基于創(chuàng)新能力提升的基因工程教學(xué)改革探討與實(shí)踐

馮華朋 鄔麗 何玉龍 舒建洪

摘要基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)工程的核心課程，也是生物制藥專業(yè)學(xué)生的一門必修課程。結(jié)合浙江理工大學(xué)基因工程課程的改革與實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，本文從教學(xué)理論、教學(xué)方法及教學(xué)形式等方面對浙江理工大學(xué)生物制藥專業(yè)基因工程課程改革進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理和總結(jié)，初步建立了基于創(chuàng)新能力提升的基因工程理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐及工廠參觀實(shí)習(xí)的教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞 創(chuàng)新能力 基因工程 教學(xué)改革

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.16.033

Exploration and Practice of Genetic Engineering Teaching Reform Based on Innovation Ability Promotion

FENG Huapeng[1][3]， WU Li[2]， HE Yulong[1]， SHU Jianhong[1][3]（[1]College of Life Science and Medicine， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou， Zhejiang 310018；

[2]College of Life Sciences， China Jiliang University， Hangzhou， Zhejiang 310018；

[3]Hangzhou Hongsheng Biotechnology Co.， Ltd， Hangzhou， Zhejiang 310018）

AbstractGenetic engineering is the core course of modern biotechnology engineering and a compulsory course for students majoringin biopharmaceuticals. Combining with theexperienceofgenetic engineering curriculumreformand practice of Zhejiang Sci-Tech University， this article systematically combs and summarizes the genetic engineering curriculum reform of Zhejiang Sci-Tech University’s biopharmaceutical major from the aspects of teaching theory， teaching methods and teaching methods， and initially establishes a foundation based on innovation， and the teaching system of genetic engineering theory teaching， experimental practice and factory visit practice based on innovation ability promotion was established.

Keywordsinnovative ability； genetic engineering； teaching reform

基因工程（Geneticengineering）是對DNA或其他核酸分子的人工操縱，修飾和重組，從而來改變生物體或生物體種群的性狀的一門學(xué)科。在過去30多年的時(shí)間里，基因工程和生物技術(shù)的共同發(fā)展帶來了分子生物學(xué)的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對自然的理解及其在社會(huì)中的應(yīng)用。遺傳密碼的發(fā)現(xiàn)可以使我們可以操縱各種生物的基因組?；蚬こ淌侨斯げ倏v、修飾和重組DNA或其他核酸分子，以修飾生物體或生物體種群。

作為生物制藥學(xué)生的專業(yè)必修課程和核心課程，基因工程的學(xué)習(xí)在本專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中有著非常重要的作用。從課程開設(shè)以來，本專業(yè)學(xué)生選課累計(jì)800余人，此外還有其他專業(yè)，例如生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)生選修本課程。本課程的主要教學(xué)目標(biāo)可以歸納為讓學(xué)生能在自己的專業(yè)領(lǐng)域，生物制藥這一塊掌握基本的專業(yè)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。本課程的主要教學(xué)內(nèi)容使學(xué)生能夠更好地掌握生物藥物研發(fā)過程中關(guān)于基因工程技術(shù)的理論知識，掌握基因表達(dá)、基因克隆及其他常見的基因工程學(xué)技術(shù)的方法和原理，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)該課程掌握基因工程學(xué)的基本理論、實(shí)踐技術(shù)以及在生物藥物研究中的應(yīng)用。

基因工程知識點(diǎn)密集，原理性強(qiáng)，內(nèi)容抽象，短時(shí)間內(nèi)迅速理解困難。如果單純地采用傳統(tǒng)的方式來教學(xué)，學(xué)生只能獲得一些浮于表面的感知性知識，并不能夠完全理解并應(yīng)用。同時(shí)，基因工程這門學(xué)科需要學(xué)生掌握基本的專業(yè)知識，與理論和實(shí)踐密切相關(guān)，涉及許多技術(shù)困難。傳統(tǒng)的教學(xué)方法很容易使學(xué)生被動(dòng)地接受知識，從而導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)踐之間的脫節(jié)。另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，基因工程的發(fā)展迅速，相關(guān)的知識理論也日益變化。本課程所學(xué)知識與今后生物制藥這個(gè)行業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，由于時(shí)代快速發(fā)展，生物制藥行業(yè)更新?lián)Q代也快，課程內(nèi)容需要相應(yīng)地更新，為了培養(yǎng)高素質(zhì)人才以滿足行業(yè)發(fā)展的需要，教學(xué)內(nèi)容改革越來越迫切。[1]

基因工程課程建設(shè)存在的問題主要有以下幾個(gè)方面：（1）教學(xué)多媒體資源匱乏：基因工程是生物醫(yī)藥研究中的前沿技術(shù)，相關(guān)的理論知識雜糅，學(xué)起來花費(fèi)時(shí)間多，使學(xué)生難以理解。因此，需要輔助以多媒體教學(xué)，虛擬仿真實(shí)踐等方式來引導(dǎo)學(xué)生，充實(shí)課堂，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。（2）缺乏全面實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)：基因工程技術(shù)涉及的平臺(tái)、試劑、儀器等都相對昂貴，因此目前不能開展大規(guī)模實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，這極大阻礙了本課程的發(fā)展。（3）基因工程數(shù)字化課程教材缺乏，課程線上教學(xué)平臺(tái)匱乏。（4）在教學(xué)過程中，容易忽視在創(chuàng)新創(chuàng)造方面對學(xué)生的培養(yǎng)，只專注于知識的講授。[1]

1改革內(nèi)容

1.1更新、豐富知識理論體系

近年來，基因工程的發(fā)展十分迅速，取得了巨大的成就，新的知識和理論不斷涌現(xiàn)。教師應(yīng)該要對相關(guān)領(lǐng)域的研究成果和趨勢時(shí)刻掌握，不斷豐富和改進(jìn)知識理論框架，如果能在教學(xué)過程中，引入新理論和新技術(shù)，讓學(xué)生拓展很多課外知識，讓他們對基因工程實(shí)時(shí)近況和近段時(shí)間的研究成果有所了解，這樣不僅能激發(fā)學(xué)生對基因工程這門學(xué)科學(xué)習(xí)的熱情和加強(qiáng)學(xué)生自主性，還會(huì)增強(qiáng)他們探索未知領(lǐng)域、形成完美價(jià)值觀的愿望和信心。

1.2層次分明，重點(diǎn)突出

基因工程的內(nèi)容相對比較復(fù)雜，概念抽象，內(nèi)容多樣化，知識點(diǎn)技術(shù)化和理論化，在知識點(diǎn)上也與生物化學(xué)、分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)等學(xué)科有交叉相關(guān)。對于相關(guān)專業(yè)的學(xué)生來說，基因工程的研究是專業(yè)學(xué)習(xí)的一個(gè)主要困難。一般來說，在引入基因工程學(xué)課程之前，學(xué)生已經(jīng)對一些基礎(chǔ)理論知識進(jìn)行學(xué)習(xí)了，奠定一定的理論基礎(chǔ)，所以需要將基因工程學(xué)教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減，精簡化以此讓學(xué)生方便理解。一些基本內(nèi)容的整合可以通過課堂復(fù)習(xí)和課堂上的問題來實(shí)現(xiàn)，這使教師有足夠的時(shí)間解釋新知識、新理論和新技術(shù)。

1.3加強(qiáng)實(shí)基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

除理論知識的學(xué)習(xí)外，該課程應(yīng)該還要添加課外實(shí)踐等項(xiàng)目，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)到更多的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論知識，用實(shí)踐豐富理論知識。遺傳工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)的操作需要基于課堂進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)前，教師應(yīng)要求學(xué)生主動(dòng)了解實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容，理解相關(guān)知識原理，對于實(shí)驗(yàn)的目的、操作步驟和所需注意的事項(xiàng)都要了然于胸。在實(shí)驗(yàn)的過程中，必須嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，實(shí)驗(yàn)之后讓學(xué)生及時(shí)總結(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，鞏固理論知識，以此提升總結(jié)和語言表達(dá)的能力。增加企業(yè)實(shí)踐人員授課：邀請企業(yè)中從事基因工程研究的專業(yè)人員參與授課，為學(xué)生提供職業(yè)向?qū)Ш蛯?shí)習(xí)平臺(tái)。[2]

1.4關(guān)注生命科學(xué)理論進(jìn)展，促進(jìn)生產(chǎn)實(shí)踐

自基因工程被應(yīng)用以來，發(fā)展趨勢一直都保持良好狀態(tài)，且漸漸對生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都有深遠(yuǎn)影響，同時(shí)也促進(jìn)了生命科學(xué)領(lǐng)域的研究，對人類生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)行業(yè)和環(huán)節(jié)都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。由于教學(xué)時(shí)間的限制，很多基因工程相關(guān)知識無法在課堂展現(xiàn)，這要求學(xué)生們課后完成大量的自主學(xué)習(xí)，多看看文獻(xiàn)與專業(yè)領(lǐng)域報(bào)刊，時(shí)刻關(guān)注生命科學(xué)發(fā)展近況，了解人類生產(chǎn)實(shí)踐，通過專題學(xué)習(xí)、頭腦風(fēng)暴和生產(chǎn)實(shí)踐等各種方式參與到生命科學(xué)理論的學(xué)習(xí)，構(gòu)建豐富廣泛的生命科學(xué)理論體系。

2改革措施

2.1促進(jìn)教學(xué)模式及教學(xué)資源多樣化

對于基因工程這門課程來說，若采用以板書教學(xué)為主，多媒體教學(xué)為輔的方式，課堂效率將會(huì)有所提升。多媒體教學(xué)方式總結(jié)起來有兩大優(yōu)勢：將復(fù)雜問題簡單化和將抽象概念直觀化。多媒體教學(xué)可以將平時(shí)難以理解的專有名詞概念利用圖像、聲音、動(dòng)畫等生動(dòng)形象的進(jìn)行展示，方便學(xué)生能夠快速理解。當(dāng)然，板書教學(xué)也存在其獨(dú)特的優(yōu)勢。在基因工程課程的教學(xué)中，合理采用這兩種方式，分別發(fā)揮出各自的特色，以此提高教學(xué)質(zhì)量，使得學(xué)生學(xué)習(xí)效果能夠事半功倍。教師可以采用目前新興的教學(xué)資源平臺(tái)如學(xué)習(xí)通、雨課堂等課程教學(xué)平臺(tái)，找到合適的適合基因工程這門學(xué)科的方式，更可貴的在于提升了學(xué)生的積極性，使得課程相比之前充滿了趣味性。本課程的教材不包含多媒體教學(xué)資源，需要進(jìn)一步制作關(guān)鍵技術(shù)的視頻和動(dòng)畫等多媒體教學(xué)資源。由于基因工程的技術(shù)都是精細(xì)的技術(shù)操作，技術(shù)中包含DNA的提取、分離、純化、克隆等等，多媒體教學(xué)資源的制作將提升本課程的教學(xué)深度，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，同時(shí)提高教學(xué)效果，起到示范的作用。另外，通過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟平臺(tái)，將課堂教學(xué)和企業(yè)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合在一起，讓學(xué)生學(xué)以致用，更好的鞏固課堂的學(xué)習(xí)知識。企業(yè)實(shí)踐人員授課：本課程著重對關(guān)鍵技術(shù)的掌握和運(yùn)用，在理論教學(xué)的同時(shí)，邀請企業(yè)中從事基因工程研究的專業(yè)人員參與到教學(xué)環(huán)節(jié)中來，可以為學(xué)生講解理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，同時(shí)為學(xué)生提供職業(yè)向?qū)Ш蛯?shí)習(xí)平臺(tái)。俗話說“三個(gè)臭皮匠趕上一個(gè)諸葛亮”，將分段擅長式教學(xué)引入課堂，每位教師因自己研究領(lǐng)域的不同所擅長的內(nèi)容和章節(jié)也不同，遴選教學(xué)和科研水平都比較高的教師，挑選自己擅長的章節(jié)，進(jìn)行分段式的教學(xué)，一門課由3-4名教師講授，而不是一名教師從頭講到尾。這樣學(xué)生不僅可以學(xué)到基本的理論知識，而且可以了解基因工程不同方向的最新前沿進(jìn)展。

2.2加強(qiáng)課堂互動(dòng)，開展頭腦風(fēng)暴

高校學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)及對新鮮事物的探索能力，教師可以提前讓學(xué)生預(yù)習(xí)下一節(jié)課的內(nèi)容，主動(dòng)了解相關(guān)知識，提出自己的問題和疑惑，課堂教師留出一定的時(shí)間與學(xué)生互動(dòng)或讓同學(xué)之間討論，然后教師再進(jìn)行總結(jié)。在本課程的后期，教師可以提出一些開放性的有研究價(jià)值的課題，讓學(xué)生自行分組討論，參考有關(guān)的文獻(xiàn)資料，對相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行收集和整理，并且相互討論，使用已有資料，提出解決問題的方案，然后進(jìn)行知識點(diǎn)的融合，得到更好的結(jié)論。這樣既調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)探索科學(xué)的興趣，同時(shí)也提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

2.3優(yōu)化知識體系結(jié)構(gòu)，把握學(xué)科前沿進(jìn)展

基因工程的課程原理性較強(qiáng)，內(nèi)容比較多，且概念十分抽象，每個(gè)章節(jié)之間看似很獨(dú)立，但又存在著一定的相關(guān)性。如遇到不懂應(yīng)立即查閱解決疑難困惑，這樣才能更好的鞏固教學(xué)內(nèi)容，完善知識理論體系，學(xué)生才能收獲頗多，并能夠養(yǎng)成良好的閱讀習(xí)慣。本課程涉及的平臺(tái)、試劑、儀器等都相對昂貴，大規(guī)模實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)成本較高，難以實(shí)現(xiàn)。但是，可以通過建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源，通過虛擬仿真的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)讓原本難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，也為其他課程開展虛擬仿真建設(shè)起到示范作用。[3]

2.4運(yùn)用PDL教學(xué)法進(jìn)行基因工程授課

基因工程的教學(xué)過程中，經(jīng)常使用PDL教學(xué)法。它主要依托“設(shè)計(jì)與提出問題，教學(xué)過程的管理和組織，教學(xué)反思和總結(jié)”三個(gè)方面來開展。如下，我們將以“使用基因工程的方式對新型冠狀病毒進(jìn)行防控”為例，詳述基因工程課程中運(yùn)用PDL教學(xué)法的優(yōu)勢。PDL教學(xué)法的第一步是問題的設(shè)計(jì)和提出，這對激發(fā)學(xué)生對基因工程這門課程所學(xué)知識點(diǎn)的興趣與思考非常有幫助。設(shè)計(jì)問題時(shí)應(yīng)該緊跟科學(xué)前沿，技術(shù)應(yīng)用為重點(diǎn)。同時(shí)設(shè)計(jì)的問題還要理論聯(lián)系實(shí)踐，方便學(xué)生理解，也要與課程重要知識點(diǎn)緊密吻合，突出重難點(diǎn)部分。當(dāng)然我們也應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)進(jìn)行提問。根據(jù)問題的特點(diǎn)，我們可以讓同學(xué)提前預(yù)習(xí)、借助網(wǎng)絡(luò)媒體查閱文獻(xiàn)資料或者隨堂討論等形式。學(xué)生通過對問題進(jìn)行研究，拓寬知識面，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2.5加強(qiáng)基因工程課程的思政建設(shè)

課程思政主要指將愛國主義精神、道德修養(yǎng)、工匠精神、科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神等元素與課程內(nèi)容相結(jié)合。根據(jù)我國動(dòng)物克隆工作的進(jìn)展，2019年制備出了生物鐘紊亂的體細(xì)胞克隆猴疾病模型，一批實(shí)驗(yàn)性疾病類型模型的克隆已“付諸實(shí)踐”。藥物研發(fā)已走上“快車道”，體細(xì)胞克隆猴的成功將刺激我國率先開發(fā)新的研究鏈和技術(shù)，基于非人靈長類動(dòng)物模型的藥物開發(fā)，阿爾茨海默病、自閉癥等腦疾病的藥物以及免疫力不足等方面也將開發(fā)出新的技術(shù)，這些技術(shù)成果體現(xiàn)了我國關(guān)于非人類靈長類動(dòng)物模型方面的研究，已經(jīng)處在了國際領(lǐng)先的地位。此外，結(jié)合國際上一些跨國育種公司（如孟山都）利用生物技術(shù)手段對我們國家棉花、玉米等作物進(jìn)行的占領(lǐng)，侵害我國的本土作物的生物安全的案例。在課堂上培養(yǎng)學(xué)生們的家國情懷和提升民族責(zé)任感，將來用自己所學(xué)知識助力我們國家的發(fā)展。

3改革成果

本課程在近來的課程建設(shè)中，首先進(jìn)行了配套教材建設(shè)。起初選用科學(xué)出版社的《基因工程》教材，然而隨著最新研究成果的發(fā)現(xiàn)，該教材逐步被高等教育出版社的《基因克隆和DNA分析》所替代，現(xiàn)已更新至第七版教材。本教材既注重基因工程的原理和技術(shù)前沿，又較適合省屬非醫(yī)藥類高等院校生物制藥專業(yè)本科學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容及深度。并且在浙江理工大學(xué)學(xué)校云建設(shè)了《基因工程》慕課堂，呂正兵教授的項(xiàng)目《基因工程技術(shù)制備門冬酰胺酶（凍干粉針）工藝的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》獲批了2018年國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。通過本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在基因工程理論體系、辯證的邏輯思維及實(shí)際操作及實(shí)踐方面又具有明顯的提高。能夠在將來的工作實(shí)踐和科學(xué)研究中學(xué)有所成。

*通迅作者：舒建洪

基金項(xiàng)目：2020年浙江理工大學(xué)“《基于創(chuàng)新能力提升的基因工程教學(xué)改革探討與實(shí)踐》教學(xué)改革一般項(xiàng)目”（編號：jgyb202021）；2020年浙江理工大學(xué)“《基因工程》線下優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目”（編號：XMJWCb20200015）；2020年浙江理工大學(xué)《疫苗及免疫技術(shù)》新生研討課程建設(shè)項(xiàng)目（編號：XYZL202004）

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