生物技術(shù)專業(yè)綜合大實驗課程的開發(fā)與實踐

張英 郝林琳 祝萬菊 唐小春 任林柱 逄大欣 謝子聰

（1.吉林大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院 吉林長春 130062；2.吉林大學(xué)動物醫(yī)學(xué)學(xué)院 吉林長春 130062）

生物技術(shù)（Biotechnology）是以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)原理，以基因工程為核心，按照預(yù)先的設(shè)計改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達到某種目的［1］。21世紀(jì)是生物技術(shù)飛速發(fā)展的時代，很多高等院校陸續(xù)開辦了生物技術(shù)專業(yè)，培養(yǎng)能夠掌握生物技術(shù)相關(guān)原理和技術(shù)的專業(yè)型人才，以滿足新時代對生物技術(shù)專業(yè)人才的需求。

生物技術(shù)是一門綜合性、實踐性和技術(shù)性很強的學(xué)科，該學(xué)科開設(shè)的主干課程包括生物化學(xué)與分子生物學(xué)、基因工程、細(xì)胞生物學(xué)、蛋白質(zhì)工程與酶工程等［2］，是在分子水平上探索生命的本質(zhì)，理論性極強。而實驗課教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生基本操作技能、創(chuàng)新思維和意識，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的重要手段［3-4］。為了更好地幫助學(xué)生深刻理解和掌握相關(guān)課程的理論知識，加大了實驗課設(shè)置比例，并引入“設(shè)計性、綜合性、創(chuàng)新性”的教學(xué)理念，使學(xué)生能夠系統(tǒng)化、全面化地掌握生物技術(shù)。

1 實驗設(shè)計

眾多的實踐教學(xué)經(jīng)驗證明，綜合性實驗是培養(yǎng)學(xué)生良好專業(yè)技能的有效手段［5］。實驗設(shè)計從基礎(chǔ)實驗的掌握到綜合性、設(shè)計性實驗的挖掘，是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的重要途徑，能夠幫助學(xué)生更好地解生物技術(shù)實驗課的實驗思路。為此，引導(dǎo)學(xué)生積極在知網(wǎng)、萬方、維普等數(shù)據(jù)庫查閱相關(guān)實驗文獻，利用生物信息學(xué)軟件、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)課程中學(xué)到的理論知識自主進行實驗項目的設(shè)計。依托實驗室內(nèi)現(xiàn)有的GFP 綠色熒光蛋白表達系統(tǒng)、pDsRed1-N1 紅色熒光蛋白表達系統(tǒng)、真核昆蟲細(xì)胞表達系統(tǒng)，以及畢赤酵母表達系統(tǒng)，進行不同基因的克隆、表達、純化及鑒定，實驗流程見圖1。在整個實驗設(shè)計中，應(yīng)用到的實驗技術(shù)包含了生物學(xué)信息軟件的使用、細(xì)菌培養(yǎng)、感受態(tài)的制備、目的基因的克隆、誘導(dǎo)表達、蛋白純化、SDS-PAGE 及Western Blot 鑒定等，從而形成一個完整的、系統(tǒng)化的實驗設(shè)計。例如，學(xué)生設(shè)計的實驗項目有重組人Elafin 在畢赤酵母系統(tǒng)中的表達鑒定、人CAT 基因紅色熒光蛋白報告基因表達載體的構(gòu)建及功能鑒定、IGF-1 基因可變剪接體亞型在長白豬不同組織中的表達鑒定等多個實驗項目。

圖1 不同目的基因克隆實驗的總體計劃

2 實驗實施

2.1 實驗共享平臺的建立與完善

實驗室環(huán)境和儀器設(shè)備是完成實驗的基礎(chǔ)和條件，利用學(xué)校的實驗室改造資金和儀器購置計劃，不斷改善實驗條件，充分保障實驗課的順利開展。對教學(xué)實驗室的名稱、功能、負(fù)責(zé)人及開放時間等信息進行匯總；對實驗室內(nèi)的儀器進行分類統(tǒng)計，包括儀器品牌、儀器功能、臺套數(shù)、儀器負(fù)責(zé)人等信息，針對不同的儀器設(shè)備，制定儀器簡明操作流程；對大型貴重的儀器進行操作視頻的錄制工作，詳見圖2。同時，建立實驗室使用的規(guī)章制度、開放制度和預(yù)約登記制度。開發(fā)創(chuàng)建實驗室使用的功能軟件系統(tǒng)，將實驗室信息、儀器信息、規(guī)章制度等內(nèi)容上傳到系統(tǒng)里，便于師生在線查看和使用，為學(xué)生開展綜合性大實驗提供參考和支撐，做到心中有數(shù)、有的放矢，充分發(fā)揮實驗室的資源優(yōu)勢和儀器使用效率。

圖2 流式細(xì)胞儀的結(jié)構(gòu)組成及應(yīng)用

2.2 實驗教師隊伍的建設(shè)與培養(yǎng)

師者，傳道授業(yè)解惑也，學(xué)高為師。在教學(xué)活動中，實驗教師隊伍的培養(yǎng)和建設(shè)至關(guān)重要。教師隊伍的結(jié)構(gòu)組成包括教學(xué)名師、專業(yè)教授、青年教師及實驗技術(shù)人員等為一體的實驗教學(xué)團隊，教學(xué)名師和專業(yè)教授大多數(shù)為國家級、省部級科研及教學(xué)課題的主持者或參與者，能從制高點了解生物技術(shù)專業(yè)的前沿知識和技術(shù)，能對學(xué)生實驗設(shè)計的思路、創(chuàng)新性和可操作性提供專業(yè)的指導(dǎo)意見和建議，而青年教師大多是剛走上工作崗位，朝氣蓬勃有熱情，除了傳播專業(yè)知識外，更有親和力，更能帶動學(xué)生的實驗熱情，與學(xué)生之間的交流更順暢。此外，實驗技術(shù)人員也是不可或缺的一員，在實驗課程開展過程中，從頭到尾全程參與服務(wù)。在實驗課程開展前，組織教學(xué)團隊的成員進行集體備課，教學(xué)名師和教授對青年教師和實驗技術(shù)人員等進行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)經(jīng)驗和教學(xué)方法的指導(dǎo)與分享，提高青年教師的業(yè)務(wù)素養(yǎng)和水平，使其快速成長為教學(xué)骨干，完成“傳—幫—帶”的使命。同時，根據(jù)實驗技術(shù)人員對實驗條件的介紹，團隊成員進行內(nèi)部討論，對實驗室內(nèi)能做什么、怎么做、做成什么做到心中有數(shù)、了如指掌。通過不斷的交流和學(xué)習(xí)，不斷提高教學(xué)團隊成員的知識儲備、業(yè)務(wù)水平、強大的事業(yè)心和責(zé)任感，能夠?qū)⒗碚撝R和實踐課程充分結(jié)合起來，提高實驗教學(xué)的效果。

2.3 教學(xué)手段的多樣化

首先，將“實驗小組長制”引入到教學(xué)活動中。實驗開始前，提前進行實驗分組，每組5～7 人，分割成不同的小班級模塊，選拔責(zé)任心強、樂于助人、動手能力強、有團隊服務(wù)精神的學(xué)生為實驗小組長，組長負(fù)責(zé)召集組員討論實驗內(nèi)容、實驗方案、組員分工等，并積極與實驗老師溝通，進行實驗教室和儀器設(shè)備的預(yù)約、調(diào)試和使用等，在實驗課開展前，提前進入實驗室，進行實驗前準(zhǔn)備工作，包括試劑的配制、儀器的熟悉等，突出學(xué)生的主體地位，樹立學(xué)生的主人翁精神。

其次，加大教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)與使用。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是信息技術(shù)與專業(yè)的整合，利用學(xué)院的多媒體制作系統(tǒng)，自制一些微視頻動畫，將“看不見，摸不著”的枯燥實驗理論視頻化、形象化，幫助學(xué)生更好地理解和掌握實驗原理、概念和實驗操作（見圖3和圖4），也可以從虛擬仿真實驗技術(shù)制作公司定制一些生物技術(shù)專業(yè)相關(guān)的視頻軟件投入到實驗教學(xué)中，豐富和拓寬教學(xué)信息資源庫，做到實體實驗和虛擬實驗有機結(jié)合，充分發(fā)揮虛擬仿真實驗的優(yōu)勢。學(xué)生可根據(jù)自己的需要和時間，有個性化地選擇學(xué)什么、如何學(xué)、怎么學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，提升學(xué)生的知識面，為進入實驗室開展實驗打下良好的基礎(chǔ)。

圖3 等電聚焦電泳原理和圖譜分析過程

圖4 Western B lot的實驗過程及部分實驗操作

最后，引入“翻轉(zhuǎn)課堂”和“PBL”教學(xué)理念。反轉(zhuǎn)教學(xué)也稱為翻轉(zhuǎn)教學(xué)、易位課堂等，是通過大量的信息技術(shù)的輔助，在課前由學(xué)生自行完成知識的傳授，在課堂中，師生互動，答疑解惑來實現(xiàn)知識的內(nèi)化，從而達到更好的教學(xué)效果［6-7］。PBL（Problem Based Learning）教學(xué)模式是1969年由美國神經(jīng)病學(xué)教授Bar-rows 創(chuàng)立的，是一種以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)動機和提高學(xué)生自己解決問題能力為目標(biāo)的教學(xué)法，其教學(xué)理論和經(jīng)驗正逐漸被廣泛接受和采納［8］。兩種教學(xué)理念的引入，改變了學(xué)生在以往實驗過程中，學(xué)生到點上課、到點下課，在課堂中被動地接受知識的輸入，知其然不知所以然，課后很容易淡忘了，導(dǎo)致很多實驗技術(shù)掌握不扎實，在畢業(yè)論文答辯和研究生復(fù)試被問起時一臉茫然。“翻轉(zhuǎn)課堂”和“PBL”教學(xué)法的引入大大提高了實驗教學(xué)的效果，使學(xué)生能夠從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷蒲袉栴}的主動探索，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主講授和分工協(xié)作的能力，由被動填鴨式的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)術(shù)問題的探討，加深了對理論和實驗知識的理解和掌握程度。訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維和獨立解決問題的能力和水平，將課前預(yù)習(xí)、課上學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)充分融合在一起。

2.4 考核階段

與以往實驗課考核不同，在生物技術(shù)專業(yè)大實驗課程的成績評定時，不再局限于實驗報告，而是注重實驗過程的培養(yǎng)。建立以提高學(xué)生綜合素質(zhì)和能力為目標(biāo)的考核評價體系，充分調(diào)動了學(xué)生參與實驗的積極性和主動性。其中，平時成績占30%，包括實驗預(yù)習(xí)、預(yù)習(xí)筆記、出勤情況、組內(nèi)成員交流及師生交流等；實驗方案的設(shè)計占30%，包括設(shè)計內(nèi)容、技術(shù)路線、表述方式是否準(zhǔn)確等；實驗成績占40%，包括實驗操作、實驗報告、實驗參與度、儀器使用熟練程度等。其中，實驗報告的撰寫方面，要求學(xué)生按照科技論文寫作的模式進行，包括題目、摘要、關(guān)鍵詞、實驗材料與方法、實驗步驟、實驗結(jié)果、實驗現(xiàn)象的分析和討論等，使學(xué)生能提前了解論文的撰寫格式，為將來畢業(yè)論文的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

3 實施效果

經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐證明，生物技術(shù)專業(yè)綜合大實驗課程的開設(shè)，在培養(yǎng)學(xué)生常規(guī)實驗操作技能的同時，大大提高了學(xué)生自主設(shè)計和開發(fā)綜合性、復(fù)雜性實驗項目的能力和水平。在實驗過程中，每名學(xué)生都能發(fā)揮主人翁意識，做到小組團隊成員之間相互協(xié)作、共同成長、共同進步。這種以“項目”為導(dǎo)向的綜合大實驗的開展，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴季S、科研態(tài)度，提升了分析問題與解決問題的能力，學(xué)生評價生物技術(shù)綜合大實驗課程的設(shè)置，讓他們學(xué)到的知識體系內(nèi)容更加完整、拓展了知識面，開闊了眼界，為今后從事相關(guān)專業(yè)的工作打下了基礎(chǔ)。