王雪酈　吳遠(yuǎn)根　王春曉　王修俊　羅小葉

摘 要 基因工程與分子生物學(xué)是生物工程專(zhuān)業(yè)的必修課，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著舉足輕重的作用。筆者分析了當(dāng)前基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，從教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容以及成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行改革，通過(guò)新方法、新手段提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性。

關(guān)鍵詞 生物工程 基因工程與分子生物學(xué) 實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.02.047

On the Reform of Gene Engineering and Molecular Biology

Experiment Teaching in Bioengineering Major

WANG Xueli， WU Yuangen， WANG Chunxiao， WANG Xiujun， LUO Xiaoye

（School of Liquor and Food Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025）

Abstract Gene engineering and molecular biology are compulsory courses in bioengineering， among which experimental teaching plays an important role. In this paper， the author analyzes the problems existing in the teaching of gene engineering and molecular biology experiment course， and carries out the reform from the teaching mode， teaching content and performance evaluation system. Through the new methods and new means， the level of experiment teaching is improved， and the students' learning polarity and autonomy are stimulated.

Keywords bioengineering; Gene Engineering and Molecular Biology; experiment; teaching reform

0 引言

生物工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)具有生物學(xué)與工程學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握生物加工過(guò)程相關(guān)科學(xué)原理和技術(shù)的專(zhuān)業(yè)性人才。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，分子生物學(xué)和基因工程分別被納入本科教學(xué)范疇。分子生物學(xué)主要關(guān)注生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能等內(nèi)容，從分子水平出發(fā)闡釋生命活動(dòng)的規(guī)律和過(guò)程，[1]而基因工程更多的是關(guān)注遺傳物質(zhì)（DNA片段），在中心遺傳法則的基礎(chǔ)上利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)DNA的敲除、拼接、重組等過(guò)程。[2]因此，上述兩門(mén)課程不管是內(nèi)容方面，還是技術(shù)手段方面都相互關(guān)聯(lián)，基因工程技術(shù)是對(duì)分子生物學(xué)理論的實(shí)踐，若將分子生物學(xué)和基因工程合并，則有助于學(xué)生對(duì)相關(guān)理論概念的理解和掌握，真正實(shí)現(xiàn)理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證理論的過(guò)程。[3，4]2016年，貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院新版培養(yǎng)方案中將基因工程與分子生物學(xué)兩門(mén)課合并為一門(mén)課——基因工程與分子生物學(xué)。在基因工程與分子生物學(xué)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用不可忽視，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助學(xué)生對(duì)原本抽象的概念有了感性的認(rèn)識(shí)，也是通過(guò)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生掌握現(xiàn)代基因工程的技術(shù)手段，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。[5]然而，相對(duì)于其他實(shí)驗(yàn)學(xué)科而言，基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用多，而且大部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只能在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)才能觀察到，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量難以得到保障。

1 基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的不足

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多高校已掀起一場(chǎng)基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的熱潮，雖取得了一定成果，但因受限于傳統(tǒng)教學(xué)模式，導(dǎo)致大批學(xué)生無(wú)法獨(dú)立完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，甚至無(wú)法理解實(shí)驗(yàn)的目的和原理。經(jīng)系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下幾點(diǎn)不足：

（1）教學(xué)模式較為單一。傳統(tǒng)的基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)因受耗材費(fèi)用高、儀器設(shè)備人均臺(tái)套數(shù)較少等影響，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍是以教師為中心，學(xué)生“照葫蘆畫(huà)瓢”的參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)完成“規(guī)定動(dòng)作”。該種教學(xué)模式不僅不能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和自主意識(shí)，還極易導(dǎo)致出現(xiàn)一人操作多人圍觀的現(xiàn)象，尤其在考核形式單一的背景環(huán)境下更容易影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（2）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目零散，缺少綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。據(jù)報(bào)道，目前生物工程專(zhuān)業(yè)基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：質(zhì)粒提取，瓊脂糖凝膠電泳，感受態(tài)細(xì)胞制備，PCR 技術(shù)、轉(zhuǎn)化子的篩選等。上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生常規(guī)的基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，但難以在思想上幫助學(xué)生們構(gòu)建成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的完整體系。更重要的是，大部分基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)偏少，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，無(wú)法從根本上調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（3）考核形式單一，注重實(shí)驗(yàn)過(guò)程忽略分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。大部分實(shí)驗(yàn)成績(jī)憑借實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況和出勤率，該種考核方式不僅不能反映學(xué)生的真實(shí)水平，也不利于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)僅能判斷學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和方法的掌握程度，但是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力卻無(wú)從考證。

2 基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院一直非常重視實(shí)踐教學(xué)在理論教學(xué)中的比例，自基因工程與分子生物學(xué)課程開(kāi)設(shè)以來(lái)，在整體學(xué)時(shí)縮減的情況下仍保證了一定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)。針對(duì)上述分析中的不足，筆者以滿(mǎn)足知識(shí)、能力、素質(zhì)三個(gè)層次的目標(biāo)為導(dǎo)向，整合原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遵循從基礎(chǔ)技術(shù)的培養(yǎng)到綜合能力的提升，旨在學(xué)生掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，根據(jù)常規(guī)基因工程與分子生物學(xué)技術(shù)路線(xiàn)構(gòu)建綜合性實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解當(dāng)代分子生物學(xué)和基因工程實(shí)驗(yàn)思路。

2.1 教學(xué)方法的多樣化

（1）微視頻：通過(guò)自制微視頻中的動(dòng)畫(huà)，將枯燥的基因工程與分子生物學(xué)的基本概念和原理以及復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)步驟通過(guò)聲音、圖像、動(dòng)畫(huà)的形式來(lái)展現(xiàn)。

（2）知識(shí)大講堂：每月1次的基因工程與分子生物學(xué)大講堂則是邀請(qǐng)本院教師進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，以講座的形式從研究背景、關(guān)鍵問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和論證、實(shí)驗(yàn)過(guò)程等環(huán)節(jié)深入淺出的向本科生展示他們的研究成果，開(kāi)拓學(xué)生的知識(shí)視野，及時(shí)更新學(xué)生的知識(shí)體系，提高學(xué)生密切關(guān)注學(xué)術(shù)前沿的意識(shí)。

（3）教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，借助學(xué)院的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，建立基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。該平臺(tái)中提供的虛擬仿真軟件可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的熟悉程度，避免實(shí)驗(yàn)耗材的浪費(fèi)，除此之外可以利用此教學(xué)平臺(tái)指導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)中得到的PCR測(cè)序結(jié)果在NCBI上進(jìn)行比對(duì)并用Mega軟件構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)，補(bǔ)充完善與基因工程和分子生物學(xué)息息相關(guān)的生物信息學(xué)相關(guān)知識(shí)。

2.2 教學(xué)內(nèi)容的層次化

改革后的基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)主要有兩部分組成，第一部分是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)，第二部分是提升型的綜合性實(shí)驗(yàn)。前者是培養(yǎng)學(xué)生基因與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的基本技術(shù)，如：基因組 DNA 的提取、質(zhì)粒 DNA的提取、DNA 濃度的測(cè)定、PCR 基因擴(kuò)增、瓊脂糖凝膠電泳等，后者是利用綜合實(shí)驗(yàn)，引入項(xiàng)目管理的模式，培養(yǎng)學(xué)生形成系統(tǒng)的、完整的實(shí)驗(yàn)思路。所謂項(xiàng)目來(lái)自于我院教師承擔(dān)的各類(lèi)項(xiàng)目，其中涉及國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大研發(fā)項(xiàng)目、貴州省科技支撐計(jì)劃以及各類(lèi)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目，如“葡萄酒釀酒酵母基因工程菌的構(gòu)建”等。在對(duì)學(xué)生進(jìn)行基本實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)后，將學(xué)生4～5 人分為一組，待學(xué)生完成文獻(xiàn)查閱—方案制定—討論交流—方案修訂等流程后，讓學(xué)生自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)過(guò)程。綜合性實(shí)驗(yàn)以教師承擔(dān)的課題為依托，巧妙地將基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)與項(xiàng)目背景和意義結(jié)合起來(lái)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需包含3個(gè)目標(biāo)：第一，幫助學(xué)生掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作;第二，引導(dǎo)學(xué)生了解基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)常規(guī)路線(xiàn)設(shè)計(jì);第三，培養(yǎng)學(xué)生“項(xiàng)目邏輯思維”，讓學(xué)生參與到實(shí)際的科研工作中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也培養(yǎng)學(xué)生從事科研的興趣，不再認(rèn)為基因工程與分子生物學(xué)是“摸不著”的高科技，為今后的學(xué)習(xí)和科研創(chuàng)新工作打下良好和扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2.3 成績(jī)?cè)u(píng)定的多元化

實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定不再采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告“一錘定音”的模式，而更多關(guān)注學(xué)生主觀能動(dòng)部分的收獲。如綜合性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理的方法，而在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)中則關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性，團(tuán)隊(duì)合作能力。本次改革在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)方面也提出了新要求：第一，在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告中，以問(wèn)題的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線(xiàn)圖的繪制，幫助學(xué)生強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的邏輯性，找到影響實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，也避免學(xué)生出現(xiàn)直接“照抄實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)”而不用心理解和掌握實(shí)驗(yàn)步驟的情況;第二，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告（實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、儀器設(shè)備、試劑藥品，操作步驟、數(shù)據(jù)記錄和處理）的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果成敗因素的分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，絕大多數(shù)同學(xué)認(rèn)真的反思實(shí)驗(yàn)操作，總結(jié)出不少有利于后期實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的方法和技巧，如針對(duì)PCR體系成分較為復(fù)雜的特性，同學(xué)們提出了加1個(gè)組分在實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線(xiàn)圖旁做一個(gè)標(biāo)記的辦法，避免出現(xiàn)試劑漏加的現(xiàn)象。再比如，PCR體系中所用到的Taq酶都是熱失活的，應(yīng)該確保其在冰盒中存放，加完迅速放回冰箱中等等。最終學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)由基礎(chǔ)成績(jī)（50%）、理論考試（20%）、綜合性實(shí)驗(yàn)（30%）三部分組成，基礎(chǔ)成績(jī)中預(yù)習(xí)成績(jī)占20%、實(shí)驗(yàn)操作占20%、實(shí)驗(yàn)報(bào)告10%，而綜合性實(shí)驗(yàn)成績(jī)則根據(jù)組內(nèi)方案的設(shè)計(jì)、組內(nèi)人員配合度以及實(shí)驗(yàn)成果等進(jìn)行評(píng)估。

2.4 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的延續(xù)性

自2017年以來(lái)，我院已實(shí)現(xiàn)本科實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的開(kāi)放化管理，因此在課程之外，積極鼓勵(lì)學(xué)生從事開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，組織學(xué)生申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，“SRT”項(xiàng)目等，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。在課外實(shí)踐過(guò)程中利用翻轉(zhuǎn)課堂的模式，讓學(xué)生自選題目，自制實(shí)驗(yàn)方案，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的興趣，提升實(shí)驗(yàn)積極性，主動(dòng)性。

3 總結(jié)

筆者以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，以承擔(dān)項(xiàng)目為依托，通過(guò)項(xiàng)目式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等模式的改革，旨在解決傳統(tǒng)基因工程與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，幫助學(xué)生更好的掌握基因工程與分子生物學(xué)的基本原理和概念。通過(guò)層次性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，既培養(yǎng)了學(xué)生常規(guī)實(shí)驗(yàn)的操作技能，又幫助學(xué)生形成了基因工程與分子生物學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)思路。實(shí)驗(yàn)類(lèi)型由基礎(chǔ)向綜合轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)難度由淺入深，實(shí)驗(yàn)參與度由少積多，逐漸引導(dǎo)學(xué)生的加入，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。本次教改收到了較好的教學(xué)效果，基礎(chǔ)技術(shù)的培養(yǎng)讓學(xué)生受益終生，技術(shù)路線(xiàn)的學(xué)習(xí)讓學(xué)生形成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的意識(shí)，教學(xué)過(guò)程中項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)也讓學(xué)生了解到現(xiàn)階段基因工程與分子生物學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，為生物工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【基金項(xiàng)目】貴州大學(xué)2016年“本科教學(xué)工程”建設(shè)項(xiàng)目（JG201642），貴州大學(xué)“本科教學(xué)工程”建設(shè)項(xiàng)目（JG201965），貴州大學(xué)2016年高等教育研究項(xiàng)目（Gdgj2016009）

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