路志群， 王兆慧， 鄧自發(fā)， 葉 輝

(南通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南通 226019)

合成生物學(xué)課程的本科生教學(xué)方法改革

路志群， 王兆慧， 鄧自發(fā)， 葉 輝

(南通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇南通 226019)

摘要合成生物學(xué)作為新的分支學(xué)科帶來(lái)了很多新的研究理念，同時(shí)在應(yīng)用上具備很大的應(yīng)用潛力。由于興起時(shí)間不長(zhǎng)和發(fā)展迅速，目前國(guó)內(nèi)可供參考的教材和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不多?？偨Y(jié)近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，嘗試在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、師生互動(dòng)環(huán)節(jié)和案例教學(xué)等方面進(jìn)行教學(xué)改革，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞合成生物學(xué)；本科生教學(xué)；教學(xué)改革

合成生物學(xué)(SyntheticBiology)是21世紀(jì)初剛剛興起的一門新鮮交叉學(xué)科，它將生物學(xué)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)緊密結(jié)合在一起，目的在于設(shè)計(jì)和構(gòu)建具備新的生物學(xué)功能的生物基因組和系統(tǒng)[1]。這門學(xué)科雖然興起時(shí)間不長(zhǎng)，但發(fā)展迅速，其理論研究和應(yīng)用潛力已逐漸凸顯出來(lái)。目前高校中面向本科生開(kāi)設(shè)這門課程的不多。作為生物工程專業(yè)的教師，筆者認(rèn)為將合成生物學(xué)作為生物技術(shù)、生物工程、生物科學(xué)等專業(yè)高年級(jí)本科生的一門選修課，面向他們介紹這門學(xué)科的理念、方法和應(yīng)用等很有必要。筆者總結(jié)近幾年在這門學(xué)科中的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，主要有以下幾點(diǎn)。

1精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，凸顯主題，便于學(xué)生理解接受

鑒于合成生物學(xué)的學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)，目前能夠采用的教材很少，國(guó)內(nèi)出版的只有宋凱等編著的《合成生物學(xué)導(dǎo)論》和張今等編著的《合成生物學(xué)與合成酶學(xué)》兩本教材。作為一門專業(yè)選修課，主要目的在于拓寬學(xué)生的知識(shí)面，挖掘?qū)W生對(duì)于生命科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的興趣。鑒于本課程規(guī)定的課時(shí)有限(32學(xué)時(shí))，而學(xué)科發(fā)展的速度極快，在具體教學(xué)過(guò)程中，在選用《合成生物學(xué)導(dǎo)論》作為教材的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓寬了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。

考慮到教學(xué)對(duì)象為生物工程專業(yè)的大三學(xué)生，在教學(xué)章節(jié)及內(nèi)容上采用了主題鮮明的分段式設(shè)計(jì)。該課程的具體講授內(nèi)容和學(xué)時(shí)分配見(jiàn)表1。

在具體講授過(guò)程中，第一章沿用通常的課程教學(xué)方案，詳細(xì)介紹合成生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展歷程、研究?jī)?nèi)容及重大意義。在講解合成生物學(xué)中最主要的“模塊”、“遺傳網(wǎng)絡(luò)”和“基因組”的改造時(shí)，按照講解對(duì)象由小到大的順序進(jìn)行，以理論概念為基礎(chǔ)，結(jié)合具體參考文獻(xiàn)講解，合理分配不同的課時(shí)。在講授第五章合成生物學(xué)方法時(shí)，聯(lián)系前面各章中提到的不同實(shí)例講解具體如何實(shí)現(xiàn)其生物合成的問(wèn)題。在第六章中，通過(guò)講授合成生物學(xué)可能帶來(lái)的倫理問(wèn)題，與相關(guān)學(xué)科進(jìn)行比較，以合成生物學(xué)領(lǐng)域著名科學(xué)家的觀點(diǎn)作總結(jié)。

表1　生物合成學(xué)課程的具體講授內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配

另外，合成生物學(xué)雖然是一門新興學(xué)科，但有一個(gè)很好的學(xué)習(xí)平臺(tái)，即以本科生為主體參與的國(guó)際競(jìng)賽——國(guó)際遺傳工程的機(jī)器設(shè)計(jì)競(jìng)賽(iGEM)。iGEM始于2005年，每年由美國(guó)麻省理工學(xué)院主辦，是合成生物學(xué)領(lǐng)域的最高國(guó)際性學(xué)術(shù)競(jìng)賽[2]。在課程學(xué)習(xí)的最后安排6課時(shí)，和學(xué)生一起互動(dòng)學(xué)習(xí)iGEM競(jìng)賽的獲獎(jiǎng)作品，借此來(lái)完善和鞏固學(xué)生在前期所學(xué)的知識(shí)并加以聯(lián)系應(yīng)用，加深對(duì)合成生物學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容的理解，與國(guó)際最新前沿研究?jī)?nèi)容接軌。

2采用互動(dòng)教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性

在高校教學(xué)中，選修課不被學(xué)生重視可能已成為普遍現(xiàn)象。如何在教學(xué)過(guò)程中既吸引真正感興趣的學(xué)生認(rèn)真聽(tīng)課，又能提高總體的聽(tīng)課效果，達(dá)到既定的教學(xué)目標(biāo)，也是教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該關(guān)注的問(wèn)題。師生互動(dòng)的教學(xué)模式在此可以發(fā)揮重要作用。這種模式以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，在教學(xué)過(guò)程中使學(xué)生主體性得到充分發(fā)揮，師生關(guān)系由傳統(tǒng)的單向知識(shí)傳遞關(guān)系變?yōu)槊裰?、平等、合作的多向信息交流互?dòng)關(guān)系，學(xué)生自主探究和多邊互動(dòng)成為教學(xué)的主要形態(tài)，教師的講授和示范成為畫(huà)龍點(diǎn)睛之舉?；诖?，在部分章節(jié)(如最小基因組、合成生物學(xué)的倫理和iGEM案例等)中采用了以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。由教師在課前提供相關(guān)參考文獻(xiàn)和案例，布置給學(xué)生預(yù)習(xí)并按要求做成課件，在課堂上讓學(xué)生到講臺(tái)上講解自己精心準(zhǔn)備的內(nèi)容。教師坐在臺(tái)下和其他學(xué)生一起學(xué)習(xí)課件的內(nèi)容并參與提問(wèn)和討論。事實(shí)證明，這種互動(dòng)教學(xué)模式相比傳統(tǒng)的單向教學(xué)模式，可以明顯提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。以“最小基因組”內(nèi)容的教學(xué)為例，將全班學(xué)生分成小組學(xué)習(xí)，每組4～6人，課前提供3篇左右的相關(guān)英文綜述，讓學(xué)生以此為基礎(chǔ)，結(jié)合自己查閱的參考文獻(xiàn)，做一個(gè)關(guān)于“最小基因組”的簡(jiǎn)要課件。在課堂上每個(gè)小組選派一名代表上臺(tái)講解最小基因組的概念、研究概況等基礎(chǔ)內(nèi)容，然后由教師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)講解并就“最小基因組”、“底盤生物”和“細(xì)胞工廠”的內(nèi)容進(jìn)行比較，介紹國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展，拓寬和加深學(xué)生對(duì)合成生物學(xué)應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。師生互動(dòng)的教學(xué)模式在這里進(jìn)一步加以改革，發(fā)展為以學(xué)生講解為主，教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)為輔的教學(xué)模式，有效調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，加深了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解。

3通過(guò)案例教學(xué)，理論聯(lián)系實(shí)際，加深學(xué)生對(duì)主要知識(shí)點(diǎn)的理解

案例教學(xué)作為一種有效的教學(xué)手段廣泛應(yīng)用于很多學(xué)科的教學(xué)。任何枯燥的知識(shí)點(diǎn)如果配以生動(dòng)的案例進(jìn)行講解，一方面可以加深學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的理解，另一方面，成功的應(yīng)用案例對(duì)于學(xué)生具有很強(qiáng)的說(shuō)服力，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因?yàn)閕GEM的所有參賽獲獎(jiǎng)作品都可以在網(wǎng)絡(luò)上下載獲得，所以在課程教學(xué)的最后環(huán)節(jié)安排6學(xué)時(shí)讓學(xué)生自主選擇iGEM案例講解，通過(guò)對(duì)不同實(shí)例的分析，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)“模塊組裝和用于特定目的”的理解。如在“遺傳網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)”教學(xué)過(guò)程中，講解具體的經(jīng)典案例，例如Ro等人關(guān)于青蒿酸合成途徑改造后將相關(guān)基因植入釀酒酵母體內(nèi)用于抗瘧藥青蒿素的前體物質(zhì)青蒿酸的生產(chǎn)[3],Ajikumar等人改造紫杉二烯合成途徑后利用大腸桿菌來(lái)生產(chǎn)[4]，Atsumi等人關(guān)于氨基酸途徑改造用于生物丁醇生產(chǎn)[5]，結(jié)合之前所學(xué)的《微生物遺傳育種學(xué)》等課程，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科研發(fā)展歷程的連續(xù)性以及新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、弱點(diǎn)和應(yīng)用潛力，促進(jìn)生物工程專業(yè)學(xué)生對(duì)本領(lǐng)域知識(shí)的深入理解。

除了上述教學(xué)方法，在教學(xué)過(guò)程中還采用其他一些小的技巧幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效果。如把最后一節(jié)課安排成氣氛活躍的交流課，請(qǐng)學(xué)生回憶講述過(guò)的知識(shí)；在考試過(guò)程中安排回顧性題目等。這些方式都可以很好地幫助學(xué)生掌握課程教學(xué)內(nèi)容。

通過(guò)以上幾種教學(xué)方法的靈活運(yùn)用，使學(xué)生將復(fù)雜抽象的理論知識(shí)與具體生動(dòng)的實(shí)踐應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，在深刻理解的基礎(chǔ)上構(gòu)建脈絡(luò)清晰的知識(shí)體系，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力與綜合素質(zhì)，有力提升了學(xué)生就業(yè)時(shí)的專業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]宋凱.合成生物學(xué)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社,2010：2-5.

[2]洪泂,羅昭峰，梁志，等.高水平國(guó)際學(xué)術(shù)競(jìng)賽在大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中的作用[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究(電子版),2012,2(2)：60-64.

[3]DIETRICHJA,YOSHIKUNIY,FISHERKJ,etal.Anovelsemibiosyntheticrouteforartemisininproductionusingengineeredsubstrate-promiscuousP450(BM3)[J].ACSChemBiol,2009,4(4):261-267

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[5]ATSUMIS,HANAIT,LIAOJC.Non-fermentativepathwaysforsynthesisofbranched-chainhigheralcoholsasbiofuels[J].Nature,2008,451(7174):86-89.

中圖分類號(hào)S-01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2015)30-378-02

基金項(xiàng)目江蘇省“十二五”重點(diǎn)專業(yè)建設(shè)(生物科學(xué)類)項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介路志群(1981- )，男，江蘇常州人，講師，博士，從事微生物合成生物學(xué)研究。

收稿日期2015-09-28

ReformofTeachingMethodsofUndergraduateStudentsofSyntheticBiologyCourse

LUZhi-qun,WANGZhao-hui,DENGZi-faetal(SchoolofLifeSciences,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019)

AbstractAs a new subfield of life science,Synthetic Biology combines knowledge from various disciplines and have huge applications.During the past decade,Synthetic Biology developed rapidly but few teaching materials and experience can be learned.We try here to conduct several teaching innovation in several areas such as contents of courses,communication between teachers and students and case teaching by experience concluded recent years in order to improve students to learn knowledge,give them more learning initiative and finally achieved good teaching results.

Key wordsSynthetic Biology; Undergraduates teaching; Teaching reform