基于能力培養(yǎng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

梁 健，段瑞君，魏曉星

(1. 青海大學(xué) 生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，青海 西寧 810016; 2. 青海大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，青海 西寧 810001)

實(shí)踐教學(xué)是高校教學(xué)工作的重要組成部分，是深化課堂教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生獲取、掌握知識(shí)的重要途徑[1]。高校實(shí)踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生探索和創(chuàng)新精神，進(jìn)而提高其實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]。青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院自2001年開始，圍繞“生命科學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)”的核心思想，通過日元貸款、中央財(cái)政支持地方高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等項(xiàng)目，借助于清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的對(duì)口支援工作，建成了由普通生物學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物學(xué)、生理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)等6個(gè)實(shí)驗(yàn)室和1個(gè)高原動(dòng)物適應(yīng)機(jī)制研究室組成的“省級(jí)生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”，成為全校生命科學(xué)類及相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研平臺(tái)。

分子生物學(xué)是一門從分子水平研究生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學(xué)。目前，分子生物學(xué)是生命科學(xué)的帶頭學(xué)科，其發(fā)展使整個(gè)生命科學(xué)經(jīng)歷了一場(chǎng)全新的革命；同時(shí)，在農(nóng)業(yè)上開辟了育種的新途徑，在醫(yī)學(xué)上有望開發(fā)出治療某些特殊疾病的新方法，在環(huán)保上開拓了污染治理的新思路，在工業(yè)上形成了以基因工程為基礎(chǔ)的新興工業(yè)[3]。分子生物學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)課程是高校生命科學(xué)及相關(guān)學(xué)科開設(shè)的重要專業(yè)課。分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，該技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)在整個(gè)生物學(xué)領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)作用，成為生命科學(xué)及相關(guān)學(xué)科研究中普遍應(yīng)用的方法和手段。因此，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)顯得尤為重要。從2007年起，我們以學(xué)生的能力培養(yǎng)為宗旨，對(duì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、考核方式等方面進(jìn)行了探索改革，實(shí)現(xiàn)了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)從無到有，從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)到綜合實(shí)驗(yàn)和探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，從依附于理論課程到單獨(dú)開課，效果良好。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的內(nèi)容

1.1 課程體系

建立科學(xué)合理的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程體系，不僅能讓學(xué)生領(lǐng)略到科學(xué)的本質(zhì)，掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)策略和思維方式，而且能夠開拓學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)[4,5]。

根據(jù)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的性質(zhì)、類型和具體要求，參考國內(nèi)清華大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)等高校課程設(shè)置情況，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了梳理和整合，建立了“3+1”模式的實(shí)驗(yàn)課程體系[6]。其中，3是指將實(shí)驗(yàn)課程分為3大類，第1類是基礎(chǔ)性(技能性)實(shí)驗(yàn)課程，訓(xùn)練學(xué)生的基本專業(yè)技能；第2類是綜合性實(shí)驗(yàn)課程，提高學(xué)生的綜合能力；第3類是研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神；1是指本科生進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室參與的科研訓(xùn)練。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包含分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、基因工程實(shí)驗(yàn)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)綜合性大實(shí)驗(yàn)3門課程。分子生物學(xué)課程實(shí)驗(yàn)重在基礎(chǔ)性教學(xué)，生物化學(xué)與分子生物學(xué)綜合性大實(shí)驗(yàn)重在綜合性訓(xùn)練，而基因工程實(shí)驗(yàn)重在研究性層次訓(xùn)練。

表1 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程變化情況

1.2 教學(xué)內(nèi)容

1.2.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課程

我們開設(shè)的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為經(jīng)典的重組DNA技術(shù)[7]，主要包括以下8個(gè)實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)一、植物基因組DNA的提取及分析；

實(shí)驗(yàn)二、質(zhì)粒DNA的提取及分析；

實(shí)驗(yàn)三、PCR基本原理及擴(kuò)增目的基因；

實(shí)驗(yàn)四、PCR產(chǎn)物(目的基因)的瓊脂糖凝膠電泳；

實(shí)驗(yàn)五、載體DNA和目的基因的酶切及電泳檢測(cè)；

實(shí)驗(yàn)六、酶切產(chǎn)物的純化及DNA 重組；

實(shí)驗(yàn)七、大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞的制備及重組子的轉(zhuǎn)化；

實(shí)驗(yàn)八、轉(zhuǎn)化子的篩選與鑒定。

通過這些基本技能的訓(xùn)練，使學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)技術(shù)有一個(gè)初步的理解，同時(shí)對(duì)如何規(guī)范使用移液器、離心機(jī)等基本技能進(jìn)行了學(xué)習(xí)，有利于后面的教學(xué)和科研訓(xùn)練。

1.2.2 綜合性實(shí)驗(yàn)課程

生物化學(xué)和分子生物學(xué)綜合性大實(shí)驗(yàn)是在基本技能基礎(chǔ)上的一個(gè)提升，如果說基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)是單項(xiàng)動(dòng)作的話，那么綜合性大實(shí)驗(yàn)則是連貫動(dòng)作。所以，我們?cè)诮虒W(xué)計(jì)劃中專門拿出4周時(shí)間，兩周進(jìn)行生物化學(xué)綜合性大實(shí)驗(yàn)，兩周進(jìn)行分子生物學(xué)綜合大實(shí)驗(yàn)。

在分子生物學(xué)綜合性大實(shí)驗(yàn)中，我們以基因克隆為主線，充分考慮青藏高原特色資源，選擇課程組一位教師已經(jīng)完成的研究課題，“青稞hblt14.2基因的克隆及組織特異性分析”[8]，內(nèi)容涉及DNA(RNA)提取，引物設(shè)計(jì)，PCR擴(kuò)增目的基因，電泳檢測(cè)，膠回收，構(gòu)建TA克隆，轉(zhuǎn)化，鑒定陽性克隆，半定量PCR等。綜合性大實(shí)驗(yàn)不同于基礎(chǔ)性試驗(yàn)的一個(gè)很重要的變化就是前后相連，內(nèi)容貫通，前面實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是后續(xù)實(shí)驗(yàn)的前提和保證，環(huán)環(huán)相扣，某一步驟出現(xiàn)問題，則無法進(jìn)行后面的操作。綜合性大實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)重組DNA技術(shù)的理解。同時(shí)，在生物化學(xué)大實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行重組蛋白的克隆表達(dá)，將生物化學(xué)和分子生物學(xué)的核心技術(shù)在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)集中向?qū)W生展示，加深了印象，掌握了知識(shí)。

1.2.3 研究創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一定要重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和科研能力。我們通過大學(xué)生科研立項(xiàng)項(xiàng)目、本科生自主科研項(xiàng)目、開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等多種形式開展研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，大多數(shù)同學(xué)是通過開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行的。開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合我校的“本科生導(dǎo)師制”，在課程中，學(xué)生選擇相應(yīng)的指導(dǎo)教師，由學(xué)生選擇研究題目作為自己的課題，經(jīng)指導(dǎo)教師和課程組教師雙方認(rèn)可后即可實(shí)施，時(shí)間為期一個(gè)學(xué)期，學(xué)期末進(jìn)行PPT匯報(bào)，重點(diǎn)匯報(bào)實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)、收獲體會(huì)等，為后面畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.3 教學(xué)方法和手段

我們對(duì)教學(xué)手段進(jìn)行了一些嘗試性改革，具體包括如下幾個(gè)方面：

1.3.1 教學(xué)與科研相結(jié)合

我們有目的地將科研課題和科研成果引入教學(xué)，在學(xué)生所學(xué)的基本內(nèi)容以外，適當(dāng)擴(kuò)充了一些教師科研的相關(guān)內(nèi)容。我們分子生物學(xué)課程組的幾位教師，都不同程度地負(fù)責(zé)國家自然科學(xué)基金、省級(jí)、校級(jí)科研課題，將科研課題中與分子生物學(xué)相關(guān)的部分適當(dāng)引入，不僅激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情，而且也為他們將來的科研工作打下基礎(chǔ)。

1.3.2 利用多種資源豐富實(shí)驗(yàn)手段

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)課程中將重組DNA技術(shù)作為重點(diǎn)技術(shù)向同學(xué)展示，但是分子生物學(xué)技術(shù)中的其它技術(shù)，例如southern印跡雜交技術(shù)、熒光定量PCR技術(shù)等，在生物學(xué)中的運(yùn)用也很廣泛。鑒于此，我們會(huì)給同學(xué)們提供2～3篇用到這種技術(shù)的文獻(xiàn)，讓同學(xué)們通過提前閱讀，課堂上穿插講授的方法，輔助于多媒體技術(shù)，讓同學(xué)們通過動(dòng)畫、實(shí)驗(yàn)錄像了解這些技術(shù)，拓寬他們的視野。

1.3.3 提前選擇部分同學(xué)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室接受訓(xùn)練

根據(jù)學(xué)院教師的研究方向，我們?cè)谡n程教改的過程中，有目的、有意識(shí)地選取5名同學(xué)在二年級(jí)下學(xué)期進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的研究方向和我們課程組的建議，進(jìn)行分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。如2009級(jí)生物技術(shù)的一位同學(xué)，進(jìn)行了采自10個(gè)地理群的91個(gè)樣本黃綠蜜環(huán)菌的群體遺傳結(jié)構(gòu)分析，測(cè)定和分析了所有樣本的18S rDNA序列，該過程涉及基因克隆的整個(gè)過程，同時(shí)該同學(xué)還構(gòu)建了系統(tǒng)進(jìn)化樹，并且與她的畢業(yè)論文聯(lián)系到一起，起到了良好的效果。實(shí)踐證明，這些提前接受訓(xùn)練的同學(xué)后來在分子生物學(xué)綜合大實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了生力軍的作用。

1.3.4 根據(jù)教學(xué)實(shí)際微調(diào)教學(xué)模式

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不是一成不變的，教師在實(shí)際教學(xué)過程中，要善于發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生，盡量滿足學(xué)生的求知欲。我們?cè)诮?年綜合性大實(shí)驗(yàn)的培訓(xùn)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍表現(xiàn)出對(duì)克隆基因的作用和功能很感興趣。因此，我們?cè)谇皫讓脤W(xué)生的畢業(yè)論文和學(xué)院教師已發(fā)表的論文中，選取1～2個(gè)功能表現(xiàn)明顯的基因，提前選取3名同學(xué)組成1組，重復(fù)之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，向?qū)W生展示整體設(shè)計(jì)思路和最終得到的結(jié)果。經(jīng)過綜合性大實(shí)驗(yàn)的培訓(xùn)，學(xué)生初步建立了科學(xué)研究的意識(shí)，培養(yǎng)了從事科研工作的興趣。同時(shí)，這3名同學(xué)就可以以此獲得成績(jī)和學(xué)分。

1.4 考核方式

實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核中，我們改變了“結(jié)果導(dǎo)向”的衡量標(biāo)準(zhǔn)，力主“過程和結(jié)果同樣重要”，體現(xiàn)“過程育人”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念[9]。我們目前采用的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課學(xué)生成績(jī)考核標(biāo)準(zhǔn)為：實(shí)驗(yàn)的考勤、預(yù)習(xí)占10%，實(shí)驗(yàn)過程的參與程度和完成情況(包括方案設(shè)計(jì)、時(shí)間安排、動(dòng)手操作能力、實(shí)驗(yàn)作風(fēng))占總分的60%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占總分的30%，注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論，鼓勵(lì)批判性思維，鼓勵(lì)學(xué)生分析出現(xiàn)這些結(jié)果的原因，加大結(jié)果分析在總分中的比例。

2 下一步探索工作

2.1 進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們將不斷深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，加大教學(xué)科研相結(jié)合的力度，增加分子生物學(xué)最新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)大設(shè)計(jì)性及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比例，盡可能地提供自選實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神和創(chuàng)新能力。同時(shí)進(jìn)一步完善考核方式，使其更加科學(xué)、有效。

2.2 加強(qiáng)教材建設(shè)

我們?cè)诓粩鄬?shí)踐的基礎(chǔ)上，已經(jīng)完成了一本實(shí)驗(yàn)教材初稿。在后面的實(shí)踐中，我們要修訂現(xiàn)有的初稿，完善實(shí)驗(yàn)教材的內(nèi)容，通過教材建設(shè)凝練與推廣教學(xué)成果，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。目前，我們的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材已獲校級(jí)立項(xiàng)建設(shè)，正積極推進(jìn)。

2.3 進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)

實(shí)驗(yàn)教師是承擔(dān)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)、改革和建設(shè)的主體。因此，一方面要充分調(diào)動(dòng)和發(fā)揮廣大實(shí)驗(yàn)教師的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，不斷學(xué)習(xí)分子生物學(xué)的前沿技術(shù)，并適時(shí)選派教師到清華大學(xué)等高校學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)；另一方面要通過繼續(xù)培養(yǎng)和引進(jìn)人才，補(bǔ)充新鮮血液，保持實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資隊(duì)伍結(jié)構(gòu)的合理性和穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校本科教育非常重要的組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行的好壞直接影響人才培養(yǎng)質(zhì)量的優(yōu)劣[10]。只有通過在課程體系、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及師資隊(duì)伍與實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)上不斷探索，并結(jié)合實(shí)際調(diào)整、完善教學(xué)方法、手段和考核方式，才能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展學(xué)生知識(shí)面、培養(yǎng)學(xué)生能力、提高學(xué)生綜合素質(zhì)的作用。

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