分子生态学实验教学改革与实践探索

吴小红 梁小翠 王钧 王光军 闫文德

[摘 要] 分子生态学实验是分子生态学教学的重要组成部分。目前分子生态学实验教学中存在实验体系不合理、实验教学模式单一和实验教学资源不足的问题。为了解决目前实验教学中存在的问题，提高学生的实验动手能力、解决实际问题能力和创新思维能力，对分子生态学实验教学内容、实验教学方法、成绩评定方式和教学资源使用等进行了一系列改革和探索。通过教学改革激发了学生学习的主观能动性，增强了学生综合运用知识解决实际问题的能力和创新能力，有效地提升了“分子生态学”实验教学效果。

[关键词] 分子生态学;实验教学;教学改革

[基金项目] 2018年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“基于翻转课堂理念的分子生态学课程教学设计”（湘教通〔2018〕436号）;2020年度湖南省学位与研究生教育改革研究项目“新农科视域下卓越农林研究生培养模式的创新与改革研究”（湘教通〔2020〕216号）;2016年度湖南省普通高等学校教学改革研究项目“以社会需求为导向的生态学专业人才培养模式改革与实践”（XJT2016〔400〕-282）

[作者简介] 吴小红（1985—），女，湖南益阳人，生态学博士，中南林业科技大学生命科学与技术学院副教授，硕士生导师，主要从事分子生态学研究。

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）25-0065-04 [收稿日期] 2022-03-18

分子生态学是基于核酸和蛋白质等遗传标记，应用分子生物学的原理和方法来研究生命系统与环境系统相互作用机理及其分子机制的科学，是生态学专业本科教学中一门重要的专业基础课程。由于分子生态学的教学内容涉及核酸、蛋白质等微小、微量的物质，内容较为抽象，涵盖的知识面广，加上分子生态学相关的技术和方法更新速度快，学生难以通过理论课程的学习来理解和掌握课程内容。实验教学作为本科教学的重要组成部分，不仅能帮助学生更好地理解和掌握理论知识，而且能培养学生的思维和创新能力，提升学生的综合素质[1，2]。因此，在分子生态学的教学中，实验教学也是课程设置中不可缺少的教学内容[3]。

中南林业科技大学自2011年起将分子生态学实验课程纳入了生态学本科专业课程体系。长期以来，由于分子生态学的授课手段以理论教学为主，实验教学为辅，实验教学一直处于被动和次要的地位而不被重视，导致该实验课程教学效果较差。本文结合我校实际，从分子生态学实验教学现状入手，分析讨论实验教学中存在的主要问题，对实验课程教学进行探索和改革，以提高该课程的教学质量。

一、分子生态学实验教学现状

分子生态学实验课程以分子生态学基础实验技术为主，主要包括土壤和植物基因组DNA提取、聚合酶链式反应（PCR）扩增、琼脂糖凝胶电泳及成像、生物大分子遗传信息分析等基本实验技术。实验课程的开展，提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。但目前实验教学中仍存在一些问题和不足，有待进一步克服和解决。

（一）实验体系不合理，实验课时受限

受传统教学方法、實验场地和学时等因素的限制，分子生态学的实验项目多为简单易行的验证性实验或操作性实验，缺乏综合设计性实验和探究性实验。这种实验体系虽然包含了分子生态学主要的实验操作技术和方法，但由于各项实验内容相对独立，实验项目之间连贯性不强，导致学生应用分子生态学的方法和技术解决生态学领域相关问题的能力仍较弱，难以实现提升学生创新意识和综合能力的教学目的。

（二）实验教学模式单一，学生兴趣不高

分子生态学实验往往耗时长、操作烦琐，受课时限制，实验教学中有些实验环节，如所用器皿的清洗和灭菌、DNA提取试剂的灭菌等均由实验教师提前完成。在授课形式上，分子生态学实验课程先由教师讲解实验原理、关键操作步骤和注意事项，然后指导学生按照实验资料上的“规定动作”完成实验，提交实验报告。这种“程式化”教学方式难以激发学生的主动性，学生缺乏独立思考和系统性操作，对与预期不一致的实验结果不能正确分析和反思，难以达到实验教学应有的教学效果。

（三）实验教学资源不足，学生参与度低

为了培养每一位学生的实验操作能力，分子生态学实验课程一般采用分组形式进行，由2～3人构成一个实验小组开展相关实验。然而，由于分子生态学实验配套的仪器设备及试剂比较昂贵，且每年学校在实验教学方面的资金投入有限，在实验教学过程中一些仪器设备往往难以满足实验教学需求，导致出现了两个问题：一是拖慢了实验进度，学生难以在规定的时间内完成事先计划好的实验内容;二是影响了学生实验的参与度，部分实验内容无法保证全部学生上机进行操作。

二、分子生态学实验教学改革

结合本实验课程特点，通过优化实验教学内容、改革实验教学方法、重构课程考核方式和丰富实验教学资源等，构建分子生态学实验课程教学体系，培养学生的自主学习能力、实践动手能力和解决实际问题的能力，提升分子生态学实验课程的教学质量。

（一）优化实验教学内容，培养学生综合应用知识的能力

按照从简单到复杂、从分散到系统的原则，对原有实验教学内容进行优化整合，构建一个由验证性实验、综合设计性实验和探究性实验构成的多层次实验体系[4]。验证性实验以分子生态学领域的基础性实验为主，实验项目包括“土壤微生物基因组DNA提取”“琼脂糖凝胶电泳法鉴定DNA的原理和方法”“DNA浓度检测”“聚合酶链式反应（PCR）扩增”和“克隆文库构建”等。验证性实验的目的是让学生熟悉分子生态学的常用仪器设备、规范实验操作方法、掌握基本实验技能，为综合设计性实验的开展奠定基础。

综合设计性实验由学生自主设计实验内容，引导学生形成分子生态学实验能力。自主设计过程是学生为主体的综合实验准备阶段，要求学生基于实验室现有设施条件，自行查阅文献资料，撰写实验方案，完成实验操作，再对实验结果进行分析，得出结论。例如，实验项目“利用16S rRNA基因文库技术分析不同树种土壤细菌群落的多样性”，由学生自行选择树种类型，自主选择16S rRNA基因扩增引物和感受态细胞，结合实验室条件，利用所学方法提取土壤基因组DNA，鉴定DNA浓度和纯度，采用引物对16S rRNA基因进行PCR扩增并构建克隆文库。实验完成后，学生还需进行DNA序列比对和谱系进化树构建等数据处理和分析工作，比较不同树种土壤细菌群落多样性水平差异。通过开展综合设计性实验可以培养学生发现问题和解决问题的能力，在锻炼学生综合运用知识和实验技术的同时，还能让学生融会贯通所学知识，加深学生对知识点的理解和掌握。

探究性实验主要依托湖南省大学生创新创业训练计划项目开展。由学生自行组建实验小组，进行文献调研后选择自己感兴趣的研究课题进行实验设计，制定实验方案，与教师讨论后修订实验方案。例如，2018级生态学专业的学生经过文献调研后，想探讨丛枝菌根树种和外生菌根树种土壤氮循环微生物的差异及其原因，以“丛枝与外生菌根树种对土壤氮循环的影响研究”为项目名称提交了申请书，最终获得了湖南省大学生创新创业训练计划项目的资助。通过开展此类探究性实验，学生运用理论知识解决实际问题的能力得到了极大地锻炼和提高。

（二）改革实验教学方法，激发学生学习主观能动性

为了保证实验的顺利进行，教师课前将与实验内容相关的教学课件、微课和测试题等上传至移动教学平台，要求学生利用碎片化时间认真预习，了解实验做什么、为什么做和怎么做，并要求学生完成预习测试题。教师通过分析预习测试题的数据，了解学生预习效果，并基于学生的预习情况有针对性地完成实验教学设计，促进实验教学的有效性[5]。课中适当设疑，引导学生积极思考问题，培养学生的批判性思维能力。例如，在“土壤微生物基因组DNA提取”“琼脂糖凝胶电泳法鉴定DNA的原理和方法”“DNA浓度检测”等实验中，让学生讨论和回答“提取基因组DNA用到的主要试剂有哪些，分别起什么作用”“琼脂糖凝胶电泳检测时为什么要将点样端置于电泳槽的负极端”“如何鉴定提取DNA的纯度”等问题。通过上述问题的提出引导学生主动思考并积极回答，最后通过教师的归纳总结得出正确答案。这种启发式教学方式不仅可以加深学生对知识的理解，也有利于培养学生发现问题和解决问题的能力。

由于分子生态学相关的技术和方法更新速度快，实验教材内容往往跟不上学科发展。把教师承担的科研项目（包括国家自然科学基金项目、省部级科研项目和其他类型的科研项目）等融入实验教学，可以实时更新教学内容，让学生掌握最新的研究技术和研究方法。例如，授课教师将承担的国家自然科学基金项目“土壤自养微生物固碳速率及其功能种群差异机制”融入实验教学，使学生提前接触到新近发展的稳定性同位素探针技术（SIP），不仅理解了该技术的基本原理，而且了解了该技术在定向发掘土壤环境中参与自养固碳过程的微生物资源方面的功能[6]。实验教学内容和科研项目的有机融合可以有效地解决实验教学内容更新慢的问题，让学生及时了解相关领域的前沿科学技术，有利于培养学生的实践能力和创新能力。

分子生态学涉及生态现象与生态规律的发生、发展过程中的分子机理，内容尺度跨度大，且微观内容过于抽象、宏观内容过于想象。巧妙运用多媒体教学手段，包括PPT、视频、图片或知识链接等形式，可以方便学生更形象地理解和掌握知识内涵，提高教学效果[7]。例如，在“聚合酶链式反应（PCR）扩增”实验中，可以结合PPT展示和Flash动画向学生演示PCR扩增的基本原理和实验操作步骤，帮助学生更好地掌握实验原理和实验操作步骤。另外，对于一些学生使用不规范的仪器设备，如移液枪和离心机，可以通過实地拍摄的方式制作常规仪器设备的操作方法视频，让学生对仪器设备的操作方法有更感性的认识和理解。此外，在介绍系统进化树时，可以借助多媒体网络在线演示构建系统进化树的方法。这种教学手段不仅可以增加学习的趣味性和生动性，而且有利于帮助学生理解抽象、枯燥的知识内容，更好地调动学生学习的积极性，从而起到教学辅助作用[8]。

（三）重构课程考核方式，注重实验过程考核

以往分子生态学实验课程考核主要侧重学生的平时考勤和实验报告，实验报告是学生实验课程成绩判定的重要指标。这种考核方式忽略了对实验过程的考核，其评价结果并不能真实地反映学生的实验技能和综合能力。因此，我们根据分子生态学实验课程特色和生态学专业人才总体培养目标，把实验操作和实验结果展示汇报等过程性要素纳入课程评价考核体系，不仅关注学生课堂出勤情况和实验报告，同时注重学生实验过程表现，建立以实验技能、创新能力和综合素质培养为核心目标的多元化课程考核评价办法[9]。新的考核办法主要从课堂考勤、课前预习情况、实验操作、实验结果PPT展示汇报和实验报告等方面进行全方位考核，把考核的重点从获取的知识量向知识、能力、综合素质的评价转移。其中，课堂考勤主要考查学生的课堂出勤情况，对于请假、旷课、早退和迟到的学生给予一定的扣分。课前预习主要考查学生对教学课件、微课和测试题等课前预习资料的掌握情况。实验操作主要考查学生能否按照实验要求，安全准确地操作实验设备，以及能否按照正确的实验步骤完成实验内容并得到准确的实验数据。实验结果展示汇报要求学生以PPT形式进行汇报，主要考查学生对实验的理解以及对实验中出现的问题的分析及解决能力。实验报告主要考查学生对实验原理、实验操作步骤、实验数据处理与分析等方面的掌握情况。重构后的课程考核方式，能够更全面、准确地考查学生的实验水平，不仅能提高学生学习的积极性和主动性，而且能提升学生的创新能力和综合能力，有利于生态学综合型人才的培养。

（四）开放多个研究平台，共享优质教学资源

我校生态学科既是国家重点（培育）学科，也是湖南省优势特色重点学科和湖南省“双一流”建设学科。学科拥有南方林业生态应用技术国家工程实验室、森林植物国家级实验教学示范中心和城市森林生态湖南省重点实验室等多个国家级和省部级研究平台，均配备有分子生态学精密仪器设备。为了解决分子生态学实验课程教学资源不足的问题，对涉及精密仪器使用的一些实验项目，可以实行开放性实验教学，协调多个研究平台分时段开放相关仪器设备[10]。例如综合型实验“利用16S rRNA基因文库技术分析不同树种土壤细菌群落的多样性”，为了保证每个学生都有上机操作的机会，采取了开放性实验教学管理。管理上实行申请审核制，由学生个人提出申请并提交实验方案，授课教师对实验方案和实验申请进行审核，授课教师审核通过后提交仪器管理员审核，管理员审核通过后学生即可进入实验室开展实验。在开放实验室开展综合型实验，学生参与了研究内容设计、研究方法确定、实验方案实施、实验数据处理和分析、实验报告撰写等一系列实验过程，基本实验技能、科研思维能力和写作能力同时得到训练。因此，开放性的实验教学管理，既利用平台优势解决了教学资源不足的问题，又可以让学生成为教学的主体，变被动学习为主动实践，能极大地激发学生的探究兴趣，培养学生的创新思维。

結语

分子生态学实验课程经过教学内容和教学方法的一系列改革，学生学习的主观能动性和学习兴趣被激发，综合运用知识解决实际问题的能力也有所增强，综合素质得到明显提升。但是目前分子生态学实验课程改革仍存在一些问题，如实验经费不足、师资力量有限、开放性实验室管理难度较大等。这需要我们在今后的教学工作中不断探索与实践，进一步提升分子生态学实验课程的教学质量。

参考文献

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[8]张玉明，王彦芳，曲占良，等.基于翻转课堂理念的分子生物学实验教学改革与探索[J].教育教学论坛，2016（38）：260-262.

[9]赵小虎，刘震，胡承孝.高等农林院校分子生态学课程建设与教学改革探索[J].安徽农业科学，2015，43（10）：366-368+371.

[10]刘洋，夏建磊.分子生态学本科教学实践与探索[J].生物技术世界，2014（5）：115.

Exploration of Teaching Reform and Practice of Molecular Ecology Experiments

WU Xiao-hong， LIANG Xiao-cui， WANG Jun， WANG Guang-jun， YAN Wen-de

（College of Life Science and Technology， Central South University of Forestry & Technology， Changsha， Hunan 410004， China）

Abstract： Molecular ecology experiments are an important component of Molecular Ecology teaching. At present， there are many problems in the teaching of Molecular Ecology experiments， such as the unreasonable experiment system， the single experiment teaching mode， and the insufficient experiment teaching resources， etc. In order to solve the existing problems in the current experiment teaching， improve students’ practical ability， problem-solving ability and innovative thinking ability， a series of reforms and explorations have been conducted on the experiment teaching contents， the experiment teaching methods， the performance evaluation methods and the sharing of teaching resources. The teaching reform has stimulated students’ subjective initiative in learning， enhanced their ability to comprehensively use knowledge to solve practical problems and their innovation ability， which has effectively improved the experiment teaching effect of Molecular Ecology course.

Key words： Molecular Ecology; experiment teaching; teaching reform