方中明

(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 貴陽 550025)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境和生產(chǎn)質(zhì)量提出了更高要求,要求少投入、多產(chǎn)出、高質(zhì)量。隨著勞動(dòng)力成本提高和單位面積生產(chǎn)效率放緩,傳統(tǒng)農(nóng)林學(xué)科將難以支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。要解決這些問題,迫切需要現(xiàn)代生物技術(shù)、信息技術(shù)和工程技術(shù)來改造原有農(nóng)科專業(yè)或設(shè)立新農(nóng)科專業(yè),推進(jìn)農(nóng)科與理工文學(xué)科深度交叉融合[1]。“新農(nóng)科”是為解決以上問題于2018年提出的一個(gè)新型教育概念[2],其核心要義是通過全面改革人才培養(yǎng)的環(huán)節(jié)和方式,提升人才培養(yǎng)質(zhì)量和效果,面向新農(nóng)業(yè)培養(yǎng)多學(xué)科交叉融合的農(nóng)業(yè)專業(yè)人才,服務(wù)國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！靶罗r(nóng)科”的內(nèi)涵是基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略要求,通過推進(jìn)農(nóng)業(yè)學(xué)科與生命科學(xué)、信息科學(xué)、工程技術(shù)等學(xué)科的深度交叉和融合,實(shí)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)寬、創(chuàng)新能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)軍人才培養(yǎng)[3]?！靶罗r(nóng)科”建設(shè)目的是重塑農(nóng)科人才培養(yǎng)體系,聚焦糧食安全、生態(tài)文明、智慧農(nóng)業(yè)、營養(yǎng)與健康、鄉(xiāng)村發(fā)展等專業(yè)領(lǐng)域,是對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)林專業(yè)的“提檔升級(jí)”[4-5]?！靶罗r(nóng)科”教育是高等農(nóng)業(yè)教育融入產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命、服務(wù)國家戰(zhàn)略需求,也是謀劃農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展的必然選擇。

基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心課程,主要涉及核酸和蛋白質(zhì)的相關(guān)操作。通過課程學(xué)習(xí),學(xué)生需掌握基因工程原理和實(shí)驗(yàn)操作技術(shù),熟悉基因工程操作流程,進(jìn)一步探究動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)理、發(fā)掘和創(chuàng)造新種質(zhì)、改良遺傳性狀、減少農(nóng)作物病蟲害等,最終提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益[6]。基因工程技術(shù)在作物種質(zhì)創(chuàng)新和生物育種方面有廣泛應(yīng)用[7],通過理論與實(shí)踐相結(jié)合可以有效提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力,符合國家“新農(nóng)科”建設(shè)需求,可作為傳統(tǒng)農(nóng)學(xué)專業(yè)提升的重點(diǎn)建設(shè)課程。

為使基因工程融入農(nóng)學(xué)專業(yè)并適應(yīng)“新農(nóng)科”的建設(shè)要求,筆者從2020年開始對(duì)傳統(tǒng)基因工程課程開展了創(chuàng)、改、賽“三步法”教學(xué)改革,通過3年多的課程建設(shè),目前已取得了較好的實(shí)踐成果,具有較大推廣價(jià)值。

1 基因工程融入農(nóng)學(xué)專業(yè)的困難之處

在實(shí)際教學(xué)過程中,將基因工程用于“新農(nóng)科”背景下農(nóng)學(xué)本科專業(yè)建設(shè)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(nèi)容多偏向動(dòng)物和微生物方向,植物生產(chǎn)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(fā)展。其次,傳統(tǒng)基因工程課程理論性強(qiáng),若要完全理解須先掌握生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)等多門非農(nóng)課程,而本校農(nóng)學(xué)專業(yè)分子生物學(xué)課程為專業(yè)選修課,且未開設(shè)細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)等課程,所以本課程對(duì)農(nóng)學(xué)本科生來說難度較大[9]。另外,基因工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)微觀、抽象,農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容理解較為困難,這也是生物技術(shù)難以進(jìn)入傳統(tǒng)農(nóng)學(xué)專業(yè)面臨的問題。最后,農(nóng)學(xué)本科生其他課程任務(wù)較重,容易忽視基因工程課程。

2 創(chuàng)建以生產(chǎn)應(yīng)用為主線的《基因工程》教材內(nèi)容體系

“新農(nóng)科”建設(shè)要求培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合應(yīng)用型、實(shí)用技能型農(nóng)業(yè)新人才[10]。這就要求在人才培養(yǎng)過程中,需要優(yōu)化課程體系,強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué),創(chuàng)新教學(xué)方法,要面對(duì)當(dāng)下及未來全球科技革命的浪潮和“三農(nóng)”發(fā)展的需求,打破固有的學(xué)科邊界和專業(yè)壁壘,提升學(xué)生專業(yè)技能、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。針對(duì)教材應(yīng)用案例和前沿技術(shù)少等問題,筆者采用突出基因工程應(yīng)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(guī)操作技術(shù)、基因工程設(shè)計(jì)策略及操作流程,使學(xué)生掌握基因工程的技術(shù)和操作原理。在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)介紹基因工程在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的最新應(yīng)用研究和實(shí)用技術(shù),以便學(xué)生了解基因工程的最新發(fā)展動(dòng)向,開闊學(xué)術(shù)視野。課程教學(xué)內(nèi)容和主要學(xué)時(shí)分配見表1,其中,基因工程的應(yīng)用部分篇幅超過三分之一。同時(shí),還主編出版了《基因工程實(shí)驗(yàn)指南》教材,內(nèi)容包括DNA、RNA和蛋白質(zhì)分子的基本操作技術(shù),還包括大腸桿菌、酵母菌、植物和動(dòng)物基因工程相關(guān)的操作技術(shù),以進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力,啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。所創(chuàng)建以生產(chǎn)應(yīng)用為主線的基因工程教材內(nèi)容體系,能夠?yàn)榕囵B(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)業(yè)人才奠定基礎(chǔ)。

表1 課程教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配Table 1 Contents and time distribution of genetic engineering

3 基于BOPPPS法進(jìn)行教學(xué)改革

BOPPPS法是一種以教育目標(biāo)為導(dǎo)向,以學(xué)生為中心的新型教學(xué)模式。BOPPPS的名稱來源于英語單詞在教學(xué)模式的6個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中的初始組合,分別為導(dǎo)言(Bridge)、目標(biāo)(Objective)、前測(cè)(Pre-assessment)、參與式學(xué)習(xí)(Participation)、后測(cè)(Post-assessment)和總結(jié)(Summary)。BOPPPS教學(xué)法注重教學(xué)互動(dòng)和反思的閉環(huán)反饋課程設(shè)計(jì),并參考學(xué)生學(xué)習(xí)心理和注意力僅能持續(xù)大約15 min的特點(diǎn),將課堂教學(xué)過程模塊化分解,有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性,幫助教師設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容并提高教學(xué)質(zhì)量,是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)及課堂組織時(shí)最為行之有效的設(shè)計(jì)模式之一[11-12]。針對(duì)基因工程課程內(nèi)容不易理解的問題,運(yùn)用BOPPPS教學(xué)設(shè)計(jì),全面修訂了課程大綱、教案和課件,做到以學(xué)生知識(shí)和技能為中心。其中,基因工程操作常規(guī)技術(shù)中的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容見表2。

表2 基于BOPPPS教學(xué)法課程設(shè)計(jì)Table 2 Course design based on BOPPPS teaching method

3.1 導(dǎo)言

在課程導(dǎo)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(chǎn)品,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并幫助學(xué)生快速進(jìn)入課堂。如講解PCR技術(shù)時(shí)引用新冠病毒的核酸檢測(cè)技術(shù);講解農(nóng)業(yè)領(lǐng)域基因工程時(shí)引用抗蟲棉和黃金大米的研發(fā);講解醫(yī)藥領(lǐng)域基因工程提問新冠病毒疫苗的生產(chǎn)過程是什么樣的。課程內(nèi)容部分導(dǎo)言見表3。

表3 部分課程章節(jié)導(dǎo)言Table 3 Content of introductions to selected course chapters

3.2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

學(xué)習(xí)目標(biāo)主要包括知識(shí)目標(biāo)和能力目標(biāo),知識(shí)目標(biāo)是指通過課程學(xué)習(xí)后學(xué)生需要掌握的基本理論知識(shí),能力目標(biāo)則是學(xué)習(xí)基本理論知識(shí)后能否應(yīng)用于實(shí)踐操作。如在講解聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)時(shí),知識(shí)目標(biāo)為熟悉掌握PCR的原理及應(yīng)用;能力目標(biāo)為根據(jù)已知長(zhǎng)度的目的基因片段,學(xué)生能夠設(shè)計(jì)PCR的實(shí)驗(yàn)步驟。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)課程中,讓學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行動(dòng)手操作。

3.3 前測(cè)

前測(cè)有助于教師確定授課深度和進(jìn)度,也有助于學(xué)生理解新知識(shí)。在授課中根據(jù)已學(xué)知識(shí)和課程內(nèi)容設(shè)置少量題目,包括簡(jiǎn)答、選擇和填空等。簡(jiǎn)答題讓學(xué)生小組討論后選派代表進(jìn)行回答。選擇和填空題,利用課堂平臺(tái)讓學(xué)生直接作答。如講解PCR技術(shù)時(shí),前測(cè)問題設(shè)置為體內(nèi)DNA的半保留復(fù)制是什么原理?用到了哪些酶或蛋白?有利于學(xué)生建立體內(nèi)DNA復(fù)制過程與體外PCR過程的聯(lián)系,達(dá)到全面掌握PCR技術(shù)原理的目的。再比如講解RNA干擾技術(shù)時(shí),前測(cè)問題設(shè)置為RNA能形成雙鏈結(jié)構(gòu)嗎?能在什么類別RNA中存在?能否替代DNA成為遺傳物質(zhì)?通過這些問題的設(shè)置可以引導(dǎo)學(xué)生理解雙鏈RNA誘發(fā)的同源mRNA高效特異性降解的RNA干擾技術(shù)原理。

3.4 參與式學(xué)習(xí)

參與式學(xué)習(xí)是指在課堂學(xué)習(xí)中,教師圍繞教學(xué)目標(biāo)靈活使用多種教學(xué)方法,調(diào)動(dòng)各種教學(xué)資源,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與,達(dá)成師生交流并啟迪智慧[13]。在課前或?qū)а灾刑岢鰡栴},讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入課堂學(xué)習(xí)。針對(duì)較難理解的知識(shí)點(diǎn),通過圖片、視頻和思維導(dǎo)圖方便學(xué)生理解。對(duì)書本中提及的實(shí)驗(yàn)案例,在課堂中展示相關(guān)實(shí)驗(yàn)圖片或步驟,將復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過程通過圖解的方式表示出來,利用可視化教學(xué)激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力,更好地實(shí)現(xiàn)課程價(jià)值[14]。如書中提及粒型基因(GS3和GS9)對(duì)水稻的影響,相應(yīng)PPT中展示相關(guān)科研的最新進(jìn)展[15]。另外,對(duì)基因工程核心技術(shù)制作視頻20余個(gè),課堂放映并配套講解以幫助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)。同時(shí),課堂中還引入大量學(xué)科前沿知識(shí),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(nóng)業(yè)科技案例,如轉(zhuǎn)基因大豆油、無刺武昌魚等,激發(fā)學(xué)生對(duì)農(nóng)業(yè)科技的興趣。

3.5 后測(cè)

后測(cè)主要是及時(shí)檢驗(yàn)和評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,在基因工程課程講解后,以應(yīng)用題或選擇題方式進(jìn)行后測(cè)練習(xí)。例如在講解PCR技術(shù)時(shí),讓學(xué)生根據(jù)冠狀病毒的基因序列設(shè)計(jì)PCR引物、引物的Tm值和PCR退火溫度、PCR擴(kuò)增的流程(包括模板的獲得、PCR體系成分和擴(kuò)增條件),之后根據(jù)每個(gè)小組的答案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。在講解RNA干擾技術(shù)時(shí),提問學(xué)生采用學(xué)過的什么基因工程技術(shù)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(shù)優(yōu)勢(shì)在哪,又有什么弊端?通過提問并與學(xué)生討論后,建立與前面所學(xué)實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)的聯(lián)系,引發(fā)學(xué)生對(duì)下一步所講解的基因編輯技術(shù)的興趣。對(duì)比較零碎的知識(shí)點(diǎn),則利用選擇題依托課堂平臺(tái)進(jìn)行,成績(jī)納入課程評(píng)價(jià)考核,科學(xué)評(píng)價(jià)學(xué)生知識(shí)和技能的掌握情況。

3.6 總結(jié)

總結(jié)為教師通過簡(jiǎn)練的語言對(duì)本節(jié)課的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理回顧,分析其內(nèi)在和外在的聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與鞏固[11]。例如,在基因工程疫苗研制的授課中,讓學(xué)生以小組為單位通過思維導(dǎo)圖的方式對(duì)新冠病毒藥物疫苗的研制和開發(fā)策略進(jìn)行原理和流程、步驟分析,既加深學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解,又使學(xué)生在知識(shí)應(yīng)用上得到鍛煉。

4 組織參與學(xué)科競(jìng)賽

在課堂教學(xué)上還利用“互聯(lián)網(wǎng)+”的學(xué)習(xí)思路[16],引導(dǎo)學(xué)生獲取互聯(lián)網(wǎng)資源,如慕課、APP、微信公眾號(hào)、網(wǎng)站,讓學(xué)生了解國內(nèi)外最新理論知識(shí)和操作技術(shù)、查找和分析生物數(shù)據(jù)庫等,幫助學(xué)生開拓視野、增長(zhǎng)見識(shí)。還設(shè)置以基因工程原理和技術(shù)為基礎(chǔ)并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的競(jìng)賽項(xiàng)目,組織學(xué)生通過組成興趣小組的形式參與,引導(dǎo)學(xué)生參加全國大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽,班級(jí)學(xué)生參與度超過40%。學(xué)生通過參與討論和解決競(jìng)賽問題,拓展了學(xué)術(shù)視野,培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí),激發(fā)了科學(xué)研究的內(nèi)在潛力和外在動(dòng)力,進(jìn)一步加深對(duì)理論知識(shí)的理解。在競(jìng)賽活動(dòng)中還加深了老師和學(xué)生之間的交流,便于了解學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)情況。通過以上學(xué)科競(jìng)賽的組織、參與,可以有效檢驗(yàn)生產(chǎn)應(yīng)用為主線的教學(xué)體系的合理性和課堂中使用BOPPPS法教學(xué)設(shè)計(jì)的可行性,最終達(dá)到教學(xué)活動(dòng)的實(shí)效性。

5 教學(xué)創(chuàng)新成效和成果

教學(xué)創(chuàng)新要解決的核心問題是基因工程傳統(tǒng)課程內(nèi)容不易理解、應(yīng)用實(shí)例少。課程改革后,所有學(xué)生反映課程內(nèi)容的難度沒有想象中的大,教材容易理解、趣味性強(qiáng),學(xué)習(xí)后科學(xué)認(rèn)知水平得到了極大提升,課程綜合滿意度超過95%。對(duì)教材、課件、考核方式的滿意度均在90%以上,在調(diào)查的所有指標(biāo)中學(xué)生沒有不滿意的現(xiàn)象(表4)。以往農(nóng)學(xué)本科專業(yè)學(xué)生認(rèn)為“全國大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽”專業(yè)性強(qiáng)、難度大、對(duì)生物技術(shù)要求高,獲獎(jiǎng)無望。通過課程教學(xué)創(chuàng)新改革之后,報(bào)名競(jìng)賽的學(xué)生逐漸增多。2021年和2022年,筆者指導(dǎo)的農(nóng)學(xué)專業(yè)本科生參加“全國大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽”獲全國一等獎(jiǎng)(1項(xiàng))、二等獎(jiǎng)(1項(xiàng))、三等獎(jiǎng)(1項(xiàng)),全省一等獎(jiǎng)(2項(xiàng))、全省三等獎(jiǎng)(1項(xiàng)),本科生在此類競(jìng)賽上獲獎(jiǎng)取得突破。

表4 2022—2023年度基因工程教學(xué)滿意度調(diào)查Table 4 Genetic engineering teaching satisfaction survey, 2022—2023

教學(xué)創(chuàng)新面臨的最大難題是學(xué)生對(duì)課程選課積極性不高、課程考試成績(jī)不理想。課程改革從2020年至今,農(nóng)學(xué)專業(yè)本科生每年基因工程選課人數(shù)超過50人[圖1(a)],超過農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生總?cè)藬?shù)的95%,學(xué)生選課及興趣逐漸提高。教學(xué)改革后學(xué)生的考試成績(jī)也有明顯提高,不及格學(xué)生人數(shù)占比從2019年的30%左右降至0,優(yōu)秀學(xué)生從0升至10.7%,良好學(xué)生人數(shù)也有了大幅度上升[圖1(b)]。通過基因工程課程學(xué)習(xí),農(nóng)學(xué)專業(yè)本科生學(xué)農(nóng)熱情和自信心提高。另外,筆者以本課程為授課對(duì)象,還獲得了貴州大學(xué)第三屆教師教學(xué)創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)和貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院第三屆教師教學(xué)創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)。

(a)不同學(xué)年度學(xué)生選課人數(shù);(b)不同學(xué)年度學(xué)生成績(jī)分布圖(優(yōu)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(chuàng)新成果Figure 1 Curriculum innovation results

6 教學(xué)總結(jié)

基因工程是生物技術(shù)核心課程,能夠改良傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,提高生產(chǎn)效率[17],符合“新農(nóng)科”建設(shè)需求。但農(nóng)學(xué)專業(yè)本科生分子生物學(xué)基礎(chǔ)薄弱,對(duì)抽象的基因工程技術(shù)難以理解,使用傳統(tǒng)的基因工程教學(xué)體系很難取得教學(xué)效果。有教學(xué)工作者將基因工程相關(guān)技術(shù)融入農(nóng)學(xué)專業(yè)的相關(guān)課程中,如植物細(xì)胞培養(yǎng)[18]、動(dòng)物分子育種[19]等,降低了教學(xué)難度,獲得了不錯(cuò)的成效。本文在此基礎(chǔ)上,從基因工程課程的教材、教學(xué)和教輔3個(gè)方面全面進(jìn)行了教學(xué)改革與創(chuàng)新,通過創(chuàng)、改、賽“三步法”教學(xué)改革(圖2),包括課前創(chuàng)建以生產(chǎn)應(yīng)用為主線的教學(xué)體系,課堂中使用BOPPPS法進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),課后主抓學(xué)科競(jìng)賽以達(dá)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(yīng)“新農(nóng)科”建設(shè)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(xué)改革與創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了課前、課中和課后三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的有機(jī)銜接,檢測(cè)了教學(xué)體系的合理性、教學(xué)設(shè)計(jì)的可行性和教學(xué)輔導(dǎo)的實(shí)效性,使整個(gè)課程更適合農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí),并適應(yīng)國家“新農(nóng)科”建設(shè)新需求,為“新農(nóng)科”建設(shè)體系中農(nóng)業(yè)創(chuàng)新型高素質(zhì)人才培養(yǎng)打下了良好的基礎(chǔ)。