《原核生物系統(tǒng)學(xué)》中“原核生物的分子分型及其實(shí)際應(yīng)用”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)

劉洋

(北京科技大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院， 北京， 100083)

1 課程概述

《原核生物系統(tǒng)學(xué)》課程是針對(duì)高等院校生物及相關(guān)專業(yè)三年級(jí)學(xué)生開設(shè)的本科專業(yè)選修課程，是在《微生物學(xué)》先修課程基礎(chǔ)上，以原核生物系統(tǒng)學(xué)，即現(xiàn)代原核生物分類學(xué)為題，系統(tǒng)介紹原核生物及對(duì)其分離、描述、鑒定、分類、命名和菌種保藏等內(nèi)容[1-2]，并系統(tǒng)介紹相關(guān)技術(shù)方法與經(jīng)典研究案例，其內(nèi)容中涉及理論知識(shí)、經(jīng)典案例、常規(guī)技術(shù)與相關(guān)規(guī)則條例等方面。通過該門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)各種原核生物資源種類、特征及其生物學(xué)功能[3]，把握當(dāng)今以原核生物為代表的現(xiàn)代微生物科學(xué)前沿的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，了解原核生物在解決人類社會(huì)生存與發(fā)展所面臨的一系列重大問題中所發(fā)揮的關(guān)鍵作用，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，并為后續(xù)有關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和從事相關(guān)科學(xué)研究工作奠定知識(shí)基礎(chǔ)。

“原核生物的分子分型及其實(shí)際應(yīng)用”一節(jié)是《原核生物系統(tǒng)學(xué)》課程體系中的重要組成部分和最能夠體現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)板塊，本節(jié)教學(xué)內(nèi)容包括4個(gè)部分：(1)原核生物分子分型的基本概念；(2)原核生物分子分型的應(yīng)用領(lǐng)域；(3)原核生物分子分型的技術(shù)體系；(4)原核生物分子分型的“金標(biāo)準(zhǔn)”—脈沖場(chǎng)凝膠電泳技術(shù)。通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠掌握原核生物分子分型的基本概念及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且通過了解其在日常生產(chǎn)與生活中的具體實(shí)踐應(yīng)用情況，有助于提升學(xué)生利用課程所學(xué)知識(shí)分析問題與解決問題的能力，為今后進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)研究與工作實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 在理論知識(shí)方面

要求掌握原核生物分子分型的基本概念，了解原核生物分子分型的特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.2 在引申的知識(shí)方面

在實(shí)際案例分析與理解的基礎(chǔ)上，更深入認(rèn)識(shí)原核生物分子分型的應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)際價(jià)值，以及相關(guān)技術(shù)的準(zhǔn)確把握與合理選擇，更清晰的認(rèn)識(shí)課堂所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用之間的相互關(guān)聯(lián)性。

2.3 在提升能力方面

引導(dǎo)學(xué)生利用本節(jié)所學(xué)知識(shí)聯(lián)想并提出原核生物分子分型在日常生產(chǎn)與生活中可以被應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，培養(yǎng)與提高學(xué)生利用課堂所學(xué)的理論知識(shí)分析和解決實(shí)際復(fù)雜問題的能力。

3 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

3.1 教學(xué)重點(diǎn)

對(duì)原核生物分子分型概念及其應(yīng)用的解讀與闡述。針對(duì)該教學(xué)重點(diǎn)采用相應(yīng)的教學(xué)方法為在系統(tǒng)相關(guān)理論與概念的基礎(chǔ)上，通過有針對(duì)性地提問，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考與聯(lián)想推理，幫助學(xué)生正確理解原核生物分子分型概念、特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2 教學(xué)難點(diǎn)

原核生物分子分型技術(shù)體系所涉及的內(nèi)容較多且抽象，實(shí)驗(yàn)技術(shù)相對(duì)復(fù)雜。針對(duì)該教學(xué)難點(diǎn)采用相應(yīng)的教學(xué)方法：輔助“形象化類比舉例”與“實(shí)際案例分析”手段，幫助學(xué)生掌握理解原核生物分子分型技術(shù)體系中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

4 學(xué)生特點(diǎn)分析與相應(yīng)的教學(xué)策略

4.1 專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)

相對(duì)豐富但缺乏系統(tǒng)性。通過大一和大二微生物學(xué)和微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，生物專業(yè)大三年級(jí)的學(xué)生已具有相對(duì)豐富的基礎(chǔ)知識(shí)與相對(duì)完整的微生物學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)，掌握了必要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，但其知識(shí)體系中，大部分是概念性的認(rèn)知和理論性的理解。若不加以引導(dǎo)，不與現(xiàn)實(shí)生活與實(shí)踐相聯(lián)系，學(xué)生在課堂中積極性往往不夠高，學(xué)習(xí)興趣也難以有效激發(fā)，感覺自己已經(jīng)學(xué)過這些概念和理論知識(shí)了，而無法在課堂集中注意力，這樣會(huì)漏聽許多核心概念，課后仍然無法將零散的知識(shí)點(diǎn)貫穿并整理成系統(tǒng)化的認(rèn)知。對(duì)此，在教學(xué)過程中應(yīng)注重對(duì)理論知識(shí)的梳理與系統(tǒng)化歸納，強(qiáng)調(diào)教師“引路人”的作用，利用可以遵循的邏輯線索講零散的知識(shí)點(diǎn)貫穿起來，構(gòu)建生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的整個(gè)體系。同時(shí)，在傳授知識(shí)的過程中從“廣”和“深”兩方面入手，所謂“廣”就是在課時(shí)允許的情況下盡可能為學(xué)生提供廣博的知識(shí)，搭建一個(gè)盡可能完善的知識(shí)體系框架；“深”就是針對(duì)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題進(jìn)行深入講授，保障和提升學(xué)生對(duì)重點(diǎn)與難點(diǎn)知識(shí)的認(rèn)識(shí)掌握和理解到位的程度。

4.2 認(rèn)知特點(diǎn)

主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性思維能力有待進(jìn)一步提高。雖然經(jīng)過兩年的大學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)生在主動(dòng)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性思維能力等方面得到了一定的鍛煉與提升，但是此階段，學(xué)生們往往還是只滿足于特定教材的知識(shí)掌握，習(xí)慣于被動(dòng)接受，而主動(dòng)探索知識(shí)和創(chuàng)新的能力相對(duì)不足。大學(xué)階段，課堂講授學(xué)時(shí)較基礎(chǔ)教育階段明顯減少，自主學(xué)習(xí)空間加大，如若不注重培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，就會(huì)阻礙學(xué)生創(chuàng)造性思維的激發(fā)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對(duì)此，在本節(jié)的教學(xué)實(shí)踐中積極采用啟發(fā)式和互動(dòng)式教學(xué)，改變單純的灌輸式教學(xué)，利用上課時(shí)間和學(xué)生進(jìn)行充分交流，對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的引導(dǎo)和熏陶。通過啟發(fā)式提問、小組討論、集體討論等多種形式，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂教學(xué)的積極性，啟發(fā)學(xué)生自己尋找解決問題的路徑。同時(shí)，在課程結(jié)束前提出相關(guān)前沿問題，引導(dǎo)學(xué)生利用課下時(shí)間思考并主動(dòng)查詢文獻(xiàn)資料。

5 教學(xué)模塊設(shè)計(jì)與時(shí)長(zhǎng)分配

各教學(xué)模塊設(shè)計(jì)及其形影教學(xué)時(shí)長(zhǎng)分配如圖1所示。

6 教學(xué)過程

課堂教學(xué)過程教學(xué)內(nèi)容如表1所示。

7 教學(xué)反思

通過對(duì)學(xué)生課后作業(yè)情況進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，通過本節(jié)學(xué)習(xí)，90%以上學(xué)生能夠全面闡述原核生物分子分型的實(shí)際用途與意義，能夠繪制條理清晰、內(nèi)容合理的PFGE技術(shù)路線圖，基本達(dá)成本節(jié)教學(xué)的知識(shí)目標(biāo)。約40%的學(xué)生小組在制定“中小型酸奶企業(yè)關(guān)于益生菌專利菌株知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的分子分型技術(shù)方案”這項(xiàng)作業(yè)中，呈現(xiàn)的方案欠缺合理性，沒有考慮到企業(yè)的規(guī)模和基礎(chǔ)設(shè)施等問題。針對(duì)課后效果反饋情況，在今后的單元教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)學(xué)生的能力培養(yǎng)，關(guān)注科學(xué)與社會(huì)的聯(lián)系，加大情景教學(xué)的投入，加快發(fā)展學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

圖1 課堂教學(xué)流程

表1 教學(xué)環(huán)節(jié)及具體教學(xué)內(nèi)容

續(xù)表1

教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)表達(dá)方式2.原核生物分子分型主要用于下面3個(gè)主要方面。 以實(shí)際案例列舉與解析的方式進(jìn)行闡釋,并引入下面原核生物分子分型技術(shù)體系的介紹內(nèi)容。 板書強(qiáng)調(diào):鑒別、溯源、確權(quán)4.概述原核生物分子分型的技術(shù)體系四、原核生物分子分型的技術(shù)體系● “核心骨干”— PFGE (用于常見致病細(xì)菌分型)● “崗位能手”— RP (用于細(xì)菌分型)● “小干將”— RAPD (用于細(xì)菌分型)● “老同志”— RFLP (用于廣譜分型)● “小伙計(jì)”— Rep PCR(用于細(xì)菌分型)● “替補(bǔ)隊(duì)員”— MLST (用于廣譜分型)● “退休人員”—AFLP (用于細(xì)菌分型)分子分型技術(shù)的選擇要“因‘情’制宜”! 系統(tǒng)展示技術(shù)體系所涉及的若干技術(shù)種類,并根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)和目前使用現(xiàn)狀,采用擬人比喻的方式針對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)概述。 設(shè)問:面對(duì)這些技術(shù)我們?nèi)绾魏侠砀咝У倪x擇與應(yīng)用?引入分型技術(shù)的選擇要“因‘情’制宜”主題。 板書強(qiáng)調(diào):因“情”制宜 設(shè)問:哪項(xiàng)技術(shù)是原核生物分子分型技術(shù)體系中的“金標(biāo)準(zhǔn)”?由此設(shè)問引出脈沖場(chǎng)凝膠電泳技術(shù)(PFGE)及其應(yīng)用內(nèi)容。5.介紹脈沖場(chǎng)凝膠電泳技術(shù)(PFGE)五、原核生物分子分型的“金標(biāo)準(zhǔn)”———脈沖場(chǎng)凝膠電泳技術(shù)(pulsed field gel electrophoresis,PFGE)1.PFGE儀器組成脈沖場(chǎng)電泳槽、脈沖電源、流速控制儀、冷卻器2.PFGE技術(shù)原理●根據(jù)DNA分子彈性弛豫時(shí)間與DNA分子大小有關(guān)的特性,交替采用兩個(gè)垂直方向的不均勻電場(chǎng),使DNA分子在凝膠中不斷改變方向,從而使DNA按分子大小分開?！裨诿看坞妶?chǎng)方向改變時(shí),DNA分子就要有一定的時(shí)間松弛,改變形狀和遷移方向。只有當(dāng)DNA分子達(dá)到一定構(gòu)型后,才能繼續(xù)前進(jìn)。DNA分子凈移動(dòng)方向與加樣線垂直,使樣品中各組分沿同一泳道形成各自的區(qū)帶。3.PFGE技術(shù)操作流程 結(jié)合講述,采用教學(xué)小短片呈現(xiàn)儀器組成。由于技術(shù)原理的復(fù)雜性,結(jié)合PPT,板書手繪原理圖,并引入類比比喻方式講解電泳過程,幫助學(xué)生理解與記憶。板書繪圖:細(xì)菌DNA的酶切與PFGE電泳利用類比比喻方式闡釋細(xì)菌DNA酶切生成的大片段和小片段在PFGE電泳中遷移率差異產(chǎn)生的原因。結(jié)合講述,采用小動(dòng)畫視頻呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程,幫助學(xué)生理解與記憶。板書強(qiáng)調(diào):包埋、裂解、酶切、電泳、染色、分析

續(xù)表1

教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容教學(xué)設(shè)計(jì)表達(dá)方式6.課上分組討論,歸納生物膜結(jié)構(gòu)要點(diǎn),進(jìn)行總結(jié)六、教師總結(jié):解決教學(xué)重點(diǎn)、突破教學(xué)難點(diǎn),使學(xué)生進(jìn)一步領(lǐng)悟科學(xué)過程和科學(xué)方法。1.原核生物分子分型的基本概念:利用分子生物學(xué)技術(shù),針對(duì)若干同“種”原核生物,區(qū)分與鑒別出相同或不同的個(gè)體(菌株)的方式。2.原核生物分子分型的特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì):穩(wěn)定性好、適用范圍廣、分辨率高。3.原核生物分子分型可以用于專利菌株知識(shí)產(chǎn)權(quán)確權(quán)、企業(yè)產(chǎn)品污染菌溯源及傳染病致病菌鑒別與溯源等諸多領(lǐng)域。4.原核生物分子分型的技術(shù)體系包括PFGE、RP、RAPD、RFLP、Rep PCR、MLST和AFLP等技術(shù)方法。5.脈沖場(chǎng)凝膠電泳技術(shù)(PFGE)是原核生物分子分型的“金標(biāo)準(zhǔn)”,其操作流程主要包括包埋、裂解、酶切、電泳、染色、分析等技術(shù)環(huán)節(jié)。以討論小組的形式開展課堂討論與交流。注重提高學(xué)生歸納總結(jié)能力。討論題設(shè)置:(1)本課程中所介紹的幾種分子分型技術(shù)各自的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍和領(lǐng)域有哪些?(2)分子分型技術(shù)能在生產(chǎn)與生活中的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在哪些方面?(3)PFGE分子分型技術(shù)主要包括哪些操作步驟?其中你認(rèn)為哪個(gè)步驟對(duì)分型結(jié)果的得出最為關(guān)鍵?(4)目前PFGE分子分型技術(shù)的哪些步驟可以進(jìn)一步改進(jìn)或簡(jiǎn)化?7.提出設(shè)問,引導(dǎo)學(xué)生課下思考。布置作業(yè),課外閱讀推薦七、提出問題,布置作業(yè)(1)討論與闡述原核生物分子分型的實(shí)際用途與意義。(2)根據(jù)本節(jié)所講內(nèi)容,繪制PFGE的技術(shù)路線圖。(3)請(qǐng)以小組為單位討論并制定針對(duì)中小型酸奶企業(yè)關(guān)于益生菌專利菌株知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的分子分型技術(shù)方案,并論證其可行性。在課程結(jié)束前,提出相關(guān)前沿問題,引導(dǎo)學(xué)生利用課下時(shí)間思考,查找資料。推薦書籍:《原核生物系統(tǒng)學(xué)》

8 教學(xué)效果

專業(yè)課程教學(xué)的改進(jìn)與提升是一個(gè)不斷探索與實(shí)踐的過程，既要“傳承經(jīng)典、強(qiáng)化知識(shí)基礎(chǔ)”，又要“與時(shí)俱進(jìn)、不斷創(chuàng)新模式”，本節(jié)課程的改進(jìn)之處體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)導(dǎo)入內(nèi)容“貼地氣”，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在本節(jié)教學(xué)的導(dǎo)入部分，通過與社會(huì)生產(chǎn)生活息息相關(guān)的情景與現(xiàn)象的切入，利用圖形、動(dòng)畫、視頻等多媒體手段，給學(xué)生帶來合理的視覺沖擊和心靈感悟，抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)，展開理論教學(xué)，同時(shí)提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。

(2)當(dāng)好學(xué)生“引路人”，教學(xué)過程擅用啟發(fā)式和互動(dòng)式教學(xué)。課堂教學(xué)是一個(gè)師生互動(dòng)的過程，不單單是教師教學(xué)生學(xué)，而是通過教師啟發(fā)、誘導(dǎo)，主要依靠學(xué)習(xí)者自身的主動(dòng)意識(shí)來實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。在本節(jié)教學(xué)過程中融入大量的實(shí)踐案例，并緊密圍繞所講授的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)均設(shè)計(jì)了有針對(duì)性的教學(xué)互動(dòng)內(nèi)容，并在課后思考題中設(shè)置讓學(xué)生“學(xué)以致用”的題目，可有效啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，并與學(xué)生共同分析問題，得出結(jié)論并構(gòu)建知識(shí)體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)效果有效提升，并更好地引導(dǎo)和幫助學(xué)生掌握與理解本節(jié)知識(shí)要點(diǎn)[4]。

(3)“因地制宜”，教學(xué)手段盡量多元。本節(jié)教學(xué)主要以多媒體教學(xué)手段為主，并注重理論知識(shí)的更新，適當(dāng)增加教學(xué)信息量。講解的綱要和重點(diǎn)概念設(shè)有板書，同時(shí)注意利用豐富的動(dòng)畫和視頻資料，直觀、形象、立體的展示知識(shí)要點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)及其應(yīng)用方式的理解，并且通過教學(xué)手段的不斷切換，讓學(xué)生在課堂上始終保持“興奮性”，從而可大大提高課堂學(xué)習(xí)效率。

(4)“教研融合”，積極構(gòu)建完備的“課后實(shí)踐”體系。在本節(jié)課后，可以開放相關(guān)的專業(yè)研究試驗(yàn)平臺(tái)，面向?qū)W生提供包括實(shí)驗(yàn)室參觀與交流、提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)培訓(xùn)以及設(shè)置本領(lǐng)域開放式研究課題等形式多樣的“課后實(shí)踐”體系，供學(xué)生們?cè)谡n外自愿、自主選擇，這不僅是對(duì)課堂教學(xué)的良好補(bǔ)充，給予學(xué)生們“學(xué)以致用”的科研實(shí)踐場(chǎng)所，有效的儲(chǔ)備和挖掘科研后備人才，而且能夠充分利用高校優(yōu)質(zhì)的科技資源積極的服務(wù)課堂教學(xué)提供必要的渠道，為課程教學(xué)提供源源不斷的研究案例與素材[5]。