分子生物學(xué)與基因工程實驗課程體系的優(yōu)化和考核方式的改革

楊陽等

[摘要]根據(jù)我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標和要求，將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，以驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗整合優(yōu)化分子生物學(xué)和基因工程實驗課程體系，期末考核采用設(shè)計實驗方案解決科學(xué)問題的方式進行，突出學(xué)生的主體地位，提高綜合運用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

[關(guān)鍵詞]分子生物學(xué)與基因工程 實驗課程體系 考核方式

分子生物學(xué)（molecular biology）是在分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學(xué)，通過研究生物大分子（核酸、蛋白質(zhì)）的結(jié)構(gòu)、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現(xiàn)象的本質(zhì)[1]?；蚬こ蹋╣enetic engineering）是以分子生物學(xué)為理論基礎(chǔ)，將不同來源的基因按預(yù)先設(shè)計的藍圖，在體外構(gòu)建雜種DNA分子，然后導(dǎo)入活細胞，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產(chǎn)新產(chǎn)品[2]。分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于生命科學(xué)的各個領(lǐng)域，并且與農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、食品、環(huán)境等行業(yè)緊密結(jié)合，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。而分子生物學(xué)與基因工程實驗教學(xué)對培養(yǎng)生物相關(guān)專業(yè)應(yīng)用型人才具有重要意義。通過幾年的實踐與探索，我們整合優(yōu)化了分子生物學(xué)與基因工程實驗課程體系，并改革了考核方法，提高了教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生熟練的分子操作能力和科研思維素養(yǎng)。

一、分子生物學(xué)與基因工程實驗課程體系的優(yōu)化

武漢生物工程學(xué)院生物工程、生物技術(shù)本科專業(yè)在大學(xué)三年級上學(xué)期開設(shè)分子生物學(xué)課程，其中理論課48學(xué)時，實驗課24學(xué)時。實驗課內(nèi)容設(shè)計以模式植物水稻為材料，從DNA、RNA、蛋白三個水平介紹分子生物學(xué)常用實驗操作技術(shù)，使學(xué)生較全面和深入理解分子生物學(xué)以DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成為核心的中心法則。

分子生物學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容包括以下五個實驗項目：

實驗一 分子生物學(xué)常用試劑配制及瓊脂糖凝膠電泳（驗證性實驗）；

實驗二CTAB法提取植物基因組DNA（綜合性實驗）；

實驗三 植物總RNA的提取及反轉(zhuǎn)錄（綜合性實驗）；

實驗四 半定量RT-PCR（設(shè)計性實驗）；

實驗五 SDS-PAGE（綜合性實驗）；

考 核 設(shè)計實驗解決科學(xué)問題并撰寫實驗論文報告。

大學(xué)三年級下學(xué)期開設(shè)基因工程課程，其中理論課32學(xué)時，實驗課32學(xué)時。實驗課內(nèi)容設(shè)計圍繞基因工程的操作流程“切、接、轉(zhuǎn)、增、檢”共設(shè)計七個連續(xù)的實驗項目：

實驗一 SDS法提取動物基因組DNA（綜合性實驗）；

實驗二PCR擴增目的基因（驗證性實驗）；

實驗三PCR產(chǎn)物的純化及DNA片段的體外連接（綜合性實驗）；

實驗四 感受態(tài)細胞制備（綜合性實驗）；

實驗五 重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化與陽性克隆篩選（綜合性實驗）；

實驗六 質(zhì)粒DNA的提取與純化（綜合性實驗）；

實驗七 質(zhì)粒DNA限制性內(nèi)切酶酶切鑒定（設(shè)計性實驗）；

考 核 設(shè)計實驗解決科學(xué)問題并撰寫實驗論文報告。

整合優(yōu)化體現(xiàn)在：

1.以驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗整合分子生物學(xué)和基因工程實驗課程內(nèi)容，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一種科學(xué)研究的情境和途徑。以類似科學(xué)研究的方式，指導(dǎo)學(xué)生查閱文獻，設(shè)計實驗方案，實施實驗流程，分析實驗結(jié)果，撰寫實驗報告，并整理成實驗課程論文。

2.實驗項目內(nèi)容均來自課題組教師的科研成果，分子生物學(xué)實驗以模式植物水稻，基因工程實驗以動物牛為實驗材料，結(jié)合微生物實驗技術(shù)，全面掌握植物、動物和微生物的分子操作技能。實驗課實行小班教學(xué)，學(xué)生2人一組，使每一位學(xué)生得到充分的訓(xùn)練，動手能力提高。

3.實驗課所使用的酶、試劑盒等均為科研或公司選用的主流產(chǎn)品，如Ambion TRIzol? Reagent、Takara PrimeScriptTMⅡ High Fidelity RT-PCR kit、MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit、pMD?18-T Vector、E.coli DH5αCompetent Cells、TaqTM、MiniBEST Plasmid Purification Kit、HindⅢ、EcoRⅠ、BamHⅠ、DNA Marker DL2000 DL15000、RNA Marker RL6000、Premixed Protein Marker（Low）等。

4.憑借多媒體實驗室，利用實驗間歇，播放網(wǎng)絡(luò)下載或教研室教師制作的微視頻、微課、MOOC等資源，使抽象的實驗技術(shù)具體形象、化難為易，此外教會學(xué)生使用NCBI、Primer5.0、Clustal w、Bioedit、DNAstar、genedoc等生物信息學(xué)常用網(wǎng)站和軟件，學(xué)會數(shù)據(jù)處理和分析。

5.教研室每位教師每年為學(xué)生提供4-5個科研助理崗位，學(xué)生可申請加入教師的課題研究或自主申請課題，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。

通過分子生物學(xué)實驗，使學(xué)生掌握圍繞中心法則三種生物大分子DNA、RNA和蛋白質(zhì)的常用操作技術(shù)，如核酸提取（基因組DNA、總RNA）、瓊脂糖凝膠電泳、反轉(zhuǎn)錄、半定量RT-PCR和SDS-PAGE，熟練使用微量移液器、高速離心機、鼓風(fēng)干燥箱、電泳槽和電泳儀、紫外凝膠成像系統(tǒng)、超凈工作臺、PCR儀、培養(yǎng)箱、高壓滅菌鍋等儀器設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)的、一環(huán)緊扣一環(huán)的基因工程實驗訓(xùn)練，鞏固加強分子操作技能，培養(yǎng)學(xué)生獨立實驗、綜合運用的能力，為學(xué)生進入基因測序公司，疫苗、抗體生產(chǎn)企業(yè)，發(fā)酵類企業(yè)，動、植物育種和抗病研究中心奠定基礎(chǔ)。

二、分子生物學(xué)與基因工程實驗考核方式的改革

考核是實驗教學(xué)工作的一個重要組成部分，對于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性起到重要作用。改革后的課程考核方式包括平時成績70%和期末考核30%。平時成績中實驗態(tài)度、實驗原理、實驗技能、組員合作、儀器使用、實驗室常識考核占50%，預(yù)習(xí)報告及實驗報告占20%。對于期末考核方式做了較大調(diào)整，強調(diào)“設(shè)計性”-學(xué)生應(yīng)用所學(xué)實驗基本原理和技能擬定實驗方案解決科學(xué)問題，強調(diào)“實驗效率”-在規(guī)定的時間內(nèi)，撰寫實驗設(shè)計方案、實施操作過程、提交實驗論文報告，強調(diào)“團隊合作”-4～6人為一科研小組，具體實施方案舉例如下：

1.期末考核方式

分子生物學(xué)和基因工程實驗設(shè)計考試要求學(xué)生在3小時內(nèi)完成，允許攜帶實驗書、實驗報告、手機、電腦等工具。

2.期末考核評分標準

期末考試占總成績的30%，即30分，分數(shù)評定包括以下三個部分：

①實驗設(shè)計：隨機分組隨機抽題（現(xiàn)場抽題），以4～6人為一科研小組，通過設(shè)計實驗解決科學(xué)問題，占20分。評分標準：如在規(guī)定的3小時內(nèi)完成并解決科學(xué)問題，小組成員每人獲20分；如只完成實驗的1/2，小組成員每人獲10分；操作規(guī)范性、著裝（實驗服）均要考核，該分數(shù)由教師評定。

②實驗原理：教師隨機提問實驗原理及方法，學(xué)生口答，占5分。

③團隊協(xié)作：組員互評，占5分。科研小組內(nèi)，提供實驗設(shè)計解決方案的學(xué)生獲5分；主動實驗的學(xué)生4分；被動受指揮的學(xué)生2分；不做實驗、渾水摸魚的學(xué)生0分，該分數(shù)由組內(nèi)學(xué)生互評。務(wù)必分出組內(nèi)等級。

3.期末考核題目（部分）

①請設(shè)計實驗確定雞蛋清中或雞蛋黃中高豐度蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量。

②請設(shè)計實驗確定甲、乙兩位同學(xué)提取基因組DNA或總RNA質(zhì)量好壞，分析并說明原因。

③甲同學(xué)因疏忽未對提取的基因組DNA、總RNA樣品做標記，請設(shè)計一實驗，幫他分辨樣品，并分析樣品質(zhì)量好壞，說明原因。

④甲同學(xué)根據(jù)目的基因堿基序列，設(shè)計了一對引物，堿基序列分別為：上游引物5′-TGCTGCAAGACCTGGTA-3′，下游引物5′-AGCAGCCTATCACGCAGGATA-3′，請根據(jù)Tm值相關(guān)理論，設(shè)定PCR實驗退火溫度的合理范圍。已知該基因約500bp，退火溫度55℃，設(shè)計實驗克隆該基因并檢驗。

⑤設(shè)計實驗確定混合核酸樣品中，DNA片段的數(shù)量及分子量大小。

⑥設(shè)計實驗提取黃瓜基因組DNA，并檢驗其質(zhì)量。

⑦設(shè)計實驗證明真核生物基因為斷裂基因。

⑧根據(jù)第一次看家基因電泳圖譜，設(shè)計并操作第二次PCR的加樣體系，并說明原因。

⑨設(shè)計實驗確定大腸桿菌菌液為含有目的基因的陽性克隆。

此外，基因工程實驗考核學(xué)生還需整理所有的實驗報告為課程論文。

三、結(jié)束語

武漢生物工程學(xué)院生物學(xué)是湖北省省級重點學(xué)科，分子生物學(xué)和基因工程分別獲批省級資源共享課及省級精品課。在分子生物學(xué)與基因工程實驗教學(xué)工程中，我們始終貫徹落實我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標，不斷整合優(yōu)化實驗課程體系，改革實驗考核方式，重在培養(yǎng)學(xué)生獨立實驗、分析解決問題的能力，提高學(xué)生實驗設(shè)計、綜合運用的能力，培養(yǎng)出生物產(chǎn)業(yè)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才。用人單位對我院生物工程、生物技術(shù)專業(yè)的實習(xí)生和畢業(yè)生給予高度評價，認可學(xué)生分子生物學(xué)和基因工程知識儲備及實驗操作能力。此外，通過分子生物學(xué)、基因工程理論和實驗的學(xué)習(xí)，許多學(xué)生立志考研并成功被國內(nèi)外知名大學(xué)分子生物學(xué)相關(guān)專業(yè)錄取，社會認可度高。

基金項目：湖北省教育廳項目（NO：2012391）

[參考文獻]

[1]朱玉賢，李毅，鄭曉峰，郭紅衛(wèi).現(xiàn)代分子生物學(xué)（第4版）.高等教學(xué)出版社，2013.

[2]董妍玲，洪華珠.基因工程（第1版）.華中師范大學(xué)出版社，2013.

（作者單位：1.武漢生物工程學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖北武漢，2.武漢生物工程學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院 湖北武漢）