微生物遺傳學(xué)與分子生物學(xué)教學(xué)改革探索

金 一 李志茹 趙國柱 彭霞薇 謝響明

北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100083

作為北京林業(yè)大學(xué)微生物學(xué)科研究生培養(yǎng)的重要核心課程之一，微生物遺傳學(xué)與分子生物學(xué)課程的創(chuàng)新改革具有重要意義。該課不僅是微生物相關(guān)專業(yè)的學(xué)位課，也是林學(xué)、食品、環(huán)境等相關(guān)方向重要的專業(yè)課。作為生物學(xué)院新設(shè)置的研究生課程，為了提高課堂教學(xué)效率，增強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和開闊學(xué)生的思路，微生物遺傳學(xué)與分子生物學(xué)課程的講授采用了國外優(yōu)秀教材和最新學(xué)術(shù)文獻(xiàn)上的研究成果，通過雙語教學(xué)，體現(xiàn)出學(xué)科的先進(jìn)性和前沿性，讓學(xué)生第一時(shí)間了解并掌握國際最新研究成果。本課程從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面進(jìn)行了改革探索，力爭將本課程建設(shè)為創(chuàng)新性示范課程，為其他課程的改革提供參考。

1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出學(xué)科交叉特點(diǎn)

我校開設(shè)的微生物遺傳學(xué)與分子生物學(xué)課程僅32學(xué)時(shí)，如果將微生物遺傳學(xué)和分子生物學(xué)兩門學(xué)科的內(nèi)容生硬地放在一起講述，顯然難以達(dá)到較好的教學(xué)效果。因此優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容成為本教學(xué)改革的重點(diǎn)之一。微生物遺傳學(xué)與分子生物學(xué)這兩門看似不同的學(xué)科，在起源和發(fā)展上卻緊密地結(jié)合在一起，本課程改革將從這兩門學(xué)科的交匯點(diǎn)出發(fā)，將知識(shí)系統(tǒng)、有機(jī)地結(jié)合在一起，使學(xué)生能夠全面學(xué)習(xí)微生物學(xué)知識(shí)及分子生物學(xué)技術(shù)在微生物遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用。

微生物有著個(gè)體小、生命周期短、培養(yǎng)條件簡單及繁殖迅速等優(yōu)勢，這使得微生物遺傳學(xué)的研究成果對(duì)于遺傳學(xué)中眾多基礎(chǔ)理論的闡明至關(guān)重要，同時(shí)也極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)的發(fā)展。在起源和發(fā)展過程中，微生物遺傳學(xué)和分子生物學(xué)相輔相成，一方面微生物遺傳學(xué)的研究離不開各種分子生物技術(shù)；另一方面分子生物研究又常常以微生物為對(duì)象，微生物學(xué)研究成果推動(dòng)分子生物學(xué)發(fā)展[1]。許多重要理論，如一個(gè)基因一種酶的提出；肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的闡明；通過大腸桿菌無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系完成遺傳密碼的破譯；操縱子學(xué)說的提出；研究RNA病毒的反向遺傳學(xué)技術(shù)等，都同時(shí)屬于微生物遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的范疇。這些重要發(fā)現(xiàn)均以微生物為研究對(duì)象，即闡明了重要的生命活動(dòng)，又極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)的發(fā)展。我們在教學(xué)過程中需要時(shí)刻重視這兩門學(xué)科的有機(jī)結(jié)合，例如在講述微生物基因工程時(shí)，以一種耐熱木質(zhì)素酶產(chǎn)生菌為例，通過分子生物學(xué)手段研究產(chǎn)酶基因，并借助技術(shù)手段突變、篩選和鑒定出新的木質(zhì)素酶高產(chǎn)菌株，為工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。通過這樣的學(xué)習(xí)，研究生不但能夠全面掌握微生物基因工程研究中的泛用思路和方法；還能夠體會(huì)到分子生物學(xué)技術(shù)在微生物遺傳學(xué)研究中的重要性。

2 精選教材，跟蹤國際研究前沿

微生物遺傳學(xué)與分子生物學(xué)的授課對(duì)象為碩士一年級(jí)學(xué)生，已經(jīng)學(xué)習(xí)過微生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、基礎(chǔ)遺傳學(xué)等課程，并且通過了研究生入學(xué)考試，知識(shí)豐富，擁有較好的相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的微生物學(xué)科中文教材更新慢，僅包含主要的經(jīng)典內(nèi)容，而對(duì)學(xué)科的發(fā)展前沿和最新研究成果較為欠缺，無法滿足培養(yǎng)同國際接軌高水平研究生的需求。因此本課程在教材的選擇上應(yīng)該有較高的起點(diǎn)，我們主要使用一些國際上比較受歡迎的英文原版教材，如："Brock Biology of Microorganisms"(13th ed.)[2]，"Prescott's Microbiology"(8th ed.)[3]，"Microbiology,An Introduction"(10th ed.)[4]，這幾本教材內(nèi)容全面、知識(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、更新較快、緊跟學(xué)科發(fā)展前沿，多年來在國內(nèi)外廣受好評(píng)。尤其"Brock Biology of Microorganisms"更是國際上眾多名校微生物課程首選教材[5]。另外本課程還參考微生物遺傳學(xué)方面的優(yōu)秀教材，如："Modern Microbial Genetic"(2nd ed.)。本課程改革中還參考大量近年來國際刊物上發(fā)表的重要研究論文和綜述，在課堂上將微生物遺傳學(xué)最新研究成果和熱點(diǎn)方向介紹給學(xué)生，一方面能夠拓寬研究生的思路，同時(shí)也能在一定程度上指導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生自身的研究工作。例如在講述微生物耐藥性機(jī)理研究時(shí)，以流感病毒對(duì)達(dá)菲的耐藥性研究為例，通過反向遺傳、蛋白質(zhì)結(jié)晶等技術(shù)首先確定達(dá)菲的作用位點(diǎn)，進(jìn)而研究耐藥毒株相應(yīng)的氨基酸序列及結(jié)構(gòu)域，解釋病毒產(chǎn)生耐藥性的分子機(jī)理，并為新型藥物的研發(fā)提供思路。

3 推進(jìn)雙語教學(xué)，提高學(xué)生專業(yè)外語水平

雙語教學(xué)指的是使用非母語進(jìn)行部分或全部非語言學(xué)科的教學(xué)。在我國的高等學(xué)校教學(xué)中，雙語教學(xué)一般是部分或全部使用英語授課的教學(xué)形式。開展雙語教學(xué)能夠使我國的高等教育同國際接軌，是我國高等教學(xué)國際化的發(fā)展趨勢，為培養(yǎng)具有國際交流合作能力、專業(yè)知識(shí)全面堅(jiān)實(shí)的復(fù)合型人才奠定了基礎(chǔ)。我校針對(duì)本科生開設(shè)了微生物學(xué)雙語課程，本課程在本科雙語教學(xué)的基礎(chǔ)上將知識(shí)進(jìn)一步深入細(xì)化、突出重點(diǎn)，使本科到碩士研究生的教學(xué)內(nèi)容更加連貫。

過去的雙語教學(xué)，常常出現(xiàn)學(xué)生抱怨聽不懂、不愛聽等現(xiàn)象。為了提高研究生的學(xué)習(xí)興趣，避免負(fù)面情緒產(chǎn)生，我們從專業(yè)詞匯入手，讓學(xué)生學(xué)以致用進(jìn)而對(duì)雙語教學(xué)產(chǎn)生濃厚興趣。對(duì)于大多數(shù)理科研究生，繁重的科研壓力迫使他們必須閱讀大量SCI論文。在閱讀英文文獻(xiàn)時(shí)，英語水平直接決定了一個(gè)研究生的學(xué)習(xí)和研究效率。大部分碩士研究生已經(jīng)通過大學(xué)英語四級(jí)考試，對(duì)常用英語的掌握并無問題，所以真正影響他們閱讀英文資料的是那些生僻難懂的專業(yè)詞匯。我們在授課過程中以專業(yè)名詞的基本概念為切入點(diǎn)，分別用漢語和英語敘述解釋，讓學(xué)生既是在學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)又掌握了專業(yè)英語。研究生通過課堂上的學(xué)習(xí)能夠有效地提高專業(yè)外語水平和科研業(yè)務(wù)能力，自然就會(huì)對(duì)課程產(chǎn)生濃厚興趣，提升教學(xué)效果。

4 重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)，綜合評(píng)定學(xué)生成績

研究生課程的考核與本科生不同，一方面研究生對(duì)考核成績的重視程度不如本科生；另一方面單純的筆試成績不能有效地體現(xiàn)研究生的科研水平，動(dòng)手能力和科學(xué)思維的培養(yǎng)對(duì)科研工作往往更加重要。對(duì)優(yōu)秀的研究生而言，應(yīng)該避免考前突擊與死記硬背，為此我們對(duì)傳統(tǒng)的閉卷考試進(jìn)行改革，綜合成績由撰寫綜述和實(shí)驗(yàn)成績組成。其中撰寫綜述占60%，要求學(xué)生根據(jù)自己的研究領(lǐng)域選擇一個(gè)與微生物遺傳學(xué)密切相關(guān)的研究前沿查閱外文資料，按照中文核心期刊的格式要求撰寫一篇綜述。對(duì)較優(yōu)秀的學(xué)生，教師進(jìn)一步輔導(dǎo)修改，幫助其在核心期刊上發(fā)表論文。這樣既能激發(fā)研究生的學(xué)習(xí)熱情，也有助于他們今后研究工作的開展。

在微生物相關(guān)專業(yè)的研究生培養(yǎng)過程中，將課堂上的理論教學(xué)內(nèi)容同科研工作有機(jī)結(jié)合一直是教學(xué)過程中的重點(diǎn)，理論教學(xué)的成果最終要落實(shí)到實(shí)驗(yàn)室的科研工作中。為了實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)向科學(xué)研究的延伸，本課程加大了實(shí)驗(yàn)課的比例，占總課時(shí)的50%，其中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)占1/3，將更多的時(shí)間放在探索性的綜合實(shí)驗(yàn)上。大多數(shù)微生物遺傳學(xué)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)課習(xí)慣于選擇一些傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)往往是驗(yàn)證性的，學(xué)生按照現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)進(jìn)行操作。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生只是機(jī)械地完成教材上的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟，缺少主動(dòng)思考的鍛煉，使得實(shí)驗(yàn)課無法真正培養(yǎng)研究生的科研思維能力。實(shí)驗(yàn)改革對(duì)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了精簡和濃縮，只保留一些經(jīng)典的微生物遺傳學(xué)及分子生物學(xué)研究技術(shù)，包括感受態(tài)細(xì)胞的制備、營養(yǎng)缺陷型突變細(xì)菌的篩選、抗性基因的克隆與表達(dá)等。

本教學(xué)改革更加重視綜合科研能力的培養(yǎng)，首次將實(shí)驗(yàn)課從教學(xué)實(shí)驗(yàn)室搬到了微生物學(xué)科的科研實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室具備現(xiàn)代微生物學(xué)及分子生物學(xué)研究的常用儀器設(shè)備，讓學(xué)生能夠在“真正”的實(shí)驗(yàn)室中學(xué)會(huì)使用常用儀器，鍛煉科研能力。在我們選擇的科研實(shí)驗(yàn)室中，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以選擇不同的儀器和步驟完成。2/3的實(shí)驗(yàn)課以專題形式講授，所選內(nèi)容均是一些較為“時(shí)髦”的研究課題，既沒有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)也沒有已知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究生能夠在實(shí)驗(yàn)課上體會(huì)探索性研究的魅力和挑戰(zhàn)。教師首先詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)背景、原理和目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考應(yīng)該用什么樣的實(shí)驗(yàn)手段和設(shè)備進(jìn)行。教師對(duì)學(xué)生提出的不同實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，利用一些與實(shí)驗(yàn)室科研工作密切相關(guān)的小專題，鍛煉研究生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決科學(xué)問題的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后教師組織學(xué)生對(duì)不同方案產(chǎn)生的不同結(jié)果進(jìn)行討論，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的收獲遠(yuǎn)比結(jié)果的好壞重要。例如在耐高溫纖維素酶高產(chǎn)菌株分離專題中，我們提供紙漿廢水、生物堆肥等原始材料。學(xué)生自行選擇材料后設(shè)計(jì)出了多種實(shí)驗(yàn)方案，包括富集培養(yǎng)-條件篩選、高溫培養(yǎng)-唯一碳源篩選、厭氧培養(yǎng)-條件篩選等，最終檢測酶活。這些實(shí)驗(yàn)方案都有較高的可行性，在高產(chǎn)菌株的篩選研究中也確實(shí)需要不同的操作相結(jié)合。鼓勵(lì)研究生采用自主設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既能夠使他們樹立信心，在今后的工作中敢于挑戰(zhàn)科學(xué)問題；還能引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)一個(gè)不理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析原因，找出研究中的關(guān)鍵點(diǎn)，改良實(shí)驗(yàn)方案，最終完善自己的研究。通過這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅讓研究生掌握微生物學(xué)研究的基本思路和方法，更進(jìn)一步培養(yǎng)他們獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決科學(xué)問題的能力。

課程總成績中，實(shí)驗(yàn)成績占40%，由實(shí)驗(yàn)報(bào)告(25%)和實(shí)驗(yàn)考核(15%)組成。實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，組織學(xué)生進(jìn)行一對(duì)一的實(shí)驗(yàn)考核，主要考查動(dòng)手能力和科研思維能力。學(xué)生根據(jù)教師給出的題目，首先要獨(dú)立完整地設(shè)計(jì)出整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，討論其可行性和改進(jìn)方法；然后選擇實(shí)驗(yàn)步驟中的某部分，當(dāng)場演示操作。通過考核能夠鍛煉研究生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，讓他們從被動(dòng)的“技術(shù)工”轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)的科研工作者。

5 結(jié)束語

微生物遺傳學(xué)與分子生物學(xué)課程經(jīng)過創(chuàng)新改革，首先在教學(xué)內(nèi)容上有機(jī)地融合了微生物遺傳學(xué)和分子生物兩個(gè)學(xué)科的重要知識(shí)；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重視綜合科研能力的培養(yǎng)，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立提出和解決科學(xué)問題；同時(shí)利用雙語教學(xué)，能夠有效提高研究生的專業(yè)外語水平，幫助其閱讀外文文獻(xiàn)資料；更對(duì)其今后研究工作的開展和撰寫SCI論文奠定了基礎(chǔ)。目前該課程教學(xué)已經(jīng)取得較好的效果，受到研究生歡迎。但微生物遺傳學(xué)和分子生物學(xué)發(fā)展迅速，對(duì)教育工作者提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我們必須不斷學(xué)習(xí)新的研究成果、掌握最新分子生物學(xué)技術(shù)，更進(jìn)一步充實(shí)和完善教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

[1]曹理想,譚紅銘,周世寧.生物技術(shù)專業(yè)微生物遺傳學(xué)教學(xué)改革初探[J].微生物學(xué)通報(bào),2004(6):120-122.

[2]Madigan, M.T.,et al., Brock Biology of Microorganisms[M]. 13th ed. San Francisco: Benjamin Cummings, 2012.

[3]Willey, J.M., et al., Prescott's microbiology[M]. 8th ed. New York: McGraw-Hill, 2011.

[4]Tortora, G.J., et al., Microbiology: an introduction[M].10th ed.Michigan: Pearson Benjamin Cummings, 2010.

[5]謝響明,何曉青,彭霞薇.理科(生物學(xué))基地班微生物雙語教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2005(4):109-111.