基因工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)改革初探

阮景軍,田山君,徐如宏,田恩堂,程劍平

(貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

基因工程又稱重組DNA技術(shù)和分子克隆技術(shù)，誕生于20世紀(jì)70年代初，掀開了人們按照自己的意愿，在體外進(jìn)行基因操縱的新篇章。分子生物學(xué)以遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)和微生物學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，從分子水平上研究生命現(xiàn)象的本質(zhì)特征，即通過研究DNA、RNA和蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能及其物質(zhì)代謝與調(diào)節(jié)規(guī)律。基因工程以分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的基本理論為理論基礎(chǔ)，以現(xiàn)代分子生物學(xué)和微生物學(xué)的先進(jìn)研究方法為技術(shù)手段，將體外構(gòu)建的重組DNA分子導(dǎo)入受體細(xì)胞以此改變?cè)猩锏男誀?，基因工程已成為?dāng)今自然科學(xué)領(lǐng)域理論創(chuàng)新最活躍、進(jìn)展最迅速、發(fā)展最具活力的前沿科學(xué)[1-2]。基因工程是伴隨著分子生物學(xué)的產(chǎn)生而誕生的，是一門理論密切聯(lián)系實(shí)踐的基礎(chǔ)學(xué)科，課程所涉及的絕大部分內(nèi)容都與分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)息息相關(guān)，分子生物學(xué)在理論和實(shí)踐中的發(fā)展為基因工程的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)，基因工程所展現(xiàn)出的蓬勃盎然生機(jī)和巨大的發(fā)展?jié)摿Ψ催^來推動(dòng)了分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展，而分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展進(jìn)一步助推了基因工程的快速發(fā)展[3]?；蚬こ毯头肿由飳W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是生物學(xué)和農(nóng)學(xué)相關(guān)專業(yè)專業(yè)基礎(chǔ)課的重要組成部分；是學(xué)生掌握生物科學(xué)的基本技術(shù)；是學(xué)生分析和解決生物學(xué)方面實(shí)際問題的能力培養(yǎng)；是學(xué)生獨(dú)立操作能力和科學(xué)思維能力提高的最佳途徑[4]。因此，如何在實(shí)踐活動(dòng)中激發(fā)學(xué)生的積極性和實(shí)驗(yàn)興趣，怎樣去培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，是基因工程和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要不斷探索和努力提升的地方。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提高和學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，也不利于學(xué)生創(chuàng)新精神和科學(xué)思維的培養(yǎng)。顯然，這已不能適應(yīng)當(dāng)今素質(zhì)教育的要求，因此，基因工程和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革勢(shì)在必行[5]。

1 基因工程和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

基因工程和分子生物學(xué)是貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院和農(nóng)學(xué)院重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，面向生物科學(xué)、生物技術(shù)、農(nóng)學(xué)和生物工程4個(gè)本科專業(yè)開設(shè)，同時(shí)開設(shè)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程。跟其他實(shí)驗(yàn)課程相比，由于這兩門實(shí)驗(yàn)課的綜合性和復(fù)雜性決定了其本身的教學(xué)難度，各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對(duì)獨(dú)立，而又相互關(guān)聯(lián)，以及基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)的通用性及學(xué)科上的相互交叉性和依賴性，導(dǎo)致某些實(shí)驗(yàn)重復(fù)開設(shè)，實(shí)驗(yàn)室重復(fù)建設(shè)等問題，不利于實(shí)驗(yàn)課的系統(tǒng)更新[6]。例如，植物基因組DNA和質(zhì)粒DNA的提取、DNA的酶切和電泳鑒定、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增目的基因和大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞的制備及轉(zhuǎn)化等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有時(shí)重復(fù)開設(shè)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式是分兩學(xué)期開設(shè)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大都是按照教學(xué)大綱的要求設(shè)定的，不重視各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的有機(jī)結(jié)合性和相互連貫性，各個(gè)實(shí)驗(yàn)相對(duì)孤立，缺乏內(nèi)在的聯(lián)系，且驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)較少。這種墨守成規(guī)的教學(xué)模式很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，更不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，同時(shí)也不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。實(shí)驗(yàn)考核往往只是根據(jù)學(xué)生平時(shí)所交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告得分和最后的期末考試成績(jī)按一定比例計(jì)算給出最后成績(jī)，不能全面反映學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和科研綜合素質(zhì)，更不能全面調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。顯然這種舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)新世紀(jì)創(chuàng)新人才的需要，改革勢(shì)在必行。

2 基因工程和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K化實(shí)施內(nèi)容

貴州大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室根據(jù)教學(xué)大綱要求，按生物大分子的基本特征，將基因工程和分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)融合，以大模塊的形式進(jìn)行有系統(tǒng)地改革(如表1所示)，將所有實(shí)驗(yàn)分成3個(gè)大模塊，每個(gè)模塊包含若干個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間環(huán)環(huán)相扣，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。同時(shí)，結(jié)合教師的科研課題，增加一些創(chuàng)新性、綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以某一具體的生命活動(dòng)為研究對(duì)象，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。將該實(shí)驗(yàn)課集中在學(xué)期結(jié)束前的兩周內(nèi)上完，實(shí)驗(yàn)室從早上8∶00到夜晚10∶00向?qū)W生開放。學(xué)生可以通過網(wǎng)上選課系統(tǒng)進(jìn)行自由選課。

表1 模塊化教學(xué)改革的特色

1)第一模塊為DNA相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，共32學(xué)時(shí)。包括：動(dòng)物基因組總DNA的提取(4學(xué)時(shí))；動(dòng)物基因組總DNA的檢測(cè)和濃度測(cè)定(4學(xué)時(shí))；PCR擴(kuò)增目的基因(4學(xué)時(shí))；目的基因的轉(zhuǎn)移與重組體的檢測(cè)(8學(xué)時(shí))；DNA探針的制備和標(biāo)記(4學(xué)時(shí))；非放射性Southern blotting(8學(xué)時(shí))。

2)第二模塊為RNA相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，共20學(xué)時(shí)。包括：植物總RNA的提取及電泳檢測(cè)(4學(xué)時(shí))；RT-PCR技術(shù)(8學(xué)時(shí))；Northern blotting(8學(xué)時(shí))。

3)第三模塊為蛋白質(zhì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，共16學(xué)時(shí)。包括：小麥幼苗SOD的提取(4學(xué)時(shí))；目的基因在大腸桿菌中的誘導(dǎo)表達(dá)(4學(xué)時(shí))；基因表達(dá)產(chǎn)物的純化、純化產(chǎn)物的SDS-PAGE(SDS-聚丙烯凝膠電泳技術(shù))和Western blotting(8學(xué)時(shí))。

在給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒牧系幕A(chǔ)上，教師現(xiàn)場(chǎng)演示、巡回指導(dǎo)和回答疑問；學(xué)生自己準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料、動(dòng)手操作和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合教師的科研課題，每個(gè)模塊開設(shè)1～2個(gè)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)。

3 建立科學(xué)客觀的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定方法

客觀、公正、科學(xué)地評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，可以正確引導(dǎo)學(xué)生在專業(yè)知識(shí)、創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)等方面的協(xié)調(diào)發(fā)展；反之，則會(huì)極大地挫傷學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性[4,7]。具體的成績(jī)?cè)u(píng)定分為5個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)記錄10%，實(shí)驗(yàn)操作20%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告20%，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)20%，期末考試成績(jī)30%。實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄是否完整、實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確以及討論是否深入等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)，主要根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案是否切實(shí)可行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確，以及討論分析的情況等幾方面評(píng)分；期末整個(gè)實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，教師準(zhǔn)備150多個(gè)與平時(shí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)的題目，學(xué)生隨機(jī)抽取3個(gè)題目，當(dāng)場(chǎng)進(jìn)行解答和實(shí)地操作，教師根據(jù)學(xué)生回答的正確性、儀器使用的準(zhǔn)確性和試劑使用的常識(shí)性對(duì)測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行綜合評(píng)分。

4 強(qiáng)化設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)行開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基因工程和分子生物學(xué)是應(yīng)用生物類和遺傳育種相關(guān)專業(yè)的主干課程，必須以培養(yǎng)學(xué)生的開拓創(chuàng)新精神和實(shí)踐動(dòng)手能力為核心，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生各方面全面發(fā)展的綜合應(yīng)用能力[8-9]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理和掌握實(shí)驗(yàn)的操作方法，并能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)給學(xué)生以盡可能多的獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并作可行性分析。學(xué)生自己查閱相關(guān)資料并制訂實(shí)驗(yàn)方案，交給指導(dǎo)教師修改和審核，審核合格之后方可準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)和開始課題的研究。農(nóng)學(xué)院和生命科學(xué)院的學(xué)生都可以根據(jù)自己本科畢業(yè)論文的選題方向，選取自己喜歡的植物作為實(shí)驗(yàn)材料，并根據(jù)指導(dǎo)教師的科研項(xiàng)目，可以選擇克隆、表達(dá)某一關(guān)鍵基因，也可以進(jìn)行DNA分子標(biāo)記輔助育種和遺傳修飾育種等實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室24小時(shí)對(duì)學(xué)生開放，學(xué)生自己合理安排時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，熟悉每一步實(shí)驗(yàn)背后的原理，學(xué)會(huì)自己去觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，找出實(shí)驗(yàn)做得不好或失敗的深層次原因。實(shí)驗(yàn)完畢后，要求參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生都必須獨(dú)立寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫要用簡(jiǎn)練的語(yǔ)言概括目的與方法、結(jié)果與討論、實(shí)驗(yàn)的體會(huì)與存在的問題等內(nèi)容。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，類似于畢業(yè)論文的要求，要有參考文獻(xiàn)。這樣做不僅有利于快速提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和獨(dú)立思考習(xí)慣，而且有利于啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，為以后從事科研或工作打下良好的基礎(chǔ)[10-11]。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的效果及體會(huì)

通過學(xué)生期中座談會(huì)、學(xué)生網(wǎng)上評(píng)教、系部領(lǐng)導(dǎo)定期聽課和學(xué)校教學(xué)督導(dǎo)員抽查反饋的情況來看，學(xué)生對(duì)基因工程實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)改革非常滿意，對(duì)系列實(shí)驗(yàn)有極高的學(xué)習(xí)興趣(如表2所示)。《基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的模塊化教學(xué)改革》教學(xué)新模式經(jīng)過3年多的嘗試，取得了以下成效：

1)大大激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，有效地將實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性、趣味性、綜合性等要素有機(jī)地結(jié)合在一起，有利于全面訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、自主設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力；

2)有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考的習(xí)慣和綜合應(yīng)用能力；

3)為學(xué)生搭建了一個(gè)獨(dú)立思考科學(xué)和自主解決實(shí)際問題的平臺(tái)；

4)增強(qiáng)了學(xué)生的就業(yè)信心，目前有越來越多的學(xué)生能夠到大型的生物公司和科研院所實(shí)習(xí)和就業(yè)，如三九醫(yī)藥、廣州藥業(yè)、南京金斯瑞生物公司和深圳華大基因研究中心等；

5)鍛煉并提高了學(xué)生的科研水平，將各個(gè)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)整合為一個(gè)獨(dú)立的課題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還原出科研的本來面貌，有利于引導(dǎo)學(xué)生快速掌握科學(xué)研究的方法，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，真正起到科研啟蒙的作用。近3年學(xué)院學(xué)生的考研率達(dá)到40%，考取率達(dá)50%，連續(xù)幾年居全校前列，考取的院校有浙江大學(xué)、中山大學(xué)、武漢大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院等一流的高校和研究院。招收單位普遍反映，學(xué)生的動(dòng)手能力強(qiáng)、基本功扎實(shí)、綜合素質(zhì)高。在貴州大學(xué)和貴州省舉辦的生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)技能大賽中，生物科學(xué)、生物技術(shù)、農(nóng)學(xué)和生物工程專業(yè)的學(xué)生多次獲獎(jiǎng)。在每年學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和STR項(xiàng)目申報(bào)中，生物學(xué)和農(nóng)學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在全校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的立項(xiàng)率達(dá)到了30%。近3年，已結(jié)題并已發(fā)表論文11篇(核心期刊8篇，省級(jí)期刊3篇)。

表2 改革效果

6 結(jié)束語(yǔ)

目前通過建設(shè)，學(xué)院本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的布局更加合理、功能更加完善，然而基因工程和分子生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)工程，仍需不斷努力探索和實(shí)踐，基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和方法也要根據(jù)學(xué)科發(fā)展不斷地進(jìn)行大膽的改革和創(chuàng)新。同時(shí)，教師和實(shí)驗(yàn)員還應(yīng)積極鍛煉和提升自身的業(yè)務(wù)水平和科研素質(zhì)，緊跟學(xué)科前進(jìn)的步伐，不斷改善實(shí)驗(yàn)條件，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)向更加科學(xué)合理的方向發(fā)展，為國(guó)家培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才[12]。