分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索

傅晶 許曉東 劉佳明

摘要：文章從改善教學(xué)條件、豐富教學(xué)內(nèi)容、引入先進(jìn)的教學(xué)理念等方面對(duì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革，在提高學(xué)生的分析和解決問(wèn)題的能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力上取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）22-0123-02

分子生物學(xué)是在分子層面上解析生命現(xiàn)象的科學(xué)，其主要研究?jī)?nèi)容圍繞著生物大分子的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯和調(diào)控的過(guò)程展開。分子生物學(xué)是高等教育中生物學(xué)專業(yè)的學(xué)生接觸到的第二門專業(yè)課，其理論與生物化學(xué)、遺傳學(xué)緊密地交織。全面系統(tǒng)地掌握分子生物學(xué)知識(shí)為進(jìn)一步學(xué)習(xí)基因工程、細(xì)胞生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物信息學(xué)等前沿學(xué)科奠定基礎(chǔ)。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程與分子生物學(xué)理論課程相配套，力求讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程更好地理解分子生物學(xué)的理論知識(shí)。然而現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果并不理想，本文將就如何解決分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行探討和改革。

一、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的目標(biāo)和定位

分子生物學(xué)是旨在闡明生物體內(nèi)的核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能、遺傳信息傳遞途徑以及基因表達(dá)調(diào)控方式的一門學(xué)科，能從分子水平揭示生物體產(chǎn)生遺傳、發(fā)育、生長(zhǎng)、變異等現(xiàn)象的機(jī)制[1]。分子生物學(xué)領(lǐng)域的任何新的發(fā)現(xiàn)都為生物學(xué)的發(fā)展帶來(lái)新突破。目前分子生物學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為了揭示生物界奧秘、動(dòng)植物和微生物改良、控制和治療疾病的重要手段。高校的生物學(xué)專業(yè)開設(shè)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的目的是為了讓學(xué)生掌握基本的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，形成良好的科研素質(zhì)，為今后從事科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該門課程主要在生物專業(yè)的二年級(jí)下學(xué)期開設(shè)，緊密圍繞同期開設(shè)的分子生物學(xué)理論課程，通過(guò)為期一周的綜合性大實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生將理論與實(shí)際緊密結(jié)合起來(lái)，為培養(yǎng)具有良好的科研素質(zhì)的研究型人才打下基礎(chǔ)。

二、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

現(xiàn)行的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主要涉及質(zhì)粒提取、限制性內(nèi)切酶酶切、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）、TA克隆、大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞的制備、核酸電泳、地高辛標(biāo)記的southern雜交、植物基因組和總RNA的提取、反轉(zhuǎn)錄等環(huán)節(jié)[2-3]。傳統(tǒng)的授課方式是教師簡(jiǎn)要地講授實(shí)驗(yàn)原理和方案步驟，演示關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生遵照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和老師的示范完成實(shí)驗(yàn)，老師和學(xué)生一起分析實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在多年的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)了這門實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多問(wèn)題，比如：由于條件所限，每組學(xué)生人數(shù)太多（4個(gè)或更多），許多學(xué)生沒(méi)有動(dòng)手機(jī)會(huì)，出現(xiàn)每組只有一個(gè)學(xué)生操作，其他學(xué)生觀看的現(xiàn)象；由于實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)，并且很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是通過(guò)比較類似的核酸凝膠電泳圖來(lái)呈現(xiàn)，常常出現(xiàn)學(xué)生對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果張冠李戴的現(xiàn)象；近年來(lái)，分子生物學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新理念和新技術(shù)，傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程所講授的實(shí)驗(yàn)技術(shù)較陳舊，跟不上學(xué)科的發(fā)展；據(jù)絕大多數(shù)之后走上生物學(xué)科學(xué)研究道路的學(xué)生反映，這門實(shí)驗(yàn)課只讓他們熟悉了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作，真正需要獨(dú)立開展相關(guān)科研工作的時(shí)候，他們?nèi)圆恢涝撊绾伍_始。

三、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革措施

針對(duì)現(xiàn)行的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革刻不容緩，我們對(duì)該課程從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了改革：

1.加大實(shí)驗(yàn)室的配套建設(shè)，增加學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)。近年來(lái)，學(xué)校和相關(guān)院系加大了對(duì)分子生物學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的投入，完善其硬件設(shè)施的建設(shè)，確保實(shí)驗(yàn)儀器、材料、試劑的充分供給，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)分組的最小化；在實(shí)驗(yàn)課程安排上，盡量讓每個(gè)同學(xué)獨(dú)立操作，即使有些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)需要小組成員合作，也要求每個(gè)組員都參與到其中，各司其責(zé)；在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，每個(gè)同學(xué)都有獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有效地避免了雷同實(shí)驗(yàn)報(bào)告的出現(xiàn)。

2.強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析理解。充分發(fā)揮多媒體教學(xué)信息量大、形象生動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，將同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀地顯示出來(lái)，逐一分析比較每個(gè)人的結(jié)果，即使是不理想的結(jié)果也幫助學(xué)生找到產(chǎn)生問(wèn)題的可能原因和解決辦法。采用案例教學(xué)法，在幻燈片中展示已發(fā)表的高水平文章中的相關(guān)圖片和數(shù)據(jù)，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)到實(shí)驗(yàn)中正、負(fù)對(duì)照的重要性，找到假陽(yáng)性和假陰性產(chǎn)生的原因，意識(shí)到根據(jù)所要闡明的問(wèn)題的不同，同樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以有不同處理方式，引導(dǎo)學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和活學(xué)活用的能力[4]。

3.增設(shè)運(yùn)用到新理論新方法的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?，F(xiàn)行的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)介紹了基于DNA連接酶的分子克隆技術(shù)，該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常規(guī)的工具酶如Taq DNA聚合酶、T4 DNA連接酶的活性和特點(diǎn)。然而近年來(lái)，分子生物學(xué)發(fā)展突飛猛進(jìn)，涌現(xiàn)出了一系列新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法，逐漸取代了傳統(tǒng)的酶切連接技術(shù)，比如一步法克隆技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種載體的構(gòu)建中。該方法利用同源重組的原理，可以在質(zhì)粒的任何位點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)DNA的片段的插入，而不需要任何限制性內(nèi)切酶和連接酶，具有位點(diǎn)選擇靈活、快速簡(jiǎn)便、精確和克隆效率高等特點(diǎn)[5]。因此，在原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增設(shè)了一步法克隆實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與同時(shí)實(shí)施的傳統(tǒng)的酶切連接實(shí)驗(yàn)相比較，讓學(xué)生體會(huì)到新方法的便捷和強(qiáng)大，還有助于學(xué)生對(duì)于DNA同源重組這一教學(xué)難點(diǎn)的理解。

現(xiàn)代的分子生物學(xué)研究已進(jìn)入功能基因組時(shí)代，對(duì)基因的編碼產(chǎn)物蛋白功能的分析已成為高水平研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是基因功能的最終體現(xiàn)。然而傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有涉及這方面的內(nèi)容。免疫沉淀技術(shù)可以從生物體的上千種不同的蛋白質(zhì)中，富集純化處于天然狀態(tài)的特定蛋白，有利于進(jìn)一步的蛋白功能的詮釋。在傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中開展的southern雜交實(shí)驗(yàn)有許多等待的時(shí)間，我們同時(shí)并行開展了免疫沉淀和western雜交的實(shí)驗(yàn)，既讓課堂時(shí)間得到更高效的利用，又開拓了學(xué)生的視野。

4.培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)已形成了較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，大部分學(xué)生只要按部就班就能完成實(shí)驗(yàn)。然而實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)中的每個(gè)操作步驟的原理——即為什么要這樣操作，以及每個(gè)試劑成分的用途，學(xué)生基本上不清楚。因此我們將這些細(xì)節(jié)問(wèn)題作為教學(xué)重點(diǎn)，讓學(xué)生知其然并且知其所以然。比如在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的CTAB法提取植物基因組的教學(xué)環(huán)節(jié)，我們?cè)敿?xì)講解CTAB法的原理，之后采取問(wèn)題式和討論式教學(xué)法，提出如何提取葉綠體的基因組，學(xué)生通過(guò)查閱資料整理出詳盡的實(shí)驗(yàn)方案。這個(gè)過(guò)程既有助于學(xué)生們形成舉一反三的能力，又能加深學(xué)生對(duì)于生物界中既有共性又有特性的問(wèn)題的理解，還能加強(qiáng)學(xué)生發(fā)散性思維和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)[6]。又如在講授分子克隆技術(shù)時(shí)，采用模擬教學(xué)法，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，包括載體的選擇、引物設(shè)計(jì)、酶切位點(diǎn)的選擇等等。通過(guò)這種教學(xué)互動(dòng)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)思想是緊密結(jié)合學(xué)科的理論基礎(chǔ)，緊跟學(xué)科的發(fā)展，將科研中成熟的先進(jìn)方法和技術(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)傳授給學(xué)生。然而近年來(lái)，傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程逐漸暴露出一些問(wèn)題和急需完善的方面，通過(guò)對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革，充分地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性，滿足了學(xué)科迅猛發(fā)展的需要，為培養(yǎng)出兼具嚴(yán)謹(jǐn)與創(chuàng)新精神的科研人才打下基礎(chǔ)。

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