草業科學專業細胞生物學教學模式探索
——以蘭州大學草業科學專業為例

尹紅菊，劉文獻，未 麗，趙 祺

（草種創新與草地農業生態系統全國重點實驗室 / 蘭州大學草地農業科技學院, 甘肅 蘭州 730020）

細胞生物學是在細胞、亞細胞、分子水平上研究細胞生命活動規律的科學[1]，已經廣泛滲透到21世紀生命科學研究的各個領域，包括生物學、醫學、農學、生態環境科學等[2]。細胞生物學是生物學領域重要的基礎課程之一，教學內容涵蓋細胞的研究方法、結構和功能、代謝與運動、增殖與分化、衰老與凋亡、細胞信號轉導以及細胞起源與進化等多個層面[1]。隨著時代的發展和科技的進步，細胞生物學授課內容不斷更新，逐漸將當代生物化學和分子生物學的技術方法和成就納入重要教學內容，如細胞基因表達與調控、組學、基因編輯等。細胞生物學具有學科交叉融合的樞紐作用[1-2]，可緊密承接植物學、動物學、生物化學等先行課程內容，也可為學生后期學習遺傳學、分子生物學、生理學和育種學等課程打下基礎。因此，細胞生物學相繼被各高等院校生命科學相關專業設置為本科生基礎課程[2-3]。

我國草業科學源自草原學，隨著學科內涵從天然草原向草業生態系統拓展，本科生教學內容更新也與時俱進，不斷被充實，已形成草業科學教學內容微觀、中觀和宏觀的完整體系[4]，而微觀知識體系層面涉及大量細胞、分子方面的內容，這客觀上要求為草業科學專業本科生增設細胞生物學課程，進一步完善草學專業的課程體系，以更好地服務于培養知識面廣、能力強、綜合素質高的草業科學專業人才的目標。蘭州大學草地農業科技學院自2002 年成立以來，圍繞我國草業科學發展方向和需求，依托生物學等學科的優勢資源，制訂了具有專業特色的草業科學本科人才培養方案，將細胞生物學設置為草業科學本科生專業基礎課程。細胞生物學教學團隊歷時十幾年的實踐和探索，形成了適合草學專業的課程講授內容和模式，并取得了一定成效。本研究針對草業科學專業引入細胞生物學課程使實際教學所面臨的問題，總結了蘭州大學草業科學細胞生物學教學模式探索的一些成熟經驗，以期不斷完善課程教學體系、提高教學水平，也為其他高校草學專業細胞生物學教學提供借鑒。

1 細胞生物學課程教學中存在的主要問題

1.1 教師教學方面的問題

由于草學專業的細胞生物學教學起步較晚，目前全國草學專業開設細胞生物學課程的院校為數不多，細胞生物學教學以沿用生物學專業的教學內容和教學模式為主。然而，生物學為理學，草業科學屬于農學范疇，兩個專業各具特色，培養人才的定位和目標側重點不同，本科生的培養方案和課程體系差異較大。生物學專業細胞生物學教學內容主要源于對酵母、線蟲、小白鼠等模式生物的研究所取得的成果[3]，而與以植物生命科學為基礎的草學專業聯系并不緊密，如一味沿用，勢必造成理論和實踐脫節。另一方面，細胞生物學為生物學的專業核心課程，所安排的課時量較為充足并配合以大量的實驗實踐課程，且普遍有植物學、動物學、生物化學等先行課程打下堅實的基礎[2]。根據草業科學人才培養計劃，為細胞生物學教學安排的時間非常有限，以蘭州大學草業科學專業為例，細胞生物學為專業限選課程，僅安排了36 學時的理論教學時間，這與細胞生物學知識體系龐大、內容抽象復雜、信息量不斷擴充之間的矛盾較為突出。加之草學專業細胞生物學往往沒有生物化學等課程作鋪墊，學生缺乏相關基礎知識，增加了教學難度。為了兼顧數量、質量和進度，教師主要采取“教師講、學生聽”的授課方式進行教學，導致師生互動少、老師“抓”不住學生、課堂氣氛沉悶等問題。

1.2 學生學習中的問題

以蘭州大學草學專業為例，細胞生物學課程開設對象為該專業大二學生。經過大學一年的專業課程的學習和師生座談會、專家講座等渠道，同學們已經了解“草”“草原”和“草牧業”在保障國家糧食安全、生態安全及提升城鄉居民生活水平中的重要性[4-5]，認可自己的專業，具有一定專業榮譽感。但他們對專業培養目標尚不十分清楚，對草業科學各門課程的設置、內容和相互關系認識不足。關于細胞生物學，學生在高中時通過“生物”的學習，對其并不陌生，了解細胞生物學的發展歷程、細胞基本結構及細胞中的基本代謝活動等，很容易將其與生物學專業聯系在一起，而對其與草業科學的關系感到迷惑；細胞生物學課程涉及到的各細胞器的功能、蛋白質的分選與膜泡運輸、細胞信號轉導以及增殖與分化、衰老與凋亡等生命活動等內容抽象復雜，學生學習理解困難；對學習細胞生物學可為后期學好植物生理學、牧草與草坪草育種等課程做好知識儲備這一重要性認識不清；對細胞生物學在草業科學研究和實際生產中有哪些應用、怎么應用更是知之甚少。因此，學生的學習興趣和積極性普遍不高，加之學習任務繁重、時間緊張，導致臨考死記硬背知識點以應付傳統閉卷考試的現象嚴重，難以實現培養學生創新能力、綜合分析和解決問題的能力這一既定目標[2-6]。

2 改革實踐和探索

蘭州大學草學專業細胞生物學教學團隊，圍繞專業特點和教學目標，針對以上問題，進行了以下改革實踐和探索。

2.1 整合優化教學內容

2.1.1 擇合適教材，及時更新專業知識

在教學中，教材是體現教學內容和目標的基本載體，也是學生獲取知識的主要源泉。優秀的教材起到主導教學方向、穩定教學次序、保證教學質量的作用[7]。根據蘭州大學草業科學專業細胞生物學課程“通過對細胞生物學的學習，幫助本科生從細胞和分子層面認識草類植物的生長和發育，同時為其以后的學習和科學研究打下良好的基礎”的教學要求和目標，教學團隊經過討論、比較分析，選擇翟中和等編著的《細胞生物學(第四版)》[1]作為主講教材(圖1)。該教材綜合了生命科學在細胞的不同層次研究所取得的成果、所發現的基本規律、所總結的技術方法，雖多源于對酵母、小白鼠等的研究所取得的成果，也不乏植物細胞相關內容，在教學過程中穿插增加草學專業相關內容比較輕松自然。而且按照該教材章節順序進行教學安排與同時進行的生物化學、遺傳學教學進度契合度較高，能較好避免知識點重復講授的問題，對草業科學專業本科生的教學較為適用。

圖1 草業科學專業細胞生物學教學改革實踐路線圖Figure 1 A roadmap for cell biology teaching reform of Pratacultural Science

隨著細胞生物學的迅猛發展，新知識、新技術不斷涌現，國內外教材相繼面世、不斷更新，因此蘭州大學草學專業細胞生物學教學團隊還選擇了楊維才主編的《鄭國昌細胞生物學(第二版)》[8]作為參考教材進行知識點的補充，推薦了Alberts 等編著的Molecular Biology of The Cell(7th Edition)[9]及一些細胞生物學相關的網站。由于一些細胞生物學書籍和大多數新發表的文章均為英文版本，本科生普遍閱讀起來較為困難，而且學生課程任務繁重，沒有充足的時間進行仔細閱讀。因此，在每年的教學過程中，授課教師需要及時將一些新的相關研究成果補充進講授內容。在細胞生物學的研究方法章節，增加了基因組、轉錄組和蛋白質組等組學內容以及基因編輯的內容。在葉綠體這一章節，基本每年都會根據光合作用的最新研究結果，增加一些新的教學內容：2021 年講了改造光合作用途徑以提高作物產量的最新研究結果，2022 年又增加了新的光合色素發現的知識[10-12]。2021 年諾貝爾生理和醫學獎頒給了發現溫度和觸覺受體的兩位科學家，蘭州大學草學專業細胞生物學教學團隊馬上就想到溫度和觸覺受體是一個典型的離子通道偶聯受體，并將該研究結果穿插進后面細胞信號轉導章節的講授中(圖1)。實踐證明，新內容的引入能明顯地激發學生的興趣，幫助他們了解細胞生物學的發展動態和前沿，拓展學生視野。

2.1.2 精簡內容，突出重點

細胞生物學是生命科學的交叉學科，與生物化學、遺傳學、分子生物學、植物生理學等學科相互滲透與交融[2]，相關教材和教學內容難免重復。得益于蘭州大學草地農業科技學院要求教學團隊和學科群教師每學期集體備課的舉措，相關學科授課老師可以專門聚在一起討論教學大綱、教學內容，交流教學方法、教學經驗。細胞生物學教學團隊經過與其他課程任課老師反復討論、研究，將教學內容進行了合理取舍，同時對每章節講授課時數進行了調整(圖1 和表1)。

緒論及細胞的統一性和多樣性這兩章的內容相對簡單，且該部分大多數內容在高中生物課程中已學習過，授課時間從原來的每章節2 課時壓縮為1 課時；物質的跨膜運輸，特別是離子的跨膜運輸是“植物生理學”中的重點講授內容，我們將該章節的授課時間從原來的4 課時縮短為2 課時；細胞核與染色質、細胞周期與細胞分裂這2 章節的內容在遺傳學、分子生物學課程中都會涉及，授課時間均縮短為1 課時；同樣，核糖體的功能及蛋白質的合成在生物化學課上會具體學習，我們不再專門安排課時進行講授。相反，由于細胞生物學研究方法以及線粒體和葉綠體、細胞質基質與內膜系統、蛋白質分選與膜泡運輸、細胞信號轉導等細胞生命活動是細胞生物學課程中的重點內容，且隨著細胞生物學的迅猛發展，新知識、新技術不斷涌現，授課過程中不斷穿插融入的新內容較多，因此增加了這些章節的授課時間。以上調整既能避免不同課程之間重復教學內容，也能突出教學重點、踐行“深度教學”理念，還可緩解課時數有限與教學信息量大的沖突。

針對學生對細胞生物學與草業科學專業的聯系認識不清楚的問題，在緒論部分主要介紹細胞生物學在草業科學研究和生產中的應用，細胞生物學課程與遺傳學、分子生物學、牧草與草坪草育種之間的聯系，以及整個課程的講授安排等，從課程開始便吸引學生的注意力，使其認識到細胞生物學在草業科學中的地位以及學習該課程對學好其他課程的重要性。另外，在每一章節都盡量將一些知識點與“草”或“植物”聯系在一起，以加深學生印象，提高其學習興趣。

2.1.3 融入科學故事、增加科研案例

細胞生物學是一門實驗科學，相關理論均源于科學家反復實驗的結果[3,13]。因此，根據知識點的不同，在教學過程中適當引入科學家的故事，介紹其發現科學問題的過程和提出科學假說的背景，可避免課堂上理論學習的枯燥，增加課堂趣味性；同時有助于自然融入思政內容，培養學生創新意識、鍛煉其堅韌的科研品格[3,14] (圖1)。講解線粒體和葉綠體起源時，分享Lynn Margulis 不甘失敗，通過不懈努力證實內共生起源學說的故事[15]，吸引學生注意力，使其較為輕松地理解和掌握知識點；并讓學生明白一個道理：科學的探索是一個艱難的過程，不要輕易懷疑和放棄自己的結果，也許它后面隱藏著一個偉大的發現。在講解溶酶體時，介紹Christian de Duve 和其同事發現溶酶體的過程[16]，讓同學們通過生動有趣的故事了解到溶酶體的功能及其與線粒體、內質網等細胞器的區別；同時引導學生明白科學研究是一個發現問題、分析問題、解決問題的過程，使其認識到在不斷學習過程中儲備充足的知識、鍛煉創新能力并持之以恒的重要性。

針對細胞生物學知識復雜，學生難以消化吸收，教材的部分內容與專業聯系不緊密等問題，蘭州大學草學專業細胞生物學教學團隊嘗試將經典的和最新的科研案例融入教學(圖1)。例如，關于掃描電鏡的應用，教材中涉及的圖片均是動物組織、細胞外部結構的觀察及結果，便通過提問的方式導入了掃描電鏡技術應用到草學研究中的案例。學生根據教師提出的“掃描電鏡可用于研究草類植物嗎？具體可以用于哪方面的研究？”等問題進行思考、討論、查閱資料，教師加以引導和幫助，一起得出答案：掃描電鏡可以用于草類植物的研究，如種子外部結構、胚胎的觀察，豆科牧草果莢裂開過程中的細胞形態結構分析，荒漠草類植物在脅迫環境下細胞形態、大小的觀察等。講授細胞融合現象時，直接將植物原生質體融合現象導入教學內容，同時特意介紹植物體細胞雜交技術在牧草和草坪草優良品種培育過程中的重要作用?？蒲邪咐托畔⒌娜谌雽⒓毎飳W的教學內容與草學專業特點緊密結合，幫助學生認識自己專業的動態和發展空間，激發學習熱情；同時加深了學生對知識點的理解，有利于培養學生運用所學知識分析、解決問題的能力。鑒于案例教學的諸多優點，近幾年蘭州大學草學專業細胞生物學教學團隊圍繞教學大綱，收集相關案例資料，擬建立豐富適用的教學案例庫。

2.2 改進教學方法

合適的教學方式是獲得良好教學效果的關鍵，體現在授課的各個環節[13]。針對教師為了趕進度采取“教師講、學生聽”的教學方式導致學生積極性不高、課堂氛圍沉悶的問題，蘭州大學草學專業細胞生物學教學團隊對教學方法進行了多方面的改革嘗試，如靈活變換課堂導入方式、利用多媒體教學、課堂翻轉等。

2.2.1 多樣化課堂導入方式，吸引學生注意力

課堂導入是將學生引入學習狀態的重要環節[17-18]，根據細胞生物學的不同章節，探索了相應的導入方法(圖1)。課程開篇，引用生物學大師Wilson 的預言“一切生命的關鍵問題都要到細胞中去尋找答案”開題[1]，吸引學生的注意力。由于細胞結構與功能的幾個章節之間聯系緊密、邏輯非常清晰，在講授這幾章內容時一般從復習上節課的知識出發，抓住新知識點與舊知識的聯系，自然引入新的教學內容；在此過程中，隨機點名讓學生回答問題，問題方向也不盡相同：可能是前面課程學過的內容，也可能是前面內容與本章內容的聯系，或者是對相關問題發表自己的看法。通過講科學故事或生活相關案例等方式導入，如前文提到的以講故事的方式導入溶酶體的講授內容；以市面上所售藥物類型為題，通過提問的方式導入G 蛋白偶聯受體介導的信號轉導內容。在介紹顯微鏡時，以精美的顯微鏡照片吸引學生的眼球，進行課堂導入。

2.2.2 利用多媒體教學資源，加強知識理解

細胞微小，形態、類型多樣，內部結構及在生命體中的功能錯綜復雜，往往使學生感到相關知識繁瑣、抽象、難以理解。在教學過程中，充分利用動畫、視頻、仿真軟件等多媒體教學資源，直觀形象的呈現教學內容(圖1)，使概念性的細胞生物學過程變成可見的現象，使教學變得更加豐富、生動、有趣[18-19]。例如，在講葉綠體的光合作用時，除了通過PPT 上的文字和圖片進行概念和細節點的講述外，將在資源共享平臺上收集到的介紹光合作用的視頻應用到課堂總結的環節，讓學生直觀地看到葉綠體里的結構和它們發揮功能的機制，幫助學生理解這一復雜生物學過程，加深印象。另外，將相關資源分享在網絡教學平臺或微信群中，供學生自主學習。

2.2.3 翻轉課堂，鍛煉學生能力

近年來，隨著互聯網的普及和計算機技術在教育領域的應用，“翻轉課堂”教學模式變得現實可行，使學生和老師的角色發生互換，學生不再單純地依賴老師獲取知識，可以通過互聯網搜索優質的教育資源進行自主學習，而老師更多的責任是去理解學生的問題和引導學生去運用知識，鍛煉學生發現問題、分析問題、解決問題的能力[17-18]。因此，蘭州大學草學專業細胞生物學教學團隊也將翻轉課堂應用到細胞生物學教學過程中。學期開始時，以自由分組的方式將課程班的學生分為5～6 人一組的討論小組，屆時均由老師點名一位小組成員走上講臺，講述該小組對教師布置的問題的理解和答案，其他成員做相應補充；教師則在臺下傾聽，對學生進行適當引導及點評。每一章節都會布置2～3個問題，相對應地，每次均有2～3 位同學獲得走上講臺的機會，同時有十幾位同學有參與討論的機會。另外，在教學中期，我們會給學生布置一項針對細胞生物學上的某個問題搜集整理資料并做PPT 進行演講的任務。該任務仍由每個討論小組獨立完成，在學期末安排一次大型討論課，屆時教師在每一組中隨機點名請一位同學進行PPT 演講匯報，小組成員進行補充，教師點評，教師和其他每個小組進行打分。實踐表明，這種新的教學模式產生了較好的效果，學生分析解決問題的能力、制作講解PPT 的能力、團隊協作能力均獲得了較好的鍛煉和提高。

2.3 建立合適的考核評價方式

傳統的考核方式是以期末閉卷考試為主，集中考核學生對書本知識的掌握情況，忽視了對學生創新意識和能力的評價，容易打消學生平時學習積極性，導致臨考前死記硬背、突擊復習。因此，蘭州大學草學專業細胞生物學教學團隊結合細胞生物學的教學內容和教學方式，將考核成績分為平時成績和期末閉卷考試成績兩部分(圖1)。平時成績占總成績的50%，主要考核出勤、上課回答問題、每一章節的小組討論情況及期末小組PPT 演示情況，分別占平時成績的20%、30%和50%。其中，關于出勤，還專門通過集體點名的方式進行考核，并在不定期、隨機點名回答問題的過程中抽查學生出勤情況，以扣減形式給分。關于課堂問題，一般在“學習通”上公布，每位同學均需要回答，根據回答的準確性，以扣減形式給分；而平時上課與老師互動，主動回答問題，根據情況以加分的形式給分。由于小組討論和PPT 演示環節，每個小組、每位同學基本都有均等的機會參與，所以也根據情況以扣減形式給分。這些環節的考核可以很好地督促和引導學生參與課堂教學，培養學生的學習興趣、總結和表達能力。另外，適當調整期末閉卷考試題目設置，除了考核學生對細胞生物學基本知識和理論的掌握情況外，還根據平時的教學內容，設置一些利于學生發揮的靈活性、系統性較強的題目，有效考查學生綜合運用知識解決問題的能力。

3 改革效果評價

為了了解細胞生物學教學改革的效果，通過匿名調查問卷的方式開展了草學專業細胞生物學教學改革滿意度和效果調查(表2 和表3)。對象為已經選修細胞生物學課程的草業科學專業2019 級61 名本科生及2020 級29 名本科生，總計回收有效問卷75 份。關于教學質量和教學效果的各調查內容獲得“非常滿意/滿意/較為滿意”評價累計均超過95% (表2、表3、附表1)；關于教學質量的8 項內容有5 項獲得“非常滿意/滿意”評價累計均超過90%，其余3 項獲得“非常滿意/滿意”評價累計均超過85%；關于教學效果的8 項內容有7 項獲得“非常滿意/滿意”評價累計均超過85%。以上結果表明細胞生物學教學的改革措施比較合理，能夠明顯增強大部分學生對草業科學的專業興趣，提升他們對相關文獻資料的閱讀能力、綜合學習能力，并提高課程理論知識的學習效率，這為繼續深化本課程教學改革奠定了堅實基礎。

表2 草業科學專業細胞生物學教學改革內容的評價。Table 2 Evaluation of teaching reform in “cell biology” in Pratacultural Science%

表3 草業科學專業細胞生物學教學改革的效果評價Table 3 Evaluation on the effects of teaching reform of “cell biology” in Pratacultural Science%

4 結語

綜上，蘭州大學草業科學專業細胞生物學教學團隊通過及時更新專業知識、突出教學重點、融入科學故事和科研案例等方法對教學內容進行了整合優化，既保留了傳統細胞生物學的經典核心內容，也使課程與草業科學專業特點結合更加緊密，逐漸形成了具有專業特色的細胞生物學教學內容；同時，利用多媒體教學、翻轉課堂、多元化考核方式等手段提高了教學質量，取得了良好教學效果。所總結的經驗和方法可為其他同行提供借鑒。

細胞生物學是一門重要的專業基礎課，是構筑現代草業人才專業知識體系的重要支撐。在今后的教學實踐中，我們應與時俱進，掌握細胞生物學學科的最新動態，結合草業科學專業特點及發展要求，堅持以學生為主體，不斷優化教學內容，改進教學方法，改革考核評價手段，將慕課、專題講座、線上教學、實驗教學等融入其中，建立一套與時俱進的、適合草學專業的細胞生物學教學體系。