適應拔尖學生培養(yǎng)目標的分子生物學實驗教學體系的探索

沈 喜， 易 靜， 張春江， 向 云， 浦銅良， 張 華， 馮虎元

(蘭州大學 生命科學學院，蘭州 730000)

適應拔尖學生培養(yǎng)目標的分子生物學實驗教學體系的探索

沈 喜， 易 靜， 張春江， 向 云， 浦銅良， 張 華， 馮虎元

(蘭州大學 生命科學學院，蘭州 730000)

根據(jù)我院當前分子生物學實驗課程的開設現(xiàn)狀，結合生物萃英班拔尖人才的培養(yǎng)目標，探討了本實驗課程教學體系改革的一系列探索，希望通過教材建設、內容更新、教學體系優(yōu)化、優(yōu)秀師資的促進、師生交流加強各方面的措施，有效改善分子生物學實驗的教學效果，提高拔尖本科生的實驗綜合能力和科研素養(yǎng)。

拔尖學生； 分子生物學； 實驗教學； 實驗內容系統(tǒng)化

0 引 言

我校“基礎學科拔尖學生培養(yǎng)試驗計劃”從2011年開始實施，相關專業(yè)依托我校基礎學科優(yōu)勢，致力于建立拔尖人才重點培養(yǎng)機制，吸引最優(yōu)秀的學生投身基礎科學研究，努力使進入計劃的學生成長為未來基礎學科領域的國際領軍人才[1]。生物學“萃英班”就是其中一個學科方向的拔尖學生班級，是生物學拔尖學生自主學習、個性發(fā)展、成長成才的重要基地。鑒于拔尖班學生的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)方式，實驗課程與普通本科生實驗課程有所不同，除了要掌握基本操作和實驗技能外，更注重實驗內容的研究性和前沿性，要求在實驗內容中引入科研性實驗。分子生物學實驗是生物學“萃英班”開設在大學二年級下學期的主干基礎課，具有實踐性、技術性和探索性較強的特點。

我院分子生物學實驗課程開設于1996年，培養(yǎng)理念和教學內容一直注重圍繞基礎原理知識、重點培養(yǎng)基本技術操作，屬于傳統(tǒng)的基礎性實驗教學模式。這種傳統(tǒng)灌輸型的教學模式面向生物萃英班學生顯示出許多不足，不僅不能滿足拔尖學生的求知欲望，而且難以凸顯和符合拔尖學生的培養(yǎng)宗旨，顯然不適應綜合性、研究性、科研性實驗的教學目標。因此，自2012年起，本課程對生物萃英班的教學進行了一系列改革和探索，建立了基礎、綜合、研究多層次實驗構成的綜合性實驗教學體系。針對旨在提高學生的動手能力，培養(yǎng)學生的研究性思維，探索優(yōu)秀學生的培養(yǎng)方案，本文做一個相應的探討和總結。

1 偏重基礎性實驗教學模式存在的問題

1.1實驗體系缺乏系統(tǒng)性

基礎性實驗內容含經典的驗證性實驗居多，設計的各實驗內容之間相互獨立，每次實驗基本都是“照葫蘆畫瓢”式的學習方式[2]，學生掌握的核酸提取、目的基因片段的擴增、DNA的轉化以及蛋白質的鑒定等一系列實驗之間缺乏知識的連續(xù)性和邏輯性，一方面不利于幫助學生記憶缺乏邏輯聯(lián)系的實驗內容，另一方面，碎片式的灌輸方式就像下一盤毫無章法的棋，使學生缺失了全局觀念的培養(yǎng)，不利于學生理解如何應用實驗技術來解決科研和實踐中的問題。

1.2教學模式抑制了學生主觀能動性的發(fā)揮

大學生從事實驗學習，掌握主觀能動的操作技能是理工科本科教育的一個基本特征[3]，原《分子生物學實驗》的課時安排是36學時，5 d完成教學，在這樣短的課時內要完成一系列實驗內容，就不能保證實驗的所有步驟都由學生自主完成。常規(guī)實驗模式是由實驗老師采集樣本、培養(yǎng)材料、配制試劑、調試好各種儀器設備、處理實驗廢棄物，這些本屬于培養(yǎng)實驗室獨立操作能力的環(huán)節(jié)，由于沒有足夠的課時而由老師代為完成，造成學生的實驗技能掌握不完整，很大程度上限制學生動手能力的提高，不利于培養(yǎng)學生的主觀能動性以及獨立完成科研性實驗的能力。

1.3實驗過程缺乏科研的挑戰(zhàn)性

基礎性實驗的實驗設計基本為驗證性實驗，實驗材料都是由老師統(tǒng)一培養(yǎng)和處理，實驗過程多由老師主導、學生被動重復，實驗產物沒有其他用途，質量要求不高。最后全班同學的實驗結果差別很小，使學生很難從相似的結果中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，并且造成同學之間相互借用數(shù)據(jù)和照片，甚至相互抄襲實驗報告以完成任務，不能較好地達到實驗培訓的目的，不利于探究性和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。

2 注重研究性實驗教學的改革措施

2.1實驗教材的建設

實驗教材是培養(yǎng)人才的知識載體，是實驗教學的依據(jù)，也是培養(yǎng)學生動手能力的主要工具[4]。本院開設的《分子生物學實驗》一直采用過去編寫的實驗講義，內容以基礎性、驗證性實驗為主。根據(jù)新形勢的需要，分子實驗老師結合多年的教學、科研經驗，編寫了《基礎分子生物學實驗教程》，于2014年蘭州大學出版社正式出版。新實驗教材具有以下特點：① 實驗內容分為基礎性實驗和綜合性實驗等不同層次，知識架構體現(xiàn)循序漸進，不僅適用于普通本科生的基礎實驗教學，也適用于拔尖學生的綜合性和研究性教學；② 選入近幾年興起的一些研究型實驗技術(如酵母雙雜交技術)，有利于課堂知識與科技前沿的銜接；③ 注重實驗原理和實驗流程圖文并茂式的闡述，在某些關鍵的實驗步驟后注解注意事項和操作技巧；④ 增加大量實驗裝置、設備以及實驗結果照片，表現(xiàn)形式更加直觀容易記憶；⑤ 增加實驗發(fā)展的背景知識，加強可讀性和趣味性。經過3年的使用，新教材收到了學生的廣泛好評。實驗教材建設是實驗教學體系建設的基礎和工具，只有不斷總結教學經驗，教材內容體現(xiàn)先進性和拓展性，才能為多種模式的教學打下良好基礎[5]。

2.2實驗體系的優(yōu)化

實驗體系改變各個實驗相互獨立的模式，而是設計了以基礎實驗為本，以科研工作中成熟的分子克隆為主線，具有系統(tǒng)性和綜合性的實驗項目。系統(tǒng)性、綜合性實驗不同于基礎性實驗的一個重要變化就是前后相連，內容貫通[6]。生物萃英班開設的實驗：“綠色熒光蛋白(GFP)基因表達載體的構建及在原核生物中的表達鑒定”(見圖1)，從目的基因片段的獲取，到表達克隆的構建和篩選，目的蛋白的誘導表達，最后對目的蛋白進行Western-blotting檢測表達差異，不僅涵蓋了原基礎實驗所有的實驗技術，而且通過內容整合、完善、補充，成為一個系統(tǒng)的綜合性實驗。這樣，每個實驗之間的內容相互聯(lián)系，有機地將各個獨立實驗結合起來，在培養(yǎng)學生動手能力和訓練基本技能的同時，又系統(tǒng)學習了解決科學問題的整套實驗流程。對于培養(yǎng)學生的科研興趣，提高其科研思維、分析問題和解決問題的能力都具有重要的意義[7]。

圖1 綠色熒光蛋白(GFP)基因表達載體的構建及在原核生物中的表達鑒定

2.3實驗教學模式的改進

(1) 增加實驗課時。萃英班實驗課時從基礎班的36學時增加到54學時，6 d完成，課時的擴充，一方面為完善的實驗體系、較全面的實驗內容提供了時間的保證，另一方面，學生有時間自主配置常用試劑，充分學習實驗室常規(guī)儀器的規(guī)范使用和保養(yǎng)，例如加樣槍的調校和潤滑油的添加、分析天平的調節(jié)和清理等，并能嚴格按照實驗室安全規(guī)則科學處理實驗廢棄品。全方位參與實驗準備、實驗操作、儀器管理、實驗室安全管理的各個環(huán)節(jié)，提高了學生對實驗環(huán)節(jié)的熟悉程度和科研素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的基本科研能力，使學生能盡快適應未來的研究工作[8]。

(2) 增添實驗器材。進一步改善實驗條件，增加實驗器材和耗材的投入，避免因共用儀器數(shù)量少造成的使用限制，減少有的學生整個實驗結束后，還未能掌握常用儀器如何正確使用的現(xiàn)象。每個小組配置一套微量移液器，保證每位學生都有操作機會，提高規(guī)范、熟練使用儀器的能力，減少操作誤差。適當添加試劑盒的應用，以研究實驗室的標準拓寬本科生的操作范圍。

(3) 更新實驗內容。生物萃英班降低了驗證性實驗比例，通過深入整合和創(chuàng)新驗證性實驗內容，使實驗項目能夠體現(xiàn)專業(yè)特點[]，將研究、綜合性實驗比例提高至80%。并且在幾年的實踐中，有選擇地去除了實驗現(xiàn)象不明顯的表達蛋白如人血清IgG、HSP70蛋白，選擇科研中常用的、實驗現(xiàn)象明顯的報告基因GFP、RFP轉化原核細胞，然后進行時間梯度誘導表達，最終的結果直觀有趣。當GFP蛋白成功表達后，裝有菌液的doff管變成了熒光棒，讓學生們在新奇中體會到了成功的喜悅，對實驗的印象十分深刻，吸引學生全身心關注實驗過程，激發(fā)了實驗熱情。

2.4優(yōu)秀師資力量對實驗過程的“四化”促進

俗話說：名師出高徒。具有高素質、高度責任感的教師隊伍是培養(yǎng)拔尖人才的關鍵，優(yōu)秀的師資配置加強了基礎與科研的有力結合。據(jù)《蘭州大學“基礎學科拔尖學生培養(yǎng)試驗計劃”實施方案》，生物萃英班配備了相對穩(wěn)定的優(yōu)秀授課教師團隊[1]，授課教師團隊立足校內優(yōu)秀教師資源，有利于將科研思維帶入教學的各個環(huán)節(jié)，使實驗過程更具有挑戰(zhàn)性。

(1) 實驗設計科研化?；A教學與科研一直是相輔相成，互相促進的關系。本實驗課程的任課老師全部具有博士學位，并承擔研究生的培養(yǎng)任務，研究領域涉及植物學、微生物學等，所以在實驗設計中有意識地加入目的蛋白在原核生物中的表達、基因芯片鑒定原核細胞等一些研究領域的技術路線，既讓初學者實現(xiàn)了實驗教材的實踐操作，又掌握了在科研中的運用途徑。這種具有科研目的的實驗課程，會讓學生明確學習目的，培養(yǎng)學生的綜合實驗能力[10]。

(2) 實驗思維全局化。為了培養(yǎng)學生解決科學問題的全局性思維，提高解決實際問題的能力而設置多種問題，例如在表達載體構建實驗中，涉及的基本技術為限制性內切酶酶切和連接，如果只限于這兩個技術本身，操作簡單枯燥。而在科研中，成功構建一個表達載體不僅要求目的基因按照正確方向連接，而且要使連接的目的基因在受體細胞中經IPTG誘導后正確表達。所以，在實驗前引導學生了解：① 表達載體和克隆載體應用的區(qū)別；② 如何選擇合適的表達載體；③ 選擇合適的限制性內切酶進行單酶切還是雙酶切；④ 采用同尾酶酶切得到同樣的黏性末端還是雙酶切得到不同黏性末端？經各種選擇的對比最后確定實驗方案。通過這種啟發(fā)式的教學方法，培養(yǎng)學生了解設計實驗的整體思路，以及實驗材料的選取策略和實驗成敗的關鍵問題，達到“授之以漁”的目的。

(3) 實驗要求高標準化。分子生物學實驗不同于其他基礎實驗的是，實驗過程中現(xiàn)象不明顯，經常通過結果才能推斷操作過程中的正誤。所以對萃英班學生的培訓注重操作細節(jié)，不能僅僅達到“會”操作，而要學會從不同的實驗結果分析成敗原因，使實驗產物達到一定的質量，以滿足下一步實驗的需要。例如質粒DNA的提取對質量和濃度都有一定要求：① 在同樣體積的菌液中，提取的DNA濃度是否足夠用于做酶切底物，操作的注意點就是如何充分裂解細胞；② 質粒DNA的質量，如果純化步驟里沒有注意抽提的要點，很有可能未除盡鹽、雜蛋白和苯酚，影響下一步酶反應的完成。細化每一個實驗步驟的操作原理和要求，加強了學生對實驗的重視程度，有利于培養(yǎng)學生嚴謹求實的實驗態(tài)度[11]。

(4) 實驗考核論文化。撰寫實驗報告可以幫助學生夯實理論知識、培養(yǎng)學生的綜合應用能力[12]，對于生物萃英班學生，更需要改變大量篇幅抄寫實驗材料、步驟的方式。學習按照科學問題的提出、實驗設計的路徑、收集和處理實驗照片、整理實驗數(shù)據(jù)等科研論文的模式進行撰寫，并且通過查閱相關的經典論著、期刊論文、專業(yè)性網(wǎng)頁論壇，初步學會分析和討論實驗結果，將基礎知識與前沿研究相結合，思考有價值的突破點。這種初步嘗試，對學生以后自主設計實驗、申請和實踐本科生科研項目都是有益的嘗試和幫助，了解學術論文是什么以及如何構架學術論文獲得了寶貴的經驗。

3 小班制特點加深交流與促進

國際上生命科學實驗教學多采取小班化實驗課程為主，以小組合作的形式完成特定的任務[13]。我校生物萃英班通常有15位學生，這種小班制的特點使學生之間、師生之間的交流更加緊密，形成了學生自主學習、合作學習、師生互動、學生互動的同伴教學模式的學習氛圍[14]。

3.1激發(fā)學生交流

除了學習興趣以外，同伴間的對比、競爭以及實驗中的挫敗往往是激發(fā)學生實驗興趣的重要因素。哈佛大學埃里克.馬祖爾(Eric Mazue)教授創(chuàng)立的同伴教學法[15]，就鼓勵學生合作學習，增加交流互動，改善傳統(tǒng)教學手段和教學模式。

萃英班采用的綜合性實驗會因一系列實驗操作和產物質量的不同，導致最后的實驗結果充滿了不確定性，例如表達載體經過前幾個實驗的構建、轉化后篩選克隆，有的同學在一個培養(yǎng)皿里多達幾十個白色菌斑，有的同學只有幾個，有的同學藍白斑全有，而有的同學居然無任何結果。一個小班級里成功和失敗的鮮明對比，強烈激發(fā)了同學之間相互討論、交流操作經驗的熱情，培養(yǎng)了相互幫助解決問題的團隊協(xié)作精神。促進學生主動翻閱文獻和一些專業(yè)網(wǎng)站，查找提高連接效率和轉化率的技巧和方法以及操作中的注意要點，舉一反三，達到了較好的實驗效果。

3.2促進師生互動

生物萃英班配備兩三位實驗教師，充足的師資增加了師生交流的機會，改變老師講、學生照單做的單一形式，而是在教學環(huán)節(jié)中加入了學生講解，老師演示，再反過來學生操作，教師到各小組講評等多角度的互動環(huán)節(jié)。這種課堂上師生角色互換的方式，促使學生課前主動預習，課堂上能快速掌握操作技巧，真正成為實驗課堂的主人。

4 結 語

綜上所述，我院針對拔尖人才培養(yǎng)，進行了一系列分子生物學實驗教學改革的探索，設置基礎、綜合、研究多層次有機結合的綜合性實驗的教學內容，努力實現(xiàn)以學生為主體，教師為引導的教學模式。但是，要完成綜合性、研究性實驗，使學生學會解決實驗中途出現(xiàn)的種種問題和困難，盡可能得到較好的最終結果，這就對教師的知識面、實際科研水平、快速解決突發(fā)問題的能力有了較高的要求[16]。所以，教學有法，貴在得法，教師事先預設的教學方法，只能作為教學預案。當走進實驗室，面對一個個具有活躍思維的鮮活的生命體，教師需要按照學生知識水平和班級的差異，不斷調節(jié)和選擇行之有效的教學體系和方法，才能逐步達到較好的教學效果。

[1] 龍瑞軍，安黎哲，張穩(wěn)剛，等．“基礎學科拔尖學生培養(yǎng)試驗計劃”的探索與思考——以蘭州大學為例[J]．高等理科教育，2015，122(4)：97-102.

[2] 杜照奎，李鈞敏，蔣 明．分子生物學綜合性實驗教學與改革[J]．實驗室研究與探索，2015，34(7)：165-168.

[3] 趙建華．西方大學本科實驗教學有效性研究綜述[J]．實驗室研究與探索，2012，31(10)：92-94.

[4] 周國安．加強學生科學實驗能力培養(yǎng)[J]．實驗室科學，2006(1)：28-29.

[5] 董海瑞，齊曉慧，毛 瓊．線性系統(tǒng)理論實驗教材建設的幾點考慮[J]．中國教育技術裝備，2016(3)：151-152.

[6] 陳火英，葛海燕，周選圍．信息技術環(huán)境下分子生物學實驗教學改革探析[J]．高校實驗室工作研究，2012，31(10)：1-3.

[7] 沈 喜，朱景紅，浦銅良，等．優(yōu)化實驗設計，提高學生實驗興趣——以western blotting檢測人血清IgG實驗為例[J]．教育教學論壇，2015(24)：251-252.

[8] 陳 艷．大學生科研訓練的實踐與思考[J]．教育教學論壇，2015，42(10)：265-266.

[9] 王增寶，趙修太，付帥師，等．改革實驗教學模式提高大學生的實驗興趣與創(chuàng)新能力[J]．實驗室科學，2015，18(1)：91-93.

[10] 牛煥雙，李 宇，杜 林，等．科研實驗轉化成綜合化學教學實驗的探索[J]．實驗室研究與探索，2014，33(2)：150-154.

[11] 錢 潔，房建民，陳志宏．生物技術綜合性和設計性實驗教學改革與實踐[J]．實驗室研究與探索，2014，33(1)：207-210.

[12] 汪朝陽，祝鳳榮，張向陽，等．實驗報告在多元化考核與評價中的功能[J]．實驗科學與技術，2008，6(5)：119-121.

[13] 王 芳，李 濱．國外高校實驗教學經驗及啟示[J]．實驗室科學，2012，15(5)：1-3.

[14] 劉艷峰．同伴教學法在大學物理實驗課程中的應用[J]．高等理科教育，2015，120(2)：72-74.

[15] 埃里克·馬祖爾．同伴教學法——大學物理教學指南[M]．朱敏，陳險峰，譯．北京：機械工業(yè)出版社，2011：23.

[16] 韓宏巖，許維岸．生物類本科生綜合實驗設計與實踐的探索[J]．實驗室研究與探索，2014，33(3)：168-171.

ExplorationontheExperimentalTeachingSystemofMolecularBiologyfortheGoalofCultivatingTop-notchStudents

SHENXi,YIJing,ZHANGChunjiang,XIANGYun,PUTongliang，ZHANGHua，F(xiàn)ENGHuyuan

(School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

According to the current molecular biology experiment courses, and combined with the training strategy of the CuiYing biological class, we discussed on a series of explorations on the improvement of the teaching system. We hope that by constructing textbook, optimizing the experimental teaching system, promoting by the excellent teachers and strengthening the communication between teacher and student, the teaching effect, overall experimental ability and research literacy could be effectively improved.

top-notch students； molecular biology； experiment teaching; experimental content system

G 642

A

1006-7167(2017)09-0149-04

2016-09-28

國家基礎學科人才培養(yǎng)基金(J1210077，J1210033，J1103502)；蘭州大學實驗技術創(chuàng)新項目(201317)；蘭州大學2016年度教學研究項目(201617)

沈 喜(1973-)，女，浙江紹興人，博士，高級實驗師，研究方向：分子生物學實驗教學及實驗室儀器管理。Tel.：13919093509；E-mail：shenxi@lzu.edu.cn