付小花，樂毅全，陳 皓，張 華，孫雅潔，王 磊

（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

0 引言

隨著人們對可持續(xù)發(fā)展問題認(rèn)識逐漸深入，保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已成為21世紀(jì)國際社會“環(huán)境與發(fā)展”與“和平與發(fā)展”兩個同等重要的主題內(nèi)容之一［1］。國家層面和民眾生活層面都對污染治理及環(huán)境保護(hù)投入了越來越多的關(guān)注，為了順應(yīng)國家對高層次環(huán)保人才的需求，各高校紛紛增設(shè)環(huán)境專業(yè)碩士、博士點(diǎn)，培養(yǎng)環(huán)境人才［2］。環(huán)境專業(yè)研究生培養(yǎng)的目標(biāo)是為國家培養(yǎng)具有科學(xué)精神和創(chuàng)新能力的環(huán)境研究和管理的高層次人才，為國家環(huán)保政策的制定和執(zhí)行助力［3］。研究生階段是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的過程，配套實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)有助于促進(jìn)研究生對課堂理論內(nèi)容的深入理解與吸收，促使學(xué)生們主動參與學(xué)習(xí)理論知識和實(shí)驗(yàn)技能，化被動為主動，提升研究生的動手能力、分析及解決實(shí)際環(huán)境問題的能力，培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新思維及科研能力［4］。

1 開設(shè)生物分析實(shí)驗(yàn)課程的必要性

環(huán)境污染治理及環(huán)境保護(hù)都離不開生物的作用，環(huán)境領(lǐng)域的科學(xué)研究中常需要探究環(huán)境生物的種類及功能、特定基因的分布及相互作用、病原微生物檢測、有害微生物控制等內(nèi)容，而這些研究離不開相關(guān)生物分析方法和實(shí)驗(yàn)儀器的應(yīng)用［5-7］。同時，現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，特別是基因擴(kuò)增技術(shù)與基因工程的發(fā)展對環(huán)境生物研究的深入開展起到了極大的推動作用［8］。

環(huán)境相關(guān)專業(yè)研究生在課題研究中，為了闡明實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的機(jī)理多有涉及環(huán)境生物功能或特定生物基因的研究，能熟練運(yùn)用生物分析技術(shù)對課題研究的順利完成及拓展研究深度尤為重要。而環(huán)境相關(guān)專業(yè)學(xué)生本科階段的實(shí)驗(yàn)課程幾乎沒有涉及分子生物實(shí)驗(yàn)，甚至于很多學(xué)生對分子生物學(xué)基礎(chǔ)理論知識也不了解，因此分子生物實(shí)驗(yàn)技能就成了研究生課題研究的“攔路虎”，很多學(xué)生在這部分研究上花費(fèi)了大量時間、精力和實(shí)驗(yàn)材料成本，但收效甚微。面向環(huán)境相關(guān)專業(yè)研究生開設(shè)生物分析實(shí)驗(yàn)課程，系統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境生物分析的相關(guān)理論基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)操作技能，特別是分子生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用，使研究生在開始課題研究之前熟悉并掌握基本的生物分析方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，達(dá)到能立即進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展研究工作的水平和狀態(tài)，從而縮短學(xué)生進(jìn)入課題研究的適應(yīng)期，提升研究生的科研思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 教學(xué)目標(biāo)及特色

生物分析實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目的是使學(xué)生熟悉和了解現(xiàn)代生物分析技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用及目前國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備所能開展的各種環(huán)境生物研究的技術(shù)原理、特點(diǎn)及操作要領(lǐng)，學(xué)會相關(guān)儀器設(shè)備的使用方法及其注意事項(xiàng)。希望能通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生們了解并掌握常用于環(huán)境研究的生物分析技術(shù)的原理及實(shí)驗(yàn)操作技能，為研究生的課題研究敲開技術(shù)瓶頸，提升研究生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際環(huán)境問題的能力，為國家推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和競爭性的中高級人才。

課程的主要特色是瞄準(zhǔn)國內(nèi)外環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，強(qiáng)調(diào)分子生物技術(shù)在環(huán)境研究中的應(yīng)用，使學(xué)生了解并掌握分子生物學(xué)基本概念、基本原理；突出實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的指導(dǎo)與訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生理解、掌握并熟練運(yùn)用生物分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)?；A(chǔ)知識和實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)相結(jié)合，使學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，從而更好地理解實(shí)驗(yàn)原理，提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中分析問題、解決問題的能力。對各種生物分析技術(shù)的原理、方法的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生選擇適合自己論文研究的分析手段，便于后期深入開展科學(xué)研究。

3 教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

3.1 根據(jù)課程特點(diǎn)及學(xué)生知識結(jié)構(gòu)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容

我校環(huán)境學(xué)科的定位是國內(nèi)一流、國際知名；研究生課程中的生物分析實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)在培養(yǎng)符合21 世紀(jì)環(huán)境專業(yè)新型創(chuàng)新性拔尖人才方面具有舉足輕重的作用。研究生不僅課題研究需要進(jìn)行科研工作，其中一部分可能會終身與科研為伍，所以培養(yǎng)研究生的科學(xué)素養(yǎng)、科研思維及解決實(shí)際問題能力是研究生教學(xué)工作的重要目標(biāo)［9-10］。生物分析，特別是分子生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)是技術(shù)性很強(qiáng)的學(xué)科，教學(xué)內(nèi)容深、涉及范圍廣，且較難理解，教學(xué)必須理論結(jié)合實(shí)踐，否則學(xué)生很難透徹理解和掌握這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)［11-12］。

對選課的40 名研究生進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示80%的研究生選課的原因是論文研究需要，95%的研究生本科專業(yè)為環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)或市政工程，本科階段學(xué)習(xí)過的生物學(xué)相關(guān)課程主要有：環(huán)境微生物學(xué)（77.5%）、環(huán)境生物學(xué)（15%）、微生物學(xué)（12.5%），沒有學(xué)習(xí)過分子生物學(xué)相關(guān)課程的學(xué)生占比達(dá)75%。學(xué)生分子生物學(xué)知識儲備欠缺，對一些基本概念理解不清或完全不了解，如對寡核苷酸片段、16S rDNA、dNTP、基因文庫和定量PCR 等概念有50%以上的學(xué)生表示僅聽說過或完全沒聽說過（見圖1）。在這種條件下，直接進(jìn)入生物分析實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)會導(dǎo)致學(xué)生難以理解掌握，所以學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作前先安排相關(guān)理論知識的講授，主要包括微生物的培養(yǎng)和鑒定、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）技術(shù)、凝膠電泳、定量PCR、基因克隆、宏基因組及高通量測序研究等相關(guān)知識的講授。通過這些理論知識的學(xué)習(xí)，增加研究生的生物學(xué)知識儲備，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作技能學(xué)習(xí)奠定理論基礎(chǔ)。

圖1 選課研究生對一些概念的理解情況（%）

3.2 根據(jù)科研需求設(shè)置教學(xué)內(nèi)容

從學(xué)院承擔(dān)的國家各級研究項(xiàng)目及往年研究生課題研究中對實(shí)驗(yàn)技術(shù)的需求入手，歸納梳理學(xué)院科研、學(xué)科發(fā)展及研究生培養(yǎng)需要的生物分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)，逐步完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和內(nèi)容。課程圍繞環(huán)境樣品中特定菌群（基因）的定性、定量檢測設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，目前課程主要開設(shè)微生物鑒定、DNA提取、PCR擴(kuò)增、瓊脂糖電泳、定量PCR、質(zhì)粒轉(zhuǎn)化與鑒定等實(shí)驗(yàn)，同時設(shè)置蛋白質(zhì)雙向電泳技術(shù)、大腸桿菌感受態(tài)制備兩個演示實(shí)驗(yàn)。宏基因組分析、宏轉(zhuǎn)錄組分析及高通量測序是目前應(yīng)用較多的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，一般由生物公司完成，課程理論講授部分會概要講解這些技術(shù)的原理及與生物公司簽訂合同、送樣時需要注意的問題。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本涵蓋了當(dāng)前學(xué)院開展的環(huán)境研究中常用的生物分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在理解的基礎(chǔ)上熟練運(yùn)用這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)有助于研究生課題研究實(shí)驗(yàn)方案的確定和研究工作的順利開展。

4 師資、儀器與經(jīng)費(fèi)保障

隨著科技進(jìn)步，傳統(tǒng)的培養(yǎng)、分離、發(fā)酵等生物分析方法在科學(xué)研究中的應(yīng)用逐漸減少，取而代之的是分子生物學(xué)技術(shù)的興起與廣泛應(yīng)用。為了滿足學(xué)院科研及研究生課題研究的需求，課程中設(shè)置了大量的分子生物實(shí)驗(yàn)，所以需要購置昂貴的分子生物試劑，需要配備大型精密實(shí)驗(yàn)儀器，且需要有精通分子生物技術(shù)的授課教師。課程依托污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型儀器，如高速離心機(jī)、PCR儀、定量PCR儀、蛋白雙向系統(tǒng)等，開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，培養(yǎng)研究生的同時也提高了儀器的使用率。實(shí)驗(yàn)用試劑耗材費(fèi)用1 年約需2 萬元，從重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行經(jīng)費(fèi)中支出。這門課程由畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)生命學(xué)院的兩位老師負(fù)責(zé)，他們長期從事環(huán)境生物相關(guān)研究，具有豐富的環(huán)境生物研究經(jīng)驗(yàn)，具備開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能力。同時，老師們在課程開設(shè)過程中，通過向兄弟院校、兄弟院系學(xué)習(xí)，不斷提升教學(xué)能力。

5 教學(xué)實(shí)踐及效果

5.1 教學(xué)實(shí)踐的開展

生物分析實(shí)驗(yàn)課程在環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程和市政工程3 個專業(yè)的研究生中已經(jīng)開設(shè)了幾年，積累了一些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。每期開課前先建立班級微信群，方便師生溝通交流。每次上課前3～4 d，教師在微信群里發(fā)布一些下次課實(shí)驗(yàn)技術(shù)相關(guān)的理論知識或?qū)嵺`案例，督促學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)工作。除了集中講授課程理論知識外，每次實(shí)驗(yàn)前教師對本次實(shí)驗(yàn)涉及的方法、原理進(jìn)行復(fù)習(xí)及回顧，對實(shí)驗(yàn)涉及儀器的具體使用方法進(jìn)行詳細(xì)講解，特別是一些實(shí)驗(yàn)技巧，更要在講解的同時給予演示。對實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)估并指導(dǎo)學(xué)生避免犯錯。但是，分子生物實(shí)驗(yàn)的一個重要特點(diǎn)就是不確定性，同樣的實(shí)驗(yàn)，相同的試劑樣品，不同學(xué)生操作結(jié)果可能千差萬別［13-14］。課程教授中重視實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、出現(xiàn)問題的可能原因及處理方法的指導(dǎo)，在教授研究生實(shí)驗(yàn)技能的同時培養(yǎng)其分析、處理實(shí)際實(shí)驗(yàn)問題的能力。

課程中的幾個實(shí)驗(yàn)圍繞環(huán)境樣品的特定微生物檢測開展，引導(dǎo)學(xué)生將其當(dāng)成一個課題研究來學(xué)習(xí)，將實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)習(xí)和綜合性、研究性課題研究學(xué)習(xí)融合，增強(qiáng)研究生對實(shí)驗(yàn)的整體性認(rèn)識和學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)前教師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需無菌耗材和試劑，實(shí)驗(yàn)中兩人1 組，每組1 套實(shí)驗(yàn)用品。實(shí)驗(yàn)中以學(xué)生自主操作、教師巡視指導(dǎo)為主要教學(xué)方法。瓊脂糖電泳和定量PCR 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行結(jié)果分析，講解實(shí)驗(yàn)結(jié)果中反映出來的操作問題、標(biāo)準(zhǔn)品稀釋問題、加樣誤差問題、實(shí)驗(yàn)污染問題等，并引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料，在實(shí)驗(yàn)報告中詳細(xì)討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)的各種問題的成因。最終考核按考試和平時成績各占50%來評定，而平時成績又分為實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報告兩部分，考試則主要考察一些實(shí)驗(yàn)基本原理及實(shí)驗(yàn)問題分析［15］。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教會學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題是重要且困難的，問卷調(diào)查結(jié)果顯示80%的學(xué)生希望能加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的講解。教學(xué)中應(yīng)用的材料都是課前準(zhǔn)備并經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)確定能得到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［見圖2（a）］，這種情況下分析實(shí)驗(yàn)問題的原因比較簡單。而研究生以后要面臨的課題研究中出現(xiàn)類似問題時，分析原因就比較困難了，教學(xué)過程中也一并教學(xué)生在真實(shí)的科研中，應(yīng)該從哪些方面分析出現(xiàn)問題的可能原因及可行的解決辦法。教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)PCR 實(shí)驗(yàn)中加入模板量不足、漏加試劑及操作引入污染是出現(xiàn)的主要問題，如圖2（b）中陰性對照出現(xiàn)條帶，說明有污染，可能是操作不規(guī)范引入了外源DNA 污染；圖2（c）中樣品4～9 無明顯條帶，可能是漏加樣品DNA或樣品DNA加入量不足（移液器使用不當(dāng)）導(dǎo)致的。定量PCR實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題主要是標(biāo)準(zhǔn)品稀釋操作問題、模板加入后混勻不充分或平行樣分裝體系不一致等問題［見圖2（e）（f）］。

圖2 學(xué)生PCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.2 教學(xué)效果

經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，生物分析課程體系日趨成熟，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課程了解、掌握了常用的現(xiàn)代生物分析技術(shù)，切身體會到新實(shí)驗(yàn)技術(shù)的簡便性與靈敏性。經(jīng)過理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析及資料查詢、實(shí)驗(yàn)報告撰寫等，使研究生得到系統(tǒng)鍛煉，培養(yǎng)了他們的獨(dú)立思考能力、實(shí)驗(yàn)操作技能和分析問題的能力，充分調(diào)動了研究生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，有利于研究生樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和態(tài)度，提升其創(chuàng)新能力。此課程受到學(xué)院老師和同學(xué)們的一致好評，選課人數(shù)一直處于爆滿狀態(tài)，學(xué)生甚至用“秒殺”來描述選課搶名額的激烈程度。問卷調(diào)查結(jié)果顯示，90%的學(xué)生認(rèn)為經(jīng)過生物分析課程學(xué)習(xí)，有助于縮短他們進(jìn)入自己課題研究時的實(shí)驗(yàn)室工作適應(yīng)期，并有助于他們研究路線的確定及提高研究效率；80%的學(xué)生認(rèn)為經(jīng)過課程學(xué)習(xí)，提升了他們的生物分析實(shí)驗(yàn)技能，因而提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

6 結(jié)語

研究生階段培養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)具有科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)技能，生物分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)是環(huán)境生物研究必備的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。分子生物實(shí)驗(yàn)所需試劑價格較貴，開設(shè)課程需要實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)較多；實(shí)驗(yàn)中問題層出不窮，任課教師必須具備良好的分子生物學(xué)理論知識和豐富的分子生物實(shí)驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)，囿于經(jīng)費(fèi)和教師經(jīng)驗(yàn)問題，實(shí)際給環(huán)境相關(guān)專業(yè)研究生開設(shè)此類實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)校較少［16］。隨著科技的發(fā)展和深入研究的需要，對教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)調(diào)整，以滿足創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需求，是實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的重要內(nèi)容。我院從科學(xué)研究和研究生培養(yǎng)角度考慮設(shè)置生物分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并在學(xué)院各專業(yè)研究生中開展了教學(xué)實(shí)踐，使研究生在進(jìn)入課題研究前，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了目前環(huán)境研究常用的生物分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)，拓寬了研究生的視野，培養(yǎng)了研究生的探索精神和實(shí)踐能力，提升了研究生參與科研的積極性和主動性，取得了良好的教學(xué)效果。