階段式分子生物學(xué)實驗教學(xué)新模式的探索

周強 易浪波

摘要：本文在分析分子生物學(xué)實驗教學(xué)的現(xiàn)實困難的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了階段式實驗教學(xué)新模式，將整個實驗教學(xué)分為認知、訓(xùn)練、應(yīng)用三階段，并詳細介紹了每個階段的實驗內(nèi)容、培養(yǎng)要求、考核辦法、實施要點等。該教學(xué)模式為分子生物學(xué)實驗教學(xué)的改革提供參考。

關(guān)鍵詞：分子生物學(xué)；實驗教學(xué)；階段式教學(xué)模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0279-02

分子生物學(xué)是在生物分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學(xué)，主要研究核酸、蛋白質(zhì)等的結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控等，其已成為生命科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科和重要研究技術(shù)。主要涉及生物學(xué)、藥學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、作物學(xué)等15個一級學(xué)科和生物科學(xué)、生物工程、農(nóng)學(xué)等40余個專業(yè)，又與生物化學(xué)、生物信息學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程等近百門課程相關(guān)。在高等教育中，分子生物學(xué)是一門非常重要的基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課程，也是理論與實驗結(jié)合非常緊密的課程。實驗課程不僅能幫助學(xué)生理解分子生物學(xué)抽象的原理知識，還能訓(xùn)練學(xué)生掌握分子生物學(xué)的實驗技術(shù)，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新精神。

一、目前分子生物學(xué)實驗教學(xué)中存在的主要困難

1.教學(xué)課時數(shù)量較少。分子生物學(xué)實驗過程步驟多、耗時較長，一次課程通常需3小時以上。比如完成PCR實驗教學(xué)和操作至少需要4小時。而目前，絕大部分高校的實驗課時在32-64學(xué)時，僅能開設(shè)10-15個實驗項目，這只能滿足分子生物學(xué)的基礎(chǔ)實驗教學(xué)。學(xué)生也僅能按照實驗指導(dǎo)完成一次操作過程，缺少必要的獨立實驗操作練習(xí)。

2.教學(xué)內(nèi)容不夠深入。大部分高校的實驗課程僅開設(shè)了一些基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容，這與分子生物學(xué)研究技術(shù)的快速發(fā)展現(xiàn)狀是極不相符的[1]。有的實驗還采用比較費時費力的老技術(shù)，近些年新的研究技術(shù)也沒有補充進課堂。

3.考核體系較簡單。目前的考核主要是從出勤、課程預(yù)習(xí)、實驗報告和期末考查來評價學(xué)生的實驗課程成績，難以真實反映學(xué)生對實驗的掌握能力[1]?？己藘?nèi)容較簡單，激勵措施缺失，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)的動力不足。

二、階段式分子生物學(xué)實驗教學(xué)模式的內(nèi)涵

針對實驗教學(xué)中的困難，我們建立了一種新的分子生物學(xué)實驗教學(xué)模式。其特點是將整個實驗教學(xué)分為認知、訓(xùn)練和應(yīng)用三個階段。實驗內(nèi)容從經(jīng)典實驗、探究實驗、科研實驗逐步加深。對實驗?zāi)芰Φ囊髲睦斫?、掌握、運用逐步提高。考核包括實驗報告、課程論文、理論考核、結(jié)果匯報、技能考察等多項內(nèi)容，考核評價體系更加科學(xué)、全面。該教學(xué)模式能夠根據(jù)學(xué)生的興趣和需求，進行差異化教學(xué)，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提高實驗教學(xué)效果。

第一階段為認知階段，主要在課堂學(xué)時內(nèi)完成。實驗內(nèi)容主要包括兩部分。主體實驗內(nèi)容是DNA、RNA的提取、瓊脂糖核酸電泳、目標基因的PCR擴增、SDS-PAGE電泳檢測等常規(guī)的分子生物學(xué)實驗，重在理論的講解和操作要點的指導(dǎo)。讓學(xué)生能夠理解實驗方法和實驗操作的原理及要求，初步完成整個實驗流程。輔助實驗內(nèi)容為虛擬實驗，主要是針對因設(shè)備要求高、實驗難度大等暫時沒有條件開設(shè)的實驗，比如基因編輯、單克隆抗體制備等。通過虛擬實驗，可以開拓學(xué)生的視野。第一階段的考核以實驗報告和針對實驗理論和操作要點進行課堂問答（或理論考試）為主[2]，可占課程期末總成績的30%-40%。

第二階段為訓(xùn)練階段，主要在課堂學(xué)時之外，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，在開放實驗室進行探究實驗。2-3名學(xué)生組成實驗小組，在6-10大類的選修實驗中，自選2-3個不同類型的實驗項目，利用課余時間自主查找資料、設(shè)計實驗方案、開展實驗研究、分析數(shù)據(jù)結(jié)果，最后在課堂上進行匯報。通過課外的自主實驗練習(xí)，使得學(xué)生能夠掌握基礎(chǔ)的分子生物實驗技術(shù)，也初步了解科學(xué)研究的過程。這些實驗項目應(yīng)與分子生物學(xué)的應(yīng)用密切，包括利用16SDNA鑒定微生物的種類、克隆生物中的特定基因、檢測目標基因在RNA水平表達的變化等多個大類實驗項目。在大類項目下，學(xué)生可以選擇或設(shè)計具體的實驗內(nèi)容。比如鑒定微生物的種類，可以鑒定酸奶、臘肉、土壤等多種樣品中的微生物。這類實驗根據(jù)學(xué)校的特色或?qū)W生的專業(yè)有針對性的設(shè)置，難度不高，工作量適中，操作性強，成功率較高。其綜合了多種分子生物學(xué)的研究技術(shù)，學(xué)生練習(xí)充分，對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ腻憻捰休^好的效果。該階段的考核由實驗進展和技能考核兩部分組成。實驗進展可占總成績的20%-30%，主要考核項目實施的工作量、實驗進展和結(jié)果等。技能考核可占總成績的20%-30%，主要是隨機抽取1-2項實驗操作進行考察。

第三階段為應(yīng)用階段，主要是在課堂教學(xué)之外，學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇科研導(dǎo)師。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，選擇合適的科研課題進行科研訓(xùn)練。該類項目工作量較大，具有一定的創(chuàng)新和難度。要求學(xué)生能夠綜合應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)針對具體的科學(xué)問題展開研究。比如對植物某一基因的功能進行研究，可能涉及核酸的提取檢測、PCR擴增、載體構(gòu)建、轉(zhuǎn)基因操作、蛋白質(zhì)印跡檢測等多項研究手段，有效的提高了學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。對于該階段的考核有不同的形式。一種形式是實驗項目能夠在一個學(xué)期內(nèi)完成的，可以作為課程論文考核。根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和實驗進展情況，由導(dǎo)師給予評價，成績計入課程期末總成績，所占成績比例為20%-30%。另一種形式是將其作為創(chuàng)新學(xué)分或畢業(yè)論文。通過有關(guān)考核程序，單獨給予學(xué)分。

三、階段式分子生物學(xué)實驗教學(xué)模式的實施要點

1.第一階段的教學(xué)中，首先，要精煉實驗內(nèi)容，重視各實驗項目中的系統(tǒng)性。在有限的實驗課堂教學(xué)中，選擇講授的實驗基本能夠覆蓋分子生物學(xué)的基礎(chǔ)技術(shù)，體現(xiàn)分子生物研究中的共性技術(shù)。就目前的現(xiàn)狀而言，大部分高校以分子克隆為主體，蛋白質(zhì)相關(guān)實驗為輔。所以，對分子克隆的主要操作環(huán)節(jié)必須講解到位，關(guān)鍵實驗技術(shù)必須指導(dǎo)到位?？梢砸砸粋€具體基因的克隆過程作為教學(xué)內(nèi)容，按照真實的實驗次序開設(shè)實驗，確保實驗的系統(tǒng)性和邏輯性。也相當于帶領(lǐng)學(xué)生參與完成了一次真實的科學(xué)研究，使學(xué)生對科研有了更加直觀的認識。這一階段切忌把實驗項目開設(shè)得多而全和高精尖。對于不能在該階段完成的實驗項目，可以安排在第二階段的訓(xùn)練中。其次，教學(xué)形式要豐富。目前的教學(xué)中，多是教師講授實驗原理、目的、試劑、步驟等，然后學(xué)生在規(guī)定時間完成實驗操作，形式單一，學(xué)生較為被動。在教學(xué)可以引進虛擬實驗室、微課慕課、翻轉(zhuǎn)式教學(xué)、討論式教學(xué)等先進的教學(xué)技術(shù)和理念，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。比如，課前通過預(yù)習(xí)、視頻學(xué)習(xí)和虛擬實驗室練習(xí)，使得學(xué)生初步了解試驗內(nèi)容和操作過程，在真實實驗課堂中，就會得心應(yīng)手，各種操作忙而不亂，提高了課堂效率和學(xué)習(xí)效果。

2.第二階段的教學(xué)中，首先，如何保障實驗室的開放運行是關(guān)鍵。該階段的實驗時間多在課堂、甚至工作時間之外，這就需要從經(jīng)費、制度、人員多方面進行配合。經(jīng)費由課程承擔(dān)，實驗耗材需充分計劃，納入課程預(yù)算；在儀器的使用、實驗室的安全管理等方面要建立嚴格的制度，如進入實驗室的學(xué)生需進行儀器操作培訓(xùn)和實驗室安全學(xué)習(xí)考試。同時，對于實驗室管理人員和指導(dǎo)教師應(yīng)按照實驗室開放的周期和指導(dǎo)項目計算加班工作量。其次，指導(dǎo)老師的隊伍要加強。該階段的實驗涉及分子生物學(xué)的各個研究領(lǐng)域，內(nèi)容較多，差異較大，僅1-2位實驗教師難以承擔(dān)指導(dǎo)工作。所以，必須將相關(guān)的博士、教授等納入實驗教師隊伍，組建6-10人以上的教學(xué)團隊。根據(jù)各人的研究專長，指導(dǎo)學(xué)生自主開展實驗。在指導(dǎo)過程中，強調(diào)學(xué)生的中心地位，多以探討式、啟發(fā)式的形式進行輔導(dǎo)，以提高學(xué)生分析、解決問題的能力。

3.第三階段的教學(xué)中，保障、考核和激勵體系是重點。在該階段，實驗經(jīng)費主要依靠科研導(dǎo)師的課題和學(xué)生申請大學(xué)生科研項目支持。實驗場所主要是導(dǎo)師的科研實驗室和學(xué)院平臺的開放實驗室。其中，導(dǎo)師的支持更為重要。所以，可以實施本科生導(dǎo)師制，鼓勵、支持教師利用課題資源指導(dǎo)本科生的學(xué)習(xí)。考核分為導(dǎo)師考核和項目檢查進行。導(dǎo)師考核由導(dǎo)師根據(jù)其日常工作表現(xiàn)給予評價。而項目檢查是由專家組對項目進行開題報告、中期進展和結(jié)果答辯。對于考核不合格的，不予計學(xué)分。激勵主要通過舉行、參加各種競賽，對獲獎學(xué)生進行表彰，并在評優(yōu)評先、獎學(xué)金評定等方面予以加分。

參考文獻：

[1]張賀翠，楊昆，劉文清，等.分子生物學(xué)實驗教改中存在的問題及對策研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，（4）：391-392.

[2]高利臣，肖璐，馮濤.分子生物學(xué)實驗教學(xué)改革的幾點思考[J].實驗室研究與探索，2010，29（4）：104-107.