生物工程專業(yè)基因工程與分子生物學(xué)實驗教學(xué)改革初探

王雪酈　吳遠根　王春曉　王修俊　羅小葉

摘 要 基因工程與分子生物學(xué)是生物工程專業(yè)的必修課，其中實驗教學(xué)起著舉足輕重的作用。筆者分析了當(dāng)前基因工程與分子生物學(xué)實驗課程教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容以及成績評價體系等方面進行改革，通過新方法、新手段提高了實驗教學(xué)的水平，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性。

關(guān)鍵詞 生物工程 基因工程與分子生物學(xué) 實驗 教學(xué)改革

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.02.047

On the Reform of Gene Engineering and Molecular Biology

Experiment Teaching in Bioengineering Major

WANG Xueli， WU Yuangen， WANG Chunxiao， WANG Xiujun， LUO Xiaoye

（School of Liquor and Food Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025）

Abstract Gene engineering and molecular biology are compulsory courses in bioengineering， among which experimental teaching plays an important role. In this paper， the author analyzes the problems existing in the teaching of gene engineering and molecular biology experiment course， and carries out the reform from the teaching mode， teaching content and performance evaluation system. Through the new methods and new means， the level of experiment teaching is improved， and the students' learning polarity and autonomy are stimulated.

Keywords bioengineering; Gene Engineering and Molecular Biology; experiment; teaching reform

0 引言

生物工程專業(yè)培養(yǎng)目標是培養(yǎng)具有生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)知識，掌握生物加工過程相關(guān)科學(xué)原理和技術(shù)的專業(yè)性人才。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，分子生物學(xué)和基因工程分別被納入本科教學(xué)范疇。分子生物學(xué)主要關(guān)注生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能等內(nèi)容，從分子水平出發(fā)闡釋生命活動的規(guī)律和過程，[1]而基因工程更多的是關(guān)注遺傳物質(zhì)（DNA片段），在中心遺傳法則的基礎(chǔ)上利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)實現(xiàn)DNA的敲除、拼接、重組等過程。[2]因此，上述兩門課程不管是內(nèi)容方面，還是技術(shù)手段方面都相互關(guān)聯(lián)，基因工程技術(shù)是對分子生物學(xué)理論的實踐，若將分子生物學(xué)和基因工程合并，則有助于學(xué)生對相關(guān)理論概念的理解和掌握，真正實現(xiàn)理論指導(dǎo)實踐，實踐驗證理論的過程。[3，4]2016年，貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院新版培養(yǎng)方案中將基因工程與分子生物學(xué)兩門課合并為一門課——基因工程與分子生物學(xué)。在基因工程與分子生物學(xué)教學(xué)中實驗教學(xué)的作用不可忽視，通過實驗教學(xué)可以幫助學(xué)生對原本抽象的概念有了感性的認識，也是通過實驗幫助學(xué)生掌握現(xiàn)代基因工程的技術(shù)手段，培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能。[5]然而，相對于其他實驗學(xué)科而言，基因工程與分子生物學(xué)實驗不僅實驗時間長、費用多，而且大部分實驗現(xiàn)象只能在實驗結(jié)束時才能觀察到，導(dǎo)致實驗教學(xué)質(zhì)量難以得到保障。

1 基因工程與分子生物學(xué)實驗教學(xué)過程中的不足

近年來，國內(nèi)許多高校已掀起一場基因工程與分子生物學(xué)實驗教學(xué)改革的熱潮，雖取得了一定成果，但因受限于傳統(tǒng)教學(xué)模式，導(dǎo)致大批學(xué)生無法獨立完成相關(guān)實驗，甚至無法理解實驗的目的和原理。經(jīng)系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，基因工程與分子生物學(xué)實驗教學(xué)存在以下幾點不足：

（1）教學(xué)模式較為單一。傳統(tǒng)的基因工程與分子生物學(xué)實驗因受耗材費用高、儀器設(shè)備人均臺套數(shù)較少等影響，導(dǎo)致在實驗教學(xué)中仍是以教師為中心，學(xué)生“照葫蘆畫瓢”的參照實驗指導(dǎo)書完成“規(guī)定動作”。該種教學(xué)模式不僅不能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和自主意識，還極易導(dǎo)致出現(xiàn)一人操作多人圍觀的現(xiàn)象，尤其在考核形式單一的背景環(huán)境下更容易影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（2）實驗項目零散，缺少綜合性和設(shè)計性實驗。據(jù)報道，目前生物工程專業(yè)基因工程與分子生物學(xué)實驗教學(xué)中已開設(shè)的實驗項目有：質(zhì)粒提取，瓊脂糖凝膠電泳，感受態(tài)細胞制備，PCR 技術(shù)、轉(zhuǎn)化子的篩選等。上述實驗項目在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生常規(guī)的基因工程與分子生物學(xué)實驗技能，但難以在思想上幫助學(xué)生們構(gòu)建成一個相互關(guān)聯(lián)的完整體系。更重要的是，大部分基因工程與分子生物學(xué)實驗中綜合性和設(shè)計性實驗偏少，無法培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，無法從根本上調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（3）考核形式單一，注重實驗過程忽略分析問題、解決問題的能力。大部分實驗成績憑借實驗報告完成情況和出勤率，該種考核方式不僅不能反映學(xué)生的真實水平，也不利于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。實驗報告的撰寫僅能判斷學(xué)生對實驗步驟和方法的掌握程度，但是學(xué)生在實驗過程中分析問題和解決問題的能力卻無從考證。

2 基因工程與分子生物學(xué)實驗教學(xué)改革與實踐

貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院一直非常重視實踐教學(xué)在理論教學(xué)中的比例，自基因工程與分子生物學(xué)課程開設(shè)以來，在整體學(xué)時縮減的情況下仍保證了一定的實驗教學(xué)學(xué)時。針對上述分析中的不足，筆者以滿足知識、能力、素質(zhì)三個層次的目標為導(dǎo)向，整合原有的實驗項目，實驗設(shè)計遵循從基礎(chǔ)技術(shù)的培養(yǎng)到綜合能力的提升，旨在學(xué)生掌握基礎(chǔ)實驗技能的基礎(chǔ)上，根據(jù)常規(guī)基因工程與分子生物學(xué)技術(shù)路線構(gòu)建綜合性實驗，幫助學(xué)生了解當(dāng)代分子生物學(xué)和基因工程實驗思路。

2.1 教學(xué)方法的多樣化

（1）微視頻：通過自制微視頻中的動畫，將枯燥的基因工程與分子生物學(xué)的基本概念和原理以及復(fù)雜的實驗步驟通過聲音、圖像、動畫的形式來展現(xiàn)。

（2）知識大講堂：每月1次的基因工程與分子生物學(xué)大講堂則是邀請本院教師進入實驗室，以講座的形式從研究背景、關(guān)鍵問題、實驗設(shè)計和論證、實驗過程等環(huán)節(jié)深入淺出的向本科生展示他們的研究成果，開拓學(xué)生的知識視野，及時更新學(xué)生的知識體系，提高學(xué)生密切關(guān)注學(xué)術(shù)前沿的意識。

（3）教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺，借助學(xué)院的虛擬仿真實驗室，建立基因工程與分子生物學(xué)實驗教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺。該平臺中提供的虛擬仿真軟件可以加強學(xué)生對實驗操作的熟悉程度，避免實驗耗材的浪費，除此之外可以利用此教學(xué)平臺指導(dǎo)學(xué)生將實驗中得到的PCR測序結(jié)果在NCBI上進行比對并用Mega軟件構(gòu)建進化樹，補充完善與基因工程和分子生物學(xué)息息相關(guān)的生物信息學(xué)相關(guān)知識。

2.2 教學(xué)內(nèi)容的層次化

改革后的基因工程與分子生物學(xué)實驗主要有兩部分組成，第一部分是基礎(chǔ)實驗操作的學(xué)習(xí)，第二部分是提升型的綜合性實驗。前者是培養(yǎng)學(xué)生基因與分子生物學(xué)實驗操作的基本技術(shù)，如：基因組 DNA 的提取、質(zhì)粒 DNA的提取、DNA 濃度的測定、PCR 基因擴增、瓊脂糖凝膠電泳等，后者是利用綜合實驗，引入項目管理的模式，培養(yǎng)學(xué)生形成系統(tǒng)的、完整的實驗思路。所謂項目來自于我院教師承擔(dān)的各類項目，其中涉及國家自然科學(xué)基金、國家重大研發(fā)項目、貴州省科技支撐計劃以及各類產(chǎn)學(xué)研項目，如“葡萄酒釀酒酵母基因工程菌的構(gòu)建”等。在對學(xué)生進行基本實驗技能培訓(xùn)后，將學(xué)生4～5 人分為一組，待學(xué)生完成文獻查閱—方案制定—討論交流—方案修訂等流程后，讓學(xué)生自主開展實驗過程。綜合性實驗以教師承擔(dān)的課題為依托，巧妙地將基因工程與分子生物學(xué)實驗與項目背景和意義結(jié)合起來，實驗項目的設(shè)計需包含3個目標：第一，幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)實驗操作;第二，引導(dǎo)學(xué)生了解基因工程與分子生物學(xué)實驗常規(guī)路線設(shè)計;第三，培養(yǎng)學(xué)生“項目邏輯思維”，讓學(xué)生參與到實際的科研工作中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也培養(yǎng)學(xué)生從事科研的興趣，不再認為基因工程與分子生物學(xué)是“摸不著”的高科技，為今后的學(xué)習(xí)和科研創(chuàng)新工作打下良好和扎實的理論基礎(chǔ)。

2.3 成績評定的多元化

實驗成績的評定不再采用實驗報告“一錘定音”的模式，而更多關(guān)注學(xué)生主觀能動部分的收獲。如綜合性實驗過程中實驗方案的設(shè)計，數(shù)據(jù)處理的方法，而在基礎(chǔ)性實驗中則關(guān)注學(xué)生的實驗操作規(guī)范性，團隊合作能力。本次改革在實驗報告的撰寫方面也提出了新要求：第一，在實驗預(yù)習(xí)報告中，以問題的形式引導(dǎo)學(xué)生進行預(yù)習(xí)，要求學(xué)生完成實驗技術(shù)路線圖的繪制，幫助學(xué)生強化實驗項目之間的邏輯性，找到影響實驗成敗的關(guān)鍵技術(shù)點，也避免學(xué)生出現(xiàn)直接“照抄實驗指導(dǎo)書”而不用心理解和掌握實驗步驟的情況;第二，在傳統(tǒng)實驗報告（實驗?zāi)康?、原理、儀器設(shè)備、試劑藥品，操作步驟、數(shù)據(jù)記錄和處理）的基礎(chǔ)上，強調(diào)實驗結(jié)果成敗因素的分析。通過實驗，絕大多數(shù)同學(xué)認真的反思實驗操作，總結(jié)出不少有利于后期實驗開展的方法和技巧，如針對PCR體系成分較為復(fù)雜的特性，同學(xué)們提出了加1個組分在實驗技術(shù)路線圖旁做一個標記的辦法，避免出現(xiàn)試劑漏加的現(xiàn)象。再比如，PCR體系中所用到的Taq酶都是熱失活的，應(yīng)該確保其在冰盒中存放，加完迅速放回冰箱中等等。最終學(xué)生的實驗成績由基礎(chǔ)成績（50%）、理論考試（20%）、綜合性實驗（30%）三部分組成，基礎(chǔ)成績中預(yù)習(xí)成績占20%、實驗操作占20%、實驗報告10%，而綜合性實驗成績則根據(jù)組內(nèi)方案的設(shè)計、組內(nèi)人員配合度以及實驗成果等進行評估。

2.4 實驗指導(dǎo)的延續(xù)性

自2017年以來，我院已實現(xiàn)本科實驗室平臺的開放化管理，因此在課程之外，積極鼓勵學(xué)生從事開放實驗的訓(xùn)練，組織學(xué)生申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，“SRT”項目等，提高學(xué)生的實驗技能。在課外實踐過程中利用翻轉(zhuǎn)課堂的模式，讓學(xué)生自選題目，自制實驗方案，增強學(xué)生對實驗項目的興趣，提升實驗積極性，主動性。

3 總結(jié)

筆者以培養(yǎng)目標為導(dǎo)向，以承擔(dān)項目為依托，通過項目式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等模式的改革，旨在解決傳統(tǒng)基因工程與分子生物學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題，幫助學(xué)生更好的掌握基因工程與分子生物學(xué)的基本原理和概念。通過層次性實驗項目的設(shè)計，既培養(yǎng)了學(xué)生常規(guī)實驗的操作技能，又幫助學(xué)生形成了基因工程與分子生物學(xué)系統(tǒng)的實驗思路。實驗類型由基礎(chǔ)向綜合轉(zhuǎn)變，實驗難度由淺入深，實驗參與度由少積多，逐漸引導(dǎo)學(xué)生的加入，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。本次教改收到了較好的教學(xué)效果，基礎(chǔ)技術(shù)的培養(yǎng)讓學(xué)生受益終生，技術(shù)路線的學(xué)習(xí)讓學(xué)生形成系統(tǒng)實驗的意識，教學(xué)過程中項目式實驗的設(shè)計也讓學(xué)生了解到現(xiàn)階段基因工程與分子生物學(xué)研究的熱點和難點，為生物工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)打下堅實的基礎(chǔ)。

【基金項目】貴州大學(xué)2016年“本科教學(xué)工程”建設(shè)項目（JG201642），貴州大學(xué)“本科教學(xué)工程”建設(shè)項目（JG201965），貴州大學(xué)2016年高等教育研究項目（Gdgj2016009）

參考文獻

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