“基因工程原理”課程多元互動(dòng)教學(xué)模式探索

方澤民，劉娟娟，房 偉，肖亞中

（安徽大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230601）

1972年，Paul等人在分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)等學(xué)科綜合發(fā)展的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了基因工程學(xué)[1]?；蚬こ痰恼Q生和應(yīng)用，使得生命科學(xué)發(fā)生了革命性的變化。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，基因工程技術(shù)取得了重要進(jìn)展，基因工程的內(nèi)涵也逐漸拓展，從最初的“將一種生物體（供體）的基因與載體在體外進(jìn)行重組，然后轉(zhuǎn)入另一種生物體細(xì)胞內(nèi)，使之穩(wěn)定遺傳，表達(dá)出新產(chǎn)物或新性狀”，拓展到現(xiàn)如今的包含基因設(shè)計(jì)與構(gòu)建等上游技術(shù)，以及基因工程菌（細(xì)胞）的規(guī)模制備、表達(dá)產(chǎn)物的分離純化等下游技術(shù)的DNA 重組技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用。目前，基因工程已成為現(xiàn)代生物技術(shù)領(lǐng)域的核心內(nèi)容。相應(yīng)的，“基因工程原理”也已成為生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課程[2]。作為一門(mén)理論性和實(shí)踐性均很強(qiáng)的專業(yè)課程，“基因工程原理”具有專業(yè)性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、知識(shí)點(diǎn)多等特點(diǎn)[3]，單純的依托教材“以教為主”、“照本宣科”的傳統(tǒng)注入式教學(xué)已不能滿足啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性和主動(dòng)性[2,4]。同時(shí)，由于基因工程的前沿性特征，其技術(shù)發(fā)展更新迅速，而現(xiàn)有教材更新速度慢，單純依賴教材已不能滿足學(xué)生對(duì)前沿知識(shí)的渴求。因此，改革“基因工程原理”傳統(tǒng)教學(xué)方法，已成為提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)現(xiàn)代生物技術(shù)人才的重要保證[5]。多元互動(dòng)式教學(xué)，通過(guò)多種互動(dòng)教學(xué)方式，包括教師講授、專題研討以及翻轉(zhuǎn)課堂等形式，活躍課堂氣氛，在老師和同學(xué)的互動(dòng)中，將基礎(chǔ)知識(shí)和最新進(jìn)展以輕松的方式傳遞給學(xué)生，更好地喚起學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，系統(tǒng)掌握基因工程技術(shù)的理論、方法和技術(shù)，并培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。這種互動(dòng)教學(xué)方式，還可以增進(jìn)老師與學(xué)生之間的交流和討論，促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)。近年來(lái)，安徽大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院“基因工程原理”課程組積極開(kāi)展教學(xué)改革，開(kāi)展了該課程的多元互動(dòng)教學(xué)模式的嘗試和探索。本論文以“基因工程原理”課程中“PCR技術(shù)及其應(yīng)用”為例，對(duì)多元互動(dòng)式教學(xué)模式的實(shí)施方法和過(guò)程進(jìn)行總結(jié)和討論。

1 多元互動(dòng)式教學(xué)模式的主要實(shí)施過(guò)程

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)，即PCR 技術(shù)，是美國(guó)Cetus 公司人類遺傳研究室的Mullis K.R.于1983 年發(fā)明的一種在體外快速擴(kuò)增特定基因或者DNA 序列的方法[6]。PCR 技術(shù)使分子生物學(xué)方法發(fā)生了驚人的轉(zhuǎn)變，自納入冷泉港第51次定量生物學(xué)研討會(huì)以來(lái)，逐漸成為分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室不可或缺的組成部分[6-7]。如今，任何研究人員不再需要對(duì)研究方案仔細(xì)推敲，只要有齊全的試劑和一臺(tái)PCR循環(huán)儀，就可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)DNA 數(shù)量的指數(shù)級(jí)擴(kuò)增。PCR 技術(shù)作為現(xiàn)代生物技術(shù)的基本技術(shù)，其教學(xué)內(nèi)容主要包含PCR技術(shù)原理、PCR體系的主要成分及功能、PCR技術(shù)的應(yīng)用等部分，教學(xué)的效果是讓學(xué)生在掌握原理基礎(chǔ)上解決實(shí)際問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)的靈活應(yīng)用。因此，課程組根據(jù)本章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，將課堂教學(xué)分解成理論教學(xué)、知識(shí)問(wèn)答、技術(shù)應(yīng)用專題研討等形式開(kāi)展。

1.1 PCR技術(shù)理論教學(xué)

PCR 技術(shù)快速敏感、簡(jiǎn)單易行，原理并不復(fù)雜：首先是雙鏈DNA 分子在臨近沸點(diǎn)的溫度下加熱變性，彼此分離成兩條單鏈DNA分子；然后，反應(yīng)體系降至低溫（50～60°C），體系中專門(mén)設(shè)計(jì)的一對(duì)短引物分別與兩條單鏈堿基互補(bǔ)配對(duì)；最后調(diào)溫度至DNA 聚合酶最適反應(yīng)溫度（72°C），DNA 聚合酶以單鏈DNA 為模板，在引物鏈的引導(dǎo)下合成新的互補(bǔ)鏈。上述步驟經(jīng)過(guò)20～30 次循環(huán)，就可以獲得足夠的DNA 分子用于后續(xù)研究。此環(huán)節(jié)的教學(xué)只需要學(xué)生掌握總體框架，即“高溫變性，低溫退火，適溫延伸”[1]。下面將通過(guò)對(duì)PCR體系中組分的詳細(xì)介紹，讓學(xué)生理解該原理[1,8]。

（1）模板DNA，即含有目標(biāo)序列的模板DNA 樣本。在PCR 過(guò)程中，需要將反應(yīng)體系溫度升溫至90oC以上，即“高溫變性”，目的是獲得單鏈DNA模板用于后續(xù)擴(kuò)增。教學(xué)過(guò)程中，需要強(qiáng)調(diào)另一點(diǎn)，即理論上反應(yīng)體系中僅有單拷貝DNA序列即可滿足PCR反應(yīng)的擴(kuò)增。然而，在實(shí)際操作中，為了獲得比較滿意的擴(kuò)增效果，模板DNA的分子數(shù)一般選擇105～106左右。

（2）引物，即與待擴(kuò)增的目標(biāo)DNA區(qū)段兩端序列互補(bǔ)的人工合成的2段寡核苷酸短片段，長(zhǎng)度一般為15～30個(gè)核苷酸之間。由于PCR反應(yīng)依賴于DNA聚合酶，而DNA聚合酶的特征是需要有一段寡核苷酸鏈進(jìn)行引導(dǎo)才能啟動(dòng)鏈的延伸，因此反應(yīng)體系中需要添加引物。“低溫退火”的目的是為了讓引物與模板DNA配對(duì)。引物的選擇取決于擴(kuò)增的目標(biāo)序列，兩段引物之間的距離決定了擴(kuò)增區(qū)段的長(zhǎng)度。寡核苷酸引物的設(shè)計(jì)，對(duì)于所需片段的高產(chǎn)量擴(kuò)增、以及抑制不必要的、非特異性的序列擴(kuò)增都是非常關(guān)鍵的。引物的設(shè)計(jì)目前主要依賴于軟件例如Primer 5，選擇也更多的是依賴于常識(shí)。一般情況下，引物的長(zhǎng)度、內(nèi)部重復(fù)和互補(bǔ)序列以及引物間的互補(bǔ)、溶解溫度、GC 發(fā)夾等均能夠影響引物的質(zhì)量。寡核苷酸引物退火溫度可通過(guò)簡(jiǎn)易公式計(jì)算。

（3）熱穩(wěn)定DNA 聚合酶。目前，依賴模板催化的熱穩(wěn)定DNA 聚合酶有很多種類可供選擇，例如Taq DNA聚合酶，其來(lái)自于棲熱水生菌（Thermus aquaticus），是常規(guī)PCR反應(yīng)的首選酶。除此之外，還有其他類型的DNA 聚合酶，如HiFiTaq、LA-Taq、熱啟動(dòng)DNA 聚合酶等。教學(xué)過(guò)程中，以時(shí)間為線索，通過(guò)簡(jiǎn)單回顧DNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展歷史，讓學(xué)生了解不同DNA聚合酶之間的區(qū)別（優(yōu)、缺點(diǎn)）及應(yīng)用領(lǐng)域。由于DNA聚合酶也是一種蛋白質(zhì)，其活力受溫度的影響，發(fā)揮最佳活性的溫度在72°C左右，因此，需要將體系溫度升溫至酶蛋白的最適溫度，即“適溫延伸”。

（4）陽(yáng)離子。所有熱穩(wěn)定的DNA聚合酶都需要游離的二價(jià)陽(yáng)離子，通常使用Mg2+用于激活酶蛋白活力。然而，反應(yīng)體系中由于脫氧核糖三磷酸（dNTP）會(huì)結(jié)合Mg2+，二價(jià)陽(yáng)離子的濃度必須超過(guò)dNTP的濃度。此外，體系中一般還包括一價(jià)金屬離子，通常為K+，用于提高擴(kuò)增序列的效率。

（5）PCR 反應(yīng)體系中包括4 種濃度為200 μmol/L 左右的dNTP。授課時(shí)，需要強(qiáng)調(diào)，過(guò)高濃度的dNTP會(huì)抑制反應(yīng)的進(jìn)行，因?yàn)槠淇梢越Y(jié)合Mg2+，降低其濃度并最終影響DNA聚合酶活力。

（6）維持pH的緩沖液。PCR反應(yīng)的pH一般維持在8.5左右。

1.2 理論知識(shí)問(wèn)答

基因工程原理教學(xué)的直接效果是讓學(xué)生在掌握原理的基礎(chǔ)上解決實(shí)驗(yàn)中的具體問(wèn)題。因此，在理論講授完成后，針對(duì)PCR 技術(shù)操作過(guò)程中的細(xì)節(jié)及可能出現(xiàn)的問(wèn)題，課程組會(huì)收集相關(guān)“問(wèn)題PCR”電泳結(jié)果，通過(guò)展示不同條件下的DNA 電泳圖譜，讓學(xué)生進(jìn)行分析。例如，PCR 反應(yīng)擴(kuò)增的目標(biāo)條帶較弱或者不能檢測(cè)到相應(yīng)的條帶，擴(kuò)增產(chǎn)物條帶不單一，引物二聚體過(guò)量等。針對(duì)這些問(wèn)題，授課教師與學(xué)生一起進(jìn)行開(kāi)放式討論，分析原因，給出相應(yīng)的解決方案，幫助學(xué)生梳理具體問(wèn)題及對(duì)策，并最終以表的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和總結(jié)[8]，方便學(xué)生在后期實(shí)際操作中理性分析問(wèn)題并解決問(wèn)題。

1.3 技術(shù)應(yīng)用專題研討

基因工程原理教學(xué)的最終教學(xué)效果是讓學(xué)生在掌握技術(shù)原理基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)技術(shù)的靈活應(yīng)用。對(duì)于PCR 技術(shù)而言，其包含普通PCR、實(shí)時(shí)熒光定量PCR、多重PCR、反向PCR 等，它們?cè)诨赑CR 的分子診斷等方面的應(yīng)用日益廣泛[1,7-8]。為幫助學(xué)生更好地了解PCR技術(shù)的應(yīng)用，在本次課程教學(xué)的前一周，授課教師提前布置研討任務(wù)。要求學(xué)生以小組為單位（一般3～4 人一組），主動(dòng)挖掘信息并準(zhǔn)備關(guān)于PCR在某一領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)知識(shí)，制作成3～5分鐘時(shí)間的PPT材料。課堂教學(xué)時(shí)，教師隨機(jī)抽取學(xué)生進(jìn)行講演。小組成員在確定主題后需要在微信群內(nèi)發(fā)布，有效避免不同小組之間話題的重復(fù)。在同學(xué)演講過(guò)程中，老師適時(shí)參與話題的討論與延伸。

2 多元互動(dòng)式教學(xué)模式的靈活運(yùn)用

基因工程不同技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，同時(shí)它們之間又可以相互融合，組合成一個(gè)有機(jī)的整體[4-5]。因此，針對(duì)不同的教學(xué)章節(jié)，采用不同的互動(dòng)式教學(xué)模式就變得尤為重要?，F(xiàn)代化的多媒體教學(xué)手段具有圖、文、聲并茂的特點(diǎn)，可以“化靜為動(dòng)”、多方位展示知識(shí)點(diǎn)[9]。因此，在進(jìn)行抽象知識(shí)如RNA干擾原理的講授時(shí)，引入動(dòng)態(tài)原理視頻進(jìn)行展示，效果遠(yuǎn)優(yōu)于枯燥的PPT圖片和文字展示，克服難以將抽象內(nèi)容講解透徹的弊端[10]。不同的技術(shù)之間可以進(jìn)行有效銜接，而自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生進(jìn)行不同技術(shù)的有效銜接[4]。例如在講授基因工程的基本技術(shù)時(shí)，通過(guò)命題的方式，如“提供一條酶蛋白DNA編碼序列和表達(dá)載體序列，讓學(xué)生完成序列表達(dá)載體的構(gòu)建”，幫助學(xué)生將學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)如限制性內(nèi)切酶、電泳、載體克隆、PCR 擴(kuò)增等進(jìn)行整合，完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。這種方式可以讓學(xué)生更好地發(fā)揮主觀能動(dòng)性，系統(tǒng)復(fù)習(xí)前期學(xué)習(xí)的內(nèi)容，并通過(guò)仔細(xì)思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，掌握課程知識(shí)點(diǎn)[11-12]?；蚬こ碳夹g(shù)發(fā)展快速，不斷有新的技術(shù)出現(xiàn)和應(yīng)用。在教學(xué)過(guò)程中，我們也會(huì)針對(duì)某種技術(shù)的最新進(jìn)展，給學(xué)生指派最新的研究論文，讓學(xué)生閱讀后在課堂進(jìn)行文獻(xiàn)講解，授課教師進(jìn)行文獻(xiàn)閱讀的點(diǎn)評(píng)和補(bǔ)充，幫助學(xué)生了解最新的研究進(jìn)展。

3 多元互動(dòng)式教學(xué)模式目前遇到的問(wèn)題

在幾年的實(shí)踐過(guò)程中，我們也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。例如，在主題討論中，我們是以小組形式開(kāi)展，小組成員過(guò)多，在準(zhǔn)備相關(guān)資料時(shí)存在分工不均勻、部分學(xué)生偷懶不作為，以及分組過(guò)多導(dǎo)致研討環(huán)節(jié)占用大量時(shí)間，影響教學(xué)進(jìn)度等。因此，建議以小班教學(xué)模式開(kāi)展教學(xué)（每個(gè)班級(jí)15～20個(gè)學(xué)生），學(xué)生每次分為5組左右，可有效避免分組過(guò)多導(dǎo)致的學(xué)時(shí)不足。在教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別小組在準(zhǔn)備相關(guān)素材和制作PPT 時(shí)，存在直接復(fù)制、粘貼相關(guān)內(nèi)容，更有甚者，直接不經(jīng)修改地利用網(wǎng)絡(luò)資源等現(xiàn)象。這種現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)生不能更好地進(jìn)行深入理解和思考，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致部分信息滯后。為避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，充分利用課程教學(xué)微信群，要求學(xué)生將準(zhǔn)備的素材上傳至群內(nèi)共享；同時(shí)，在課堂演講環(huán)節(jié)，要求學(xué)生在PPT 中列出參考文獻(xiàn)，并加強(qiáng)提問(wèn)和討論。另外，在實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，部分同學(xué)渴望通過(guò)自己的努力，參與到課程知識(shí)點(diǎn)的討論中。然而，他們中的部分同學(xué)在專業(yè)文獻(xiàn)資料的檢索、閱讀和整理方面存在困難，另一部分同學(xué)在進(jìn)行科學(xué)表述方面較為薄弱。盡管在教學(xué)過(guò)程中，課程組老師就相關(guān)的文獻(xiàn)檢索、整理和講演方面的知識(shí)做過(guò)介紹，但畢竟時(shí)間有限，只能涉及非常窄的知識(shí)面。因此，課程組也建議配套相關(guān)的專業(yè)選修課，例如“文獻(xiàn)檢索與科技論文寫(xiě)作”、“科學(xué)寫(xiě)作與交流”等課程，幫助學(xué)生全面發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾年的摸索與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，“基因工程原理”課程教學(xué)的學(xué)生參與度逐年提高，相應(yīng)的，學(xué)生成績(jī)也在不斷提高；尤為明顯的是學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力有了較大提升。通過(guò)專項(xiàng)問(wèn)卷調(diào)查及與學(xué)生的日常溝通和討論，學(xué)生普遍反映通過(guò)多元互動(dòng)教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和參與度均不同程度提高。例如，學(xué)生反饋，通過(guò)課前的預(yù)習(xí)，對(duì)新知識(shí)有了一些感性的認(rèn)識(shí)，也初步掌握了自己在哪些知識(shí)點(diǎn)存在疑惑或者薄弱環(huán)節(jié)。因此，在課堂教學(xué)過(guò)程中，他們會(huì)更專注，效率更高。教學(xué)是科研的基礎(chǔ)，科研是教學(xué)的提高和發(fā)展。多元互動(dòng)式教學(xué)模式在“基因工程原理”課程中的應(yīng)用，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性的同時(shí)，對(duì)教師也提出了更高的要求?？傊盎蚬こ淘怼钡慕虒W(xué)改革是一個(gè)系統(tǒng)工程，在探索中不斷適應(yīng)新的形勢(shì)，引入新的素材和內(nèi)容，不斷提高教學(xué)水平和教學(xué)效果。