合成生物學課程的本科生教學方法改革

路志群， 王兆慧， 鄧自發， 葉 輝

(南通大學生命科學學院，江蘇南通 226019)

合成生物學課程的本科生教學方法改革

路志群， 王兆慧， 鄧自發， 葉 輝

(南通大學生命科學學院，江蘇南通 226019)

摘要合成生物學作為新的分支學科帶來了很多新的研究理念，同時在應用上具備很大的應用潛力。由于興起時間不長和發展迅速，目前國內可供參考的教材和教學經驗不多。總結近幾年的教學經驗，嘗試在教學內容設計、師生互動環節和案例教學等方面進行教學改革，加深學生對知識點的理解，調動學生自主學習的積極性，提高課堂教學效果。

關鍵詞合成生物學；本科生教學；教學改革

合成生物學(SyntheticBiology)是21世紀初剛剛興起的一門新鮮交叉學科，它將生物學、工程學和數學緊密結合在一起，目的在于設計和構建具備新的生物學功能的生物基因組和系統[1]。這門學科雖然興起時間不長，但發展迅速，其理論研究和應用潛力已逐漸凸顯出來。目前高校中面向本科生開設這門課程的不多。作為生物工程專業的教師，筆者認為將合成生物學作為生物技術、生物工程、生物科學等專業高年級本科生的一門選修課，面向他們介紹這門學科的理念、方法和應用等很有必要。筆者總結近幾年在這門學科中的教學經驗，主要有以下幾點。

1精心設計教學內容，凸顯主題，便于學生理解接受

鑒于合成生物學的學科發展現狀和特點，目前能夠采用的教材很少，國內出版的只有宋凱等編著的《合成生物學導論》和張今等編著的《合成生物學與合成酶學》兩本教材。作為一門專業選修課，主要目的在于拓寬學生的知識面，挖掘學生對于生命科學相關領域的興趣。鑒于本課程規定的課時有限(32學時)，而學科發展的速度極快，在具體教學過程中，在選用《合成生物學導論》作為教材的基礎上，進一步拓寬了相關知識點，對教學內容進行了精心設計。

考慮到教學對象為生物工程專業的大三學生，在教學章節及內容上采用了主題鮮明的分段式設計。該課程的具體講授內容和學時分配見表1。

在具體講授過程中，第一章沿用通常的課程教學方案，詳細介紹合成生物學領域的發展歷程、研究內容及重大意義。在講解合成生物學中最主要的“模塊”、“遺傳網絡”和“基因組”的改造時，按照講解對象由小到大的順序進行，以理論概念為基礎，結合具體參考文獻講解，合理分配不同的課時。在講授第五章合成生物學方法時，聯系前面各章中提到的不同實例講解具體如何實現其生物合成的問題。在第六章中，通過講授合成生物學可能帶來的倫理問題，與相關學科進行比較，以合成生物學領域著名科學家的觀點作總結。

表1　生物合成學課程的具體講授內容與學時分配

另外，合成生物學雖然是一門新興學科，但有一個很好的學習平臺，即以本科生為主體參與的國際競賽——國際遺傳工程的機器設計競賽(iGEM)。iGEM始于2005年，每年由美國麻省理工學院主辦，是合成生物學領域的最高國際性學術競賽[2]。在課程學習的最后安排6課時，和學生一起互動學習iGEM競賽的獲獎作品，借此來完善和鞏固學生在前期所學的知識并加以聯系應用，加深對合成生物學課程教學內容的理解，與國際最新前沿研究內容接軌。

2采用互動教學模式，以學生為主體，提高學生自主學習的積極性

在高校教學中，選修課不被學生重視可能已成為普遍現象。如何在教學過程中既吸引真正感興趣的學生認真聽課，又能提高總體的聽課效果，達到既定的教學目標，也是教學過程中應該關注的問題。師生互動的教學模式在此可以發揮重要作用。這種模式以學生自主學習為基礎，在教學過程中使學生主體性得到充分發揮，師生關系由傳統的單向知識傳遞關系變為民主、平等、合作的多向信息交流互動關系，學生自主探究和多邊互動成為教學的主要形態，教師的講授和示范成為畫龍點睛之舉?；诖?，在部分章節(如最小基因組、合成生物學的倫理和iGEM案例等)中采用了以學生為主體的教學模式。由教師在課前提供相關參考文獻和案例，布置給學生預習并按要求做成課件，在課堂上讓學生到講臺上講解自己精心準備的內容。教師坐在臺下和其他學生一起學習課件的內容并參與提問和討論。事實證明，這種互動教學模式相比傳統的單向教學模式，可以明顯提高學生的學習興趣。以“最小基因組”內容的教學為例，將全班學生分成小組學習，每組4～6人，課前提供3篇左右的相關英文綜述，讓學生以此為基礎，結合自己查閱的參考文獻，做一個關于“最小基因組”的簡要課件。在課堂上每個小組選派一名代表上臺講解最小基因組的概念、研究概況等基礎內容，然后由教師在此基礎上進行總結講解并就“最小基因組”、“底盤生物”和“細胞工廠”的內容進行比較，介紹國內外最新研究進展，拓寬和加深學生對合成生物學應用的認識。師生互動的教學模式在這里進一步加以改革，發展為以學生講解為主，教師點評總結為輔的教學模式，有效調動了學生學習的主動性和積極性，加深了學生對基礎理論知識的理解。

3通過案例教學，理論聯系實際，加深學生對主要知識點的理解

案例教學作為一種有效的教學手段廣泛應用于很多學科的教學。任何枯燥的知識點如果配以生動的案例進行講解，一方面可以加深學生對于知識點的理解，另一方面，成功的應用案例對于學生具有很強的說服力，可以調動學生學習的積極性。因為iGEM的所有參賽獲獎作品都可以在網絡上下載獲得，所以在課程教學的最后環節安排6學時讓學生自主選擇iGEM案例講解，通過對不同實例的分析，加強學生對“模塊組裝和用于特定目的”的理解。如在“遺傳網絡的設計”教學過程中，講解具體的經典案例，例如Ro等人關于青蒿酸合成途徑改造后將相關基因植入釀酒酵母體內用于抗瘧藥青蒿素的前體物質青蒿酸的生產[3],Ajikumar等人改造紫杉二烯合成途徑后利用大腸桿菌來生產[4]，Atsumi等人關于氨基酸途徑改造用于生物丁醇生產[5]，結合之前所學的《微生物遺傳育種學》等課程，使學生認識到科研發展歷程的連續性以及新技術的優勢、弱點和應用潛力，促進生物工程專業學生對本領域知識的深入理解。

除了上述教學方法，在教學過程中還采用其他一些小的技巧幫助學生提高學習效果。如把最后一節課安排成氣氛活躍的交流課，請學生回憶講述過的知識；在考試過程中安排回顧性題目等。這些方式都可以很好地幫助學生掌握課程教學內容。

通過以上幾種教學方法的靈活運用，使學生將復雜抽象的理論知識與具體生動的實踐應用有機結合，在深刻理解的基礎上構建脈絡清晰的知識體系，充分調動學生學習的主動性與積極性，有利于培養學生的自主創新能力、實踐能力與綜合素質，有力提升了學生就業時的專業競爭力。

參考文獻

[1]宋凱.合成生物學導論[M].北京：科學出版社,2010：2-5.

[2]洪泂,羅昭峰，梁志，等.高水平國際學術競賽在大學生創新能力培養中的作用[J].高校生物學教學研究(電子版),2012,2(2)：60-64.

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

[4]AJIKUMARPK,XIAOWH,TYOKE,etal.IsoprenoidpathwayoptimizationfortaxolprecursoroverproductioninEscherichia coli[J].Science,2010,330(6000)：70-74

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

中圖分類號S-01

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)30-378-02

基金項目江蘇省“十二五”重點專業建設(生物科學類)項目資助。

作者簡介路志群(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