郜 剛,李 卉,智艷平,薛 珍

(山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000)

基因工程實驗課程改革探析與實踐

郜 剛,李 卉,智艷平,薛 珍

(山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000)

基因工程技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)中發(fā)展最迅速的核心技術(shù)，它的主要貢獻(xiàn)是為社會提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，為人類提供社會服務(wù)。相關(guān)實驗課程的完成質(zhì)量對該技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，但是，目前基因工程實驗課程教學(xué)存在許多問題。例如：教學(xué)經(jīng)費投入不足；教學(xué)內(nèi)容老化；實驗難度大、周期長；學(xué)生自主實驗的積極性不高以及缺乏貼近行業(yè)的創(chuàng)新性實驗項目等。因此，其改革方向為：加強實驗室建設(shè), 增加教學(xué)投入；加強師資培訓(xùn), 提高教師業(yè)務(wù)素質(zhì)；更新實驗內(nèi)容、調(diào)整實驗結(jié)構(gòu)；改革教學(xué)方式；實驗教學(xué)應(yīng)與科研實踐、畢業(yè)設(shè)計相結(jié)合以及更新考核方式等。通過改革探析與實踐，基因工程實驗教學(xué)課程改革在科研，考研和畢業(yè)生實習(xí)等方面取得較大進(jìn)展。

生物技術(shù)；基因工程；實驗教學(xué)；課程改革

生物技術(shù)、信息技術(shù)和新材料技術(shù)是世界許多國家的三大重要技術(shù)，其中生物技術(shù)又可以分為傳統(tǒng)生物技術(shù)、工業(yè)生物發(fā)酵技術(shù)和現(xiàn)代生物技術(shù)三類，現(xiàn)在人們常說的生物技術(shù)實際上就是現(xiàn)代生物技術(shù)?，F(xiàn)代生物技術(shù)包括基因工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程這五大工程技術(shù)，其中基因工程技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)中最吸引人、最重要和發(fā)展最迅速的核心技術(shù)[1]?；蚬こ碳夹g(shù)是獲取、整理、破譯、編輯和表達(dá)生物體內(nèi)遺傳信息的一種核心技術(shù)，以細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的基本理論體系為指導(dǎo)，在基因的分離克隆、基因表達(dá)調(diào)控機制的詮釋、基因編碼產(chǎn)物的產(chǎn)業(yè)化及生物遺傳性狀的改良等方面顯示出極高的實用價值。作為20 世紀(jì)生命科學(xué)最輝煌的成就之一，誕生于70 年代初的基因工程技術(shù)正在以日益加快的步伐驅(qū)動著人類社會生活方式的重大變革[2]。

基因工程的主要貢獻(xiàn)是為社會提供了大量優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，為人類提供治理環(huán)境、臨床診斷、基因治療和改良農(nóng)作物品種等社會服務(wù)[3]。在環(huán)境保護(hù)方面，基于基因工程的DNA 探針能夠檢測環(huán)境中的病毒、細(xì)菌等污染；“超級細(xì)菌”能吞食和分解多種污染環(huán)境的物質(zhì)。在醫(yī)藥衛(wèi)生方面表現(xiàn)為基因工程藥品如：胰島素、干擾素、白細(xì)胞介素等的生產(chǎn)；還表現(xiàn)在基因診斷與基因治療方面。在農(nóng)牧業(yè)、食品工業(yè)上的應(yīng)用是轉(zhuǎn)基因動、植物的生產(chǎn)。在工業(yè)原料生產(chǎn)上的應(yīng)用有轉(zhuǎn)基因微生物生產(chǎn)高分子多聚物、轉(zhuǎn)基因微生物參與環(huán)境凈化和廢料再生?；蚬こ虒嶒炇蔷C合性大學(xué)生物技術(shù)、生物工程專業(yè)和醫(yī)學(xué)、農(nóng)林院校相關(guān)專業(yè)的重要實驗技術(shù)課程，涉及遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、微生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等重要課程的理論知識，在科學(xué)技術(shù)日新月異迅猛發(fā)展的時代，新理論、新技術(shù)層出不窮?；蚬こ碳夹g(shù)正以其巨大的活力展示著驚人的發(fā)展?jié)摿蜆O其廣闊的應(yīng)用前景。

1 基因工程實驗課程教學(xué)存在的問題

山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的生物技術(shù)、生物工程專業(yè)開設(shè)與基因工程、植物基因工程和植物基因表達(dá)調(diào)控等課程相關(guān)的實驗課程。基因工程實驗技術(shù)要求高，要完成相關(guān)實驗需要基因操作技術(shù)、細(xì)胞操作技術(shù)和遺傳學(xué)技術(shù)等多種操作技術(shù)，對學(xué)生提出了很高的要求?；蚬こ虒嶒灧矫娲嬖谠S多不足。

1.1 教學(xué)經(jīng)費投入不足

近年來，基因工程實驗藥品價格迅速上漲，儀器設(shè)備更新很快，加之學(xué)校擴招學(xué)生明顯增加，實驗耗材需求量變大。但是，教學(xué)經(jīng)費投入增加不多，新藥品、新試劑、新儀器等硬件設(shè)施得不到及時補充，這就導(dǎo)致了學(xué)生能夠完成的實驗項目減少、實驗質(zhì)量降低，實驗教學(xué)的具體實施難度增大。

1.2 實驗教學(xué)內(nèi)容老化

基因工程理論和實踐發(fā)展相當(dāng)迅速，許多新技術(shù)日益成熟，而舊的知識理論被引入教材時間過長，實驗內(nèi)容老化，未能及時更新?；蚬こ虒嶒炛笇?dǎo)書目類型不少，但由于基因工程實驗的特殊性，真正適合本科生進(jìn)行實驗的參考書卻很少，而且許多授課教師知識結(jié)構(gòu)老化，教學(xué)模式陳舊，這就導(dǎo)致了實驗教學(xué)與社會發(fā)展脫節(jié)，學(xué)生了解最前沿動態(tài)、學(xué)習(xí)最先進(jìn)技術(shù)的條件受到限制。

1.3 實驗難度大、周期長

基因工程實驗技能的培養(yǎng)，相對于基因工程基礎(chǔ)理論來說是相當(dāng)滯后的，隨著現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對人才的要求，基因工程實驗技能的培養(yǎng)必須提高到新的層次上來。但是，實驗難度大，指導(dǎo)書上可操作性強的實驗內(nèi)容不多，而且由于實驗課時少，在規(guī)定時間內(nèi)完成相關(guān)實驗的可能性減小，這就要求學(xué)生利用課余時間來彌補課上實驗時間的不足，但是學(xué)生的課余時間有限，實驗室使用空間有限，以及課下缺乏專業(yè)的教師指導(dǎo)和嚴(yán)格的管理措施[4]。因此，學(xué)生在短時間內(nèi)完成信息量巨大的基因工程實驗失去保障。

1.4 學(xué)生自主實驗的積極性不高

本科生的基因工程實驗中綜合性和設(shè)計性實驗相對較少，而驗證性實驗占了較大的比重，且實驗之間缺乏聯(lián)系。實驗前教師講述實驗原理、操作步驟、實驗結(jié)果進(jìn)行講述，并將各種試劑、材料都準(zhǔn)備齊全，這就使得學(xué)生在整個實驗教學(xué)過程中只是被動地接受知識，學(xué)生的主體地位沒有突出，也沒有體現(xiàn)師生和生生之間的互動。學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實踐活動的機會減少，該教學(xué)方法不能充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，不能使學(xué)生在實踐中充分鍛煉運用所學(xué)知識的能力。

1.5 缺乏貼近行業(yè)的創(chuàng)新性實驗項目

缺乏針對具體產(chǎn)業(yè)的實驗教學(xué)內(nèi)容，這是許多高校亟待解決的問題。在深化教育改革，培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的今天，教學(xué)型的高校沒有圍繞本地區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)與社會發(fā)展，科研和產(chǎn)業(yè)相脫節(jié)，對培養(yǎng)實用性的人才重視程度不高，忽略學(xué)生職業(yè)技能和行業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)，沒有將培養(yǎng)目標(biāo)定位在適應(yīng)地方經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求上來[5]。這需要在今后的實驗教學(xué)改革過程中不斷地總結(jié)思考，充實完善。

2 基因工程實驗教學(xué)改革方向

為體現(xiàn)生物技術(shù)和生物工程專業(yè)的特色，提升本科實驗教學(xué)水平，適應(yīng)社會特別是研究機構(gòu)以及生物高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)對畢業(yè)生技術(shù)技能掌握程度的要求，山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，在院系各級領(lǐng)導(dǎo)的正確領(lǐng)導(dǎo)下，對基因工程實驗課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段等各個方面進(jìn)行了探索式的改革，推進(jìn)自主式、合作式、探究式的教學(xué)模式[6]，將科研先進(jìn)成果引入教學(xué)，搭建基因工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)與科學(xué)研究的互通平臺，為培養(yǎng)具備綜合能力的生物學(xué)科高素質(zhì)人才提供理論支持。

2.1 加強實驗室建設(shè), 增加實驗教學(xué)投入

本課程主要在我院實驗中心的基因工程實驗室、分子生物學(xué)實驗室、生物技術(shù)實驗室和遺傳學(xué)實驗室進(jìn)行開課，實驗室的建設(shè)、儀器設(shè)備的配置是能否順利開設(shè)實驗課的條件[7]。為此山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院籌集了百萬余元資金，添置了高速冷凍離心機、PCR 基因擴增儀、凝膠成像分析儀、紫外分光光度儀、制冷型恒溫金屬浴、電泳槽和電泳儀等實驗設(shè)備，購置了足量分子生物學(xué)試劑以及移液管和PCR 管等耗材，使本科生能順利完成較為復(fù)雜的實驗項目，如質(zhì)粒DNA 的提取及其定性定量分析、大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞的制備及質(zhì)粒DNA 的轉(zhuǎn)化、植物基因組DNA 的提取和檢測、植物總RNA 的提取、Southern 雜交、PCR 基因擴增及擴增產(chǎn)物的回收以及DNA 的重組等實驗。

2.2 加強師資培訓(xùn), 提高教師業(yè)務(wù)素質(zhì)

近幾年分子生物學(xué)發(fā)展迅速，賦予該學(xué)科更大的內(nèi)涵。學(xué)校組織教師參加培訓(xùn)，指導(dǎo)教師積極參與科研工作，通過科研提高實驗教學(xué)業(yè)務(wù)水平，使實驗教學(xué)深入淺出，達(dá)到教學(xué)和科研相互促進(jìn)共同發(fā)展的目的[8]。實驗教師人數(shù)不足也是導(dǎo)致實驗教學(xué)效果欠佳的一個原因，學(xué)校適當(dāng)安排了具有熟練實驗技能的博士、碩士研究生充實實驗課教師隊伍，使實驗教學(xué)氣象更新，激發(fā)了學(xué)生參與實驗課的興趣與積極性，使實驗教學(xué)取得了比較滿意的效果。

2.3 更新實驗內(nèi)容、調(diào)整實驗結(jié)構(gòu)

本科生的學(xué)習(xí)興趣對學(xué)好基因工程理論和實驗技術(shù)是至關(guān)重要的，我們根據(jù)生物學(xué)學(xué)科的發(fā)展要求，對實驗內(nèi)容和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整來培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[9]，首先，以基本實驗技能訓(xùn)練為基礎(chǔ)，達(dá)到能掌握基因工程最基本的實驗技術(shù)及操作方法；能正確使用儀器設(shè)備、準(zhǔn)確處理實驗數(shù)據(jù)和描述實驗結(jié)果的目的；同時，增加綜合性實驗和設(shè)計性實驗，例如，基于本實驗室的主要研究課題青枯菌誘導(dǎo)的馬鈴薯防衛(wèi)相關(guān)基因克隆與表達(dá)分析，讓學(xué)生完成青枯菌分子分型的綜合創(chuàng)新性實驗研究項目，從DNA的提取、瓊脂糖凝膠電泳檢測、PCR基因擴增以及聚丙烯酰胺凝膠電泳SRAP分析到根據(jù)基因特異性完成聚類分析，整個實驗一脈相承，同時，還可以進(jìn)行擴增產(chǎn)物的回收和DNA 的重組等實驗。另外，質(zhì)粒DNA 的提取及分析、大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞的制備及質(zhì)粒DNA 的轉(zhuǎn)化實驗之間也具有連貫性，這樣就將基因工程實驗中涉及的內(nèi)容整合成一個個整體。其次，補充上述實驗過程中未涉及但屬于大綱要求內(nèi)的實驗項目，例如：植物總RNA 的提取及定性定量分析、酶切、酶連等實驗，使教學(xué)內(nèi)容完整而系統(tǒng)。這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和實事求是的工作作風(fēng)，有利于鍛煉學(xué)生的獨立操作和研究創(chuàng)新能力。

2.4 改革教學(xué)方式

要想達(dá)到較好的教學(xué)效果，應(yīng)采用傳統(tǒng)教學(xué)方式與多媒體教學(xué)方式相結(jié)合的方法，基因工程課程中涉及的概念抽象、理論性強，傳統(tǒng)的教學(xué)方式不能完全滿足基因工程教學(xué)的需要，多媒體教學(xué)能綜合利用文字、聲音和動畫等信息，使學(xué)習(xí)內(nèi)容圖文并茂、栩栩如生，便于學(xué)生理解記憶，使教學(xué)效果事半功倍[10]。教學(xué)實踐中要突出學(xué)生的主體地位，實驗中許多操作步驟復(fù)雜，實驗教學(xué)的準(zhǔn)備過程較長，所以，在教師給出實驗題目后，讓學(xué)生參與實驗教學(xué)的準(zhǔn)備過程，使學(xué)生充分體驗基因工程實驗的各個準(zhǔn)備階段。同時學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料設(shè)計實驗內(nèi)容，提出實驗方案，在學(xué)生設(shè)計實驗方案的過程中，教師用心啟發(fā)，耐心解釋，悉心引導(dǎo)，進(jìn)而設(shè)計出科學(xué)的實驗技術(shù)路線，讓學(xué)生從實驗原理、注意事項、出現(xiàn)的問題和解決方法等方面有一個整體理解和掌握[11]。在基因工程實驗中，其過程重于結(jié)果，它可以使學(xué)生獲得從課本上學(xué)不到的知識和能力，并能使學(xué)生形成完整的科學(xué)研究態(tài)度。

2.5 基因工程實驗教學(xué)與科研實踐、畢業(yè)設(shè)計相結(jié)合

基因工程實驗是對學(xué)生基因工程知識的全面檢驗，將科研中的一些初級問題放入教學(xué)中，例如，在學(xué)生的實驗課程中開設(shè)與該實驗室教師主要研究項目，即馬鈴薯青枯病抗性研究有關(guān)的實驗課題，如：馬鈴薯RNA的提取與質(zhì)量檢測；cDNA的合成；馬鈴薯或青枯菌基因組DNA的提取與檢測；不同品系馬鈴薯及不同小種青枯菌SRAP-PCR多態(tài)性分析等，讓學(xué)生對科學(xué)研究有一個初步認(rèn)識，同時讓學(xué)生參與到教師的科研項目中，這樣既拓寬了視野又開闊了眼界，對相關(guān)理論知識的理解也有所加深，進(jìn)一步增強了他們的學(xué)習(xí)興趣，提高了他們的科學(xué)思維能力。另外，學(xué)生較早地接觸科研項目，對完成自己的畢業(yè)論文奠定了科研基礎(chǔ)。

畢業(yè)論文的撰寫是本科教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，而一篇優(yōu)秀的畢業(yè)論文則需要進(jìn)行嚴(yán)密的實驗，這就對本科生的實驗技能提出了較高的要求。學(xué)校開設(shè)專門的基因工程大實驗課程，能讓學(xué)生真正掌握一套比較完整的基因工程實驗技術(shù)。該實驗安排在暑期進(jìn)行，可以與畢業(yè)設(shè)計很好地銜接起來[12]。由此，基因工程實驗教學(xué)達(dá)到了一個新的層次，學(xué)生具備了較強的基因工程實驗操作能力，能較早進(jìn)入并適應(yīng)實驗室的科研工作。

2.6 更新實驗考核方式

基因工程是一門實踐性、技術(shù)性較強的課程，實驗是基因工程課程的重要組成部分，在實驗過程中應(yīng)嚴(yán)格要求學(xué)生做好實驗原始記錄，要求按照研究論文的格式并結(jié)合傳統(tǒng)實驗報告的格式完成實驗報告。要求學(xué)生利用所學(xué)的基本理論知識，找出實驗結(jié)果存在差異性的原因。同時，鼓勵學(xué)生提出創(chuàng)造性的見解和認(rèn)識，為今后學(xué)生從事科學(xué)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

3 基因工程實驗教學(xué)改革實現(xiàn)成效

通過全面整改，該課程實驗環(huán)境有所改善，教師業(yè)務(wù)素質(zhì)得到提高，教學(xué)方式獲得更新，更加注重基礎(chǔ)技能訓(xùn)練，綜合能力培養(yǎng)和教學(xué)科研相結(jié)合的教學(xué)模式，培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考科研問題并進(jìn)行相關(guān)實驗操作的能力。本改革以山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)和生物工程專業(yè)2009級、2010級和2011級學(xué)生為實施對象，直接受益學(xué)生人數(shù)約為200名/年。

經(jīng)過近三年的實踐，學(xué)生對本門課程學(xué)習(xí)的積極性和主動性提高。一些優(yōu)秀的學(xué)生能夠順利拿到校級創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新基金項目和校級科研基金項目；學(xué)生參加課程組教師相關(guān)科研項目的人數(shù)增加；部分學(xué)生在山西省“挑戰(zhàn)杯”課外科技作品競賽中獲獎；學(xué)生在校期間公開發(fā)表的與課程相關(guān)的學(xué)術(shù)論文篇目增多。實踐還證明，構(gòu)建并實施正確的基因工程實驗教學(xué)體系和培養(yǎng)模式促進(jìn)了考研人數(shù)的增加，考研學(xué)生在復(fù)試中，較強的基因工程實驗操作技能，受到了東北師范大學(xué)、廈門大學(xué)等多所院校教師的肯定。該項改革也為今后的畢業(yè)設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)，畢業(yè)生適應(yīng)工作的時間大大縮短，適應(yīng)能力明顯提高。通過對畢業(yè)生表現(xiàn)的跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在所進(jìn)行的畢業(yè)實習(xí)中，表現(xiàn)出較強的實驗操作能力、組織能力和設(shè)計能力，以及良好的創(chuàng)新精神和合作精神，受到了用人單位的一致好評。此外，經(jīng)過在實踐中不斷地總結(jié)、修改、再總結(jié)，課程組正籌備編寫新的適應(yīng)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)實驗的基因工程實驗技術(shù)課程。

本改革能緊密圍繞學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，采用以學(xué)生為主體、教師主導(dǎo)的教學(xué)方法，教學(xué)內(nèi)容全面且緊跟專業(yè)前沿，改革的思路明確，教學(xué)框架具體，使教師實驗教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)能夠同時順利進(jìn)行。

4 結(jié)束語

我校通過基因工程實驗課程的教學(xué)改革實踐, 增強了學(xué)生的責(zé)任心, 團隊合作意識, 使學(xué)生獲得了從事科研工作的基本能力, 也為本科生畢業(yè)論文的設(shè)計、寫作以及將來從事生命科學(xué)相關(guān)研究打下堅固的基礎(chǔ)。雖然實驗教學(xué)改革取得了一定進(jìn)展，但是基因工程是一項系統(tǒng)的工程，目前還處于不斷摸索階段，相關(guān)部門還需要不斷探索、實踐和總結(jié)，才能把教學(xué)工作開展得有聲有色[13]，才能為國家培養(yǎng)具備高能力和高素質(zhì)，具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，適應(yīng)新時代要求的21世紀(jì)合格人才。

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Analysis and Practice of Genetic Engineering Experiment Curriculum Reformation

GAO Gang, LI Hui, ZHI Yanping, XUE Zhen

(College of Life Science, Shanxi Normal University, Linfen 041000,China)

The genetic engineering technology, which is developing rapidly, is the core of the modern biological technology. Its main contribution is to provide products of high quality for the society and social services for the human. The completion quality of the relevant experimental courses is vital to the development of the technology. But the current teaching exists many problems, such as the insufficient education funds investment， the aging experimental teaching content， difficult experiment with long cycle， the low enthusiasm of students and the lack of the innovative experimental project close to the industry. Therefore, the direction of the reformation is to strengthen the construction of laboratory and increase investment， to reinforce the training and improve teachers’ professional quality， to update the experiment’s content and adjust its structure， to reform the teaching methods， to combine the experiment teaching with scientific research practice and graduation design，and to update experiment’s examination way. Through the analysis and practice of reformation, The genetic engineering experiment teaching course have had larger progress in terms of scientific research, examination of postgraduate and graduation field work.

biological technology; genetic engineering; experimental teaching; course reform

2014-03-06；修改日期: 2014-04-08

山西省高等教育質(zhì)量和水平提升工程教學(xué)項目：地方高師院?！痘蚬こ獭穼嶒灲虒W(xué)體系優(yōu)化研究資助項目(J2012043)。

郜 剛(1971- )，男，博士，教授，研究方向：分子遺傳學(xué)。

G642.423;Q343.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.017