分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

程爽 張希 劉冰冰 仝飛飛

摘 要：分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是生物工程專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。該文針對(duì)分子生物學(xué)內(nèi)容抽象、實(shí)驗(yàn)體系小的特點(diǎn)，以分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)中基礎(chǔ)的PCR實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，從教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、理論與實(shí)踐相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施的等方面進(jìn)行了教學(xué)改革，以期提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。

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

中圖分類號(hào) G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）15-0168-02

Abstract：Molecular Biology experiment is an important pracical course for students in Bio-engineering Program.Aiming at content abstraction and the small experimental system，the“Designing teaching content”、 “Combination of theory and practice”& “Implementation of experimental teaching”were performed。To enhance the quality of molecular biology，improve the studentslearing enthusiasm，and train students practical ability and nnovationconsciousness.

Key words：Molecular Biology；Experiment teaching；Teaching reform

分子生物學(xué)是一門從分子水平研究生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的學(xué)科[1]。分子生物學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)課程是地方性本科高校生物工程專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，相對(duì)于其他實(shí)驗(yàn)學(xué)科而言，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程往往耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用多，絕大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象需要在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)才能觀察到，往往由于時(shí)間、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等因素的限制導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式教學(xué)質(zhì)量難以保障。南陽(yáng)理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院一直非常重視實(shí)踐教學(xué)在教學(xué)中的比例，自分子生物學(xué)課程開(kāi)設(shè)以來(lái)，在整體學(xué)時(shí)縮減的情況下仍保證實(shí)驗(yàn)課程的比例，同時(shí)加大了實(shí)踐經(jīng)費(fèi)的投入和壯大實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍，從而保障了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[2]（Polymerase Chain Reaction，PCR）是1種選擇性體外擴(kuò)增DNA的方法，是分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中1個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，許多高校均有開(kāi)設(shè)。本文以分子生物學(xué)課程PCR這一知識(shí)點(diǎn)的理論課程講解和實(shí)驗(yàn)部分的實(shí)施進(jìn)行了總結(jié)，以供參考。

1 PCR理論部分課程設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)理論課中對(duì)于PCR技術(shù)的講解一般分為PCR的發(fā)現(xiàn)、原理、體系、步驟及應(yīng)用這幾個(gè)方面展開(kāi)。我們?cè)趯?shí)踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)這一授課過(guò)程過(guò)于平鋪直敘，而且涉及到的新的專業(yè)詞匯較多，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)接收這么多的新信息。針對(duì)這一問(wèn)題，我們制作了微課“PCR的前世今生”（時(shí)長(zhǎng)5min左右），微課中介紹美國(guó)黃石國(guó)家公園的熱泉中水生棲熱菌（Thermus aquaticus）的發(fā)現(xiàn)對(duì)于PCR實(shí)驗(yàn)的重大意義和Millus發(fā)明PCR的過(guò)程。授課時(shí)首先播放微課，引起了學(xué)生極大的興趣，使學(xué)生對(duì)于PCR中使用的DNA聚合酶（即Taq酶）有了一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，也了解到Millus發(fā)明PCR這一技術(shù)是在很多人的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的，讓學(xué)生知道科研工作需要日積月累，并不是一蹴而就就能完成的。然后由教師提問(wèn)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的DNA復(fù)制的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)（如下圖所示）：從學(xué)過(guò)的知識(shí)體系引出PCR的原理、體系及步驟。這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)水到渠成，學(xué)生接受度也較高。

2 PCR實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

2.1 項(xiàng)目來(lái)源 依托“河南省工業(yè)微生物資源與發(fā)酵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”保藏的有價(jià)值的菌株進(jìn)行16srDNA（18rDNA、ITS序列）等基因的克隆來(lái)開(kāi)展這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程 本實(shí)驗(yàn)中將2個(gè)同學(xué)分為一組，每組同學(xué)分配到2株不同種類的微生物（細(xì)菌和真菌各1株），首先要求同學(xué)將不同樣品進(jìn)行核酸提取后作為擴(kuò)增的模板，如果是革蘭氏陰性菌，可以直接進(jìn)行菌落PCR。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始實(shí)施前，除了重申實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)外，向?qū)W生提出思考題：（1）PCR體系中的每個(gè)組分加入順序是否是隨機(jī)的？為什么？（2）如何操作才能在25μl這樣微量體系中降低實(shí)驗(yàn)誤差？（3）如何檢測(cè)PCR是否成功？讓學(xué)生帶著問(wèn)題去邊做邊想，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià) 每位同學(xué)需按照要求撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，除了常規(guī)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果等，還需要回答實(shí)驗(yàn)前提出的思考題，分析自己實(shí)驗(yàn)成功或失敗的原因。以下是部分同學(xué)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中分析總結(jié)的實(shí)驗(yàn)心得：（1）PCR體系成分較多，為了防止加錯(cuò)或者漏加，應(yīng)該加入1個(gè)組分在實(shí)驗(yàn)記錄本上打一個(gè)“√”，同時(shí)把該組分移到另外1個(gè)離心板上；（2）PCR體系中所用到的Taq酶都是熱失活的，應(yīng)該在冰盒中存放，加完迅速放回冰箱中；（3）除了模板不同，在實(shí)驗(yàn)中所有試劑都一樣，可以由1個(gè)同學(xué)先把所有的組分加在一起后混勻再進(jìn)行分裝，減少槍頭的使用量和降低實(shí)驗(yàn)誤差；（4）在進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳分析時(shí)，有的同學(xué)能擴(kuò)增出與預(yù)期大小一致的目的條帶，有的則只有引物二聚體，并無(wú)目的條帶，分析原因：①忘記加入某一組分；②PCR程序設(shè)置錯(cuò)誤；③模板質(zhì)量問(wèn)題，比如說(shuō)目的菌株的DNA提取失敗導(dǎo)致模板濃度低或雜蛋白太多，影響擴(kuò)增體系；（5）瓊脂糖凝膠電泳完畢需進(jìn)行核酸染料染色，此環(huán)節(jié)需帶雙層手套進(jìn)行保護(hù)，還需注意使用凝膠成像分析儀時(shí)需摘掉手套或請(qǐng)同組同學(xué)在電腦上進(jìn)行成像操作，避免污染實(shí)驗(yàn)室其他區(qū)域。以上只是部分有代表性的學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的心得體會(huì)，相當(dāng)多的同學(xué)反映在此實(shí)驗(yàn)中不僅掌握了PCR的原理和步驟，而且感覺(jué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)不再是看不見(jiàn)，摸不著了，同時(shí)在撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)不再是以往的“搬運(yùn)式”（即除了姓名學(xué)號(hào)不一樣，別的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容都一樣），而是加入了自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題這一過(guò)程，了解到實(shí)驗(yàn)的各個(gè)組分在其中發(fā)揮的作用，真正掌握并理解了PCR的實(shí)驗(yàn)原理。

3 課外拓展

在理論課程和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間，利用翻轉(zhuǎn)課堂向?qū)W生推送有關(guān)PCR技術(shù)研究進(jìn)展和PCR技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用等綜述，同時(shí)向?qū)W生布置作業(yè)：每位同學(xué)經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)檢索和查閱制作1個(gè)有關(guān)于PCR的PPT并利用課外時(shí)間進(jìn)行匯報(bào)。例如，有的同學(xué)選取了今日說(shuō)法中的親子鑒定為切入點(diǎn)，制作了“PCR在親子鑒定中的應(yīng)用”向大家講解；有的同學(xué)則對(duì)PCR技術(shù)的發(fā)展感興趣，制作了“熒光定量PCR在快速檢測(cè)致病菌中的應(yīng)用”向大家講解；有的同學(xué)自學(xué)了生物信息學(xué)，就以“16SrDNA在微生物鑒定中的應(yīng)用”為題，在指導(dǎo)老師協(xié)助下對(duì)自己的PCR產(chǎn)物測(cè)序結(jié)果在NCBI上進(jìn)行了比對(duì)并用Mega軟件構(gòu)建了進(jìn)化樹(shù)進(jìn)行分析。同學(xué)們?cè)谶@個(gè)環(huán)節(jié)中擴(kuò)展了知識(shí)面，也通過(guò)查閱文獻(xiàn)了解到分子生物學(xué)跟人類的生活息息相關(guān)，紛紛表示要好好學(xué)習(xí)這門課。

4 結(jié)語(yǔ)

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展迅速，各類院校開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各有特色，結(jié)合我院現(xiàn)有情況，很難做到面面俱到。作為任課老師也需要不斷學(xué)習(xí)，將分子生物學(xué)的發(fā)展前沿和自身的科研項(xiàng)目融入到日常的教學(xué)活動(dòng)中。目前，基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在我院分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中占有比例較大，我們?cè)诖瞬糠謱?shí)驗(yàn)中著重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生掌握基本原理和基本操作步驟；同時(shí)利用開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、挑戰(zhàn)杯等第2課堂選拔一部分同學(xué)結(jié)合科研項(xiàng)目開(kāi)展一些綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。今后，還將優(yōu)化調(diào)整分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和改革考核方式，引入創(chuàng)新學(xué)分獎(jiǎng)勵(lì)制度，期望通過(guò)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷深入，為培養(yǎng)合格的生物工程創(chuàng)新型人才做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]朱玉賢，李毅，鄭曉峰，等.現(xiàn)代分子生物學(xué)（第4版）[M].北京：高教出版社，2013.

[2]申煌煊，李剛.分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與技巧[M].廣州：中山大學(xué)出版社，2010.

（責(zé)編：張宏民）