植物组织培养技术实验课教学改革创新与实践

摘" 要：植物组织培养是植物生物学和农业科学领域中的一种革命性技术，是植物繁殖、生物多样性保护、遗传操作和品种改良的一种高效方法。同时，植物组织培养技术还是农学类本科专业学习的一门基础性课程，由于其理论课程内容复杂且较为抽象，学生必须借助具体的实验课程对重要的知识点和内容加以理解和掌握。因此，实验课程的教学质量对于学生知识的掌握和实验技能的培养具有重要意义。该文以扬州大学农学院开设的农学类植物组织培养技术实验课为例，针对传统植物组织培养技术实验课教学中存在的问题进行优化与创新。从教学内容、教学方法和评价体系等方面优化植物组织培养技术实验课教学体系，营造学研相结合的教学氛围，提高实验教学质量并促进师生之间的交流和互动，为新时期农学专业发展奠定基础。

关键词：植物组织培养技术；农学；实验技能；教学改革；学研结合

中图分类号：G642" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）23-0153-04

Abstract： Plant tissue culture is a revolutionary technology in the fields of plant biology and agricultural science. It is an efficient method of plant reproduction， biodiversity protection， genetic manipulation and variety improvement. At the same time， plant tissue culture is also a basic course for undergraduate majors in agriculture. Because the theoretical course content is complex and abstract， students must use specific experimental courses to understand and master important knowledge points and content. Therefore， the teaching quality of experimental courses is of great significance to students' mastery of knowledge and the cultivation of experimental skills. This paper takes the agricultural plant tissue culture experimental course offered by the College of Agriculture of Yangzhou University as an example to optimize and innovate the problems existing in the teaching of traditional plant tissue culture experimental courses. The teaching system of plant tissue culture experimental courses has been optimized from aspects of teaching content， teaching methods and evaluation system， created a teaching atmosphere that combines study and research， improved the quality of experimental teaching and promoted exchanges and interactions between teachers and students， thereby laying the foundation for the development of agronomy majors in the new period.

Keywords： plant tissue culture technology; agriculture; experimental skills; teaching reform; combination of learning and research

随着生命科学的发展，植物组织培养技术已经成为现代生物学技术中应用最为广泛的技术之一，其对植物领域的现代分子遗传学发展也发挥了巨大的推动作用。该技术以植物细胞的全能性为核心理论基础，通过特定的激素诱导，促使已经分化的离体植物器官（组织）分化为完整的植株的过程[1]。植物组织培养技术为现代农业生产和研究提供了一种高效、便捷、可控的方法，其已被广泛应用于种质资源的保存、植物生产与育种和植物生物反应器等领域，同时其还是现代植物分子遗传学和基因功能研究所不可或缺的关键技术[2]。因此，植物组织培养技术课程是高校生命科学类教学的基础课程之一，尽管其往往作为专业选修课进行开设，但是其对于本科与研究生教育的衔接发挥重要作用。

该课程在扬州大学是面向大农学类本科生开设的专业选修课，该课程在注重课本理论知识学习的同时，还强调实验教学质量。然而由于该课程教学内容少，教材针对性不强，理论课教学方式单一，导致学生对专业内容的掌握并不理想。同时，大量相似且抽象的名词和培养基配比信息，导致课程内容相对枯燥，进而影响了学生的上课积极性。上述问题也是当前高校实验课教学所面临的普遍性问题，各学者也针对自身领域的植物组织培养技术实验课进行了教学探索和研究[3-5]，然而这些探索通常是结合各自的特色学科或专业进行，相关教学体系难以直接照搬。

为了提高教学效率和质量，强化学生的动手实践能力，作者以扬州大学农学院开设的农学专业植物组织培养技术实验课程为例，分析了已有实验教学中存在的问题，通过优化教学内容、教学方法和评价体系等策略，探讨了新的实验教学体系对教学质量和学生时间创新能力培养的效果。

1" 植物组织培养技术实验教学中存在的不足

1.1" 教学内容注重理论讲授，忽略实验操作

根据作者所在学校教学计划安排，农学类植物组织培养技术课程总课时数40学时，其中理论讲授24学时，实验课16学时。从植物组织培养技术课程内容来看，其主要包括植物组织培养基本原理、实验室设备与基本操作、离体培养体系建立和植物组织培养各论等内容。总体看，理论课时安排相对实验课较多，并不利于学生专业实践能力培养。作为一门技术操作类课程，其渗透于生物学科的各个领域，与遗传学、分子生物学及植物生物学等均密切相关，其更应该培养学生的实际操作能力[6]。通过对课程教学情况分析，发现理论课内容讲授相对枯燥，学生的积极性和参与度并不高。从理论课程教学内容看，尽管其相对实验课学时安排较多，但是其实际教学内容安排非常紧凑，多个章节要求在2个学时内完成讲授，这导致知识点分散且缺乏重点。更重要的是，章节内容的讲授与实验课程的内容并没有很好的衔接，缺乏理论与实践的有机结合。

1.2" 实验材料受局限

从实验内容安排看，尽管以本学院的优势研究作物水稻和小麦为实验对象，但是具体的实验内容并未考虑实验取材的限制，造成实验安排依赖于田间或在培养箱中材料的生长状态，这极大地限制了实验的正常开展。此外，就模式植物而言，其培养体系已经非常完善，通常是用作培养学生基本操作技能操练和相关激素诱导功能的理论的验证分析，而对于组织培养中常见的一些难题如组织褐化和玻璃化等现象，模式植物通常不会出现，对应的，学生缺少认识相关现象的机会，也就无法开展问题解决实验。上述实验材料的选择相关技术操作体系，对于培养学生的专业技能和专业思想显然是不利的。因此，有必要探索多样化的实验材料和实验设计，引导学生在多样化的选择中发展特长、培育创新精神、锻炼实践能力和提高科学技术素养。

1.3" 实验教学模式不合理，学生缺少参与度

从实验操作看，由于上课时间和实验材料的限制，多数实验材料的前期准备都需要由教师进行，学生只是根据设定的操作程序进行，缺乏对学生自主参与和设计实验方案的锻炼，也难以强化学生对理论知识与操作技能融合的能力。上述传统实验操作从根本上讲，忽略了学生的主体作用，学生的操作实际上是依据设定的程序或操作步骤，按部就班地配制培养基和接种操作，对应的结果也是可预期的。整个实验过程中，学生基本上处于一种被动盲目的状态，只动手而不动脑，缺少思考和讨论设计环节，相应的，学生的实验主动性和积极性大打折扣，学生的创新意识和创新能力发展并未得到很好的锻炼。因而，实验教学模式的改革探索，对于学生实验技能培养和科学思维方式的建立具有重要意义。

1.4" 实验课考核方式单一

从实验操作评价看，以往的评价主要以实验报告的完成情况进行评分。尽管在实际操作中是分组进行的，但是组织形式的单一容易造成小组内部任务分工不均，部分成员参与程度低，实验结果难以反映组内学生的实际水平，从而造成实验课成绩评分存在误差，而影响学生的积极性。单一的强调实验报告，会导致学生一味追求实验结果和报告的准确性，而忽视实验操作技能和创新性思维的锻炼，从而造成学生的学习积极性不高。如何调动学生的主动性，并有效培养学生的创新和科研能力，是当前实验课教学面临的一个重要问题。因此，探索多元化的评价体系、重视技能和创新能力培养，对于提升学生的科学素养和技能水平意义重大。

2" 植物组织培养技术实验教学优化策略

2.1" 教学内容完善，实验材料多样化

与理论教学相比，实验教学更注重学生的独立动手和创新能力的培养，因此在进行常规实验操作锻炼的同时，可以适当增加尝试性实验的比例[3]。实验教学的初衷是培养学生的独立动手和创新能力，实验内容的合理设计显得尤为重要。在实验设计方面，首先，需要考虑实验的系统性和衔接性，不应当将每一次实验课单独考虑；其次，实验内容的学科前沿性和易操作性是实验课的重要基础。为此，作者首先对实验内容设计进行了优化。

考虑到农业领域最成熟的组织培养技术是水稻的组织培养和遗传转化，同时为了降低获得实验材料的难度，我们将实验材料选为水稻成熟胚（成熟的水稻种子），该材料可以随时获得，而不受限于实验室条件和季节。利用水稻成熟胚，能够方便地进行愈伤组织诱导、遗传转化和分化成苗3个连续的实验。其中遗传转化实验进行理论和操作演示实验，与分化成苗安排在一次实验课中，后续愈伤组织筛选和成苗等步骤根据学生意愿，课后自行参与（基于学院开放的科研平台），该部分内容是促使学生积极主动参与科学研究的重要环节。遗传转化所用载体为研究生正在开展的基因功能研究相关构建（质粒），能够促使部分本科了解或参与到具体的科研项目中。因此，基于该实验，不仅训练了学生的组织培养知识，同时还与遗传学和基因工程等学科知识点有了交叉，吸引了学生关注和参与。

为了培养学生的自主设计实验能力，在愈伤组织诱导阶段，作者根据水稻品种间愈伤组织诱导的差异性，选取了4个不同的水稻品种（都能够进行愈伤诱导，主要差异在于愈伤诱导效率不同）供不同的小组选择和实验，以便学生思考和分析实验结果，并通过查阅相关文献给出上述品种间愈伤诱导率差异的解释。此外，为了激发学生兴趣，在理论课讲授期间还引入了反转课堂教学模式[7]，通过征求学生意见，选择了具有观赏和药用价值的植物铁皮石斛作为组织培养的对象。为此，充分调动学生自主性，使学生主动查阅文献，了解实验技术流程和培养基配方，并最终根据文献整理具体的培养基配方，设计具体实验方案（包括取材、灭菌和接种等流程），即以铁皮石斛的种子为材料，进行种胚萌发和原球茎分化成苗实验（主要为种胚萌发实验，学生根据兴趣自主参与原球茎分化成苗实验）。在实验结束后，允许学生带走自行培养的组培苗，以进一步激励学生的兴趣和自主参与度。

在具体的实验实施方面，基于上述方案设计，首先进行各种培养基的配制工作（实验1），在一次实验中，通过分组配制培养基的方式，完成后续各个实验的培养基配制，并且在配置结束后，各组跟踪培养基污染情况，若有培养基不凝固或者长菌情况出现，则重新配置，以增加学生的责任感。随后进行水稻愈伤组织诱导（实验2）和铁皮石斛种胚诱导萌发（实验3）实验。上述2个实验均按照小组，提前分发水稻稻谷和铁皮石斛种子，由小组长协调组员对样品进行前处理。在水稻成熟胚诱导第三周，进行水稻愈伤组织的分化实验（实验4）。在此期间选取部分愈伤组织，利用作者实验室已有携带GUS报告基因的载体，进行农杆菌介导的水稻遗传转化实验（研究生协助进行），考虑到后者的实验周期较长，实验进行到获得抗性愈伤组织后，开始对愈伤组织进行GUS染色观察（实验5）。

2.2" 教学方法创新

教学理念与方法的改革与创新是近年来教学改革首要关注的，在植物组织培养技术实验课程教学方法探索方面，一些策略如“对分课堂”“反转课堂”和多远智能理论的应用都有报道[7-9]，然而怎样结合教学实际情况采用最优的教学策略，来提高教学质量和效率一直是教学一线教师所孜孜探求的。以往的实验课通常做法是，学生首先听取教师进行30 min左右的实验目的、意义、实验器材、步骤和注意事项等的讲解，然后再进入教师提前准备好的操作室，观察教师演示或者跟随教师按部就班的完成实验。相关实验内容多是经过验证的、一定能够成功的实验操作，这对于学生而言仅仅是验证某一个结果，而非自主设计和探索。随后参照实验教材或者教师PPT，抄写实验报告，并上交供教师打分。这种传统方式对于学生而言，参与性过低，实验操作简单，收获有限，独立自主的实验操作技能无法得到有效锻炼。

为充分调动学生自主性，并密切结合农学专业需求，作者积极探索实验内容和方法创新。为保证教学和学生的积极互动和实验教学效果，教研组对实验课规模进行了调整，实行小班授课，每个班级人数控制在20人以内，并按照4人一组进行分组实验。在保证学生能够独立进行实验操作的前提下，以问题为导向，突出学科专题特色。重点以水稻为材料进行系统的实验设计，将水稻愈伤组织的诱导、愈伤的遗传转化（转基因）和分化成苗步骤进行有机的串联，形成专题实验，来增加学生对于组织培养技术的理解。在此过程中，以小组比较实验的方式，利用不同的水稻品种进行愈伤组织诱导和随后的实验，以此来训练学生的数据分析、比较和总结能力。事实上，为增加学生的参与程度，在培养基配制课（实验1）结束后，按照不同的小组分发了不同品种的水稻种子，并要求学生课后手动去壳进行样品准备（每个小组只需要准备100粒左右糙米），这强化了学生对于实验过程的参与度。有趣的是，个别学生取巧，借用实验室小型砻谷机进行脱壳获得糙米，但是在愈伤诱导后发现效果极差，这引发了学生的积极讨论和思考，提高了实验教学效果。

此外，为充分发挥学院公共科研平台在人才培养方面的作用，在实验设计和教学过程中，还进一步融入了科学研究元素。一方面通过全面开放实验室，通过科研平台管理员对学生进入实验室进行登记和预约，让学生能够在课程时间外，随时进入实验室观察和记录实验过程中的每一个环节，这不仅促进了学生主动参与实验过程，而且也便于实验过程评价。此外，基于科研平台帮助，增加了与水稻愈伤组织诱导配套的遗传转化实验，通过向愈伤组织中转入携带报告基因的外源基因来深入学生对于组织培养技术应用的认识。同时，借助科研平台对实验结果进行观察，让学生认识到，植物组织培养技术不仅仅是简单地利用植物细胞的全能性进行扩繁的技术，其在研究基因表达特性分析方面发挥了重要作用。为了激发学生的兴趣，除主要的实验安排外，教师可以根据实验条件和学生需求，进行实验探索。如本实验设计中，通过征求学生意见，网购了具有药用和观赏价值的兰科植物铁皮石斛的种子，并让学生通过文献查阅，整理出了种胚诱导萌发培养基配方并进行了实施，这很好地锻炼了学生的自主实验设计能力。事实上，在获得铁皮石斛的原球茎后，不少学生还利用配制的原球茎分化成苗培养基获得了幼苗，并带到宿舍种养，这种方式极大地提高了学生的兴趣，也锻炼了学生的独立动手能力。

2.3" 教学评价优化

多元化教学评价是当前高校教学改革实践研究的重要方向，也是促进教学质量提高的有效方式[10]。为此在教学内容优化的同时，还制定了新的课程评价办法。由于植物组织培养技术实验课是以实验操作为核心的综合技能培训课，其不仅对实验操作有较高的要求，而且还具有明显的连续性，如从愈伤组织诱导到再生植株的培养过程一般需要4到5个阶段，这需要学生的长期观察记录和随时参与。其中在愈伤组织诱导阶段，若发现有霉菌等污染情况，需要在老师的协助下及时处理，并且还要保证每个小组有足够的愈伤组织用于下一阶段的实验。因此，学生对于实验的参与不仅仅局限于单次的课堂时间，还需要学生在课后不定期进入实验室，观察和记录实验结果并学会应对污染等事件（及时清理霉变的样品）。而与之对应的，仅仅以实验报告为考核标准来评价学生对实验技能的掌握程度的评价方式是片面的，也是不科学的。

为此，作者对考核标准进行了优化，着重强调学生对实验的参与度和认真态度。具体的评价标准由平时成绩（20%）、实验操作（40%）和实验报告（40%）3部分组成，其中平时成绩包括出勤率、师生互动和实验值日等，着重考察学生的学习态度。实验操作主要包括学生实验操作的规范性、实验物品和台面的规律清理、学生定期进入实验室观察记录情况（根据进出实验室登记次数）等，其中前两者以小组为单位进行评价，而对于实验观察和记录过程则按照个人实地参与情况进行汇总评价。实验报告主要考察的是报告书写的规范性、完整性和结果分析的合理性等。基于上述评价标准，学生的实验积极性和参与度有了明显提高，学生能够拿出更多的时间进行实验观察和记录，而对于特别感兴趣的同学，也能够在实验员的指导下做一些后续探索工作。

3" 结束语

植物组织培养技术是生物技术领域最为基础、应用最为广泛的重要手段之一，也是现代农业生产及科研的重要技术。作为强调培养学生实践技能的植物组织培养技术实验课，对学生课程参与度和操作性有更高的要求。同时，面对新农科建设“以学生为本、素质教育和创新性”的培养要求，更应该重视课程改革与探索，以提高人才培养质量，推动学科建设和发展。为此，我们针对植物组织培养技术实验课进行了实验教学内容、教学方法和教学评价体系的优化与实践，激发了学生的学习积极性和对科学研究的兴趣。其中拓展的水稻遗传转化实验与遗传学基因工程章节中的内容能够进行很好地衔接，同时也是当前遗传育种专业研究生最常用的技术之一，从而为有继续深造计划的学生做了很好的铺垫。此外，作者发现，在教学过程中充分利用学科的公共科研平台资源，不仅提高了实验教学质量，也促进了教学与科研的相互融合。

参考文献：

[1] THORPE T A. History of plant tissue culture[J]. Molecular Biotechnology， 2007， 37（2）：169-180.

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[5] 武爱龙，何冰，吴建阳，等.基于CDIO理念的植物组织培养实验教学改革与创新探索[J].农业科技与信息，2023（4）：184-188.

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[7] 黄红英，陈希，杨德俊，等.翻转课堂在植物组织培养实验中的应用[J].现代农业科技，2017（23）：271-273.

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[10] 汪淑芬，胡体旭.基于能力培养的园艺植物组织培养课程多元化考核模式探索[J].教育教学论坛，2017（49）：115-116.