职业高中植物细胞工程模块教学改进与实践———以马铃薯组织培养为例
(1. 保山市民族中学, 保山 678000
2. 西双版纳职业技术学院, 西双版纳 666100
3. 西北师范大学 生命科学学院, 兰州 730070. )
摘要: 植物组织培养技术是中等职业学校园林专业学生须掌握的基本技能。分析职业学校在植物细胞工程模块学习方面存在“重理论, 轻实践”的问题以及组培模块实验改进的需求后, 本研究依据职业高中学校的培养方案, 对植物细胞工程模块进行改进。包括引入实验课程和项目实践。在实施过程中, 将理论知识与实践操作相结合, 以“马铃薯组织培养”实验为例, 围绕“培养基配置、无菌接种、结薯率和试管苗再繁结果观察”三阶段来提升学生的专业素养。实践中, 学生利用组织培养技术成功地获取了马铃薯的愈伤组织, 并进行了植株再生和快速繁殖等实验。通过实践操作, 学生深入了解植物细胞工程的基本原理和实际应用, 同时培养他们的实验技能和科学素养。结果表明, 改进的教学方法和实践操作对提高职业高中学生的学习非常有效。学生在实践中不仅增加对植物细胞工程技术的理解和掌握, 还提高了实验技能和科学思维能力; 同时, 在团队合作和创新意识方面得到了锻炼和提升。本研究为职业高中植物细胞工程模块的教学改进提供了有益的经验和启示。
关键词: 职业高中, 植物细胞工程, 植物组织培养, 教学实践
DOI: 10.48014/tpcp.20231104001
引用格式: 段美玲, 赵如涛, 侯勤正. 职业高中植物细胞工程模块教学改进与实践———以马铃薯组织培养为例[J]. 中国教育学理论与实践,2024, 3(3): 98-104.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2023-11-04
接收日期: 2024-03-23
出版日期: 2024-09-28
中等职业技术教育是我国基础教育高级阶段的一个重要组成部分，其担负着为国家培养高素质技术技能型人才的重要职责[1];也是实现我国社会经济持续发展的坚实基础，在整个教育体系中占据重要地位。当然，如何更好地提升中职学生的技能也是目前教学的重中之重。就目前情况而言，职业高中教学中多以传统知识讲授式的教学模式为主，教学中缺乏对学生职业性的关注与重视。传统高中生物学教材中对于植物组织培养方面涉及的内容介绍较少，主要以引导学生掌握植物细胞全能性的概念为依据来开展教学，这与职业院校培养需求是不同的。当然，教育教学工作也不能运用“拿来主义”，因此基于教学本质及培养目标的差异，职业教育应该体现出职业性、实践性等独特的特点及优势。对于传统课堂教师课堂讲授的教学方式或是照搬高中的教学模式均已不再适用于职业高中的教学，因为，职业学校的学生们具有那个年龄阶段“感性思维强，理性思维弱”的特点。教学中结合学生的特点不断改进简化实验流程的思路，将能够更好地激发学生的学习兴趣，同时帮助学生在基础知识掌握的前提下学会拓展运用。
对于农林类专业的中职学生而言，他们需要很好的掌握农林关键技术并尝试投入到生产实践中。其中植物组织培养技术作为植物细胞工程模块的基本内容，它需要学生能够依据植物细胞具有全能性这一特点，掌握并完成植物种质资源的快速繁殖技术。其技术内容为将植株的部分组织放置在一定条件的营养及激素处理下，可以脱分化形成愈伤组织后诱导其再分化形成完整的植株。这是一项操作精细，要求较高的技术技能实践活动，其中包括制备母液、培养基配制与灭菌、选择外植体并消毒、接种种苗、形成愈伤组织、诱导丛芽和生根、移栽组培苗等操作环节[2]。要求学生能够按照基本要求完成对实验对象的选择与操作，并尝试运用到各类植物实验材料中。但从操作时间的持续性来看，要在一定的时间内顺利地开展完整的实验教学，还需要教师选择适宜的实验材料、制定出完备的教学流程，并从教学材料、教学内容、教学方法等方面进行改进，培养出符合社会发展需求的创新性应用型职教人才。并在教学中尝试通过实践以及创新应用帮助学生培养兴趣、掌握技能，为职业高中植物细胞工程模块的教学改进提供有益的经验和启示，同时为一线教师提供帮助。
1 植物组织培养实验教学现状及意义
植物组织培养是指在无菌操作的条件下，利用人工配制的培养基对植物的部分组织有选择地进行培养的技术。它在作物育种、种苗脱毒和快繁等方面，有着其他技术手段无法比拟的优势所在，并且被广泛应用于各个研究与生产领域[3]。教学实践表明，植物组织培养技术因其具有较强的基础性、实践性、可操作性以及现代生物技术时代性的特点，而在教学中得到广泛应用，并且它还有利于培养学生的生物学学科素养和生物技术技能。由于普通高中教学和职业高中教学的侧重点不同而导致其要求也有所差异。普通中学植物组织培养教学更加侧重于基础理论的理解，比如对细胞全能性概念的理解与掌握;然而，对于职业高中而言，植物组织培养更加偏向于实验与技术技能实践的要求。因此对于职业学校技能实验实践课程的开设及其重要。
一节完整的实验课应包含实验操作的主体、专业理论知识和实验开展的中介等因素。从认识论角度出发，实验操作主体以及专业理论之间的实验开展中介具体到实验课堂教学之中就是教学设计，它是沟通教学主客的桥梁所在[4]。对于中职学生而言，出彩的实验课教学设计也将成为他们自身与今后的社会实践沟通的有效桥梁。通过植物组织培养实验的高质量开展，能够帮助其掌握植物组织培养实践操作技术，灵活应对就业和生产实践需求，并且能够结合工作需要尝试创新运用。
2 植物组织培养实验教学材料
马铃薯(Solanum tuberosum L.)是世界第三大，我国第四大粮食作物，其地位仅次于水稻、小麦和玉米[5]。同时又可作为基本的蔬菜作物，又是优良的饲料作物，更是增值潜力巨大的工业原料作物[6]。它具有产值高、增产潜力大、种植效果，收益好、生育周期短、适应性强而广等优点[7]。其各项优点都与目前职业技术教育的改革发展方向和路径相契合。将教学与生活、生产实践相结合，能够更好地回答职业技术教育帮助学生“怎么做”的问题。
马铃薯的块茎既可作为繁殖器官又可食用，其特殊的生长繁殖过程具有独特的实践研究价值[8]。但我国马铃薯种植存在单产过低的现象，这与种薯的质量密不可分。马铃薯微型薯诱导技术的研究成功，能够加快马铃薯脱毒种薯的繁育，并且微型薯的生产能力能够满足三代种薯体系所需要的起始种植材料，有效推进马铃薯主粮化进程[9]。植物组织培养技术对种薯资源的生产及应用具有重要作用，同时试管薯具有体积小、便于资源保存和交流、生长周期较短，一般14天左右便能结出薯块、可作为原种繁殖的基础材料。马铃薯与日常生产生活实践联系紧密，相比于中药材铁皮石斛组培苗生长需要75天而言马铃薯的组织培养具有生长周期短、实验操作简单等优点，它也更适合用于中职组织培养的教学。其次相比于普通高中教学中选取胡萝卜作为实验材料而言，马铃薯具有可通过种苗茎段繁殖种薯的优点，这些均是组培实验教学的理想材料的特点。
3 马铃薯组织培养实验教学思路
3.1 学情分析
针对园林专业的学生而言，学有所成的标志是能够运用自身所掌握的基础知识及专业技能服务于农林业的发展。本学段的学生在初中阶段已从宏观角度学习过生物体的结构层次、生物圈中的绿色植物以及植物的生殖，掌握了植物的有性生殖的相关知识。虽有一定的基础，但对于植物的无性生殖内容、操作流程仅限于了解。因此在已有的知识储备之下，本次植物组织培养实验便要达成让学生通过动手操作，进而理解细胞全能性的相关概念、掌握植物组织培养的操作技术、内化个人发展理念的目标。在立德树人的基础之上培养出高素质技术技能型人才。
3.2 教学目标
结合国家对职业院校发展需求以及职业高中学生学习偏于实践的特点，本次教学将结合课程教学目标改变以往的教学方式、通过具体的操作技能培养学生达到以下要求。首先在知识方面，通过动手实践对植物组织培养的相关知识产生学习兴趣，进一步掌握植物组织培养的原理、操作步骤以及关键环节和注意事项，并且尝试运用所学专业知识解释实验过程中产生的各种现象及成因;在技能方面，能学会高压蒸汽灭菌锅、超净工作台等具有特殊要求实验仪器设备的使用，掌握并学会制备组织培养基的方法，增强观察记录实验现象、解决实验中的问题、分析实验结果的能力;情感态度价值观方面，学生通过设计不同的探究实验，培养科学的态度和坚持的精神以及自我解决问题的能力。
3.3 教学流程设计
马铃薯的组织培养实训，分为3课时进行(图1)。第1课时培养基的配置以及高温灭菌实验，第2课时是无菌接种实验，通过小组合作将教师提供的一瓶马铃薯种苗分别在无菌工作台上接种到各组配制的培养基内，此部分要求在无菌条件下进行。第3课时记录观察结薯率与试管苗再繁结果，让学生生养成定时观察记录的习惯，其中包括观察是否是种苗污染现象以及记录暗处理中的结薯率。最后以学生的分享、评价和总结为主，师生间通过交流总结本次实验的收获以及不足。
图1 马铃薯组织培养实训操作流程图
Fig.1 Operational flowchart for potato tissue culture practical training
4 马铃薯组织培养实验教学内容
4.1 培养基的配制
本次实训既有脱毒苗的繁育，又有微型薯的培养，学生需在教师的指导下配制两种培养基，第一种用于马铃薯种苗繁殖继代、脱毒苗繁育，以下简称继代培养基、第二种用于马铃薯块茎的生长以下简称微型薯培养基。其中高浓度蔗糖能够诱导马铃薯块茎的形成，8%的蔗糖浓度是能够促进马铃薯提前结薯块且也是马铃薯结薯率较高的浓度[10]。学生依据表1称取各培养基组成成分，以1 M氢氧化钾溶液调pH，定溶后将配制好的液体培养基倒入塑料透明培养瓶中。
表1 提供实验的马铃薯材料
Table 1 Potato materials provided for the experiment
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培养基名称 |
配方 |
成分表 |
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继代 培养基 |
MS粉+3%蔗糖+0.7%琼脂 |
MS培养粉0.884g、蔗糖6g、琼脂1.4g |
|
微型薯 培养基 |
1/2MS粉+8%蔗糖+0.7%琼脂 |
1/2MS培养粉0.884g、蔗糖16g、琼脂1.4g |
4.2 无菌接种
教师提供二倍体CIP149马铃薯试管苗(表2)，各小组在超净工作台剪切其生长旺盛第三片叶子以下粗壮的单节茎段(图2)，转接至继代凝胶固体培养瓶中;在结薯块凝胶固体培养基中保证每个培养瓶接入马铃薯单节茎段。
表2 提供实验的马铃薯材料
Table 2 Potato materials provided for the experiment
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编号 Code |
CIP编号 CIP code |
材料名称 Accession name |
种 Species |
来源 Origin |
|
149 |
705079 |
Unknown |
S.phureja |
哥伦比亚Colombia |
图2 马铃薯单节茎段模式图
Fig.2 Schematic diagram of a potato single-node stem segment
4.3 培养与观察
将继代培养瓶置于光照16hr/d 2000Lx，温度为25℃下模拟自然界条件进行正常培养，接种后定期观察生长以及污染情况。由此而长成的无污染试管苗可以继续用作实验材料。结薯块培养瓶置于18℃全黑暗(TD)的培养间中培养。同时对马铃薯薯块的培养实验定时观察，于第7或14天统计并记录马铃薯结署块情况，并计算结薯率。
5 实验教学改进评价与总结反思
5.1 马铃薯组织培养教学结果
5.1.1 脱毒苗培育结果
教学班级学生在小组合作探究下进行动手实践后，其脱毒苗培育结果呈现如图3:A图种苗长势良好，学生对于实验操作过程中基本步骤能够掌握好并按照要求进行操作，对无菌环境的控制很到位，种苗生长优良，未出现污染情况;B图中种苗长势不佳，分析学生在单节茎段的选取上选择了较羸弱的部分，出现茎节细软的情况。此种结果不利于引种驯化与栽培;C图中培养瓶被污染，学生在实验中对于无菌条件未能控制好，出现种苗未生长的现象。
图3 马铃薯脱毒苗培育结果图
Fig.3 Results of potato virus-free seedling cultivation
5.1.2 马铃薯微型薯培养实验结果
通过改变环境条件便能产生不同的实验结果(图4)，这能够在教师的指导下不断培养学生科学探究的能力。汇总各个小组的实验结果后计算结薯率，并分析产生差异的原因。A图中马铃薯结薯率高，可达到100%，学生对于基本操作的方法都能掌握的比较准确。图B中学生在选取单节茎段时由于选择的长势不一而导致部分茎段未产生薯块，结薯率中等。图C中基本无薯块形成。
图4 马铃薯块茎形成图
Fig.4 Potato tuber formation diagram
5.2 实验教学改进总结
本次教学改变以往传统教学的选材，运用更加贴近学生生活及实践的材料。马铃薯单节茎段相比于普通高中教材中运用胡萝卜进行取样部位选取与培育而言具有成活率更高，也更易于职业高中学生进行理解与运用;其次，茎段在不同的培养基配制以及环境条件下能够生长出现不同结果，这能够培养学生创新的科学研究态度，在光照和黑暗不同处理下会出现不同的实验结果，这对于中职学生而言更容易培养其学习的热情和积极性。其次在教学内容的选择上会更加突出实践能力的培养，结合植物组织培养实验的教学目标，改变以往普通高中教学内容，不仅仅局限于理解外植体、愈伤组织、细胞全能性等概念。更重要的是能够结合植物组织培养的基本步骤，掌握培养基配制方法与要求、高温灭菌锅的操作与使用、体会无菌接种时各类仪器运用以及安全问题、最后学会将实训结果进行量化分析与总结评价等各个流程，并且能够明确运用要点并帮助学生逐步内化且尝试运用于今后的生产实践中，真正做到职业教育的“理实一体化”需求。要点总结如表3。
表3 组织培养实验情况汇总表
Table 3 Summary of tissue culture experiment conditions and results
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步骤 |
要点总结 |
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培养基配制 |
准确称量各组成成分;掌握正确的定容方法;溶液pH调至5.8 |
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高温灭菌操作 |
灭菌温度及时间调节准确;防止高温烫伤;高压灭菌锅冷却后开启 |
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无菌接种 |
保证实验者、实验仪器、实验材料均在无菌条件下进行;注意酒精灯使用安全 |
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结薯率及污染情况 |
认真观察记录;正确计算结薯率;分析污染成因 |
5.3 教学反思
本次技能实训选自《植物组织培养》，结合职业学校学生的学习特点，在教师的指导下，学生基本通过三个课时的动手操作与实践观察掌握植物组织培养的基本技能。本次教学与普通高中教学不同之处在于教师需对不同植物材料组织培养的特点以及适应性等信息进行捕捉、加以重组整合，引发学生开展讨论并开展技能实践，在尊重学生个体差异的前提及要求下实施教学。通过本次实训教学的开展，能够帮助学生深入理解植物组织培养的概念、熟练掌握植物组织培养的基本方法，提升学生学习的热情和积极性，也能将各类概念分辨明晰。同时，通过技能实训让基础好的学生能够学以致用，更好地提升技能发展，做到“吃得饱”、跑得快;也让中等生能够掌握基础知识并学会技能与方法，做到“吃得好”、跑得动;最后让学困生能够在实训过程中学会并理解概念知识，做到“吃得了”、不掉队。
6 教学改进与实践总结
现代教育教学要求教师要引导学生摆脱唯知主义的条条框框，进到认知、情意、行为和谐统一的轨道中。理解关键知识，掌握必备品格对于学生而言会更加重要，因为对于学生成长的可持续而言，核心素养的培养在学生的成长中适用更广也更持久。本次教学通过对实验材料进行改进，对实验教学步骤简化归纳，改变了传统高中生物学教学中理论、概念为主的教学方式。综合职业学校学生的发展需求，让中职学生能在植物组织培养实训中习得知识、掌握技能，达到“先实后理”、“实中蕴理”的行动逻辑，同时通过学生小组合作探究分析实验结果，帮助师生在积极互动、共同发展的对话过程形成一个“学习共同体”引导学生在真实的情境中经历、体验、感悟、创造，真正地帮助学生能够活学活用、学以致用，为今后职业生涯的发展打下坚实基础。
当然，就植物组织培养而言，其存在:污染、褐变和玻璃化三大难题[11]。随着现代生产技术的发展，也都不再成为教学实践中的困扰，马铃薯作为实验材料的优势体现在其内源污染的可能性较低，未出现褐变及玻璃化现象。将其运用于中职教育教学中能够更好地体现“教学、科研、生产与培训”四位一体的需求，教学既体现了学科属性，又是生产实践的过程。其中，知识源于实践，能力来自实践，学生素质的发展更需在技能实践中体现，学生创新能力的发展也需要不断内化在技术技能实践教学中[12]。中等职业技术教育需要培养学生的实践操作能力，在基础知识理解掌握的基础上习得技术技能。多元化的教学实践中，新的教学材料、简化的实践方法提高了学生的主体性地位，激发了他们学习的积极性。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[③] *通讯作者 Corresponding author:侯勤正，hou_qzh@nwnu.edu.cn
收稿日期:2023-11-04; 录用日期:2024-03-23; 发表日期:2024-09-28
基金项目:2018国家自然科学基金项目(1800)。
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Teaching Improvement and Practice of Plant Cell Engineering Module in Vocational High School: Taking Potato Tissue Culture as An Example
(1. Baoshan Nationalities Middle School, Baoshan 678000, China
2. Xishuangbanna Vocational and Technical College, Xishuangbanna 666100, China
3. College of life sciences, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China. )
Abstract: Plant tissue culture technology is a basic skill that vocational high school landscape architecture students must master. After analyzing the problem of “emphasizing theory over practice” in the learning of plant cell engineering modules in vocational schools and the need for experimental improvement of tissue culture modules, this study improved the plant cell engineering module according to the culture scheme of vocational high schools, including the introduction of lab courses and project practice. In the implementation process, the theoretical knowledge and practical operation are combined, taking the “potato tissue culture” experiment as an example, focusing on the three stages of “medium configuration, sterile inoculation, potato rate and observation of test tube seedling remultiplication results” to improve students professional quality. In practice, students successfully obtain calluses from potatoes using tissue culture technology, and conduct experiments such as plant regeneration and rapid propagation. Through hands-on practice, students gain an in-depth understanding of the basic principles and practical applications of plant cell engineering while developing their experimental skills and scientific literacy. The results show that the improved teaching methods and practical operations are very effective in improving the learning of vocational high school students. In practice, students not only increase their understanding and mastery of plant cell engineering technology, but also improve their experimental skills and scientific thinking ability. At the same time, they have been exercised and improved in terms of teamwork and innovative awareness. This study provides useful experience and enlightenment for the teaching improvement of plant cell engineering modules in vocational high schools.
Keywords: Vocational high school, plant cell engineering, plant tissue culture, teaching practice
DOI: 10.48014/tpcp.20231104001
Citation: DUAN Meiling, ZHAO Rutao, DUAN Cuiling, et al. Teaching improvement and practice of plant cell engineering module in vocational high school: taking potato tissue culture as an example[J]. Theory and Practice of Chinese Pedagogy, 2024, 3(3): 98-104.