生物學(xué)自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)探索

摘要：指出了分子生物學(xué)是生命科學(xué)相關(guān)學(xué)科的主干課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。同時(shí)，學(xué)生掌握分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)手段，對(duì)培養(yǎng)自身科研能力具有重要意義。結(jié)合當(dāng)前高校對(duì)于綠色植物葉綠體DNA提取的實(shí)驗(yàn)，從豐富教學(xué)方法、更新教學(xué)手段、改進(jìn)考核方式等方面進(jìn)行了改革與探索。以期提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能及綜合能力培養(yǎng)，為高校培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自主設(shè)計(jì);葉綠體DNA提取;分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：Q71.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2020）03-0229-03

1 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校深化課堂教學(xué)內(nèi)容的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生探索和創(chuàng)新精神，提高其實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)等方面起著舉足輕重的作用川。分子生物學(xué)是生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的重要研究工具，也是當(dāng)代促進(jìn)整個(gè)生命科學(xué)發(fā)展的前沿科學(xué)，具有理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合緊密、動(dòng)手操作能力強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求高、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)消耗大等特點(diǎn)[2]。作為學(xué)生從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐操作和科學(xué)研究的重要學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)起著舉足輕重的作用[3]。

當(dāng)前在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域還是采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，即課前教師介紹實(shí)驗(yàn)背景知識(shí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?、?shí)驗(yàn)原理、操作步驟及注意事項(xiàng)等，學(xué)生遵從教師的指導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生處于相對(duì)被動(dòng)的狀態(tài)，缺乏自主學(xué)習(xí)意識(shí)。此外，由于考核方式單一，學(xué)生更注重于去完成一份漂亮的實(shí)驗(yàn)報(bào)告而不是注重實(shí)驗(yàn)本身，致使其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不愿意多動(dòng)手，為了追求理想實(shí)驗(yàn)結(jié)果而對(duì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行改動(dòng)，甚至抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生不能很好地參與實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致課堂氛圍沉悶，嚴(yán)重束縛了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

葉綠體是植物進(jìn)行光合作用和能量轉(zhuǎn)化的重要細(xì)胞器，葉綠體內(nèi)具有自主遺傳信息，屬于母系遺傳。與核基因相比，葉綠體基因比核基因小，便于克隆與遺傳操作;具有多拷貝，可高效表達(dá)目的基因;外源基因可以定點(diǎn)整合，無(wú)位置效應(yīng)和基因沉默現(xiàn)象;母系遺傳使得后代安全性好，可避免基因外漏產(chǎn)生基因污染。此外，葉綠體基因組具有適中的核苷酸置換率，編碼區(qū)和非編碼區(qū)進(jìn)化速率不同使其適用于不同分類階元的進(jìn)化研究。由于葉綠體DNA相對(duì)保守的特性及其在生命活動(dòng)中的重要功能，已被廣泛用于細(xì)胞質(zhì)遺傳、植物系統(tǒng)發(fā)育、遺傳多樣性和親緣關(guān)系等多方面的研究，而獲得高純度且結(jié)構(gòu)完整的葉綠體DNA是開(kāi)展相關(guān)研究的前提條件。

為提高學(xué)生的理解和接受能力，加強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐能力的培養(yǎng)，本文以身邊植物葉綠體DNA提取實(shí)驗(yàn)為例，結(jié)合本院實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的實(shí)際情況，針對(duì)分子生物學(xué)教學(xué)模式及考核方式進(jìn)行改革探索，以期提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能及綜合能力培養(yǎng)，形成符合地方高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

利用日常生活中常見(jiàn)的綠色植物進(jìn)行葉綠體DNA的提取。學(xué)生可自行查閱資料，選取自己感興趣的植物進(jìn)行葉綠體DNA的提取。

2.2 方案制定

提取葉綠體DNA有許多方法，學(xué)生可提前自主查閱文獻(xiàn)，根據(jù)自己選取的植物材料設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)流程，提前配制實(shí)驗(yàn)中所需的非常規(guī)試劑;然后統(tǒng)一在實(shí)驗(yàn)課堂上進(jìn)行操作，有不足之處及時(shí)調(diào)整、修改自己的實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)計(jì)劃;最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理與分析，并撰寫(xiě)正式的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自行選擇的實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)文獻(xiàn)的查詢，設(shè)計(jì)不同的方法例如高鹽一低pH法，蔗糖梯度離心法或密度梯度離心法等獲得葉綠體DNA，然后用瓊脂糖凝膠電泳，檢驗(yàn)葉綠體DNA的完整性。

學(xué)生可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)方法的選擇，分為多個(gè)小組進(jìn)行討論交流。

主要儀器：各型號(hào)無(wú)菌藍(lán)蓋瓶若干，無(wú)菌100mL離心管，無(wú)菌1.5mL離心管，各型號(hào)冷凍離心機(jī)，超高速冷凍離心機(jī)，水浴鍋，搖床，勻漿機(jī)或榨汁機(jī)等。

4 教學(xué)實(shí)驗(yàn)反思

4.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

由于分子生物學(xué)發(fā)展較快，其儀器設(shè)備更新速度快，價(jià)格較為昂貴，相關(guān)試劑和耗材成本較高等原因，使得一些地方高校對(duì)分子生物學(xué)試劑投入不足，實(shí)驗(yàn)儀器和臺(tái)數(shù)欠缺。學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手機(jī)會(huì)少，缺乏真正的鍛煉機(jī)會(huì)，影響了學(xué)生創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)及實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排分散，如基因組DNA的提取、瓊脂糖凝膠電泳和PCR擴(kuò)增等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程內(nèi)容單一，知識(shí)連貫性不夠，加之理論課程偏難，學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)不清楚何時(shí)運(yùn)用和怎樣運(yùn)用這些技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題，出現(xiàn)“只知其然，不知其所以然”的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果及教學(xué)質(zhì)量[4]。

考核形式片面，缺乏激勵(lì)機(jī)制。分子生物學(xué)課程開(kāi)設(shè)相對(duì)較晚，學(xué)生在上課之前很少接觸相關(guān)知識(shí)，有一種生疏感，加上分子生物學(xué)理論知識(shí)抽象，學(xué)生排斥感明顯，無(wú)法引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[5]。同時(shí)，傳統(tǒng)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的評(píng)判依據(jù)主要是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。多數(shù)學(xué)生認(rèn)為交一份漂亮的實(shí)驗(yàn)報(bào)告就可以得到較高的分值，致使其在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不愿意多動(dòng)手，為了追求理想實(shí)驗(yàn)結(jié)果而對(duì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行改動(dòng)，甚至抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告[6]。在這種情況下，教師難以發(fā)現(xiàn)學(xué)生的真實(shí)問(wèn)題，不利于正確評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

4.2 創(chuàng)建獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)體系

提取葉綠體DNA的方法有許多，學(xué)生在查詢文獻(xiàn)時(shí)同樣也檢索到了不同的方法。而在一些文獻(xiàn)中，實(shí)驗(yàn)的精確用量及實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)是無(wú)法展現(xiàn)的，需要學(xué)生根據(jù)其他類似的實(shí)驗(yàn)，比如DNA的提取來(lái)對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理解。例如：在高鹽一低pH法和蔗糖梯度離心法中，利用蛋白酶K進(jìn)行裂解時(shí)，需根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料的不同而有不同的時(shí)間，具體可參考裂解液的顏色變化，而并非僅僅是根據(jù)

參考文獻(xiàn)中的時(shí)間而定。

經(jīng)過(guò)學(xué)生自主性試驗(yàn)比較后發(fā)現(xiàn)，高鹽一低pH法的成功率最高。一是因?yàn)楦啕}一低pH法試劑配制及實(shí)驗(yàn)操作較為簡(jiǎn)單，不易出錯(cuò)。二是其他的實(shí)驗(yàn)方法，例如蔗糖梯度離心法，其密度梯度提取時(shí)，常常無(wú)法保證將完整的葉綠體與破碎的葉綠體分離，且其DNA得率較低。

除此以外，學(xué)生選用了不同的植物時(shí)，即使采用相同的方法，得到的DNA含量也會(huì)有差異。從此處可以對(duì)學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的要求，學(xué)生可通過(guò)自行搜索文獻(xiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的每個(gè)步驟進(jìn)行理解并優(yōu)化。例如一些植物中富含類黃酮及多糖，可在高鹽一低pH法中將緩沖液的DTT去掉，且調(diào)整NaCl的濃度[7]。

學(xué)生通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)方法的比較，增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，培養(yǎng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與自主動(dòng)手能力。

4.3 構(gòu)建新的教學(xué)模式

自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生先獨(dú)立檢索文獻(xiàn)，對(duì)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)器材，試劑及方法進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟中的每一步進(jìn)行理解。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以將同一種實(shí)驗(yàn)方法但并非同種實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行比較，也可以將同一種實(shí)驗(yàn)材料而不是同種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證其提取效果。通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，不僅可以有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同樣可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)和技能的進(jìn)一步掌握。

此外，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)展前，教師最好可以對(duì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行審閱，以保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)的正確性，同樣還可以充分利用多媒體技術(shù)整合資源，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，將內(nèi)容繁復(fù)且抽象的實(shí)驗(yàn)原理及步驟進(jìn)行講解、演示。在實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展過(guò)程中，老師同樣需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的引導(dǎo)，以免學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，保證實(shí)驗(yàn)的成功率。在教師引導(dǎo)下讓學(xué)生在實(shí)際操作前有整體的思路和預(yù)期，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中敢于主動(dòng)實(shí)驗(yàn)、互相討論，達(dá)到應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題為目的，提高學(xué)生的綜合能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)理論知識(shí)的鞏固和驗(yàn)證，從各個(gè)方面評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，在學(xué)生的積極性調(diào)動(dòng)方面起著十分重要的作用。我們希望能夠?qū)?shí)驗(yàn)課程的考核方式由“實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主”改為“實(shí)驗(yàn)技能掌握為主”。在考核過(guò)程中，以學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、參與度、實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄、結(jié)果等多方面來(lái)作為依據(jù)，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)考核真正從注重結(jié)果轉(zhuǎn)向?yàn)樽⒅剡^(guò)程，從而強(qiáng)化學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的把握度[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

如今高等院校培養(yǎng)大學(xué)本科生的首要目標(biāo)和任務(wù)是培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型人才，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生技能訓(xùn)練、創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)和開(kāi)拓精神的鍛煉，從理論到實(shí)踐、從所知向能用的飛躍是現(xiàn)階段高等教育人才培養(yǎng)改革的重要環(huán)節(jié)[9]。

本科教育是提高高等教育質(zhì)量的最重要基礎(chǔ)，建設(shè)世界一流大學(xué)，人才培養(yǎng)是本，本科教育是根。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課的探索及實(shí)踐，充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)各環(huán)節(jié)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在真正意義上增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)其科研能力和創(chuàng)新能力。完善考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的管理，全面考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能水平，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[10]。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬金成，王海洪，王聲斌.生命科學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].生物學(xué)雜志，2013.30（2）：95～97，107.

[2]田生禮，宋國(guó)麗，李輝，等.分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的多樣性探索[J].教育教學(xué)論壇，2011（15）：221～222.

[3]史晉絨，徐丹丹，袁登越，等.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的地方高校分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索[J].教育教學(xué)論壇，2019（4）：273～275.

[4]王躍飛，李紅星，張曉培，等.自主性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式中的研究與探索[J].山東化工，2016， 24：135～137.

[5]王艷琴，袁才佳，蔣顯勇，等.分子生物學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].社區(qū)醫(yī)學(xué)雜志，2016，14（11）：80-82.

[6]許偉榕，程楓，沈文紅，等.生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革初探[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（11）：125～127.

[7]孫雨晴，陳立，楊亞會(huì)，等.蔥屬蔬菜作物葉綠體DNA提取及其質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的建立[J].分子植物育種，2018， 16（20）：6802～6807.

[8]李晶晶.生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略[J].當(dāng)代化工研究，2019（10）：33～34.

[9]張端鴻.辦好本科教育是大學(xué)的根本[N].中國(guó)教育報(bào)，2018-06-26.

[10]狄建軍，佘集凱，黃風(fēng)蘭.“分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”研究型教學(xué)模式探索[J].黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2019（6）：36～37.

收稿日期：2019-12-11

基金項(xiàng)目：民族高校建設(shè)生物科學(xué)類一流本科專業(yè)的實(shí)踐研究項(xiàng)目（編號(hào)：JYZD19064）

作者簡(jiǎn)介：吳智華（1986-），男，博士，講師，研究方向?yàn)檫z傳學(xué)。