《植物分子育种》课程案例教学改革与实践

          宿俊吉，杨德龙，王彩香，陈  涛，栗孟飞   

(甘肃农业大学生命科学技术学院  甘肃兰州 730070)

[摘  要]《植物分子育种》课程是面向甘肃农业大学生物学、作物学等学科硕士研究生开设的一门专业选修课，具有内容抽象性、复杂性、专业性强等特点，采用传统的灌输式课堂教学难以激发研究生的学习兴趣和创新思维。本文以《植物分子育种》课程教学存在的问题为导向，对本课程所涉及的转基因育种、基因编辑技术、分子标记辅助选择育种和分子设计育种等核心内容进行了案例库建设，进一步明确了各案例的知识目标、能力目标和素质目标，通过实践案例教学法，显著提升了研究生对本课程的知识理解和专业创新思维。

[关键词]案例教学；课程建设；教学改革；研究生培养

[基金项目] 2019年度甘肃农业大学研究生重点课程《植物分子育种》建设项目（GSAU-ZDKC-1911）。

[作者简介] 宿俊吉（1980-），男，甘肃会宁人，博士，甘肃农业大学生命科学技术学院副研究员，主要从事作物遗传育种研究；杨德龙（1975-），男，甘肃靖远人，博士，甘肃农业大学生命科学技术学院教授 [通讯简介]，主要从事作物遗传育种研究。

[中图分类号]G642.0   [文献标识码] A  

案例教学法是美国哈佛大学法学院首次提出的一种开放式、互动式的新型教学方式^[1]。案例教学主要包括两方面的内容：第一：教师课前选择编写案例，并使用案例指导学生提前预习；第二：课堂上组织学生讨论，形成互动与交流，通过各种知识、信息、观点的交汇融合来达到启示理论和思维的目的。案例教学法是以学生为中心的、使学生学习变被动为主动的教学方式，将传统“灌注式”方法改变为“互动式”教学，能显著提高学生的学习功效。案例教学的优点在于能将复杂问题简单化，使抽象的问题浅显易懂，能够激发学生的学习兴趣。基于此种优点案例教学已经被广泛地应用于法学、理学、工学、医学等专业教学实践中，并取得了较好的教学效果^[1-5]。

随着植物基因组学、分子生物学和分子遗传学等学科快速发展，这些基础学科研究成果应用推动了植物分子育种的发展，加快了育种速度，提高了育种效率，成为当今植物育种的重要发展趋势，即形成了多学科交叉发展的《植物分子育种》课程^[6-7]。该课程体系以遗传学、分子生物学、基因组学、生物信息学为基础，以基因工程、分子标记辅助育种、分子设计育种原理与技术作为知识体系，来支撑植物遗传改良理论与技术，是一门涉及多领域多学科知识的综合性应用课程。《植物分子育种》作为前沿性专业课程，在甘肃农业大学主要面向生物学、作物学等学科硕士研究生开设，该课程从植物转基因育种、基因编辑技术、分子标记辅助选择育种和全基因组分子设计育种等四个方面，系统建立植物分子育种的知识结构，使硕士研究生能运用所学的基本理论和方法，解决现代植物育种领域研究中的实际问题。

一、《植物分子育种》课程在硕士研究生教学中存在的主要问题

随着基因组测序技术快速发展，越来越多农作物物种完成了全基因组测序，基因挖掘、基因功能及其调控机制等相关研究已成为热点，植物育种已经进入分子育种阶段^[6-7]。然而当前的《植物分子育种》教学方法研究相对滞后，主要存在以下三个方面的问题：（1）由于植物分子育种是从分子水平探讨育种的方法，内容较为微观、抽象，仅采用灌输式课堂讲授上述各章节的理论知识点，学生理解内容的难度较大。（2）《植物分子育种》课程是一门理论和实践结合较强的课程，其课程的教学内容主要由理论和实践两个部分组成，实践应用和创新能力的培养更为重要。然而目前该课程的教学重点集中在理论知识点的讲授上，研究生的实践应用能力的培养有待提高。（3）传统的灌输式课堂教学存在较大的缺陷，缺乏互动式的课堂，难以激发研究生的学习兴趣和创新思维。因此，如何让全部研究生参与课堂教学与实践的全过程，是目前《植物分子育种》应该关注的重点。因此，基于《植物分子育种》课程本身的知识新颖性、交叉性、抽象性、实践性等特点，很有必要改变传统教学模式，从灌输式向互动式教学转变，建立以“学生发展为中心”的教学模式，培养硕士研究生深厚的理论知识和实践创新能力，更有利于研究生独立开展本专业相关科学研究工作。

二、案例教学在《植物分子育种》课程教学中应用的必要性

随着分子生物学、基因工程、生物信息学等学科的快速发展，传统植物育种方法不断整合新知识、新技术，逐步发展形成了现代植物分子育种技术体系。如何将现代植物分子育种理论充分应用于实践创新，是生物学、作物学等学科硕士研究生高质量培养急需解决的问题。因此，开展《植物分子育种》课程教学改革很有必要。近年来兴起的案例式教学有助于培养学术性与实践性的高度统一，其特点是以培养研究生的实践创新能力为核心，加强实践应用能力的培养。此外，案例教学的实施前提是理念到位，让研究生置身于真实的情境中，通过深度参与，将已有的知识和案例相结合，转化为理论与实践并举的学习模式。因此，系统总结植物分子育种核心技术方面的典型教学案例，对于提高《植物分子育种》研究生课程的教学质量，全面培养研究生的动手能力、独立科研和创新能力等方面至关重要。

三、《植物分子育种》课程教学案例的建设

根据《植物分子育种》课程要求和教学目标，聚焦本课程的核心内容进行案例库设计与构建。在案例内容设计中，要求知识背景清晰，教学主题明确，内容翔实，过程完整。为此，本课程紧密结合植物分子育种理论基础和发展前沿，针对植物转基因育种、基因编辑技术、分子标记辅助选择育种和作物全基因组分子设计育种的授课内容，从知识目标、能力目标、素质目标等方面分别总结了与其对应的四个案例，其详细的案例内容见表1。在“植物转基因育种”案例模块中，教学内容主要包括植物转基因的研究背景和应用现状、基因同源克隆、遗传转化和转基因植株鉴定的原理和方法。通过“理论学习+场景设计+实验操作”案例教学环节，让研究生以植物分子育种工作人员的角色进入教学场景，进行实验操作，开展外源目的基因克隆及遗传转化等方面实验，让学生提前预测设计获得转基因植株分子鉴定的图谱，确定转基因后代的分子鉴定方法。通过本案例教学不仅让研究生掌握目的基因遗传转化和转基因阳性植株鉴定的原理和方法等知识，而且能够培养学生自己动手，协作实验和预判实验结果的能力，增强他们对植物转基因育种的创新意识。在“植物基因编辑育种”案例模块中，教学内容主要包括植物基因编辑的研究背景和种质创新应用现状、CRISPR／Cas9系统的作用原理及优化方案、突变体鉴定方法等。通过“理论学习+场景设计+在线模拟与预测”的案例教学环节，让研究生系统掌握植物基因编辑理论，通过在线模拟与预测实训，系统培养他们的植物基因编辑育种创新能力及能够与时俱进、接受新事物的发展理念。在“植物分子标记辅助选择育种”案例模块中，教学内容主要包括植物分子标记辅助选择育种的研究背景及其应用现状、分子标记的原理和应用策略等。通过“理论学习+场景设计+实验操作”案例教学环节，让学生系统掌握植物分子标记类型、基因定位方法、优异等位变异挖掘、分子标记开发及应用育种等理论与技术，培养他们主动收集资料、阅读文献、协作实干、总结知识和技术应用的综合能力。在“植物全基因组分子设计育种”案例模块中，教学内容主要包括植物全基因组分子设计育种研究背景及其应用现状、基因组学原理与技术、分子模块设计育种的原理及相关技术。通过“理论学习+场景设计+计算机模拟”的案例教学环节，让研究生利用生物信息学平台找出现有作物品种的优异基因型，利用其优异基因设计目标品种基因型，并制定其设计品种的育种方案。该分子设计育种过程就是利用计算机对育种程序中的诸多因素进行模拟、筛选和优化, 提出最佳符合育种目标的基因型以及实现目标基因型的亲本选配和后代选择策略^[8]。通过该案例式教学，使学生深刻掌握农作物分子模块设计育种的原理及实施步骤，培养他们利用生物信息学、设计育种技术等平台开展创新研究的能力，激发他们的学习兴趣和创新活力。

表1 《植物分子育种》课程教学中使用案例的内容

四、案例教学实践及其效果

针对课程内容复杂，微观抽象的课程，案例教学法实施能显著提升课堂教学质量与教学效果。在案例教学中，教师作为“导演”可采取多种教学方法和手段来组织教学活动，来充分发挥案例教学法的优势^[2]。在《植物分子育种》课程案例教学实践中，通过建立QQ或微信群，提前发布课程相关教学大纲、课程案例、相关教学补充资料和思考题，让研究生熟悉课程内容和课程要求，提前进行案例预习，增强研究生对该课程学习的主动性和求知欲。在课堂教学中，通过理论知识讲授、案例展示、分组讨论案例内容，将研究生快速引入到案例场景，增强案例感性认知。同时，通过模块案例教学设计，要求研究生查阅资料，分组讨论，师生交流，制定个性化案例实践方案。在实验和实训环节，鼓励研究生独立思考，积极尝试用所学知识来解决实践中存在的问题，最终形成统一解决方案，并进行实施，使研究生对案例的理解从感性认识上升到理性认识，达到了课程教学的要求。

通过案例教学在《植物分子育种》课程教学改革中的实践探索，彻底改变了以讲授为主、“填鸭式”教学的传统模式，建立了“以研究生为中心，注重理论与实践创新并举培养”的教学理念。在案例教学过程中，以案例呈现和情景模拟与实操为纽带，通过师生互动、生生合作，使研究生在理论学习与实践创新之间架起沟通的桥梁，缩短从理论到实践的距离，帮助研究生更加容易地理解从基因到种质创新及品种选育的转化过程。同时，通过研究生分组讨论、合作交互学习、实验报告和课程论文撰写等方式的课程学习效果考察，发现案例教学有利于研究生理解和应用抽象的理论知识来解决实际问题，激发了研究生学习兴趣和主动性，系统锻炼了研究生对植物分子育种等相关知识文献资料查阅、实验方案设计、实验操作、数据处理、实验报告和课程论文撰写、语言表达和团队协作等方面的综合能力。通过案例教学的实施，不仅增强了研究生对理论知识和学科前沿发展的掌握程度，同时显著提升了他们发现问题、分析分体、解决问题的能力，以及实践创新意识。

五、结语

通过对《植物分子育种》课程核心内容案例设计和案例库建设，以研究生实践创新能力培养为中心，实施师生互动案例教学法，充分调动了研究生学习植物分子育种的课程兴趣和求知的欲望，显著提升了研究生从主动学习到自主钻研分析和解决植物分子育种问题的能力。案例教学在《植物分子育种》课程教学中的实践应用有效地弥补传统教学方法的缺陷，增强了研究生的创新意识与能力，有助于进一步深化高层次人才培养教育教学改革，提高人才培养质量。

[参考文献]

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[7]周练, 刘畅.科研导向的植物分子育种课程教学改革初探[J]. 教育教学论坛, 2020,21(5):191-192.

[8]王建康, 李慧慧, 张学才, 尹长斌, 黎裕, 马有志, 李新海, 邱丽娟, 万建民. 中国作物分子设计育种[J]. 作物学报, 2011,37(2): 191-201.

Curriculum Reform and Practice of Case Teaching in Plant Molecular Breeding

SU Jun-ji, YANG De-long, WANG Cai-xiang, CHEN Tao, LI Meng-fei

(College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

Abstract: Plant molecular breeding is a professional elective course for postgraduates of biology, crop science and other disciplines in Gansu Agricultural University. The course is highly characteristic of abstract content, complexity and strong professionalism. It is difficult to stimulate postgraduates' learning interest and innovative thinking by using traditional indoctrination teaching. Guided by the problems existing in the teaching of plant molecular breeding, this paper constructs the construction of case resources of the core contents involved in the course, such as transgenic breeding, gene editing technology, molecular marker assisted selection breeding and molecular design breeding, and further defines the knowledge objectives, ability objectives and quality objectives of each case. By practicing the case teaching, it has significantly improved postgraduates' knowledge understanding and professional innovative thinking of this course.

Key words: Case teaching; Curriculum construction; Teaching reform; Postgraduate education