構(gòu)的差異（多倍體事件頻率、結(jié)構(gòu)變異、重復(fù)序列比例、編碼基因數(shù)量等）。這兩門課因?yàn)殚_設(shè)在同一學(xué)期，既可以融會(huì)貫通加深理解，又可以起到良好的復(fù)習(xí)效果?！吧?作物”的嘗試，既給了學(xué)生直觀的生物信息層面的理解，相對于經(jīng)典作物遺傳育種學(xué)，又補(bǔ)充了作物基因組的最新知識。

2.2 內(nèi)容調(diào)整及思政融合

針對現(xiàn)有教材偏重于研究生及課程思政結(jié)合不足的問題，嘗試從以下兩面進(jìn)行解決：（1）篩選重排課程內(nèi)容，完善課程講義：基于課程已有教材，調(diào)整內(nèi)容設(shè)置和難度，篩選適合本科生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識部分，并結(jié)合部分重要交叉及最新前沿內(nèi)容，如在原有基礎(chǔ)上，繼續(xù)以作物基因組為“各論”為核心內(nèi)容，持續(xù)吸納近年植物基因?qū)W最新文章和典型案例（如大豆/水稻高質(zhì)量/超級泛基因組構(gòu)建、馬鈴薯/番茄基因組進(jìn)化及遺傳力研究等），圍繞“厚基礎(chǔ)、提方法、抓重點(diǎn)”完善課程教學(xué)大綱，修訂教學(xué)計(jì)劃，修改總結(jié)適合農(nóng)學(xué)本科專業(yè)的《植物基因組學(xué)》講義。（2）課程思政浸潤，內(nèi)容“提質(zhì)增效”：課程持續(xù)關(guān)注植（作）物基因組及生物信息學(xué)前沿，重點(diǎn)介紹其中中國科學(xué)家艱苦卓越的研究工作，注重融合“作物基因組+中國力量+種業(yè)振興”的思政元素，讓學(xué)生了解我國在作物基因組學(xué)領(lǐng)域位于世界領(lǐng)先水平，激發(fā)科研自信和民族自豪感。圍繞農(nóng)學(xué)專業(yè)新農(nóng)科復(fù)合交叉型雙創(chuàng)人培養(yǎng)需求，打造內(nèi)容全面、導(dǎo)向明確、思政濃厚、學(xué)生喜愛的高質(zhì)量課程。

2.3 線上線下并行

鑒于近年疫情常態(tài)化下推行線上課程的總體要求及課程線上教學(xué)模式建設(shè)不足問題，我們利用校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)（超星學(xué)習(xí)通）同步建立《生物信息學(xué)》和《植物基因組學(xué)》兩門課程的線上模塊，初步將“生信+”引入課程模塊之中，構(gòu)建各分類內(nèi)容。如“課程必備生信”，實(shí)時(shí)補(bǔ)充課程需要的各類生物信息基礎(chǔ)知識和軟件技巧；“課程前沿”，定期推送植物基因組最新文獻(xiàn)；“資源共享”，分享相關(guān)線上資源及重要數(shù)據(jù)；開設(shè)“課程評價(jià)”，學(xué)生課后可在線對本次課程進(jìn)行實(shí)時(shí)評價(jià)（打分）；“線上答疑”，定期進(jìn)行課程相關(guān)問題的線上答疑（QQ/微信群同步），拓展線下課程的時(shí)空局限，加強(qiáng)師生的及時(shí)互動(dòng)。鑒于學(xué)生普遍反映課程中生物信息相關(guān)知識點(diǎn)缺乏實(shí)踐操作，在線上引入“生信實(shí)戰(zhàn)”模塊，將服務(wù)器基礎(chǔ)使用操作演練及一些常用分析軟件進(jìn)行打包整合，由學(xué)生自主下載觀看使用。基于本地操作結(jié)合在線演示，學(xué)生自主學(xué)習(xí)相關(guān)分析流程，并根據(jù)掌握情況，逐步分批開放服務(wù)器遠(yuǎn)程操作供學(xué)生練習(xí)。不斷打磨“課程雙向”“線上線下”的多維模式，并注重實(shí)時(shí)掌握該教學(xué)模式在農(nóng)學(xué)專業(yè)理論教學(xué)中的效果。

2.4 綜合考核模式，適度課堂反轉(zhuǎn)

針對以往考核過程單一和學(xué)生對知識點(diǎn)掌握不夠靈活的問題，我們采取了以下一些措施：（1）豐富題庫，基于線上課程模塊，不斷更新線上題庫及題目類型（填空、判斷、選擇、論述等），并根據(jù)課程進(jìn)度采取“一章一測”，老師根據(jù)題庫隨機(jī)組合，學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成后提交，系統(tǒng)實(shí)時(shí)給出分?jǐn)?shù)，老師及時(shí)檢驗(yàn)學(xué)生知識掌握程度。（2）期中匯報(bào)，期中讓學(xué)生根據(jù)課程相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合熱點(diǎn)前沿進(jìn)展及個(gè)人收獲體會(huì)進(jìn)行5—10分鐘PPT匯報(bào)，在分享前沿，總結(jié)問題的同時(shí)，也鍛煉了學(xué)生的課件制作及表達(dá)能力。日常測試和期中匯報(bào)作為重要平時(shí)分計(jì)入期末綜合測評。（3）期末考核：以“專題測試+課程論文”考核方式，讓學(xué)生圍繞植物基因組學(xué)的某一個(gè)方面（熱點(diǎn)），進(jìn)行文獻(xiàn)檢索并基于課程掌握完成專題報(bào)告或課程論文，考查學(xué)生對課程掌握程度并鍛煉科技論文的寫作能力。

3 教學(xué)模式總結(jié)及效果

植物基因組學(xué)是我院農(nóng)學(xué)本科專業(yè)的一門專業(yè)選修課，該課程設(shè)置及教材內(nèi)容主要是面向研究生（未來從事科學(xué)研究）以及對基因組學(xué)領(lǐng)域研究感興趣的同學(xué)開設(shè)，學(xué)習(xí)難度相對偏大。基于前期教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)，我們在《植物基因組學(xué)》授課過程中，首先對課程內(nèi)容進(jìn)行整合形成難度適合本科生的講義，重點(diǎn)將生信基本概念和分析方法與《植物基因組》課程進(jìn)行雙向融合，以作物為核心，結(jié)合基因組研究的最新進(jìn)展，通過經(jīng)典論文（研究案例）解析，課堂翻轉(zhuǎn)（學(xué)生PPT匯報(bào)）、課程思政融入等方式提升課堂教學(xué)效果，同時(shí)基于“線上線下”多元化建設(shè)，將“生信+作物”理念深植課程模塊中，形成一套多維教學(xué)模式和方法體系，為《植物基因組學(xué)》在農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)過程中的課程建設(shè)提供有益參考。同時(shí)考慮到，學(xué)生后面進(jìn)入到研究生階段，大多要接觸到作物基因組學(xué)及相關(guān)生物信息分析，上述嘗試也為學(xué)生進(jìn)入研究生階段起到更好的橋梁和鋪墊作用。

《植物基因組學(xué)》課程在嘗試推行“生信+作物”多維教學(xué)模式后，近三年時(shí)間，學(xué)生對課程認(rèn)知和喜愛程度明顯升高，認(rèn)為選這門課“很值”；在同步補(bǔ)充生信的基礎(chǔ)下，學(xué)生逐步對課程內(nèi)容不再生澀，覺得教學(xué)內(nèi)容比較新穎前沿，很有意思。不少學(xué)生選課后對基因組學(xué)、生物信息學(xué)產(chǎn)生濃厚興趣，繼續(xù)學(xué)習(xí)擴(kuò)展，為后續(xù)參加中國科學(xué)院或知名農(nóng)業(yè)類高校舉辦的夏令營活動(dòng)提供了良好基礎(chǔ)，其中多名同學(xué)獲得了保研深造的機(jī)會(huì)；選課人數(shù)逐年增多，目前已達(dá)到年均80人次；多維模式互融下，相對其他傳統(tǒng)課程，師生互動(dòng)程度更高，學(xué)習(xí)更加主動(dòng)和積極，同時(shí)在課程思政的浸潤下，學(xué)生更加充滿“為國讀書強(qiáng)國有我”的責(zé)任感和使命感，從而更加努力提升課程專業(yè)水平，整體上獲得了很好的教學(xué)效果。