农学专业《植物基因组学》“生信+作物”多维教学模式的研究

黎 珉，刘二宝，李瑞清，石英尧

（安徽农业大学农学院 安徽，合肥 230036）

自20 世纪末人类基因组被测序以来，整个生命科学研究都处在“基因组浪潮”中。植物科学研究亦紧随大势，1999—2002 年间完成了模式植物拟南芥及模式作物水稻的全基因组序列精确测定，开启了植物基因组的新纪元。随着新一代测序技术的飞速发展和测序成本的不断降低，针对多个或大规模植物基因组的测序和重测序已经愈发常见和成熟。迄今已发表的全基因组被测序的植物近400 种，人们可以更多地基于基因组及其变异数据，系统深入地解析植物的遗传多样性及其复杂的内在规律。植物基因组学的快速发展极大地推动了整个植物科学的发展。研究植物基因组学已成为植物科学研究的核心，特别是植物遗传学研究的核心[1，2]。

在这一背景下，农学专业的培养方案也有了新的变化，从以往的以传统（经典）遗传育种学为主逐步扩大到包含了基因组学、生物技术、生物信息学等前沿技术的“新农科”，范围拓展到作物精确育种、作物生产前沿及农业现代化、现代种业发展专题、智慧农业理论与产业等前沿课程。新农科专业的培养目标重点之一也是将学生训练具备作物遗传育种及相关作物生产方面的核心理论、前沿知识和主要技能的创新型、复合应用型科学技术人才。对于农学专业学生来说，接触最多的作物属于植物科学的重要部分，认识作物基因组及相关遗传知识，不仅是专业培养的需要，更是深入研究作物表型及相关机理的基础，所以在农学专业开设《植物基因组学》十分必要[2，3]。

同时，在当前疫情防控常态化时期，对于高校来说，线上教学已由“不得已”变为“不可或缺”，逐渐从一种“应急模式”转变为一种“常规操作”。线上教学作为线下教学的有效互补方式已经引起了广泛关注，“线上+线下”教学模式也慢慢成为教学研究的重点之一，也是今后教学改革的发展趋势[4]。基于前期教学实践经验和课程面临的诸多问题，本文旨在探讨一种“多维度”教学模式[5]，首先是课程互融：如何将生物信息学的基本概念和分析方法融入《植物基因组学》课程教学中，以作物为核心对象，结合基因组研究的最新进展和课程思政，通过一系列手段提升课堂教学效果；其次是“线上+线下”互融：丰富完善课程线上模块的同时，强调“生信+作物”模式的核心理念，并丰富课程内容及考核方式，为《植物基因组学》在农学专业学生培养过程中的课程建设提供有益参考，为学生进入研究生阶段起到更好的桥梁作用。

1 农学专业《植物基因组学》课程面临的问题

1.1 课程相关基础薄弱

前期，在本院农学专业进行的《植物基因组学》课程教学中发现的突出问题是，课程中有很多内容涉及生物信息（生信）学，而农学专业学生生物信息学基础几乎没有，比如涉及到基因组测序、组装及变异检测部分内容，如果没有序列比对的基础概念，学生往往很难听懂，对课程理解存在困难。植物基因组学也是与生物信息学结合最为紧密的课程。因为多数概念存在交叉和从属关系，大多学生在首次授课后的反馈中均表示“不是很懂”，感觉很多知识“很有用”，但具体不明白是什么或者为什么。

1.2 适合本科学习的教材缺乏

相对于植物基因组研究的飞速发展，《植物基因组学》相关教材相对滞后，2020年由浙江大学农业与生物技术学院樊龙江教授主编的《植物基因组学》历时三年精心编写正式出版，为国内第一本植物基因组学领域教材，也是一本系统、前沿和权威的植物基因组学的教科书，内容整体相对偏向研究生使用。如何针对丰富的课程内容进一步筛选和设计，针对农学本科不同专业特点进行选择性讲授也是很有必要的。

1.3 线上教学模块建设不足

在我国目前疫情防控常态化的局势下，线上教学变得愈发重要，目前比较常用的线上教学软件（模式）有腾讯课堂、雨课堂、超星学习通等，老师们多通过在线授课结合线上答疑的方式进行教学。但线上教学也存在师生互动性弱，学生注意力不集中等问题，同时也受到网络及设备限制，影响教学效果。针对我校农学专业《植物基因组学》课程来说，之前基于线上教学进行的网络课程模块的建设相对不足，也在一定程度上制约了线上线下协同教学模式的顺利开展。

1.4 考核方式单一

农学专业学生多数传统的基础课程，考核方式仍多以课后作业（平时成绩）和课程试卷（期末考试）为主，植物基因组学课程相对于传统的基础课程，更加注重学生对相关知识点的理解和运用，特别是对科学思维、逻辑思维以及解决科学问题能力的培养，如果只是对课程中的原始概念进行死记硬背，对该课程的掌握很难达到预期效果[6]。在以往的考核中我们也发现，学生对各类“组学”概念理解不够，特别是对“序列”相关（比对，变异检测）知识点缺乏实际认识，即便背下来考出“不错”的卷面成绩，课后也反映无法真正弄懂，希望更有更多的实际分析的机会和更加灵活的考核方式。

1.5 课程思政结合不够

“课程思政”指以构建“三全”育人格局的形式将各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把“立德树人”作为教育的根本任务的一种综合教育理念。课程思政提出和实施的时间虽然不长，但已作为重要的教学改革内容为各大高校各个学科进行积极探索[7]。就植物基因组课程本身而言，成熟的“课程思政”路线还未形成。结合前期课程实践及信息整理，目前农林高校植物基因组学“课程思政”面临的主要问题包括：缺乏丰富及合适的“课程思政”内容；“课程”和“思政”结合不够；教学内容中如何有效“浸润”思政内容，存在方式方法上的不足。师生也普遍反映课程思政部分内容“生硬”，衔接不自然，教学和思政育人效果不够理想。

2 农学专业《植物基因组学》多维教学模式

针对上述问题，我们从课程内容、讲义设计、教学模式、考核方式和思政融合等方面探索并提出了农学专业《植物基因组学》“生信+作物”多维教学模式。

2.1 “生信”+补充课程基础

针对农学专业学生生信基础薄弱问题，讲授《植物基因组学》课程时，尝试将概念回归到《生物信息学》中。比如生信中的测序技术发展、序列比对、基因注释及预测等，正是《植物基因组学》中基因组重测序、变异种类和基因结构功能的基础，涉及相关核心及难点时，进行概念单独讲解，再返回到课程中联系应用在《植物基因组学》课程中，当讲到作物时，结合主要作物基因组的最新研究进展，引导学生深入理解基因组结构的差异（多倍体事件频率、结构变异、重复序列比例、编码基因数量等）。这两门课因为开设在同一学期，既可以融会贯通加深理解，又可以起到良好的复习效果。“生信+作物”的尝试，既给了学生直观的生物信息层面的理解，相对于经典作物遗传育种学，又补充了作物基因组的最新知识。

2.2 内容调整及思政融合

针对现有教材偏重于研究生及课程思政结合不足的问题，尝试从以下两面进行解决：（1）筛选重排课程内容，完善课程讲义：基于课程已有教材，调整内容设置和难度，筛选适合本科生学习的基础知识部分，并结合部分重要交叉及最新前沿内容，如在原有基础上，继续以作物基因组为“各论”为核心内容，持续吸纳近年植物基因学最新文章和典型案例（如大豆/水稻高质量/超级泛基因组构建、马铃薯/番茄基因组进化及遗传力研究等），围绕“厚基础、提方法、抓重点”完善课程教学大纲，修订教学计划，修改总结适合农学本科专业的《植物基因组学》讲义。（2）课程思政浸润，内容“提质增效”：课程持续关注植（作）物基因组及生物信息学前沿，重点介绍其中中国科学家艰苦卓越的研究工作，注重融合“作物基因组+中国力量+种业振兴”的思政元素，让学生了解我国在作物基因组学领域位于世界领先水平，激发科研自信和民族自豪感。围绕农学专业新农科复合交叉型双创人培养需求，打造内容全面、导向明确、思政浓厚、学生喜爱的高质量课程。

2.3 线上线下并行

鉴于近年疫情常态化下推行线上课程的总体要求及课程线上教学模式建设不足问题，我们利用校网络教学平台（超星学习通）同步建立《生物信息学》和《植物基因组学》两门课程的线上模块，初步将“生信+”引入课程模块之中，构建各分类内容。如“课程必备生信”，实时补充课程需要的各类生物信息基础知识和软件技巧；“课程前沿”，定期推送植物基因组最新文献；“资源共享”，分享相关线上资源及重要数据；开设“课程评价”，学生课后可在线对本次课程进行实时评价（打分）；“线上答疑”，定期进行课程相关问题的线上答疑（QQ/微信群同步），拓展线下课程的时空局限，加强师生的及时互动。鉴于学生普遍反映课程中生物信息相关知识点缺乏实践操作，在线上引入“生信实战”模块，将服务器基础使用操作演练及一些常用分析软件进行打包整合，由学生自主下载观看使用。基于本地操作结合在线演示，学生自主学习相关分析流程，并根据掌握情况，逐步分批开放服务器远程操作供学生练习。不断打磨“课程双向”“线上线下”的多维模式，并注重实时掌握该教学模式在农学专业理论教学中的效果。

2.4 综合考核模式，适度课堂反转

针对以往考核过程单一和学生对知识点掌握不够灵活的问题，我们采取了以下一些措施：（1）丰富题库，基于线上课程模块，不断更新线上题库及题目类型（填空、判断、选择、论述等），并根据课程进度采取“一章一测”，老师根据题库随机组合，学生在规定时间内完成后提交，系统实时给出分数，老师及时检验学生知识掌握程度。（2）期中汇报，期中让学生根据课程相关内容，结合热点前沿进展及个人收获体会进行5—10分钟PPT汇报，在分享前沿，总结问题的同时，也锻炼了学生的课件制作及表达能力。日常测试和期中汇报作为重要平时分计入期末综合测评。（3）期末考核：以“专题测试+课程论文”考核方式，让学生围绕植物基因组学的某一个方面（热点），进行文献检索并基于课程掌握完成专题报告或课程论文，考查学生对课程掌握程度并锻炼科技论文的写作能力。

3 教学模式总结及效果

植物基因组学是我院农学本科专业的一门专业选修课，该课程设置及教材内容主要是面向研究生（未来从事科学研究）以及对基因组学领域研究感兴趣的同学开设，学习难度相对偏大。基于前期教学实践基础，我们在《植物基因组学》授课过程中，首先对课程内容进行整合形成难度适合本科生的讲义，重点将生信基本概念和分析方法与《植物基因组》课程进行双向融合，以作物为核心，结合基因组研究的最新进展，通过经典论文（研究案例）解析，课堂翻转（学生PPT汇报）、课程思政融入等方式提升课堂教学效果，同时基于“线上线下”多元化建设，将“生信+作物”理念深植课程模块中，形成一套多维教学模式和方法体系，为《植物基因组学》在农学院农学专业学生培养过程中的课程建设提供有益参考。同时考虑到，学生后面进入到研究生阶段，大多要接触到作物基因组学及相关生物信息分析，上述尝试也为学生进入研究生阶段起到更好的桥梁和铺垫作用。

《植物基因组学》课程在尝试推行“生信+作物”多维教学模式后，近三年时间，学生对课程认知和喜爱程度明显升高，认为选这门课“很值”；在同步补充生信的基础下，学生逐步对课程内容不再生涩，觉得教学内容比较新颖前沿，很有意思。不少学生选课后对基因组学、生物信息学产生浓厚兴趣，继续学习扩展，为后续参加中国科学院或知名农业类高校举办的夏令营活动提供了良好基础，其中多名同学获得了保研深造的机会；选课人数逐年增多，目前已达到年均80人次；多维模式互融下，相对其他传统课程，师生互动程度更高，学习更加主动和积极，同时在课程思政的浸润下，学生更加充满“为国读书强国有我”的责任感和使命感，从而更加努力提升课程专业水平，整体上获得了很好的教学效果。