分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程案例教學(xué)法應(yīng)用研究

摘 要 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是分子生物學(xué)理論課程的重要補(bǔ)充，對(duì)于深化學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)基礎(chǔ)理論的理解以及推動(dòng)相關(guān)研究至關(guān)重要。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式側(cè)重于對(duì)實(shí)驗(yàn)基本操作能力的培養(yǎng)，在培養(yǎng)學(xué)生的明辨性思維和創(chuàng)新意識(shí)方面存在不足。在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中引入科學(xué)史相關(guān)案例教學(xué)法，并采用啟發(fā)式教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生積極參與討論，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的明辨性思維和創(chuàng)新意識(shí)，也有助于實(shí)現(xiàn)課程的思政教育目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)；案例教學(xué)法；科學(xué)史；微課；課程思政；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）20-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.141

1 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革概況

分子生物學(xué)是當(dāng)今生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最快的學(xué)科之一，其研究方法與技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)的諸多分支學(xué)科。分子生物學(xué)作為一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，掌握分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本原理、主要操作步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，了解這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)在相關(guān)研究中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于真正掌握分子生物學(xué)基本理論以及開展分子生物學(xué)后續(xù)研究至關(guān)重要。

不同高校由于辦學(xué)條件相差較大，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)在項(xiàng)目安排和內(nèi)容設(shè)置上也會(huì)有較大的差異。隨著教育信息技術(shù)的快速發(fā)展，線上線下混合式教學(xué)模式的應(yīng)用日趨廣泛。以中國大學(xué)MOOC平臺(tái)為例，其“分子生物實(shí)驗(yàn)”模塊上線了北京師范大學(xué)、廈門大學(xué)的國家精品課和中山大學(xué)、中南大學(xué)、蘭州大學(xué)的相關(guān)課程，課程內(nèi)容包括理論講解、操作視頻、拓展學(xué)習(xí)和單元測(cè)試等，可以使學(xué)習(xí)者較好地掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)的基本操作技能。教師也可以借助優(yōu)勢(shì)的共享課資源，構(gòu)建更為靈活的課程學(xué)習(xí)與評(píng)價(jià)模式。

除此之外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用也成為分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充。在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)上，浙江大學(xué)的“模式植物擬南芥CRISPR/Cas9基因編輯”、青海大學(xué)的“抗逆基因的分離克隆與表達(dá)分析”、吉林大學(xué)的“古生物骨骼痕量DNA提取”、云南大學(xué)的“基于DNA分子技術(shù)重建植物的進(jìn)化歷史”等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)均可模擬實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)中較難完成的實(shí)驗(yàn)過程。一些較為簡(jiǎn)單的虛擬實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)也可用于實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)，幫助學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能[1]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐步成熟和平臺(tái)共享機(jī)制的日益完善，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有望在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮更為積極的作用。

2 微課與案例教學(xué)法

傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要側(cè)重于對(duì)實(shí)驗(yàn)基本操作能力的培養(yǎng)，但是“滿堂灌”的教學(xué)模式很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如果只是要求學(xué)生按照課本的步驟進(jìn)行操作，學(xué)生知其然不知其所以然，既無法提高實(shí)驗(yàn)技能，也無法加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。如果對(duì)教學(xué)模式進(jìn)行改革，采取“微課—翻轉(zhuǎn)課堂”模式，則可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，幫助他們切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)技能[2]。

在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的微課設(shè)計(jì)方面，除了實(shí)驗(yàn)的基本原理和操作之外，也可以適當(dāng)添加一些科學(xué)史內(nèi)容。在分子生物學(xué)發(fā)展過程中，出現(xiàn)過許多意味深長(zhǎng)的科學(xué)事件，對(duì)于本學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。但是在課堂教學(xué)中，出于學(xué)時(shí)數(shù)的限制，教師往往只是簡(jiǎn)單地介紹結(jié)論，而無法深入介紹結(jié)論的由來，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)相關(guān)機(jī)制的掌握過于膚淺，不利于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)[3]。

案例教學(xué)法（Case Based Learning，CBL）是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，通過在教學(xué)過程中引入相關(guān)案例，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)案例進(jìn)行思考、分析與討論，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)象中提煉問題、全方位分析問題和有效解決問題的綜合能力[4]。案例教學(xué)法起初多被用于法學(xué)教學(xué)，后逐漸應(yīng)用于其他學(xué)科。

在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，PCR擴(kuò)增、感受態(tài)細(xì)胞的制備、質(zhì)粒的酶切、外源DNA片段的連接等環(huán)節(jié)均耗時(shí)較長(zhǎng)，等待時(shí)間較多。教師可將科學(xué)史上的經(jīng)典研究案例加以總結(jié)提煉并設(shè)計(jì)為微課，引導(dǎo)學(xué)生積極討論，對(duì)于學(xué)生明辨性思維和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)都有很大的幫助。

3 課程思政實(shí)踐

課程思政是近年來高校課程教學(xué)改革的重要方向之一，是將德育貫穿課堂教學(xué)過程，在傳授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，以潤(rùn)物無聲的方式提升學(xué)生的思想政治素養(yǎng)。在具體教學(xué)實(shí)踐中，由于分子生物學(xué)內(nèi)容較為抽象難懂，學(xué)習(xí)難度較大，如果思政元素的融入過于生硬，容易造成片面說教的刻板印象，不利于增強(qiáng)教學(xué)效果。課程思政不同于思政課程之處在于，不是每一個(gè)專業(yè)知識(shí)點(diǎn)都適合做融入點(diǎn)，需要教師仔細(xì)思考、精心挑選，才能引起學(xué)生的情感

共鳴[5]。

在此情況下，有些學(xué)校采取更為靈活的教學(xué)方式。例如：贛南醫(yī)學(xué)院將課程思政顯性教育與隱性教育相結(jié)合，構(gòu)建起靈活的第二課堂與競(jìng)賽體系，采用課程思政微課視頻大賽、生物化學(xué)歌曲大賽等形式，鼓勵(lì)學(xué)生自主發(fā)掘課程中的思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷與科研精神等[5]。在理論課教學(xué)過程中也可以借助科學(xué)史上的相關(guān)案例，更好地實(shí)現(xiàn)課程思政內(nèi)容的融入，在調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也有助于思政教育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 教學(xué)案例設(shè)計(jì)與實(shí)踐

4.1 綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)及表達(dá)模式的解析

4.1.1 教學(xué)案例

綠色熒光蛋白（green fluorescent protein， GFP）是在水母中發(fā)現(xiàn)的一種蛋白質(zhì)，在藍(lán)色波長(zhǎng)范圍的光線激發(fā)下會(huì)發(fā)出綠色的熒光。通過分子生物學(xué)技術(shù)，綠色熒光蛋白基因可以與其他蛋白融合，使細(xì)胞中不可見的蛋白變得可見，進(jìn)而可以精確觀測(cè)蛋白質(zhì)的活動(dòng)。綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)及其相關(guān)研究斬獲了2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，參與其中的科學(xué)家的探索之旅堪稱科學(xué)史上的一段傳奇佳話。

4.1.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

綠色熒光蛋白的發(fā)現(xiàn)及其后的研究歷時(shí)數(shù)十年，其中經(jīng)歷了分子生物學(xué)技術(shù)的興起和高速發(fā)展時(shí)期。對(duì)于相關(guān)重要技術(shù)的原理和步驟的單純講解往往較為枯燥，但是結(jié)合實(shí)際應(yīng)用就會(huì)讓學(xué)生更好地理解其中的科學(xué)性和實(shí)用性，從而掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的巧妙之處。通過描述案例中問題產(chǎn)生的具體過程，使學(xué)生對(duì)科研過程中可能遇到的問題產(chǎn)生直觀印象；其后可通過小組討論的方式，讓學(xué)生更好地思考解決問題的種種方案及其利弊。在整個(gè)教學(xué)過程中，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，可以取得更好的教學(xué)效果。

4.1.3 課程思政

1）提倡不畏艱難、勇于創(chuàng)新的科研精神。在綠色熒光蛋白研究的早期階段，研究人員需要從水母中分離獲取純化后的熒光蛋白。由于水母中熒光蛋白含量極低，純化過程的工作量極大且結(jié)果無法預(yù)期，來自日本的學(xué)者下村修通過12年的不懈努力，終于純化出GFP的結(jié)晶。而想要進(jìn)一步研究GFP的發(fā)光機(jī)理，預(yù)計(jì)還需要消耗100毫克的GFP。但是下村修每年夏天打撈的4萬多只水母中只能純化出20毫克的GFP。于是他又通過連續(xù)五年的積累，直到1979年才初步鑒定了GFP的熒光生色團(tuán)。下村修的研究過程生動(dòng)地體現(xiàn)了不畏艱難、勇于創(chuàng)新的科研精神，可以讓學(xué)生真切感受到科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性、踏實(shí)性、規(guī)范性，有助于培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、追求真理、探索創(chuàng)造的科學(xué)精神。

2）理解科學(xué)研究的競(jìng)爭(zhēng)性和實(shí)效性。在綠色熒光蛋白的研究過程中，當(dāng)研究者普瑞舍克隆出GFP的cDNA并將之導(dǎo)入大腸桿菌中表達(dá)時(shí)，并沒有能在顯微鏡下觀察到熒光。導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的原因可能是什么呢？普瑞舍最終放棄繼續(xù)研究的理論依據(jù)是什么？而后續(xù)查爾菲實(shí)驗(yàn)室又是通過什么技術(shù)使得大腸桿菌發(fā)出了熒光呢？通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的討論，可以讓學(xué)生更好地理解科學(xué)研究的競(jìng)爭(zhēng)性和實(shí)效性，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力。

3）樹立正確的人生觀和價(jià)值觀。因?yàn)榫G色熒光蛋白作為研究工具的重要性，2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予下村修、查爾菲和錢永健三人。還有一位重要的研究人員普瑞舍，他在克隆出綠色熒光蛋白的基因之后因申請(qǐng)不到更多的經(jīng)費(fèi)而放棄了后續(xù)研究，由于諾貝爾獎(jiǎng)的人數(shù)限制而未能獲獎(jiǎng)。現(xiàn)今的科學(xué)研究已經(jīng)越來越像一項(xiàng)系統(tǒng)工程，任何突破都是很多人為之努力的結(jié)果。綠色熒光蛋白的研究過程中也有許多普通研究者貢獻(xiàn)了自己的努力和智慧，他們同樣是在為人類的科技殿堂添磚加瓦，同樣值得敬仰和學(xué)習(xí)。

4.2 基因編輯技術(shù)的發(fā)展

4.2.1 教學(xué)案例

基因編輯技術(shù)是現(xiàn)今最重要的生物技術(shù)之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種生物的基因功能檢測(cè)和遺傳改良。其中，CRISPR-Cas9技術(shù)可以通過識(shí)別和精確地切割DNA序列來編輯基因，從而實(shí)現(xiàn)基因片段的精確編輯、添加或刪除，具有成本低、操作簡(jiǎn)便、快捷高效等優(yōu)點(diǎn)，為生命科學(xué)領(lǐng)域帶來巨大變革。2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予對(duì)CRISPR-Cas9的發(fā)展和應(yīng)用作出重要貢獻(xiàn)的卡彭蒂耶和杜德納兩位科學(xué)家。

4.2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)

幾千年來，人類一直在嘗試對(duì)生物性狀進(jìn)行定向改良，包括目的性狀的定向選擇、雜交、定向誘變、倍性育種、轉(zhuǎn)基因等。通過自主查找資料和小組討論的方式，學(xué)生可以對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)有較為明確的認(rèn)知。通過對(duì)轉(zhuǎn)基因黃河鯉魚和基因編輯嬰兒事件的討論，學(xué)生可以加深對(duì)于學(xué)術(shù)規(guī)范與學(xué)術(shù)倫理的認(rèn)識(shí)。

4.2.3 課程思政

1）嘗試多角度考慮問題，培養(yǎng)辯證思維能力。2023年12月25日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布公告，10個(gè)轉(zhuǎn)基因大豆品種和37個(gè)轉(zhuǎn)基因玉米品種獲得生產(chǎn)經(jīng)營許可證，這意味著從2024年開始，轉(zhuǎn)基因大豆和玉米可以在我國商業(yè)化種植。分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展大大加快了農(nóng)作物的選育過程。1991年，朱作言院士團(tuán)隊(duì)將草魚的生長(zhǎng)激素基因?qū)朦S河鯉魚基因組，開發(fā)出擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因鯉魚，在同等養(yǎng)殖條件下可以縮短一半的養(yǎng)殖周期，大大降低養(yǎng)殖成本。但是，轉(zhuǎn)基因生物體的安全性一直是備受爭(zhēng)議的話題之一。作為遺傳修飾生物體，轉(zhuǎn)基因鯉魚的上市需要經(jīng)過漫長(zhǎng)的試驗(yàn)和審批過程，才能進(jìn)入環(huán)境釋放階段；通過這一關(guān)后，還需要進(jìn)行生產(chǎn)性養(yǎng)殖試驗(yàn)才能拿到安全證書，其后還需要申請(qǐng)品種認(rèn)定才能上市。2012年，美國批準(zhǔn)轉(zhuǎn)基因大西洋鮭魚上市，但是我國的轉(zhuǎn)基因鯉魚至今還沒有上市。通過這一事例，可以引導(dǎo)學(xué)生展開討論，嘗試從資源、環(huán)境、市場(chǎng)等角度考慮問題，從生物安全與糧食安全等不同方面進(jìn)行轉(zhuǎn)基因生物體的利弊分析。

2）了解學(xué)術(shù)規(guī)范，遵守科學(xué)道德和學(xué)術(shù)倫理。2018年11月，南方科技大學(xué)的賀建奎團(tuán)隊(duì)宣布，兩名基因被編輯過、能夠?qū)Π滩∶庖叩呐畫肼堵逗湍饶仍谥袊錾?。世界首例基因編輯嬰兒的誕生迅速成為輿論焦點(diǎn)并引發(fā)公眾的廣泛關(guān)注，最終，賀建奎被判處有期徒刑三年，并處罰金人民幣300萬元。通過引導(dǎo)學(xué)生對(duì)此事件進(jìn)行討論，可以幫助學(xué)生樹立正確的職業(yè)道德觀，使學(xué)生牢記以創(chuàng)新性科研工作推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和人類進(jìn)步的同時(shí)，必須遵守科學(xué)道德和學(xué)術(shù)倫理規(guī)范以及相關(guān)國際規(guī)則。在實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束之后也可增設(shè)主題為“基因編輯之我見”的課后作業(yè)并通過學(xué)生互評(píng)，篩選學(xué)生喜愛的小文章發(fā)布到雨課堂班級(jí)群，并以此作為成績(jī)考核加分項(xiàng)[6]。

5 結(jié)束語

在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過經(jīng)典案例的講述與分析，既可以讓學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理，也可以讓學(xué)生看到問題提出、探索與解決的全過程，有效提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。思政元素的融入不僅可以使理論知識(shí)變得更加有吸引力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以幫助學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，從而達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生綜合素質(zhì)的目的[7]。在整個(gè)教學(xué)過程中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)需要密切配合，每一位教師都要深入挖掘相關(guān)的教學(xué)案例，將鮮活的事例與課程內(nèi)容緊密結(jié)合，提高課程教學(xué)的學(xué)術(shù)思維水平；也要通過合適的教學(xué)手段調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，創(chuàng)造和諧的教學(xué)氛圍，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的效果。

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*項(xiàng)目來源：山東省本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目“海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略背景下海洋科學(xué)‘專業(yè)思政’體系融入專業(yè)教育全過程育人模式的研究與實(shí)踐”（No.M2021124）；煙臺(tái)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“《分子生物學(xué)》整體課程設(shè)計(jì)創(chuàng)新與教學(xué)初探”（No.jyxm2022006）。

作者簡(jiǎn)介：柳瑩，講師。