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        微生物遺傳學與育種課程教學改革與探索

        2020-07-31 08:49:56程新寬馬龍
        生物工程學報 2020年6期
        關鍵詞:遺傳學專業(yè)知識課前預習

        程新寬,馬龍

        天津科技大學 生物工程學院 工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室 天津市工業(yè)微生物重點實驗室,天津 300457

        微生物遺傳學與育種是以細菌、古菌、真菌以及病毒等微生物為研究對象,通過各種分子和細胞水平的操作,進行菌種的選育和改良,獲得高性能的工業(yè)菌種和高質量、高產量的發(fā)酵產品的學科[1-2]。隨著生物技術的發(fā)展進步,微生物遺傳學與育種技術已經被廣泛應用于蘋果酸和琥珀酸[3]、β-胡蘿卜素[4]、生物可再生燃料[5]、萜類化合物[6]、氨基酸[7-9]、生物酶制劑和精細化學品[10-12]、癌癥檢測[13]等領域。天津科技大學為實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化積攢堅實的人力資源優(yōu)勢,增強我國的核心競爭力和綜合國力[14]。先后開設了卓越人才實驗班和面向國際留學生的Biological Engineering留學生專業(yè)。

        微生物遺傳學與育種是卓越人才實驗班和國際留學生的一門必修專業(yè)基礎課。是研究微生物遺傳規(guī)律和育種技術的綜合課程。該課程的開設與改革將對生物工程領域專業(yè)人才的培養(yǎng)、工業(yè)微生物育種技術的推廣、微生物遺傳學技術與原理的理解、工業(yè)生物技術的發(fā)展、工業(yè)微生物領域新技術新產品的開發(fā)等方面具有重要意義和價值。

        對于微生物遺傳學與育種課程,傳統(tǒng)的教學模式存在一定的不足:理論知識與最新的科研進展脫節(jié),教學內容抽象難以理解,授課的專業(yè)知識面較窄,考核方式缺乏全面性等。隨著社會的發(fā)展進步,單一型人才和考試型畢業(yè)生已經無法完全滿足社會的發(fā)展需求。這就決定了傳統(tǒng)授課方式必須作出改革,以培養(yǎng)新時代自主學習型、高精尖專業(yè)型綜合人才為目標,開展創(chuàng)新性課程教學活動。不僅使學生能夠掌握基本的遺傳學知識和育種技術,而且可以培養(yǎng)學生的獨立思考能力,拓展學生的學術思維,提高其綜合素質。對微生物遺傳學與育種技術進行課程改革,不僅有助于為我國培養(yǎng)滿足新時代要求的工程師和科學家,而且可以為祖國的教育事業(yè)持續(xù)進步貢獻一份力量,同時可以增進中外友誼,為微生物領域的國際合作奠定基礎。

        1 創(chuàng)建課前預習體系

        1.1 存在的問題

        盡管大部分同學通過前期其他專業(yè)課 (生物化學、分子生物學等) 的學習,都對微生物學及其相關知識有所了解,但是對專業(yè)的遺傳學及工業(yè)微生物育種技術還是缺乏足夠的認識。在缺乏專業(yè)基礎的前提下,不能很好地保證學生充分掌握遺傳學的相關知識,因此建立一套課前預習體系就顯得尤為重要。但是傳統(tǒng)的課前預習方法在如何調動學生的預習積極性、規(guī)劃課前預習的重點以及保證課前預習質量等方面還存在很多不足。因此,我們創(chuàng)造性地建立了一套行之有效且獨特的課前預習體系。

        1.2 改革的思路和措施

        因此,我們要求學生在每節(jié)課上課之前,對下節(jié)課所講內容的重點難點進行預先學習,做到內容預先梳理,并對不懂的知識點做預習筆記,待到老師講課時可以更容易地吸收相關專業(yè)知識。同時,結合學生的預習筆記,以學習小組為單位根據(jù)預習內容提出一個待解決的科學問題,在課堂上鼓勵學生對相關內容進行積極的討論,充分調動學生的學習熱情和積極性。而在討論的同時也加快了學生對相關知識點的消化吸收,增加了學生的上課質量和效率,并現(xiàn)場對討論情況進行打分評比,保證學生的課前預習質量。另外,每節(jié)課上課前一天,要求學生將自己預習過程中遇到的問題標注出來,并通過郵件形式發(fā)送到授課老師郵箱中,每人一個問題,也納入平時成績考核中。授課老師將對學生預習中遇到的問題給予一一回復解答,并從中挑選代表性的問題進行課堂集中講解。此外,為了充分調動學生的預習積極性,通過以下幾個方面的措施進行改革。一、挖掘生活素材,激發(fā)學生的預習興趣。在每一章節(jié)的預習內容中,穿插一個生活生產中的實例,讓學生預習思考其中的科學道理。例如,有關基因突變和基因轉化的章節(jié)中,讓學生預習思考從遺傳學角度去分析轉基因食品的安全性。這樣可以極大地激發(fā)學生的預習積極性。二、通過實驗展示活動,培養(yǎng)預習氛圍。每節(jié)理論課上課之前,將學生帶到實驗室現(xiàn)場觀摩師兄師姐對重點知識相關實驗的現(xiàn)場操作演示,理論結合實際的模式,可以極大地培養(yǎng)學生對遺傳學相關內容的預習氛圍。

        由于每個章節(jié)內容較多,而有些內容是需要學生重點掌握的,有些則是屬于了解性的內容。因此,每節(jié)課之前,我們都會將需要重點預習的知識點發(fā)給學生,讓學生可以針對性地預習,如圖1展示了第五章節(jié)中的預習重點。這是有關基因重組和雜交育種的預習重點,從基因重組的過程和原理到應用于原核生物和真核生物 (注意區(qū)分它們之間的不同) 再深入到雜交育種的過程和原理及其在不同菌種間應用的異同情況。這些都是課程改革過程中需要學生提前預習的內容。

        從圖1中可以看出,我們將第五章10個小節(jié)的內容進行了分析歸納,將相似的內容進行了統(tǒng)一,將需要區(qū)分的內容進行了標注,讓學生按照預習大綱針對性地進行預習,以充分保證預習的效果。

        圖1 第五章預習知識點Fig. 1 Preview knowledge of Chapter 5.

        1.3 改革效果

        我們創(chuàng)建的這套課前預習體系,不僅極大增加了課堂學習效果,而且充分調動了學生的預習積極性,保證了學生的課前預習質量。讓學生知道哪些內容需要重點掌握,節(jié)約了學生的寶貴時間,培養(yǎng)了學生對遺傳學知識探索的興趣。由此形成了一套靈活且高效的課前預習體系和學習模式。

        2 課堂教學的改革

        2.1 存在的問題

        微生物遺傳學與育種是一門理論與技術結合十分密切的課程,并且隨著微生物相關研究領域的不斷開拓創(chuàng)新,微生物遺傳學與育種的理論與技術也逐漸被完善。但是有關微生物遺傳學和育種的教材很少,并且很多科研成果沒有及時更新。

        值得注意的是,很多課改的文章中主張對相關教材進行及時修改和更新,主要涉及到兩方面。一方面是針對不同專業(yè)的針對性內容設置[14-15];另一方面是對相關知識點和應用的及時更新[16]。出發(fā)點是沒有問題的,但是實施的可行性卻值得商榷。首先針對不同專業(yè)設置不同的課本,雖然針對性更強了,但是相關的知識面卻變窄了。我們培養(yǎng)的目標是綜合型人才和全面性人才。除此之外,對于優(yōu)秀教材的選擇和更新問題,我們在選擇優(yōu)秀教材的同時,需要考慮一下高校的實際情況。如果一本教材想要兼具自身特色和實用性,那么教材的編撰必須結合本校實際情況。但是一本好的教材從編撰到修訂再到出版并不是一蹴而就的,需要一定的時間,而且教材的編撰速度永遠跟不上科研的發(fā)展速度。每年都出版一本教材不僅是資源的浪費,也是不切實際的。

        還有一個需要考慮的問題就是,對于微生物遺傳學與育種技術當中的復雜技術與原理,學生在耳聽老師講解和眼看 PPT中文字敘述的情況下,很難對相關專業(yè)知識形成一個立體印象。在沒有立體印象的前提下,很難將專業(yè)知識充分消化吸收。這些都是我們在課改過程中需要克服的難點。

        2.2 改革的思路與措施

        對于課本中未能及時更新的專業(yè)知識,例如課本中關于定點突變的技術介紹,還局限于一個位點的氨基酸突變?yōu)榱硪环N氨基酸,并沒有涵蓋德國科學院院士Manfred T. Reetz教授 (定向進化方法學的三大開創(chuàng)人之一) 發(fā)明的迭代飽和突變(ISM) 技術[17]和活性位點組合飽和突變 (CASTing)技術[18],這兩項技術是近十幾年應用最廣泛的定向進化技術。而課本中多數(shù)科研案例并沒有與時俱進,所以我們結合近幾年的應用實例 (D-氨基酸脫氫酶、羰基還原酶、蘇氨酸醛縮酶、乙醇脫氫酶、環(huán)氧化物酶),對定點突變在酶的活性、底物譜、熱穩(wěn)定性、選擇性等方面的應用進行實例講解[11-12,19-21]。

        具體來講,在第六章第二節(jié)中對定向進化的講解中,我們將利用了半理性設計、飽和突變技術和迭代飽和突變技術相結合的 D-氨基酸脫氫酶作為其中一個講解案例。其設計結果如圖2所示。

        圖2中介紹了定向進化中的半理性設計原則,以及如何選擇潛在的改造位點和預測可能的突變結果。同時根據(jù)位點的選擇,隨后進行飽和突變和迭代飽和突變,并對定向進化的瓶頸——篩選方法的原理和技術進行了講解。主要利用氧化還原酶催化中需要利用的輔酶 NADPH,其在吩嗪硫酸甲酯存在的條件下,會與氯化硝基四氮唑藍形成藍紫色混合物。藍紫色混合物的顏色深淺可以反映酶活的高低。整個建庫篩選流程如圖3所示。圖3的3個部分分別為學生呈現(xiàn)了相關但又不同的專業(yè)知識。

        以上專業(yè)知識應用后的最終結果是,得到了滿足人類生產需求的高效生物催化劑和產品,不僅讓學生充分理解了課本中關于定向進化的原理和技術特點,同時也讓學生對工業(yè)微生物行業(yè)有了進一步的了解和思考空間。此外,還有更多類似的案例在我們的課程中被介紹,由于篇幅有限,不能一一展示。

        此外,我們提倡在保證基本專業(yè)知識的前提下,選擇最優(yōu)的教材,其他與時俱進的知識更新和科研成果都通過課堂講解給學生普及。這樣不僅節(jié)約了時間和成本,而且可實行性較強。而且上課老師都是專業(yè)的科研工作者,這些都是讓最新科研進展走進課堂的有利條件。

        圖2 D-氨基酸脫氫酶與D-高苯丙氨酸的相互作用結果[12] (集合了生物信息學和計算生物學的分子對接圖。左邊是底物D-高苯丙氨酸和蛋白質D-氨基酸脫氫酶發(fā)生催化反應時的模擬狀態(tài)。右邊是脫氫酶中可能與底物相互作用氨基酸的放大圖)Fig. 2 The results of interaction between D-amino acid dehydrogenase and D-homophenylalanine[12]. This is a molecular docking diagram that integrates bioinformatics and computational biology. On the left is the simulated state of the substrate D-homophenylalanine and D-amino acid dehydrogenase when the catalytic reaction occurs. On the right is an enlarged view of the amino acids in the dehydrogenase that may interact with the substrate.

        圖3 D-氨基酸脫氫酶突變體庫的建立和篩選流程(圖 3的左邊是飽和突變和迭代飽和突變的流程。右邊是 3個篩選的目標底物。中間的96孔板是高通量篩選的顯色效果圖)Fig. 3 Establishment of mutant library and screening process for D-amino acid dehydrogenase. The left side of figure 3 is the process of saturation mutation and iterative saturation mutation. The right side is the three screening target substrates. The 96-well plate in the middle is the color rendering effect of high-throughput screening.

        最重要的是,現(xiàn)在是一個信息化的時代,我們的教學方式需要迎合現(xiàn)在學生的學習方式,對比完全紙質化的教學模式,利用多媒體進行重要知識點講解,以及借助流程圖和視頻進行介紹的形式,無疑更能激發(fā)學生的學習熱情和提高學生的學習效率。這就需要我們高校教師充分發(fā)揮自身的專業(yè)優(yōu)勢和多媒體的優(yōu)勢,對重點難點知識提前制作視頻教程,如 DNA的復制過程、基因的轉錄和表達過程、氨基酸突變原理、菌種保藏流程等。在進行理論講解的同時,結合視頻教學指導,讓學生充分理解遺傳學和育種技術的相關知識點。

        2.3 改革效果

        經過對課堂教學各個方面的改革,使得學生可以及時了解有關微生物遺傳學的最新技術與科研進展,并與課本中的專業(yè)知識形成互補,讓整個知識體系更加完善。同時也克服了以前只知道相關概念,而腦海中沒有立體印象的弊端,真正做到知其然更知其所以然。結合動畫視頻中相關技術的展示,使學生能夠更加準確地理解和應用相關的知識點。

        3 考核方式的改革

        3.1 存在的問題

        課程考核是評價學生對每門課程學習效果的必經階段。而傳統(tǒng)的課程考核方式往往以單一的期末考試為主。盡管可以在一定程度上反映當時學生對大部分專業(yè)知識的掌握情況,但難免出現(xiàn)各種各樣應試教育的弊端,例如考試即會、考后即忘、只背答案、不懂原理等現(xiàn)象。

        3.2 改革的思路與措施

        為此,我們將微生物遺傳與育種課程總成績調整為期末考試成績、期中考試成績、平時成績、隨堂測驗成績、小組討論成績五部分組成。各部分所占的比例依次為40%、10%、10%、30%、10%,這種調整使考核方式變得更加合理,也有利于將學習與考核貫穿課程的始終。期末考試內容轉變傳統(tǒng)的名詞解釋、知識點解答為主的模式,改為實驗案例分析,用相關專業(yè)知識解答微生物遺傳學和育種技術中的問題為主導模式。例如,對于物理誘變 (紫外誘變) 和表型延遲的考察。當大腸桿菌經紫外處理后,進行菌種篩選,當代并未出現(xiàn)陽性突變體,繁殖兩代后,獲得了產量提高10倍的突變菌株。請解釋其中所涉及的生物技術及其特點和原理。平時成績主要由平時出勤率和課堂回答問題兩部分組成。隨堂測驗主要考察學生對每堂課相關講解內容的掌握情況,以每堂課的上課內容為主。利用每堂課的最后15 min或下節(jié)課開始的前 15 min對之前講解的內容進行測驗,爭取讓學生以最高的效率掌握相關知識點。小組討論可以增加卓越人才實驗班和國際留學生之間的交流互動,利用小組合作學習的組織形式,采取中國學生和留學生混合組隊的形式,在內容設計上,每節(jié)課讓其中一個小組就遺傳學及育種技術中的應用實例進行分析講解,剩下的幾個小組對講解的內容分別進行補充說明和辯證分析。一半的小組進行正向補充,另一半幾個小組進行反向的辯證,指出前面不夠準確的觀點。

        3.3 改革效果

        這樣的小組合作學習形式,不僅可以讓同學之間互相學習,充分調動學生們的學習積極性和課堂參與感,類似于專業(yè)知識辯論賽,也鍛煉了中國學生的外語能力。這種小組討論形式成為每節(jié)課最高光的時刻,形成了極其活躍的課堂氣氛,讓每一小部分的專業(yè)知識最大化地被理解,不是填鴨式的接收,而是學生主動去探索而獲得的知識,現(xiàn)場效果極好。美中不足的是,這種小組討論會讓少數(shù)不自信的同學羞于表達,因為是以小組為單位,所以難免出現(xiàn)小組中總是幾個比較活躍的同學在參與,這也是我們在今后的教學活動中需要克服的一個難點。因此,這樣的綜合體系,不僅考核了學生對理論知識的掌握情況,也評價了學生思維方式和分析問題解決問題能力的水平高低。同時考查了卓越人才實驗班同學和國際留學生的語言組織及表達水平。

        4 總結與討論

        微生物遺傳學和育種技術是生物工程行業(yè)的理論與技術基礎之一,發(fā)展微生物遺傳學和育種學科教育是關系到我國輕工行業(yè)發(fā)展和國計民生的重要舉措。隨著中國社會的不斷進步和在國際上的影響力越來越大,中國高校教育必然要轉變傳統(tǒng)的教育模式,進而努力培養(yǎng)新一代的社會精英和更加符合國際化要求的人才。我校生物工程專業(yè)嚴格按照天津市和教育部建設一流學科的總體要求,進行卓越人才實驗班和招收國際留學生的開拓嘗試,針對微生物遺傳學和育種課程采取創(chuàng)新性的教學模式。在課前預習體系、課程內容、講授方式及手段、考核方法等方面進行改革和探索。以天津科技大學生物工程學院的高素質教師隊伍為班底,對課程采取全英文授課,理論結合應用案例,著力為祖國培養(yǎng)一批適應時代潮流的精英人才和促進中外經濟和諧發(fā)展的高端人才。

        通過這種創(chuàng)新性的授課模式,初步構建了適合我校卓越人才實驗班和留學生的微生物遺傳學與育種的教學體系,結合專業(yè)特色及中外學生混合授課的特點,一改老師單一授課的模式,形成了以下獨特的授課模式。第一,增加了學生的學習積極性,形成了積極發(fā)言的良好課堂氛圍。第二,極大地激發(fā)了學生的主觀能動性,培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題的能力。第三,鍛煉了同學之間的團隊合作精神。第四,提高了外語表達水平和對科學世界的探索熱情。同時也在一定程度上克服了應試教育的弊端,讓學生在上課前期、中期、后期均能在一定程度上掌握相關專業(yè)知識,并始終保持主動學習的興趣和熱情。這會讓學生在課程結束后繼續(xù)自主追蹤相關科研進展。經過本次課程的改革,使學生對科研的熱情極大地提高了,不僅多位同學主動詢問考研及選擇學術這條道路的職業(yè)規(guī)劃問題,更有多名同學主動走入實驗室,提前參與到科研中來。真正實現(xiàn)了讓興趣成為最好的老師,這應該是一名教育工作者最值得驕傲的地方。當然,我們在探索課程改革的過程中還是不可避免地出現(xiàn)了很多不足。例如,關于教學視頻的制作,除了菌種保藏等少數(shù)內容可以自己制作外,大部分視頻需要借鑒國外同行。盡管也可以幫助學生理解相關專業(yè)知識,但是缺少了本校特色。此外,因為實驗用具的不同,可能會給學生在上實驗課時帶來些許疑惑。這些都是我們以后需要進一步解決的問題。此外,根據(jù)上課同學的反饋結果,還有以下方面需要改進:一、全英文授課比例過大;二、期末考試形式推陳創(chuàng)新。我們也會認真考慮學生的反饋,在此次改革的基礎上進一步完善課程改革制度,在今后的課程中,對于復雜難以理解的知識,在英文講解的同時,增加中文的講解部分,也會修改部分課程設置,先從簡單的部分講起,讓學生逐漸適應英文授課環(huán)境后,再進行復雜知識的授課。對于課程考核,其實我們本次改革已經在縮小期末考試所占的比例,對于是否應該完全取消試卷形式的期末考試,還是一項需要綜合考慮的措施,目前來說,進一步降低期末試卷考試所占比例是一項更優(yōu)的改革措施。綜上所述,高校課程改革是一項任重道遠的工作,需要我們高校教師從各個方面持續(xù)努力,不斷完善教學系統(tǒng),也希望我們的經驗可以為國內的教育工作者提供有意義的借鑒價值。

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