基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“分子生物學”課程建設與教學改革

許崇波，包英華，劉博婷

（韶關學院 英東生物與農(nóng)業(yè)學院，廣東 韶關 512005）

分子生物學是研究核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關系的科學，由分子生物學引發(fā)的現(xiàn)代生物技術(shù)直接關系到醫(yī)藥、食品、農(nóng)牧、化工、環(huán)保、能源等傳統(tǒng)產(chǎn)品的改造和新產(chǎn)品的形成，而且在生命科學領域里應用越來越廣泛，在國民經(jīng)濟諸多領域中顯示出強大的生命力和實用性［1-3］.分子生物學是從分子水平上對生命復雜現(xiàn)象的認識和操作，理論性強，實驗條件高，給實際的教學工作帶來一些難以克服的困難，同時“分子生物學”也是生物類專業(yè)的核心基礎課程之一，該課程質(zhì)量的高低直接關系到學生的專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［4-5］.因此，必須加強“分子生物學”課程建設和教學改革的探索，構(gòu)建適合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程體系，改革教學模式和方法，通過授課內(nèi)容與其他課程的交叉融合，培養(yǎng)學生的自主學習能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能，提高課程的整體教學水平，才能實現(xiàn)學校確定的“創(chuàng)業(yè)型、創(chuàng)新型、應用型”人才培養(yǎng)目標［6-8］.

1 課程建設目標

“分子生物學”課程建設與教學改革的主要目標是探索以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為重點的遺傳信息中心法則和基因表達調(diào)控、分子生物學研究方法原理、分子生物學實驗的“三模塊”教學體系；開展教學方法、教學手段、課程資源、考核方式等方面的教學改革與研究，培養(yǎng)學生的自主學習能力；學生在掌握分子生物學理論知識和實驗操作技能基礎上，重點學會運用所學的理論知識提高分析問題和解決問題的能力；具備開展分子生物學科學研究的基本素質(zhì)和獲取學科前沿知識的能力［8-10］.因此，在“分子生物學”教學設計、組織形式和具體實施中，既要注重課程的經(jīng)典性、科學性、研究性和先進性，又要注重將理論教學、實驗教學和創(chuàng)新能力培養(yǎng)有機地結(jié)合起來，提高課程建設的整體水平，進而實現(xiàn)“分子生物學”課程的建設目標［11-12］.

2 構(gòu)建適合培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教學體系

分子生物學是生物科學領域發(fā)展最快的學科之一，不斷有新的知識點補充到課堂教學中，為了讓學生能夠及時了解和掌握這些新知識，必須堅持把科研成果引入到課堂教學中［8，12］.同時，構(gòu)建以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為重點的遺傳信息中心法則和基因表達調(diào)控、分子生物學研究方法原理、分子生物學實驗“三模塊”教學體系.

2.1 優(yōu)化教學內(nèi)容，構(gòu)建適合培養(yǎng)創(chuàng)新能力的理論教學體系

分子生物學是研究核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關系的科學，其課程教學內(nèi)容多、知識點分散，部分內(nèi)容抽象難懂，且教材各有側(cè)重和內(nèi)容前后連貫性與系統(tǒng)性相對較差［12-14］.為此，需構(gòu)建以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為重點的遺傳信息中心法則和基因表達調(diào)控、分子生物學研究方法原理為主線的理論教學體系，共48學時，其中遺傳信息中心法則（24學時），基因表達調(diào)控（12學時），分子生物學研究方法原理（12學時）.筆者在理論講授既注重分子生物學的實際應用案例，又注重分子生物學的學科前沿進展，使課程教學內(nèi)容更加豐富，不再是空洞乏味的填鴨式教學，從而喚起學生學習的興趣和探索未知領域的欲望［8，12］.

在講授時，把“開放（ON）—關閉（OFF）”貫穿于基因表達調(diào)控教學內(nèi)容的始終.比如大腸桿菌乳糖操縱子在培養(yǎng)基中沒有添加葡萄糖和乳糖，或者培養(yǎng)基中只添加葡萄糖或者同時添加葡萄糖和乳糖時，乳糖操縱子的3個結(jié)構(gòu)基因lacZ、lacY、lacA均不表達，即基因處于“OFF”狀態(tài)；然而在培養(yǎng)基中只添加乳糖時，乳糖操縱子的3個結(jié)構(gòu)基因才表達，即基因處于“ON”狀態(tài).在真核生物的某一發(fā)育階段，一些基因處于“ON”狀態(tài)，另外一些基因處于“OFF”狀態(tài)；而到了下一個發(fā)育階段，其中某些基因由原來的“ON”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤癘FF”狀態(tài)，而另外一些基因則由原來的“OFF”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤癘N”狀態(tài)［15-16］.換句話講，基因組上的結(jié)構(gòu)是否能夠表達相應蛋白質(zhì)，不是由結(jié)構(gòu)基因本身決定的，而由其調(diào)控基因決定的.另外，在完成“分子生物學”理論課教學的基礎上，還要注重與后續(xù)課程如基因工程的銜接.分子生物學是基因工程技術(shù)的理論基礎，比如PCR技術(shù)是在體外模擬細胞內(nèi)DNA復制的過程，原核生物基因表達載體的構(gòu)建就是充分利用了RNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯、乳糖操縱子學說等理論知識.學生只有掌握這些分子生物學知識，才能更好地掌握基因工程的相關知識.

2.2 堅持教學與科研的有機融合，構(gòu)建適合培養(yǎng)創(chuàng)新能力的實踐教學體系

為了更好地培養(yǎng)學生分子生物學實驗操作技能和綜合分析能力，開設了必做實驗項目（32學時），同時把取得的科研成果轉(zhuǎn)化為學生綜合實驗項目，為此設計并開設綜合實驗“溶酶菌基因的克隆、表達與活性檢測”（64學時）.本實驗從雞輸卵管中提取總RNA、mRNA純化、RT-PCR擴增溶酶菌基因、溶酶菌基因和表達載體pET-32a的酶切及其連接、感受細胞的制備及重組質(zhì)粒的轉(zhuǎn)化、重組子篩選與鑒定以及表達產(chǎn)物純化、溶酶菌重組蛋白的活性檢測等方面入手，幫助學生掌握分子生物學基本的實驗方法和技能，在此基礎上對分子生物學的研究方法有一個整體的認識和把握，提高學生分析和解決問題的綜合能力［8，12］.

2.3 鼓勵學生參與科研活動，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

為了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，鼓勵對分子生物學研究感興趣和擬開展分子生物學方面本科畢業(yè)論文的學生申請大學生創(chuàng)新訓練計劃項目.學生通過掌握的分子生物學方面的理論知識和研究方法，對某個科學問題進行研究設計和實驗操作，對分子生物學的應用有了更加直觀和深入了解，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，提高了學生實際操作能力和解決實際問題的能力，也為部分學生畢業(yè)后從事分子生物學相關產(chǎn)品的研發(fā)工作奠定了堅實基礎［8，12］.課程任課教師均從事與分子生物學有關的科研工作，課程負責人主要從事基因工程與微生物分子生物學研究，具體涉及到病原微生物多價基因工程亞單位疫苗研究、病原微生物致病因子功能域基因表達及其生物學功能和分子結(jié)構(gòu)研究等，先后主持國家級、省部市級科研項目18項、橫向課題4項，其中獲省市級科學成果獎5項.近4年來，由課程組教師指導，部分本科生申請并獲資助的國家級、省級和校級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目28項，共有130余學生參加，如“A型產(chǎn)氣莢膜梭菌磷脂酶C（PLC）Asp-56定點突變及plc基因表達與特性鑒定”、“副豬嗜血桿菌分離株的耐藥性及耐藥基因分析”、“豬丹毒絲菌SpaA基因的敲除及其致病作用的初步研究”、“豬丹毒絲菌表面抗原蛋白A的克隆表達及免疫原性研究”、“豬丹毒桿菌SpaA 基因的克隆、序列分析及結(jié)構(gòu)預測”等.另外，為了讓學生能夠及時了解分子生物學方面的近年來的研究進展情況，在部置課后作業(yè)時，一方面讓參加創(chuàng)新訓練計劃項目的學生查閱與大創(chuàng)項目相關文獻資料，撰寫文獻綜述.另一方面讓沒有申請大創(chuàng)項目的學生查閱近5年分子生物學方面的文獻資料，了解分子生物學的最新研究進展，追蹤前沿知識，培養(yǎng)學生查閱參考文獻、閱讀文獻資料、獲取新知識的能力.

3 改進教學方法，構(gòu)建“四結(jié)合”教學模式，提高教學效果

教學模式和方法是實現(xiàn)教學目標的有效手段之一，為此構(gòu)建了傳統(tǒng)板書結(jié)合現(xiàn)代媒體、教師傳授結(jié)合小組討論、理論教學結(jié)合實踐教學、基礎知識結(jié)合學科前沿的“四結(jié)合”教學模式，同時采用了內(nèi)容比較式教學、研究討論式教學、課程總結(jié)式教學等方法，特別是開展學生對分子生物學重點內(nèi)容——中心法則內(nèi)容進行總結(jié)和以專題形式進行的研究式和小組討論式教學，注重學生自主學習能力的培養(yǎng)，取得了良好的教學效果［8，12］.

3.1 內(nèi)容比較式教學

“分子生物學”的理論教學內(nèi)容主要包括原核生物和真核生物的遺傳信息中心法則和基因表達調(diào)控、分子生物學研究方法原理，因此充分利用縱向比較和橫向比較法進行課堂教學.對原核生物和真核生物在DNA復制、RNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯各個環(huán)節(jié)需要的酶、蛋白因子和基因表達調(diào)控機制等內(nèi)容進行縱向比較法教學，然而在基因組結(jié)構(gòu)特點、聚合酶種類、啟動子結(jié)構(gòu)、遺傳信息傳遞過程、基因表達載體的構(gòu)建等方面開展原核生物和真核生物橫向比較教學，特別是重點介紹原核生物和真核生物這些內(nèi)容的異同點［10-11］.比如在講授原核生物操縱子時采用縱向比較法，重點強調(diào)乳糖操縱子是負控誘導系統(tǒng)，色氨酸操縱子是負控阻遏系統(tǒng)，半乳糖操縱子是雙啟動子系統(tǒng)，阿拉伯糖操縱子是雙調(diào)節(jié)蛋白系統(tǒng)（調(diào)節(jié)蛋白AraC既可以是正調(diào)節(jié)蛋白，也可以是負調(diào)節(jié)蛋白），便于學生在掌握4個操縱子的結(jié)構(gòu)組成與調(diào)控機制基礎上，更好地掌握他們之間的不同點.又比如在講授蛋白質(zhì)翻譯過程時采用橫向比較法，強調(diào)原核生物和真核生物在蛋白質(zhì)翻譯模板mRNA、合成場所-核糖體、翻譯的起始、翻譯的延長、翻譯的終止等方面的異同點，一方面有利于理解和掌握蛋白質(zhì)翻譯的知識點、原核生物和真核生物之間的區(qū)別，另一方面為后續(xù)的原核生物和真核生物基因表達載體構(gòu)建提供理論基礎.

3.2 研究討論式教學

研究討論式教學主要是強調(diào)科研促教學，把科研思維與科研思路融入課堂教學、科研實驗結(jié)果與科研結(jié)論融入課堂教學、科研研究成果和科學研究經(jīng)驗融入課堂教學.課程負責人主持了多項國家和省部級科研項目，獲得了多項科研成果，掌握了大量的實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果圖片，通過把科研成果和分子生物學重大科學事件、科研經(jīng)歷和科研經(jīng)驗以及科研項目引入到課堂，或者結(jié)合分子生物學學科前沿，為學生做學術(shù)講座和進展類講座，拓寬學生的視野，加深學生對分子生物學前沿知識的了解［8，12］.同時準備一些分子生物學方面的討論題，組織學生針對這些問題開展思考和討論，發(fā)表自己的觀點，這樣有利于學生對基礎知識的理解和拓展.既可以讓學生體會到分子生物學理論與實際應用結(jié)合非常緊密，又可以讓學生體會到分子生物學研究并非高不可攀，只要通過刻苦學習和自身努力，都能大有作為，增強了學生的自信心.比如在講授乳糖操縱子一節(jié)時，除了介紹教材中乳糖操縱子結(jié)構(gòu)與調(diào)控機制外，重點補充乳糖操縱子在誘導型原核生物基因表達構(gòu)建中的應用，把主持完成并獲國家授權(quán)發(fā)明專利的“大腸桿菌K88-K99-ST1-LTB四價基因工程疫苗的研究”引入到課堂教學，該成果的主要內(nèi)容之一就是把大腸桿菌K88-K99-ST1-LTB抗原基因克隆在誘導型大腸桿菌pET-28a表達載體上，得到了高效表達大腸桿菌K88-K99-ST1-LTB抗原蛋白的重組菌株，并在此基礎成功研制出大腸桿菌K88-K99-ST1-LTB四價基因工程疫苗.

3.3 課程總結(jié)式教學

在每次課程教學結(jié)束后，要求每位學生以知識結(jié)構(gòu)圖法、思維導圖法、魚骨圖法、樹枝圖法、技術(shù)路線圖法等把需要掌握的重點內(nèi)容和知識點，進行整理、歸納總結(jié)，撰寫2份課程總結(jié)，一份是以遺傳信息中心法則和基因表達調(diào)控為主線，另一份是以分子生物學研究方法原理為主線.學生在撰寫課程總結(jié)時都能認真思考，根據(jù)分子生物學知識點的前后連貫性，按照自己思路和理解，完成課程總結(jié)［8，12］.比如，部分學生在撰寫遺傳信息中心法則和基因表達調(diào)控課程總結(jié)時，按照教材章節(jié)內(nèi)容，把原核生物和真核生物方面的內(nèi)容分別進行總結(jié).也有學生采用比較法進行總結(jié)，在撰寫分子生物學研究方法原理總結(jié)時，不是按章節(jié)進行總結(jié)，而是按照DNA、RNA、蛋白質(zhì)研究方法分別進行總結(jié).總之，通過“分子生物學”課程總結(jié)，學生不僅能夠系統(tǒng)地掌握該課程的重點內(nèi)容和知識點，也起到了和培養(yǎng)學生總結(jié)歸納的能力和再學習目的.

4 加強課程資源建設，提高課程建設水平

課程資源建設包括項目較多，本課程資源側(cè)重于教學課件制作、網(wǎng)絡課程建設、電子備課教案建設、教學視頻和動畫收集、參考書籍購置與收集、學術(shù)經(jīng)典文獻及學術(shù)期刊目錄收集、分子生物學互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)址收集、分子生物學產(chǎn)品目錄收集等.課程組先后收集了69個分子生物學動畫，主要涉及DNA復制、端粒酶、DNA錯配修復、RNA轉(zhuǎn)錄、核酶、蛋白質(zhì)翻譯、乳糖操縱子、干擾RNA等.同時建設了電子備課教案和分子生物學課程網(wǎng)站，購買了28本《分子生物學》參考教材，為學生提供相關參考書籍和學術(shù)期刊目錄近100種，以及30余家分子生物學互聯(lián)網(wǎng).特別是在制作教學課件時，注重課件質(zhì)量，盡量少用文字，多采用圖片，甚至把課件內(nèi)容也制成動畫模式，讓內(nèi)容活起來.如蛋白質(zhì)翻譯延長過程包括進位、成肽、轉(zhuǎn)位，每個環(huán)節(jié)都是有先后順序的，比如進位包括延長因子EF-Tu和EF-Ts二聚體中的EF-Tu結(jié)合GTP后，該二聚體分開，然后EF-Tu—GTP再與氨基酰tRNA結(jié)合，按照與mRNA模板上堿基互補配對原則，進入核糖體A位，最后GTP水解，EF-Tu和EF-Ts重新形成二聚體，進入下一個循環(huán).這樣制作出來的課件比較生動，而且能夠非常清晰地描述進位過程的先后順序，便于學生的理解與記憶.

5 改革考核方式，綜合評價學習效果

課程考核的重點是考察學生對基因工程基礎知識的理解和運用理論解決實際問題的能力，因此科學地設計課考核方式和內(nèi)容，才能給出每位學生的綜合成績［8，12］.課程的總評成績包括兩部分：一是平時成績占30%，包括平時作業(yè)、課件制作與課堂小組討論、課程總結(jié)；二是期末試卷成績占70%，加大期末試卷綜合分析題和設計題比例，考查學生運用所學理論知識，進行綜合分析問題和解決問題的能力［8，12］.比如期末試卷中出現(xiàn)的分析題和設計題：①設計一個研究未知基因功能的實驗方案.②設計一個實驗證明某基因存在選擇性剪切.③設計一個實驗證明某基因存在內(nèi)含子.另外，建設了10套期末試卷，并附參考答案和評分標準，題型包括名詞解釋、選擇題、填空題、判斷題、簡答題、論述題、分析題和設計題等，這10套試卷覆蓋了95%左右分子生物學教學大綱知識點，而且該10套試卷完全不重復，符合了學校教務處規(guī)定的A、B卷重復率為0，上、下年級試卷重復率低于10%的要求，同時期末考試試卷由學院教務員隨機抽取，不再由任課教師命題，實現(xiàn)了教考分離的目的.

6 教學改革成效分析

“分子生物學”教學改革首先在生物實驗班（生物技術(shù)專業(yè)）和生物工程專業(yè)4個年級436名學生進行，學生期末考試平均成績在76～82分，2016—2019屆畢業(yè)生考取生物化學與分子生物學碩士研究生共26名.436名學生的問卷調(diào)查結(jié)果顯示，分子生物學課程在教學內(nèi)容設計、教學方法與教學手段、理論聯(lián)系實際應用、教師科研素質(zhì)、課堂教學效果等方面，學生滿意度均達到90%以上，學生評教綜合得分4年來均為優(yōu)秀.而同期4個年級的生物技術(shù)專業(yè)（生物技術(shù)制藥方向）318名學生的期末考試平均成績低5～8分，同期畢業(yè)生考取生物化學與分子生物學碩士研究生只有9名.另外，近4年來課程組教師指導本科生申請并獲資助的國家級、省級和校級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目28項，共有130余學生參加，其中獲“挑戰(zhàn)杯”大賽二、三等獎6項，學生參與發(fā)表論文6篇.

總之，“分子生物學”課程組堅持教學與科研的有機融合，構(gòu)建了適合培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教學體系，鼓勵學生參與科研活動，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力.采用了比較式教學、研究討論式教學、課程總結(jié)式教學等方法，激發(fā)學生學習興趣，調(diào)動學生學習主動性，重點培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，提高了“分子生物學”課程建設的整體水平［12］.但是課程建設與教學改革還處于探索和實踐階段，今后必須加大課程建設與教學改革力度，才能實現(xiàn)學院提出的“應用型、創(chuàng)新型、創(chuàng)業(yè)型”人才培養(yǎng)目標，滿足生物工程專業(yè)和生物技術(shù)專業(yè)高素質(zhì)應用型人才培養(yǎng)需求［12］.