高等林业院校“分子生态学”课程教学改革的探讨——以北京林业大学为例

(北京林业大学林学院，北京 100083)

分子生态学(Molecular Ecology)是20世纪80年代中后期，伴随着分子生物学技术尤其是聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)技术的飞速发展而诞生的一门多学科交叉的综合性学科，涉及了生态学、分子生物学、群体遗传学、生态遗传学、进化遗传学、生物地理学、系统发生学等多个领域。分子生态学可以被狭义地理解为利用分子生物学方法，研究种群生物学问题的生态学分支[1]。例如，利用分子技术探索生物多样性的形成与维持机制、进行物种鉴定与分类等，分子生态学为解决各类宏观生态学问题提供了前所未有的机遇。近年来，随着我国对生态环境保护的重视，分子生态学作为生态学向微观发展的新领域，也备受关注。

目前，已有多所高校开设了“分子生态学”课程，并因学校各自的属性不同，讲授的内容也各有侧重。例如，农业院校主要应用分子技术探讨作物和家畜等为主体的生态问题，而普通综合性大学则倾向于利用分子手段，研究普通动植物及微生物的生态学问题。林业高等院校的“分子生态学”课程，主要探讨林木分子生态的原理、机制及其应用方法，对培养林业复合型人才具有重要的作用。

笔者以北京林业大学为例，针对“分子生态学”课程教学存在的问题，从教学目标、课程内容、教学手段与考核方式等方面，对课程教学改革进行了探讨。

一、高等林业院校开设“分子生态学”课程的必要性

生态学经过100多年的发展，已经到了利用分子手段解决宏观生态现象的微观机制的时代，分子生态学是应用分子生物学技术与方法研究生命系统与环境系统相互作用的机理及其内在的分子机制[2]，因此，它对研究植物与环境的相互作用，解决宏观森林生态学问题，探索林业发展的根本途径具有重要作用。分子生态学在林业方面的应用包括：①对濒危物种进行保护，如对银杏、红豆杉等植物致濒因素的探索与保护策略的研究；②研究环境变化(如环境污染、地理变迁、气候变暖等)与生物多样性的关系；③开展植物物种起源与进化研究；④进行植物繁殖策略研究；⑤对物种进行鉴定与分类，尤其是形态相似的物种间的区分等。目前，“分子生态学”已经成为林业院校林学及生态学等专业重要课程之一。因此，在林业高等院校开设“分子生态学”课程，对培养具有创新性思维的林业复合型人才，全面提高本科生综合素质具有重要意义。

二、北京林业大学“分子生态学”课程教学存在的问题

2014年，北京林业大学面向林学院本科“梁希”班开设了“分子生态学”课程。在近3年的教学实践中，笔者发现课程教学存在着一些问题。

(一)缺少实验教学环节

分子生态学是以实验为基础的一门自然科学，“分子生态学”课程也应以实验为基础，实验是检验理论知识的有效途径，实验教学是课堂理论教学的重要延伸与补充，只有通过典型的实验设计和直观的操作体验[3]，才能充分调动学生的学习兴趣与积极性，培养学生的创新性思维与实践能力。目前，“分子生态学”课程缺乏配套的实验教学环节，不利于学生对理论知识的理解和掌握，影响了学生科研实践能力的提升。

(二)教学学时不足

目前“分子生态学”课程为32个学时，而课程内容涉及多个学科的知识，尤其是分子生物学和种群遗传学这两方面的内容系统性极强，作为“分子生态学”课程的基础，教师在讲授这两个部分知识时普遍感到课时紧张。

此外，分子技术发展日新月异，教师要向学生传递最新的专业知识。同时，“分子生态学”课程知识重点、难点较多，对于分子生物学和种群遗传学基础知识薄弱的林学院学生来说，理解课程知识耗时较长，因而需要有充足的教学学时做保障。

三、北京林业大学“分子生态学”课程教学改革的措施

(一)增设实验教学环节

在近3年的“分子生态学”课程教学过程中，笔者发现学生的学习热情很高。同时学生也提出了增设“分子生态学”实验课程的要求。此外，还有多名学生申请利用假期及课余时间，到林学院生态学科的分子生态实验室学习实验技能，学生从各方面都表达出参与实践的强烈愿望。因此，学院应强化课程实验教学，开设不少于24学时的“分子生态学”实验课程，以满足学生的学习愿望，为学生架设起理论知识与实践技能之间的桥梁，使学生的理论知识与专业技能得到协同发展[4]。同时，增设实验教学环节可以及时向学生传授最新分子实验技术及其应用方法，培养学生的科研能力。2014年，北京林业大学林学院成立了林学实验教学中心，为本科实验教学提供了强有力的硬件保障。

(二)增加教学学时

在增设实验教学环节的同时，“分子生态学”理论课程应该由目前的32学时增加至48学时，为教师及学生提供充足的教与学的时间。48学时可以保障教师合理安排教学进度，全面规划教学内容，从而进一步提升教学水平与质量。学生在48学时里，能够有充足的时间循序渐进地消化吸收课堂知识。

(三)合理设计课程教学内容

1.以培养创新型人才为指导确定课程教学目标

高校本科人才培养越来越注重学生的创新思维、实践能力和科研能力的培养，因此“分子生态学”的课程教学也应遵循这样的目标。“分子生态学”课程教学旨在培养学生了解分子生态学的各种理论，掌握相关的研究方法，并能应用这些方法解决森林生态学的科学问题。“分子生态学”课程的实验教学不仅要指导学生掌握各项基础实验的操作技能与数据处理方法，还要引导学生用实验检验理论知识，加深学生对理论知识的理解。

2.科学优化和组织课程教学内容

分子生态学知识丰富而复杂，应合理规划课程教学内容。首先，绪论部分除了讲解分子生态学研究范畴与发展历史外，还要适当增加当前分子生态学的研究热点，帮助学生了解学科的最新发展与动向；其次，在充实分子生态学基础知识的同时，还要介绍其在分子生态学中的应用方法，例如教师在讲授DNA、RNA及蛋白质的结构、遗传密码子与基因表达、核基因组与质体基因组结构、非编码DNA与编码DNA等基本概念时，应充分介绍它们在解决分子生态学问题时的应用方法。第三，由于分子生态学是以实验为基础的自然科学，随着科学技术的发展，不断涌现出越来越多的优质的分子研究技术与方法。因而“分子生态学”课程教学需与时俱进，课件做到及时更新，向学生传授最先进的分子标记原理与方法，并将其在遗传多样性、遗传结构及谱系地理等方面的应用穿插于各相关教学内容中，教师可以结合参考文献或者自身科研项目开展案例教学。第四，课程教学内容不仅要重视对分子生态学科知识的讲授，更要加强相关学科知识之间内在联系的讲授，以帮助学生构架起专业知识体系。

“分子生态学”课程实验教学应加强基础实验方法的训练，重视对学生实验设计能力的培养。“分子生态学”课程的基础实验包括基因组提取、PCR扩增、凝胶制备、凝胶成像系统使用、不同分子标记的使用以及数据处理方法等。通过基础实验方法的训练，学生能够自主完成样品采集，筛选合适的分子标记并进行一系列的实验操作，最后对实验数据进行处理，对结果进行分析与讨论。这一过程既完成了对理论知识(如中性理论、遡祖理论等)的验证，又完成了实验流程。

(四)加强课程教材建设

教材是知识的载体，它集中了该领域专家、学者的专业智慧，聚集了学科知识的精华。所以，选择合适的教材有利于学生迅速接触最核心的专业内容，建立起专业知识的基本框架。优秀的课程教材可以促进学生学习的兴趣，提升教学质量。

目前，国内尚无“分子生态学”教材，北京林业大学选用《An Introduction to Molecular Ecology》作为“分子生态学”课程的教材，但此书对于植物学相关内容涵盖得不够全面，缺乏专业的针对性，因此，笔者将阮成江等编著的《植物分子生态学》作为课程的辅助教材，以期增强学生对分子生态学在植物学相关领域应用的了解。此外，笔者还建议学生利用课余时间阅读Daniel L.Hartl和Andrew G.Clark编著的《Principles of Population Genetics》第三版及John C.Avise编写的《Phylogeography：The history and formation of species》，以补充完善分子生态学的基础知识。同时在课堂教学中，笔者还根据教学内容与学生一起分享相关的参考文献，或结合自身的研究工作开展案例教学，以拓展学生视野，激发学生对科学研究的兴趣，达到寓研于教的目的。

对于“分子生态学”实验课程，笔者及课题组教师一起总结日常实验中的经验，在参考相关书籍及文献的基础上，编写了《分子生态学实验指导书》，以规范实验操作及数据处理的方法与流程。例如在植物样品总DNA的提取、PCR扩增、凝胶的制备等环节，采用规范的实验流程可以保障获得良好的实验结果，同时还可以避免试剂药品及实验材料的浪费。此外，诸如读取测序序列、确定单倍型、建谱系关系树等数据分析流程等，都在实验指导书中以案例讲解的形式呈现出来。实验指导书以林业研究为背景，遵循以指导学生用分子技术解决森林生态学问题为原则，将基础实验方法与其在林业中的应用相结合，培养学生的实际操作与数据分析的能力。

(五)综合运用多种教学手段和方法

目前“分子生态学”课程主要采取多媒体授课的方式，用图示、表格或视频将抽象的理论知识具像化展现给学生。为了进一步提高教学质量与水平，增强学生的学习兴趣，笔者还探索了多种教学手段相结合的教学方式，微课就是其中一种。微课是利用简短的课堂教学视频在网络上传播课程知识的授课形式，其特点是时间短，知识集中，可重复，可分享，传播速度快、效率高，是课程教学的延伸。2014年，笔者获得北京林业大学微课项目的资金支持，对“分子生态学”课程进行了完善。“分子生态学”课程知识点繁多，其中的重点和难点知识非常适合利用微课进行补充讲解，通过可循环播放的简短的课堂教学视频将“分子生态学”课程知识的重点和难点一一解构为容易被学生理解的内容，并借助网络传播给学生，既弥补了“分子生态学”学时不足的弊端，又丰富了教学手段，增加了学生学习的途径，提高了学生学习的兴趣。在微课实施的过程中，教师既是演讲者、学习的帮助者又是课程的设计者。微课的实施有助于教师对各项教学基本技能进行研究，也有益于同行相互评议与学习。

“分子生态学”实验教学的内容可以分为基础实验与应用实验，其中，基础实验教学又包括实验基本操作和数据分析教学。探索新的教学方式，可以引领学生主动发现问题并探索解决问题的方案，将验证型实验转变为探究型实验。例如，数据分析实验采取任务驱动法教学，学生在教师引导和帮助下，围绕一个个任务进行上机操作，如用STRUCTURE运算几个居群的遗传结构并用Distruct画出树种分类图；用GenAlex做居群的PCoA主坐标分析，并画出坐标图；基于核基因数据利用Arlequin计算居群的遗传多样性；利用Permut对cpDNA数据进行遗传多样性计算等。教师讲解各软件的操作方法时以点拨为主，将探究的主动权交给学生，以激发学生的学习兴趣与成就感。实验教学将着重培养学生的创新性思维，通过小组合作，自主学习，学生自行查阅文献，经小组讨论后确定一个待解决的森林生态学问题，然后查阅资料，与教师互动，小组商议，自主设计出采样及实验方案，选择合适的分子标记与引物，最后由小组成员合作完成实验，获得数据后再进行处理与分析，讨论得到实验结果，最终完成科研论文形式的实验报告，并以小组为单位进行汇报演讲。这样，学生不仅完成了实验课程的学习，还掌握了科学研究的完整流程。

(六)改革课程考核方式

科学合理的课程考核方式是检验教学质量与成效的重要依据。“分子生态学”理论课程的考核内容包括平时成绩(包括考勤、课堂讨论、作业、调查报告、小论文等)+期末考试，各占总成绩的50%。为进一步提高学生的课堂参与度，课程考核加大了平时成绩的占比，增加至总成绩的60%，评分内容增加了微课学习的总结，以促进学生参与课堂教学的积极性。

“分子生态学”实验课程的考核更加注重对学生学习过程的评价，弱化对实验结果的评价。“分子生态学”实验课程考核内容除了论文形式的实验报告(占总成绩50%)，还包括学生在实验过程中的表现，即实验的参与度(占总成绩的15%)、做实验的态度(10%)和实验操作表现(25%)，共占考核成绩的50%。这样的设置保证了考核内容的全面性，保障了学生对整个实验流程的参与度，同时又确保了教师对实验课程的全程监督与评价。

四、北京林业大学“分子生态学”课程教学改革的成效

为提升本科人才培养质量，北京林业大学教务处定期组织学院教师对本科生培养方案进行修订。“分子生态学”课程的改革可伴随本科生人才培养方案的修订进行，例如增加课程学时，增设实验课程等。目前“分子生态学”课程改革已取得了阶段性成果。

(一)提高了学生学习的积极性和创新性

“分子生态学”课程通过教学改革，调整课程教学目标，完善并合理规划教学内容，选取适于林业院校使用的教材，应用多种教学方法，加强了学生创新思维、实践能力和科研能力的培养，帮助学生架构起分子生态学理论的知识体系，提高了学生学习的积极性与创新性，连续3年选修此课程的学生人数达到班级总人数的90%。

(二)培养了学生解决科学问题的能力

“分子生态学”课程教学改革后，学生可以根据个人意愿，参与分子生态实验室的科研活动，进行分子生物学实验技能训练，培养了学生解决科学问题的实践能力。目前，共有4名本科生在分子生态实验室进行了实验技术培训，并参与了教师的科研项目，对实验流程、研究汇报、项目研讨等科研活动都有了一定的了解。每年的“梁希”班毕业生中有至少90%的学生选择留在北京林业大学或进入中国科学院大学、北京大学和北京师范大学等继续深造，其中每年至少有1～2人选择分子生态学领域继续攻读研究生学位。扎实的理论基础与实验技能令北京林业大学林学院的“梁希”班毕业生受到各深造院校及工作单位的广泛好评。

分子生态学研究始终依赖于分子标记技术和分子检测技术，随着国家对生态环境保护的重视和持续投入，分子生态学研究将进入快速发展时期。“分子生态学”课程也将引领更多的林业人才为林业的科学研究与发展作出贡献。