分子生物學(xué)與基因工程實驗教材建設(shè)初探

何華綱, 朱姍穎, 姜 松, 董 英

(1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學(xué)環(huán)境學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)的各個領(lǐng)域，不僅給現(xiàn)代生命科學(xué)帶來了一場革命，而且大大促進了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等行業(yè)的發(fā)展，尤其是在基因工程藥物、轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物等方面已創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。分子生物學(xué)與基因工程實驗課程對培養(yǎng)生物技術(shù)專業(yè)技術(shù)型及創(chuàng)新型人才具有重要意義[2-3]。在多年實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，本文對分子生物學(xué)與基因工程實驗教材建設(shè)的現(xiàn)狀進行剖析，探索并提出實驗教材建設(shè)的思路，并將其應(yīng)用于教材建設(shè)的實踐。

1 分子生物學(xué)與基因工程實驗教材建設(shè)的現(xiàn)狀

近年來，隨著生命科學(xué)的發(fā)展，涌現(xiàn)出大量相關(guān)的實驗教材，促進了生物技術(shù)及相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)，但在整體上還存在以下三個方面的不足：

1)讀者群定位不夠清晰。在建設(shè)和出版教材時，許多編者不能清晰地界定讀者群，在內(nèi)容上貪多求全，不能完全適應(yīng)和滿足本科教學(xué)的需求。

2)入門指導(dǎo)性不強。在實驗項目的選擇上，不少教材所選的實驗項目過于專業(yè)化，不適于本科入門教學(xué)；在內(nèi)容的編排上，往往偏重于實驗步驟的編寫，甚至羅列，而對實驗原理的闡述不夠詳細(xì)[4]，缺乏應(yīng)有的指導(dǎo)性。

3)系統(tǒng)性不強。有些教材所選的各實驗項目過于獨立，缺乏連貫性和系統(tǒng)性，易使學(xué)生孤立地看待相關(guān)知識及技能，從而不利于培養(yǎng)學(xué)生的整體意識和科研意識[5]。

2 分子生物學(xué)與基因工程實驗教材建設(shè)的指導(dǎo)思想

針對現(xiàn)有實驗教材的不足，本文提出兩點設(shè)想。

2.1 立足本科培養(yǎng)目標(biāo)，強化入門指導(dǎo)

作為本科實驗教材，在實驗項目的選擇上應(yīng)有別于研究生教材，需立足于本科培養(yǎng)目標(biāo)，兼顧本科教學(xué)平臺，選擇涵蓋核心技術(shù)的實驗項目。在實驗內(nèi)容的撰寫上，應(yīng)強化教材的入門指導(dǎo)作用，詳盡介紹專業(yè)知識背景、實驗原理和操作方法。

2.2 適應(yīng)創(chuàng)新教學(xué)理念，強化科研啟蒙

無論是學(xué)科自身的發(fā)展，還是社會經(jīng)濟的發(fā)展，都對本科教學(xué)提出了培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的更高要求。為了適應(yīng)創(chuàng)新教學(xué)的理念，在實驗教材建設(shè)時，既要重視基本操作技能的培養(yǎng)，還要重視綜合運用、獨立創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[6-7]。對此，應(yīng)在教材中加大綜合性實驗、設(shè)計性實驗和開放性實驗的比重。綜合性實驗不僅要體現(xiàn)出學(xué)科內(nèi)的小綜合，還要體現(xiàn)出跨學(xué)科的大綜合，以反映學(xué)科發(fā)展的動向及學(xué)科之間的聯(lián)系；在設(shè)計性實驗中，要求引導(dǎo)學(xué)生獨立設(shè)計實驗方案，并作可行性分析，規(guī)范思維；開放性實驗最好能與科研課題結(jié)合[8]，應(yīng)當(dāng)強化本科實驗課程的科研啟蒙作用[9]。

3 分子生物學(xué)與基因工程實驗教材建設(shè)的實踐

根據(jù)上述兩個指導(dǎo)思想，本文作者及所在教研組在實驗教材的建設(shè)上做了初步嘗試，編寫并出版了適用于生物技術(shù)本科專業(yè)的《分子生物學(xué)與基因工程實驗教程》。該教材的建設(shè)著重于實驗項目的選擇、實驗項目的模塊化設(shè)計、實驗教材內(nèi)容的編撰等三個方面。

3.1 精心選擇實驗項目

立足于生物技術(shù)專業(yè)的教學(xué)大綱，圍繞DNA重組、原核表達(dá)、轉(zhuǎn)基因等核心技術(shù)，選擇能在本科教學(xué)平臺上有效實施的實驗項目。在選擇實驗項目時，既考慮上游技術(shù)，又重視下游技術(shù)，并兼顧實驗技術(shù)在微生物、植物和動物領(lǐng)域的應(yīng)用。由于實驗平臺、成本、時間等因素的限制，將動物轉(zhuǎn)基因引入本科教學(xué)是不現(xiàn)實的，但編者還是在教材中成功引入了昆蟲桿狀病毒表達(dá)系統(tǒng)，利用重組桿狀病毒建立家蠶生物反應(yīng)器，這不僅具有本科教學(xué)的可行性，而且展現(xiàn)了學(xué)科的發(fā)展動向及技術(shù)的應(yīng)用價值，在教學(xué)中極大地激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)興趣。

選擇實驗項目還要考慮到生物大分子看不見摸不著的特性[10]，盡量將不可見變?yōu)榭梢?，將抽象變?yōu)榫唧w，將枯燥變?yōu)橛腥?。例如，在原核表達(dá)時使用綠色或紅色熒光蛋白基因作為外源基因，經(jīng)過誘導(dǎo)表達(dá)后，大腸桿菌能夠呈現(xiàn)亮麗的綠色或紅色；隨后利用鎳離子親和層析分離純化重組蛋白時，還可根據(jù)綠色或紅色的聚集或消散，直觀地觀察到重組蛋白的結(jié)合效果和洗脫效果，這既加深了學(xué)生對實驗原理的理解，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 模塊化設(shè)計實驗項目

跟其他實驗課程相比，分子生物學(xué)與基因工程實驗具有自身的特色，各實驗項目相對獨立，又前后關(guān)聯(lián)，在教材建設(shè)時要充分認(rèn)識到這種關(guān)聯(lián)性，否則不利于所學(xué)知識及技術(shù)的融會貫通。比較合理的做法是將各實驗項目進行模塊化處理。如將整部教材分為DNA重組、原核表達(dá)、植物轉(zhuǎn)基因、昆蟲桿狀病毒、開放實驗等模塊，每個模塊包含若干個獨立的實驗項目，各實驗項目之間環(huán)環(huán)相扣，構(gòu)成一個系統(tǒng)。

例如，原核表達(dá)模塊不僅涵蓋了引物的設(shè)計、表達(dá)載體的構(gòu)建、外源基因的誘導(dǎo)表達(dá)、重組蛋白的SDS-PAGE檢測、重組蛋白的分離純化、重組蛋白的活性分析等實驗及技術(shù)，而且以點成線、以線成面，將孤立的知識點聯(lián)系起來，形成一個完整的系統(tǒng)，指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建基因工程菌并從中獲得具有生物學(xué)活性的重組蛋白。教材中的原核表達(dá)模塊還加強了分子生物學(xué)與基因工程同生物化學(xué)、酶工程、發(fā)酵工程、分離工程等課程的銜接，充分體現(xiàn)出生物技術(shù)專業(yè)核心課程的關(guān)聯(lián)性。

總之，教材中實驗項目的模塊化設(shè)計具有兩個突出的優(yōu)點：

1)將實驗的驗證性、設(shè)計性、綜合性等要素有機地結(jié)合在一起，有利于全面培養(yǎng)學(xué)生的獨立操作能力、綜合應(yīng)用能力、方案設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。

2)將單項實驗整合為一個獨立的課題，在實驗教學(xué)中還原出科研的面貌，有利于引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)研究的方法，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，真正起到科研啟蒙的作用。

3.3 精心編撰實驗教材內(nèi)容

實驗教材內(nèi)容的編撰采用易于被學(xué)生接受的傳統(tǒng)格式，將單個實驗分為實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗材料、實驗?nèi)容和思考題等5個部分，撰寫時把實驗原理和實驗內(nèi)容作為重點。

1)實驗原理部分：針對初學(xué)者的特點，教材注重背景知識的介紹和技術(shù)原理的闡述，例如，在“農(nóng)桿菌介導(dǎo)法制作轉(zhuǎn)基因植物”實驗中，先概括性地介紹了轉(zhuǎn)基因植物的應(yīng)用現(xiàn)狀，綜合評價了基因槍法、花粉管通道法、農(nóng)桿菌介導(dǎo)法等常用的植物轉(zhuǎn)基因方法，使讀者能對整個技術(shù)背景有比較全面的了解；然后詳細(xì)介紹了Ti質(zhì)粒的構(gòu)建策略和方法、外源基因?qū)朕r(nóng)桿菌、農(nóng)桿菌感染植物細(xì)胞、轉(zhuǎn)基因植株的再生等核心技術(shù)。在實驗原理的闡述過程中，力求突出重點、深入淺出、清晰透徹、通俗易懂，并精心設(shè)計70多幅圖片，輔助學(xué)生對各重點、難點的理解。例如，介紹“藍(lán)白斑篩選”時就設(shè)計了5幅圖片，既有β-半乳糖苷酶催化的反應(yīng)圖，又有藍(lán)白斑的實物圖及示意圖，還特別呈現(xiàn)了大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控、α-互補及化學(xué)反應(yīng)，使藍(lán)白斑篩選的原理一目了然。

2)實驗內(nèi)容部分：力求準(zhǔn)確地描述基本操作，并用注解形式強調(diào)關(guān)鍵操作，或作必要的安全提示。比如在“氯仿抽提去質(zhì)粒DNA中雜蛋白”這個步驟中，利用注解比較詳細(xì)地說明了該步驟在實驗中所起的作用、操作難度及潛在的實驗危險，對學(xué)生掌握操作技術(shù)有實際的指導(dǎo)作用。在實驗內(nèi)容部分，盡量提供備用方案，以滿足不同的實驗操作要求，也可適應(yīng)不同的實驗教學(xué)平臺，例如提供SDS堿裂解法、柱式抽提法兩種方案提取質(zhì)粒DNA，提供試劑盒法、反復(fù)凍融法、乙醇沉淀法等4種方案回收和純化目的基因。在教學(xué)中由學(xué)生自己選擇和實施不同的實驗方案，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，并拓展了其思維。

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