微課教學(xué)設(shè)計(jì)：以“從堿基到人造生命大規(guī)模DNA的從頭合成”為例
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王冬梅, 洪 泂

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 合肥 230026)

百年樹人，教育為本。在“雙一流建設(shè)”和 專業(yè)課程建設(shè)“雙萬計(jì)劃”的背景下，如何引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)現(xiàn)有知識基礎(chǔ)上深思熟慮、心領(lǐng)神會、學(xué)以致用，從而成為“知而有識、學(xué)而善用”的優(yōu)秀人才，是大學(xué)課程教學(xué)理念的核心思想。

精研教學(xué)教法，深刻領(lǐng)會教學(xué)內(nèi)容，充分運(yùn)用信息化技術(shù)服務(wù)于教學(xué)，從而達(dá)到提升教學(xué)效果的目的。隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化教學(xué)理念的興起，微課作為一種新型的教學(xué)模式受到廣泛的關(guān)注。微課又名微型課程，是指為使學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)獲得最佳效果，經(jīng)過精心的信息化教學(xué)設(shè)計(jì)，以流媒體形式展示的圍繞某個知識點(diǎn)或教學(xué)環(huán)節(jié)開展的簡短、完整的教學(xué)活動[1]。微課作為一種短小精悍、主題明確的知識傳播手段，將傳統(tǒng)教學(xué)和信息化教學(xué)融合在一起，成為傳統(tǒng)課堂教學(xué)的必要和有益的補(bǔ)充，可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握知識。這里，我們以“從堿基到人造生命——大規(guī)模DNA的從頭合成”為例，介紹了微課的教學(xué)設(shè)計(jì)方案及微課制作的一些心得體會。

教學(xué)形式要服務(wù)于教學(xué)內(nèi)容，微課的制作同樣如此。適合用于微課制作的教學(xué)內(nèi)容要求立意新穎、主題明確、內(nèi)容編排符合認(rèn)知邏輯、過程主線清晰、重點(diǎn)突出，知識體系相對完整，具有視頻教學(xué)案例的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)微課時(shí)要求充分發(fā)揮多媒體的優(yōu)勢，要求教學(xué)過程形象生動，富有啟發(fā)性和趣味性等特點(diǎn)。

合成生物學(xué)是21世紀(jì)初出現(xiàn)的一門新興交叉學(xué)科，包括“認(rèn)識生命”“改造生命”和“制造生命”三個大的方面，被稱為“將改變世界的科技之一”。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院很早就把這門學(xué)科引入到課程體系中來，我們的合成生物學(xué)課程內(nèi)容既是學(xué)科發(fā)展的介紹，又涉及眾多新技術(shù)新思路，但由于課時(shí)限制，教師不容易講清楚，學(xué)生也不容易消化理解，教學(xué)效果不是很好。如果把比較核心的知識點(diǎn)提煉出來做成微課，以點(diǎn)及面，就可以為學(xué)生學(xué)習(xí)整個課程提供一個助力和把手。大規(guī)模、高通量DNA的合成技術(shù)直接孕育了諸如人工合成具有感染能力的病毒、人造生命體、人工合成的酵母基因組、DNA信息存儲技術(shù)等舉世矚目的重大的研究成果，其主題突出，DNA合成過程主線清晰，知識點(diǎn)相對完整，可以制作成一個比較有特點(diǎn)的視頻教學(xué)案例，非常適合用于微課的教學(xué)，因此我們選取了“大規(guī)模DNA的從頭合成”作為微課題材，希望通過介紹大規(guī)模DNA的從頭合成的相關(guān)知識，激發(fā)學(xué)生對學(xué)科領(lǐng)域的新進(jìn)展進(jìn)行調(diào)研追蹤的興趣和熱情，并轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)的動力，學(xué)以致用。

1 微課設(shè)計(jì)方案

微課設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)教學(xué)的設(shè)計(jì)方案相同，都包含教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)難點(diǎn)分析、具體教學(xué)過程、教學(xué)總結(jié)等組成部分，都是一個完整的教學(xué)活動。設(shè)計(jì)微課時(shí)更要充分體現(xiàn)其微型課堂優(yōu)點(diǎn)，即“短”“小”“精”“悍”。本微課課程設(shè)計(jì)的初衷是希望以此微課為載體，向?qū)W生展示一個重大的科學(xué)研究目標(biāo)是如何通過拆分成一個個小的研究目標(biāo)從而分步實(shí)現(xiàn)的，拉進(jìn)學(xué)生與學(xué)科領(lǐng)域頂級成就之間的距離，使學(xué)生在吸收前人知識的基礎(chǔ)上深思熟慮，轉(zhuǎn)化成自己的學(xué)識和能力，從而增強(qiáng)學(xué)生勇攀科學(xué)高峰的信心和決心。

1.1 教學(xué)目標(biāo)

1)掌握大規(guī)模DNA從頭合成的主要流程及各階段所涉及的技術(shù)方法；2)希望通過對大規(guī)模DNA從頭合成的學(xué)習(xí)及課后閱讀相關(guān)高水平文獻(xiàn)，提高閱讀文獻(xiàn)及分析問題的能力。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

1)大規(guī)模DNA從頭合成方面的發(fā)展歷程、重要性及應(yīng)用；2)大規(guī)模DNA的從頭合成的主要原理、流程及所使用的技術(shù)方法。

1.3 對教學(xué)中重點(diǎn)難點(diǎn)的分析

本課程教學(xué)的重點(diǎn)是講明大規(guī)模DNA的從頭合成是分階段的，不同合成階段對應(yīng)不同的技術(shù)方法。使學(xué)生理解大規(guī)模DNA的從頭合成并非是簡單的DNA片段的疊加延長，不同長度的DNA合成策略也不相同，中間還涉及對合成中出現(xiàn)錯誤的DNA的糾錯和去除。此外，對DNA合成及組裝所涉及的各種技術(shù)方法細(xì)節(jié)過程的理解是教學(xué)中的難點(diǎn)，由于新技術(shù)、新方法內(nèi)容的紛繁復(fù)雜，受教學(xué)時(shí)間限制，除課堂上教師提綱挈領(lǐng)地講解外，還需要學(xué)生在課下認(rèn)真閱讀有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道從而達(dá)到學(xué)以致用。

1.4 教學(xué)切入點(diǎn)

任何知識都不是孤立存在的，與現(xiàn)實(shí)生活有著千絲萬縷的聯(lián)系，自然科學(xué)領(lǐng)域中的重大科技進(jìn)展更容易引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是很好的切入點(diǎn)。我們從人工合成病毒基因組及其潛在重大生物安全問題、人造生命體的基因組合成及DNA億千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)信息存儲容量等重大研究報(bào)道入手，把現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)生的引人矚目的大事件與抽象的DNA大規(guī)模合成聯(lián)系起來，引起學(xué)生對DNA合成方面知識的求知欲，激發(fā)同學(xué)們探索生命體奧秘的熱情。

1.5 教學(xué)的具體過程

1)概念引入。首先明確了大規(guī)模DNA的從頭合成屬于合成生物學(xué)學(xué)科領(lǐng)域，對合成生物學(xué)這一新興學(xué)科做了簡要介紹，明確了大規(guī)模DNA合成在學(xué)科領(lǐng)域中所處的地位。

2)問題引入。結(jié)合近幾年來合成生物學(xué)學(xué)科范圍內(nèi)有關(guān)方面幾項(xiàng)轟動性研究成果，引入為什么需要大規(guī)模合成DNA以及大規(guī)模DNA是如何從頭合成的問題，激發(fā)同學(xué)們對本領(lǐng)域研究的學(xué)習(xí)興趣。

3)問題延伸?；蚪M的編寫是近年來生命科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。通過回顧合成生物學(xué)相關(guān)方面的重要發(fā)展歷程引發(fā)學(xué)生們對大規(guī)模DNA從頭合成的興趣及求知欲，然后介紹基因組規(guī)模的DNA是如何以堿基為材料開始寡核苷酸的化學(xué)合成，然后是寡核苷酸到DNA短片段的組裝，全基因或多基因片段DNA的組裝，最終實(shí)現(xiàn)基因組的組裝。合成中間過程還涉及對DNA合成中的錯誤進(jìn)行去除，以保證最終的基因組DNA的正確性。選擇代表性的技術(shù)進(jìn)行圖示說明以幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解，并列出每種方法技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

大規(guī)模DNA從頭合成過程如圖1所示。具體來說，大規(guī)模DNA從頭合成時(shí)，長片段DNA要被分成很多短的寡核苷酸進(jìn)行合成，因此在進(jìn)行寡核苷酸的化學(xué)合成之前，首先要借助Genedesign，TmPrime或DNAWorks等軟件設(shè)計(jì)寡核苷酸序列，一般寡核苷酸序列長度不超過200個堿基對(base pair, bp)；其次化學(xué)法合成寡核苷酸，以4種核苷酸為原料，從頭合成寡核苷酸。目前常用的仍然是常規(guī)DNA合成方法，但是隨著芯片原位寡核苷酸合成技術(shù)的發(fā)展，采用基于芯片的DNA高并行合成技術(shù)，可以同時(shí)合成多種寡核苷酸，合成的規(guī)模大、成本低，將成為寡核苷酸合成的發(fā)展方向；隨后是從寡核苷酸到1 kb左右的DNA短片段的組裝，一般常用聚合酶循環(huán)組裝法和連接酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法來完成；然后進(jìn)行全基因或多基因片段DNA的組裝，一般采用限制酶酶切位點(diǎn)組裝法、位點(diǎn)特異性重組法、基于重疊序列的拼接法等方法，組裝的DNA長度可達(dá)到幾百Kb。當(dāng)DNA目標(biāo)長度達(dá)到0.5 Mb以上時(shí)，體外(invitro)重組技術(shù)已經(jīng)難以進(jìn)行DNA的拼接，這時(shí)需要用到細(xì)胞內(nèi)的同源重組。通過“轉(zhuǎn)化介導(dǎo)的重組技術(shù)”也就是TAR技術(shù)，將大片段DNA與載體一起轉(zhuǎn)化酵母細(xì)胞，利用宿主自身的重組系統(tǒng)把兩端帶有同源序列的片段通過重組的方法連接起來，拼接成完整的基因組；最后，把完整的基因組DNA移植到不含細(xì)胞核的空細(xì)胞中，完成人工生命的構(gòu)建，這個過程中要注意對移植DNA的修飾，以避免宿主對外源DNA的降解。而對于更大的基因組的合成，例如酵母基因組DNA的合成時(shí)，無法一次合成完整的基因組，通常采用逐步替換的方法，將酵母中的基因組DNA逐步替換成合成的DNA。

圖1 大規(guī)模DNA從頭合成過程示意圖

4)課程總結(jié)?？偨Y(jié)本節(jié)課主要內(nèi)容，再次回顧大規(guī)模DNA從頭合成的主要過程，即從4種核苷酸開始，隨著DNA序列長度不斷增加，從幾十個核苷酸到兆級堿基對長度的序列以至全基因組的逐步合成組裝的過程，以此增強(qiáng)學(xué)生的理解記憶，并給出延伸性課后思考題，最后列出參考資料。

2 教學(xué)總結(jié)及特色分析

本課程以大規(guī)模DNA的從頭合成為主線，對各個階段所涉及的技術(shù)方法進(jìn)行了較為全面的介紹。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握大規(guī)模DNA從頭合成的主要過程，了解不同合成階段所涉及的不同的技術(shù)方法，明確大規(guī)模DNA的合成在合成生物學(xué)學(xué)科發(fā)展中所占的重要地位。在實(shí)際工作中，能夠針對每一種DNA合成的技術(shù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，正確選擇合適的方法，合理設(shè)計(jì)基因的合成方案，學(xué)以致用。

本微課在設(shè)計(jì)上以學(xué)科領(lǐng)域的轟動性研究成果為切入點(diǎn)，從而引發(fā)學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的關(guān)注和學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)內(nèi)容反映了學(xué)科的前沿性和時(shí)代性，抓住了人造生命體、人工合成的酵母基因組、DNA信息存儲技術(shù)等重大研究成果背后的核心技術(shù)，通過大規(guī)模、高通量DNA合成技術(shù)的介紹，拉近了與這些舉世矚目的重大研究成果的距離，主線清晰，重點(diǎn)突出，與課堂教學(xué)相結(jié)合，使學(xué)生更易于理解掌握課程的教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)形式形象生動，富有啟發(fā)性及趣味性，本課程內(nèi)容中技術(shù)方法在具體細(xì)節(jié)上具有一定的難度，能引起學(xué)生深入探究和進(jìn)行個性化學(xué)習(xí)的愿望。

3 教學(xué)效果及評價(jià)

微課教學(xué)效果最根本的衡量標(biāo)準(zhǔn)是學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[2]。而對學(xué)習(xí)效果的評價(jià)重點(diǎn)在于學(xué)生是否能做到對知識內(nèi)容的掌握、運(yùn)用及舉一反三。本微課內(nèi)容屬于本科專業(yè)選修課合成生物學(xué)課程，在課程講授中，我們將微課視頻和課堂講授相結(jié)合，從課前學(xué)習(xí)開始，再通過課程內(nèi)容的介紹，為學(xué)生引入學(xué)科前沿進(jìn)展，最后引導(dǎo)學(xué)生課后進(jìn)行知識拓展。微課注重其融入課堂教學(xué)的便利性、有效性和可行性，本微課側(cè)重于個性化學(xué)習(xí)和教學(xué)輔助，相應(yīng)的學(xué)習(xí)評價(jià)包括自主學(xué)習(xí)、信息處理、團(tuán)隊(duì)合作和解決問題等幾個方面，在評分體系中適當(dāng)提高創(chuàng)新思維在評分中的比值。

具體來說，在相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容“最小細(xì)胞、最基本基因組的合成”開始前兩到三天，通過班級QQ群發(fā)布微課視頻，并要求學(xué)生在開課前回復(fù)學(xué)習(xí)收獲及一個最感興趣或最關(guān)心的問題。這種模式不僅可以提高教學(xué)效率，也能很好地培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力[3]。課程講授結(jié)束后，要求學(xué)生兩人一組結(jié)成討論小組，以本節(jié)課所介紹的知識為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展，查找文獻(xiàn)，合理推理論證、嘗試回答在上課前所提出的問題，并需要相關(guān)的研究文獻(xiàn)作為支持，一星期后完成調(diào)研報(bào)告并提交，作為本節(jié)課程的評價(jià)指標(biāo)之一。

從學(xué)生的課前回復(fù)中可以看出，微課中提到的以大規(guī)模DNA合成為基礎(chǔ)的各項(xiàng)重大科技進(jìn)展，確實(shí)是最吸引學(xué)生的地方。學(xué)習(xí)收獲是比較清晰地掌握了大規(guī)模DNA合成的主要過程，同時(shí)打開了“神秘的”科技成果的“面紗”，切身體會到科技高峰并非那么的高不可攀。學(xué)生們所關(guān)注的問題集中在幾個方面：比如最小基因組究竟有多大，合成一個細(xì)胞最少需要多少基因，程序化設(shè)計(jì)生命的可行性及生物安全等。

學(xué)生們在課后的調(diào)研報(bào)告中充分反映了各自的觀點(diǎn)及不同的思考，比如對程序化設(shè)計(jì)生命的評價(jià)方面，有的同學(xué)認(rèn)為現(xiàn)階段生物這個領(lǐng)域還不適合讓工程化設(shè)計(jì)來領(lǐng)導(dǎo)整個實(shí)驗(yàn)；有的認(rèn)為在一個仍有相當(dāng)大的未知部分的生物系統(tǒng)中，理想化的設(shè)計(jì)需要一定的運(yùn)氣；有的則認(rèn)為在復(fù)雜的生命體系中以工程化的設(shè)計(jì)，獲得特定的生物器件或人工生命系統(tǒng)，不可能一直依靠實(shí)驗(yàn)測試，而需要依靠大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建模，利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，這樣最后配以適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)即可快速達(dá)到目的；還有的同學(xué)課前覺得建立一個人工細(xì)胞沒有什么意義，但通過學(xué)習(xí)和課后思考，又有了新的想法，認(rèn)為人工細(xì)胞在能源、醫(yī)療、環(huán)境等方面有著巨大的應(yīng)用潛力，立志要在此領(lǐng)域做出一定的貢獻(xiàn)等。

激活學(xué)生的思維能力，最大限度地挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力[4]，這也是高質(zhì)量教學(xué)效果的最佳體現(xiàn)。本微課教學(xué)實(shí)踐與課堂教學(xué)活動相結(jié)合實(shí)施兩年多來，引導(dǎo)學(xué)生用發(fā)展的眼光思考問題，誘導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和科研熱情[5]，深受同學(xué)們的普遍歡迎。本微課還獲得2018年全國高校生命科學(xué)類微課比賽二等獎，獲得了專家評委們的肯定和好評。

微課不僅可以作為一個課程獨(dú)立完成某一教學(xué)目標(biāo)，還可以作為一種教學(xué)資源應(yīng)用于常規(guī)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，同時(shí)具有資源和課程的雙重屬性[6]。目前在我們學(xué)院，一系列微課的錄制正在陸續(xù)進(jìn)行中，微課資源管理平臺也在建設(shè)中，在有助于學(xué)生更好地掌握和理解教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，也促進(jìn)教師們提高信息化教學(xué)的水平，以期更好地服務(wù)于教學(xué)。

4 微課制作心得體會

一節(jié)好的微課首先要選擇一個好的題材，然后通過對教學(xué)內(nèi)容及學(xué)生的分析，明確教學(xué)目標(biāo)，制定教學(xué)策略。然后就是課件的準(zhǔn)備及拍攝腳本的制作過程，需要教師凝聚智慧，優(yōu)化提煉教學(xué)內(nèi)容，對知識的講授層層遞進(jìn)，精美的PPT設(shè)計(jì)及配合教學(xué)內(nèi)容的展現(xiàn)手法，包括動畫的表現(xiàn)形式等，都需要教師的高度扎實(shí)的專業(yè)背景知識加以支撐。隨后就需要專業(yè)的拍攝團(tuán)隊(duì)進(jìn)行微課視頻的錄制和后期制作剪輯等，教師要全程參與到后期制作中來，充分溝通與合作，包括教師的講課風(fēng)采，內(nèi)容的講述和畫面的匹配以及背景音樂的烘托等諸多要素，才能使微課真正體現(xiàn)出教學(xué)的意圖、實(shí)現(xiàn)教學(xué)的目標(biāo)?？傊?，一節(jié)好的微課視頻，不僅僅能將知識傳播，更應(yīng)該能帶給人一種美的享受。

微課是針對某個知識點(diǎn)或教學(xué)環(huán)節(jié)而展開的教學(xué)活動，這個特點(diǎn)決定了它不可能替代傳統(tǒng)的課堂教學(xué)。微課教學(xué)模式是對傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)間和空間的延伸，既增加了學(xué)生學(xué)習(xí)知識的渠道，又是對課堂教學(xué)的補(bǔ)充和促進(jìn)。所以，我們要立足傳統(tǒng)課堂教學(xué)，科學(xué)引入新的教學(xué)方法，汲取微課教學(xué)模式的優(yōu)勢，使線上線下教學(xué)模式在教學(xué)實(shí)踐中有機(jī)融合在一起，達(dá)到相得益彰的教學(xué)效果。