“新農科”背景下基因工程課程的改革與創新

方中明

(貴州大學農學院, 貴陽 550025)

現代農業對環境和生產質量提出了更高要求,要求少投入、多產出、高質量。隨著勞動力成本提高和單位面積生產效率放緩,傳統農林學科將難以支撐現代農業發展。要解決這些問題,迫切需要現代生物技術、信息技術和工程技術來改造原有農科專業或設立新農科專業,推進農科與理工文學科深度交叉融合[1]?！靶罗r科”是為解決以上問題于2018年提出的一個新型教育概念[2],其核心要義是通過全面改革人才培養的環節和方式,提升人才培養質量和效果,面向新農業培養多學科交叉融合的農業專業人才,服務國家社會經濟發展?！靶罗r科”的內涵是基于農業農村現代化和創新驅動發展戰略要求,通過推進農業學科與生命科學、信息科學、工程技術等學科的深度交叉和融合,實現知識結構寬、創新能力強、綜合素質高的現代農業領軍人才培養[3]?！靶罗r科”建設目的是重塑農科人才培養體系,聚焦糧食安全、生態文明、智慧農業、營養與健康、鄉村發展等專業領域,是對傳統農林專業的“提檔升級”[4-5]?！靶罗r科”教育是高等農業教育融入產業技術革命、服務國家戰略需求,也是謀劃農業農村現代化發展的必然選擇。

基因工程是現代生物技術的核心課程,主要涉及核酸和蛋白質的相關操作。通過課程學習,學生需掌握基因工程原理和實驗操作技術,熟悉基因工程操作流程,進一步探究動植物生長發育機理、發掘和創造新種質、改良遺傳性狀、減少農作物病蟲害等,最終提高農產品產量、品質和經濟效益[6]?；蚬こ碳夹g在作物種質創新和生物育種方面有廣泛應用[7],通過理論與實踐相結合可以有效提高學生的綜合素質和創新能力,符合國家“新農科”建設需求,可作為傳統農學專業提升的重點建設課程。

為使基因工程融入農學專業并適應“新農科”的建設要求,筆者從2020年開始對傳統基因工程課程開展了創、改、賽“三步法”教學改革,通過3年多的課程建設,目前已取得了較好的實踐成果,具有較大推廣價值。

1 基因工程融入農學專業的困難之處

在實際教學過程中,將基因工程用于“新農科”背景下農學本科專業建設面臨多種困難。首先,已有基因工程課程的教材種類繁多,但內容多偏向動物和微生物方向,植物生產類方向教材少[8]。筆者曾參編的教材《基因工程》(第一版)已出版十年,跟不上基因工程的發展。其次,傳統基因工程課程理論性強,若要完全理解須先掌握生物化學、分子生物學、細胞生物學、微生物學等多門非農課程,而本校農學專業分子生物學課程為專業選修課,且未開設細胞生物學、微生物學等課程,所以本課程對農學本科生來說難度較大[9]。另外,基因工程實驗技術微觀、抽象,農學專業學生對課程內容理解較為困難,這也是生物技術難以進入傳統農學專業面臨的問題。最后,農學本科生其他課程任務較重,容易忽視基因工程課程。

2 創建以生產應用為主線的《基因工程》教材內容體系

“新農科”建設要求培養創新型、復合應用型、實用技能型農業新人才[10]。這就要求在人才培養過程中,需要優化課程體系,強化實踐教學,創新教學方法,要面對當下及未來全球科技革命的浪潮和“三農”發展的需求,打破固有的學科邊界和專業壁壘,提升學生專業技能、綜合素質和創新能力。針對教材應用案例和前沿技術少等問題,筆者采用突出基因工程應用特色的編寫體系,主編出版了《基因工程》教材。教材首先介紹了基因工程常規操作技術、基因工程設計策略及操作流程,使學生掌握基因工程的技術和操作原理。在此基礎上,重點介紹基因工程在農業、畜牧業和養殖業、工業、醫藥衛生及環境保護等領域的最新應用研究和實用技術,以便學生了解基因工程的最新發展動向,開闊學術視野。課程教學內容和主要學時分配見表1,其中,基因工程的應用部分篇幅超過三分之一。同時,還主編出版了《基因工程實驗指南》教材,內容包括DNA、RNA和蛋白質分子的基本操作技術,還包括大腸桿菌、酵母菌、植物和動物基因工程相關的操作技術,以進一步提高學生實驗動手能力,啟發學生創新思維,激發學生學習熱情。所創建以生產應用為主線的基因工程教材內容體系,能夠為培養復合應用型農業人才奠定基礎。

表1 課程教學內容和學時分配Table 1 Contents and time distribution of genetic engineering

3 基于BOPPPS法進行教學改革

BOPPPS法是一種以教育目標為導向,以學生為中心的新型教學模式。BOPPPS的名稱來源于英語單詞在教學模式的6個教學環節中的初始組合,分別為導言(Bridge)、目標(Objective)、前測(Pre-assessment)、參與式學習(Participation)、后測(Post-assessment)和總結(Summary)。BOPPPS教學法注重教學互動和反思的閉環反饋課程設計,并參考學生學習心理和注意力僅能持續大約15 min的特點,將課堂教學過程模塊化分解,有效提高學生學習主動性,幫助教師設計教學內容并提高教學質量,是教師進行教學設計及課堂組織時最為行之有效的設計模式之一[11-12]。針對基因工程課程內容不易理解的問題,運用BOPPPS教學設計,全面修訂了課程大綱、教案和課件,做到以學生知識和技能為中心。其中,基因工程操作常規技術中的聚合酶鏈式反應技術設計內容見表2。

表2 基于BOPPPS教學法課程設計Table 2 Course design based on BOPPPS teaching method

3.1 導言

在課程導言中我們列舉了生活中大量常見的或者可能接觸過的基因工程產品,激發學生學習興趣并幫助學生快速進入課堂。如講解PCR技術時引用新冠病毒的核酸檢測技術;講解農業領域基因工程時引用抗蟲棉和黃金大米的研發;講解醫藥領域基因工程提問新冠病毒疫苗的生產過程是什么樣的。課程內容部分導言見表3。

表3 部分課程章節導言Table 3 Content of introductions to selected course chapters

3.2 學習目標

學習目標主要包括知識目標和能力目標,知識目標是指通過課程學習后學生需要掌握的基本理論知識,能力目標則是學習基本理論知識后能否應用于實踐操作。如在講解聚合酶鏈式反應(PCR)技術時,知識目標為熟悉掌握PCR的原理及應用;能力目標為根據已知長度的目的基因片段,學生能夠設計PCR的實驗步驟。同時,在實驗課程中,讓學生根據設計的實驗步驟進行動手操作。

3.3 前測

前測有助于教師確定授課深度和進度,也有助于學生理解新知識。在授課中根據已學知識和課程內容設置少量題目,包括簡答、選擇和填空等。簡答題讓學生小組討論后選派代表進行回答。選擇和填空題,利用課堂平臺讓學生直接作答。如講解PCR技術時,前測問題設置為體內DNA的半保留復制是什么原理?用到了哪些酶或蛋白?有利于學生建立體內DNA復制過程與體外PCR過程的聯系,達到全面掌握PCR技術原理的目的。再比如講解RNA干擾技術時,前測問題設置為RNA能形成雙鏈結構嗎?能在什么類別RNA中存在?能否替代DNA成為遺傳物質?通過這些問題的設置可以引導學生理解雙鏈RNA誘發的同源mRNA高效特異性降解的RNA干擾技術原理。

3.4 參與式學習

參與式學習是指在課堂學習中,教師圍繞教學目標靈活使用多種教學方法,調動各種教學資源,引導學生主動參與,達成師生交流并啟迪智慧[13]。在課前或導言中提出問題,讓學生帶著問題進入課堂學習。針對較難理解的知識點,通過圖片、視頻和思維導圖方便學生理解。對書本中提及的實驗案例,在課堂中展示相關實驗圖片或步驟,將復雜的實驗過程通過圖解的方式表示出來,利用可視化教學激發學生主動學習的能力,更好地實現課程價值[14]。如書中提及粒型基因(GS3和GS9)對水稻的影響,相應PPT中展示相關科研的最新進展[15]。另外,對基因工程核心技術制作視頻20余個,課堂放映并配套講解以幫助學生理解相關知識。同時,課堂中還引入大量學科前沿知識,如水稻無融合生殖、馬鈴薯雜交育種、新冠疫苗類型及制備原理等;引用大量農業科技案例,如轉基因大豆油、無刺武昌魚等,激發學生對農業科技的興趣。

3.5 后測

后測主要是及時檢驗和評估學生的學習效果,在基因工程課程講解后,以應用題或選擇題方式進行后測練習。例如在講解PCR技術時,讓學生根據冠狀病毒的基因序列設計PCR引物、引物的Tm值和PCR退火溫度、PCR擴增的流程(包括模板的獲得、PCR體系成分和擴增條件),之后根據每個小組的答案進行點評。在講解RNA干擾技術時,提問學生采用學過的什么基因工程技術可以鑒定RNA干擾材料?怎樣判定基因的mRNA被干擾成功?你覺得RNAi技術優勢在哪,又有什么弊端?通過提問并與學生討論后,建立與前面所學實時熒光定量PCR技術的聯系,引發學生對下一步所講解的基因編輯技術的興趣。對比較零碎的知識點,則利用選擇題依托課堂平臺進行,成績納入課程評價考核,科學評價學生知識和技能的掌握情況。

3.6 總結

總結為教師通過簡練的語言對本節課的主要知識點進行梳理回顧,分析其內在和外在的聯系,實現學生對知識的理解與鞏固[11]。例如,在基因工程疫苗研制的授課中,讓學生以小組為單位通過思維導圖的方式對新冠病毒藥物疫苗的研制和開發策略進行原理和流程、步驟分析,既加深學生對課堂知識的理解,又使學生在知識應用上得到鍛煉。

4 組織參與學科競賽

在課堂教學上還利用“互聯網+”的學習思路[16],引導學生獲取互聯網資源,如慕課、APP、微信公眾號、網站,讓學生了解國內外最新理論知識和操作技術、查找和分析生物數據庫等,幫助學生開拓視野、增長見識。還設置以基因工程原理和技術為基礎并結合實際應用的競賽項目,組織學生通過組成興趣小組的形式參與,引導學生參加全國大學生生命科學競賽,班級學生參與度超過40%。學生通過參與討論和解決競賽問題,拓展了學術視野,培養了創新能力和團隊合作意識,激發了科學研究的內在潛力和外在動力,進一步加深對理論知識的理解。在競賽活動中還加深了老師和學生之間的交流,便于了解學生的真實學習情況。通過以上學科競賽的組織、參與,可以有效檢驗生產應用為主線的教學體系的合理性和課堂中使用BOPPPS法教學設計的可行性,最終達到教學活動的實效性。

5 教學創新成效和成果

教學創新要解決的核心問題是基因工程傳統課程內容不易理解、應用實例少。課程改革后,所有學生反映課程內容的難度沒有想象中的大,教材容易理解、趣味性強,學習后科學認知水平得到了極大提升,課程綜合滿意度超過95%。對教材、課件、考核方式的滿意度均在90%以上,在調查的所有指標中學生沒有不滿意的現象(表4)。以往農學本科專業學生認為“全國大學生生命科學競賽”專業性強、難度大、對生物技術要求高,獲獎無望。通過課程教學創新改革之后,報名競賽的學生逐漸增多。2021年和2022年,筆者指導的農學專業本科生參加“全國大學生生命科學競賽”獲全國一等獎(1項)、二等獎(1項)、三等獎(1項),全省一等獎(2項)、全省三等獎(1項),本科生在此類競賽上獲獎取得突破。

表4 2022—2023年度基因工程教學滿意度調查Table 4 Genetic engineering teaching satisfaction survey, 2022—2023

教學創新面臨的最大難題是學生對課程選課積極性不高、課程考試成績不理想。課程改革從2020年至今,農學專業本科生每年基因工程選課人數超過50人[圖1(a)],超過農學專業學生總人數的95%,學生選課及興趣逐漸提高。教學改革后學生的考試成績也有明顯提高,不及格學生人數占比從2019年的30%左右降至0,優秀學生從0升至10.7%,良好學生人數也有了大幅度上升[圖1(b)]。通過基因工程課程學習,農學專業本科生學農熱情和自信心提高。另外,筆者以本課程為授課對象,還獲得了貴州大學第三屆教師教學創新大賽二等獎和貴州大學農學院第三屆教師教學創新大賽一等獎。

(a)不同學年度學生選課人數;(b)不同學年度學生成績分布圖(優秀:90分以上,良好:80～89分,中等:70～79分,及格:60～69分,不及格:60分以下)。圖1 課程創新成果Figure 1 Curriculum innovation results

6 教學總結

基因工程是生物技術核心課程,能夠改良傳統農業生產方式,提高生產效率[17],符合“新農科”建設需求。但農學專業本科生分子生物學基礎薄弱,對抽象的基因工程技術難以理解,使用傳統的基因工程教學體系很難取得教學效果。有教學工作者將基因工程相關技術融入農學專業的相關課程中,如植物細胞培養[18]、動物分子育種[19]等,降低了教學難度,獲得了不錯的成效。本文在此基礎上,從基因工程課程的教材、教學和教輔3個方面全面進行了教學改革與創新,通過創、改、賽“三步法”教學改革(圖2),包括課前創建以生產應用為主線的教學體系,課堂中使用BOPPPS法進行教學設計,課后主抓學科競賽以達到賽教相輔、以賽促教的目的。

圖2 “三步法”改革基因工程課程以適應“新農科”建設需求Figure 2 “Three-step approach” to reform the “genetic engineering” course to meet the needs of the “new agricultural science” construction

本課程教學改革與創新實現了課前、課中和課后三個教學環節的有機銜接,檢測了教學體系的合理性、教學設計的可行性和教學輔導的實效性,使整個課程更適合農學專業學生學習,并適應國家“新農科”建設新需求,為“新農科”建設體系中農業創新型高素質人才培養打下了良好的基礎。