分子生物學(xué)創(chuàng)新實驗教學(xué)模式的實踐

劉忠淵　李軼杰

【摘 要】分子生物學(xué)是一門實踐性很強的學(xué)科。分子生物學(xué)實驗是理論和實踐相結(jié)合的典型課程。本文通過基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新設(shè)計性實驗教學(xué)模式的改革與探索，提高了分子生物學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】分子生物學(xué)實驗；基礎(chǔ)性實驗；綜合性實驗；創(chuàng)新設(shè)計性實驗

【Abstract】Molecular Biology is a discipline full of experiments. The experiment of molecular biology is a typical course combining theory with practice. In this paper， to improve the teaching quality of molecular biology experiments and to increase students creativity and active learning ability， the innovating experimental teaching system of molecular biology was performed by employing basal experiments， establishing integrated experiments， applying innovation experiment.

【Key words】Molecular biology experiment； Basal experiments； Integrated experiments； Innovation experiments

分子生物學(xué)是在分子水平上研究蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其規(guī)律性和相互關(guān)系的科學(xué)。分子生物學(xué)是一門實踐性很強的科學(xué)，它不但是人們認識生命的有利工具，而且滲透到醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等科學(xué)的各個領(lǐng)域[1]。在分子生物學(xué)教學(xué)中，實驗教學(xué)占有舉足輕重的地位，是學(xué)生理解和掌握分子生物學(xué)基本原理的重要環(huán)節(jié)。它不僅是培養(yǎng)學(xué)生掌握基本理論、基本知識和基本技能的重要手段，而且對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)作風(fēng)都是十分重要的。相對其他學(xué)科的實驗而言，分子生物學(xué)實驗復(fù)雜而貫通，技術(shù)性很強，是理論和實踐相結(jié)合的典型課程[2]。

在分子生物學(xué)本科實驗教學(xué)中，如何深化改革，構(gòu)建科學(xué)合理、切實可行的實驗教學(xué)創(chuàng)新體系，充分有效地提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，對培養(yǎng)21世紀生命科學(xué)發(fā)展所需的高素質(zhì)人才是十分必要的。

近年來，根據(jù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，我院結(jié)合生物技術(shù)專業(yè)的特點，對實驗教學(xué)進行了模塊式教學(xué)模式的改革，本文僅以生物化學(xué)與分子生物實驗教學(xué)模塊中的分子生物學(xué)實驗教學(xué)模式進行了探索，建立并完善“基礎(chǔ)性實驗—綜合性實驗—創(chuàng)新設(shè)計性實驗”的多層次和多模塊化的實驗體系?；A(chǔ)性實驗共32學(xué)時，利用4-5周的時間集中進行實驗教學(xué)，避免實驗課教學(xué)占用太多的教學(xué)周數(shù)；綜合性實驗16學(xué)時；創(chuàng)新設(shè)計性實驗20學(xué)時，在生物化學(xué)與分子生物實驗教學(xué)模塊的統(tǒng)領(lǐng)下，遵循著“理論-實踐-理論-綜合實踐”的教學(xué)、認知的螺旋式上升規(guī)律。

改革目的是改變學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使其在整個課程學(xué)習(xí)過程中，將建立完善的學(xué)科知識體系、培養(yǎng)思維和學(xué)習(xí)能力、提高創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)三大目標融為一體。這一模式經(jīng)分子生物學(xué)課程實驗實踐，取得了很好地教學(xué)效果。

1 堅持基礎(chǔ)性實驗，強化實驗技能

基礎(chǔ)性實驗，是在指定時間內(nèi)由教師直接講授、指導(dǎo)的相對獨立內(nèi)容的實驗。通過實驗操作，使學(xué)生掌握分子生物學(xué)基本實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生基本的科研動手能力。

1.1 建立課堂理論講授與實驗教學(xué)分離的體系

分子生物學(xué)是實踐性很強的學(xué)科，要使學(xué)生切實掌握該學(xué)科的各種能力，必須打破傳統(tǒng)的實驗課附屬于理論課教學(xué)的教學(xué)模式，適當(dāng)增加實驗教學(xué)課時。當(dāng)前，大多數(shù)學(xué)校分子生物學(xué)實驗課教學(xué)受學(xué)時、時間安排等方面的影響，沒有更多的課時安排基礎(chǔ)性實驗，而我們在堅持實踐認知的原則下，學(xué)院改革實驗教學(xué)體系，保證合理安排學(xué)時，強化基礎(chǔ)性實驗，該課程安排在沒有開設(shè)基礎(chǔ)理論課前的大學(xué)二年級上學(xué)期，課時為32學(xué)時，利用4-5周的時間集中進行實驗教學(xué)。

1.2 優(yōu)化實驗內(nèi)容體系

實驗內(nèi)容的選擇是實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，我們通過對原有實驗課程的整合，實現(xiàn)實驗教學(xué)內(nèi)容體系的整體優(yōu)化，并且獨立設(shè)課。在基礎(chǔ)性實驗中，我們圍繞基因工程的流程“分離、切割、連接、轉(zhuǎn)化、篩選”的過程[3]，設(shè)計了以綠色熒光蛋白（GFP）基因為研究對象，進行質(zhì)粒DNA的提取、酶切與定量分析，PCR擴增目的基因及其產(chǎn)物的回收，DNA重組（綠色熒光蛋白基因亞克隆到質(zhì)粒載體pET28a），大腸桿菌（DH5α）感受態(tài)細胞的制備與轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化子的篩選與鑒定。這些實驗內(nèi)容緊密相關(guān)，涉及到基因克隆的整個過程。因此，在實驗過程中向?qū)W生強調(diào)實驗的連貫性和整體性，使大家認識到前一實驗內(nèi)容是后一實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)，前一實驗的結(jié)果為后一實驗提供實驗材料，充分認識到每個實驗的重要性，為創(chuàng)新設(shè)計性實驗打好基礎(chǔ)。參考教材是我們自行編寫的“分子生物學(xué)實驗指導(dǎo)”。

1.3 基礎(chǔ)性實驗授課方式

基礎(chǔ)性實驗的授課方式是“授之以魚”，即以每一個實驗為單位，實驗與實驗之間相對獨立。教師在教學(xué)大綱規(guī)定的實驗學(xué)時內(nèi)直接講授的基礎(chǔ)性實驗，該授課方式能突出實驗技術(shù)本身的特點，旨在使學(xué)生掌握本課程的基本要求、實驗技能、實驗方法和儀器的規(guī)范操作。實驗過程中，要求同學(xué)們認真觀察實驗現(xiàn)象，做好實驗數(shù)據(jù)記錄與保存工作，培養(yǎng)同學(xué)們嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實事求是的精神。并且，重視思維訓(xùn)練，養(yǎng)成學(xué)生細心觀察、周密思考的習(xí)慣，為今后進行科研活動打下良好的基礎(chǔ)。

此外，由于分子生物學(xué)是從分子水平來研究生命現(xiàn)象。充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)資源，借鑒有關(guān)原理的Flash動畫，以PPT方式將預(yù)實驗過程中的步驟拍成照片展示給學(xué)生，例如PCR的原理，通過Flash動畫方式展示給學(xué)生，講解時既形象又生動，使實驗全過程變得具體化、形象化，從而化難為易起到事半功倍的效果。

2 完善綜合性實驗，提高學(xué)生綜合動手能力

綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關(guān)課程知識的實驗，綜合性實驗不僅是課程內(nèi)實驗內(nèi)容的綜合，而且是相關(guān)課程內(nèi)容的綜合。內(nèi)容一般涉及一門課程的多個知識點或系列課程多個知識點，或組合多項單元實驗。實驗內(nèi)容的復(fù)合性是綜合性實驗的重要特征，旨在培養(yǎng)學(xué)生知識的綜合能力和綜合知識的應(yīng)用能力[4]。該課程安排在大學(xué)二年級下學(xué)期，課時為16學(xué)時，集中時間授課。

2.1 綜合性實驗的內(nèi)容

在基礎(chǔ)性實驗過程中，綠色熒光蛋白基因主要是亞克隆到質(zhì)粒載體上，并實現(xiàn)了基因的克隆與擴增。綜合性實驗是在教師的講授、指導(dǎo)下，從大腸桿菌（DH5α）中提取重組的pET28a-gfp，核酸電泳檢測，轉(zhuǎn)化大腸桿菌（BL21），誘導(dǎo)表達，蛋白電泳檢測。其中涉及到綜合運用分子生物學(xué)基礎(chǔ)的DNA提取技術(shù)、瓊脂糖凝膠電泳技術(shù)、微生物培養(yǎng)、外源DNA的導(dǎo)入、重組體的篩選、原核表達條件優(yōu)化、SDS-PAGE電泳檢測技術(shù)等。綠色熒光蛋白基因的選擇是便于直觀地觀察表達效果。

2.2 改進綜合性實驗成績考核方式

基礎(chǔ)性實驗成績主要以學(xué)生的實驗報告完成情況和數(shù)據(jù)處理等來評定。而綜合性實驗是按照平時成績與綜合性實驗分析報告各占50%來考核。平時成績考評包括包括實驗技能、實驗態(tài)度（如出勤、紀律等）、實驗室常識等的掌握。綜合性實驗分析報告是指綜合分析整個實驗的成功與失敗的經(jīng)驗教訓(xùn)，注重學(xué)生的創(chuàng)新性思維及獨立分析問題、解決問題能力的提高。

3 開設(shè)創(chuàng)新設(shè)計性實驗，鍛煉學(xué)生科研思維

創(chuàng)新設(shè)計性實驗是打破以課堂為中心、教師為中心的實驗教學(xué)模式。由教師指導(dǎo)學(xué)生進行科研課題的設(shè)計，由學(xué)生自由組合、自選題目，在教師指導(dǎo)下選擇性地進行創(chuàng)新設(shè)計實驗，最終撰寫成實驗論文，啟發(fā)學(xué)生如何完成一個科研工作。激發(fā)出學(xué)生探索生命奧秘的熱情，拓寬視野，增長知識，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力與綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[5]。創(chuàng)新設(shè)計性實驗共20學(xué)時，在大四上學(xué)期開設(shè)。

3.1 建立完善的開放實驗平臺

學(xué)院的生物技術(shù)中心實驗室，在正常工作日對研究生和本科生全天開放。因此，利用這個實驗平臺，對于創(chuàng)新設(shè)計性實驗采用開放教學(xué)模式，實現(xiàn)學(xué)生主體的教學(xué)模式。使學(xué)生不受實驗室、實驗學(xué)時和實驗項目的限制，完成從實驗方案設(shè)計到實驗測試、實驗論文編寫等全過程，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

3.2 靈活多樣的創(chuàng)新設(shè)計性實驗教學(xué)形式

第一，成立創(chuàng)新設(shè)計性實驗“導(dǎo)師組”。由“導(dǎo)師組”立足從基因到蛋白的過程擬就若干個實驗題目或方向，由學(xué)生以小組（2-3人）為單位、選取實驗項目。然后自行查閱文獻，寫出實驗方案。實驗方案確定后，交由“導(dǎo)師組”進行嚴格的審查。審查實驗方案的可行性和安全性，以及實驗室條件是否能滿足其要求等。在老師幫助下完善實驗方案，然后學(xué)生自行備齊所需設(shè)備和試劑，由學(xué)生獨立完成實驗。要求學(xué)生在創(chuàng)新設(shè)計性實驗的過程中，利用基礎(chǔ)性實驗所學(xué)到的實驗技能自主完成基因克隆與表達的整個過程。

第二，以科研促進實驗教學(xué)?？蒲姓n題可以是老師現(xiàn)有科研課題的延伸，也可以是學(xué)生通過其他途徑所獲得的信息或者是自己的設(shè)想?？蒲姓n題與實驗教學(xué)緊密結(jié)合，能使學(xué)生們及時了解最新科研動態(tài)，了解最新科研成果，提高學(xué)生對科研的興趣。使學(xué)生參與到科研中，能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，掌握實驗技巧以及本實驗以外的其它知識技能。鍛煉學(xué)生的實踐能力、激發(fā)學(xué)生探索的興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

第三，以實驗論文形式考核成績。生命科學(xué)的學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)期間應(yīng)當(dāng)學(xué)會撰寫科研論文。傳統(tǒng)實驗課中的實驗大多屬于驗證性實驗，實驗報告中體現(xiàn)學(xué)生獨特見解的論述較少。而在創(chuàng)新設(shè)計性實驗的完成過程中凝聚了學(xué)生自己的準備、分析、思考、實驗等創(chuàng)新能力。要求學(xué)生完成實驗后以實驗論文形式報告結(jié)果，在實驗論文的撰寫過程中能對實驗過程、思維方式等再認識提高。通過這些基本技能的訓(xùn)練，使學(xué)生全面掌握好現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，為即將開展的本科畢業(yè)實習(xí)及將來從事科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

順應(yīng)教學(xué)改革形勢的需要，我們學(xué)院根據(jù)自己的實際情況進行相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的改革，提出了分子生物學(xué)基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新設(shè)計性實驗教學(xué)模式的改革，這種實驗教學(xué)模式既能充分利用實驗室的空間和資源，又能充分調(diào)動和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，進一步提高學(xué)生實際動手操作技能，對培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、高素質(zhì)綜合型人才起到了積極的作用。

【參考文獻】

[1]何鋼，葉翠層，王義強，李樊，劉賢桂，袁靖.分子生物學(xué)綜合實驗教學(xué)改革研究[J].實驗室研究與探索，2006，25（11）：1401-1404.

[2]蔣曹德，廖志華，楊應(yīng)斌，曾令江，楊春賢，李娟.分子生物學(xué)創(chuàng)新實驗教學(xué)模式的探索[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2009，7（2）：200-202.

[3]楊海靈.分子生物學(xué)實驗教學(xué)改革的探索與實踐[J].成都大學(xué)學(xué)報，2008，22（4）：70-71.

[4]何鋼，葉翠層，王義強，李樊，劉賢桂，袁靖.分子生物學(xué)綜合實驗教學(xué)改革研究[J].實驗室研究與探索，2006，25（11）：1401-1404.

[5]陳思禮，袁媛，陳強，李俊莉，周雨絲，張喜紅，劉輝.設(shè)計性分子生物學(xué)實驗教學(xué)研究[J].高等理科教育，2005，4：99-101.

[責(zé)任編輯：湯靜]