分子生物學實驗教學改革的探索與實踐

程爽 張希 劉冰冰 仝飛飛

摘 要：分子生物學實驗是生物工程專業一門非常重要的專業基礎實驗課程。該文針對分子生物學內容抽象、實驗體系小的特點，以分子生物學實驗技術中基礎的PCR實驗教學為例，從教學內容的設計、理論與實踐相結合、實驗教學的實施的等方面進行了教學改革，以期提高教學質量，激發學生的積極性和主動性，培養學生的動手能力和創新意識。

關鍵詞：分子生物學；實驗教學；教學改革

中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）15-0168-02

Abstract：Molecular Biology experiment is an important pracical course for students in Bio-engineering Program.Aiming at content abstraction and the small experimental system，the“Designing teaching content”、 “Combination of theory and practice”& “Implementation of experimental teaching”were performed。To enhance the quality of molecular biology，improve the studentslearing enthusiasm，and train students practical ability and nnovationconsciousness.

Key words：Molecular Biology；Experiment teaching；Teaching reform

分子生物學是一門從分子水平研究生物大分子的結構和功能進而闡明生命現象本質的學科[1]。分子生物學理論及實驗課程是地方性本科高校生物工程專業開設的一門專業基礎課，相對于其他實驗學科而言，分子生物學實驗課程往往耗時長、費用多，絕大實驗現象需要在實驗結束時才能觀察到，往往由于時間、實驗場地等因素的限制導致實驗教學模式教學質量難以保障。南陽理工學院生物與化學工程學院一直非常重視實踐教學在教學中的比例，自分子生物學課程開設以來，在整體學時縮減的情況下仍保證實驗課程的比例，同時加大了實踐經費的投入和壯大實驗教師隊伍，從而保障了分子生物學實驗的教學質量。聚合酶鏈式反應[2]（Polymerase Chain Reaction，PCR）是1種選擇性體外擴增DNA的方法，是分子生物學實驗中1個基礎實驗項目，許多高校均有開設。本文以分子生物學課程PCR這一知識點的理論課程講解和實驗部分的實施進行了總結，以供參考。

1 PCR理論部分課程設計

傳統的分子生物學實驗技術理論課中對于PCR技術的講解一般分為PCR的發現、原理、體系、步驟及應用這幾個方面展開。我們在實踐教學中發現這一授課過程過于平鋪直敘，而且涉及到的新的專業詞匯較多，學生很難在短時間內接收這么多的新信息。針對這一問題，我們制作了微課“PCR的前世今生”（時長5min左右），微課中介紹美國黃石國家公園的熱泉中水生棲熱菌（Thermus aquaticus）的發現對于PCR實驗的重大意義和Millus發明PCR的過程。授課時首先播放微課，引起了學生極大的興趣，使學生對于PCR中使用的DNA聚合酶（即Taq酶）有了一個感性認識，也了解到Millus發明PCR這一技術是在很多人的實驗基礎上提出的，讓學生知道科研工作需要日積月累，并不是一蹴而就就能完成的。然后由教師提問學生已經學習過的DNA復制的相關知識點（如下圖所示）：從學過的知識體系引出PCR的原理、體系及步驟。這樣的教學設計水到渠成，學生接受度也較高。

2 PCR實驗的實施

2.1 項目來源 依托“河南省工業微生物資源與發酵技術重點實驗室”保藏的有價值的菌株進行16srDNA（18rDNA、ITS序列）等基因的克隆來開展這一實驗項目。

2.2 項目實施過程 本實驗中將2個同學分為一組，每組同學分配到2株不同種類的微生物（細菌和真菌各1株），首先要求同學將不同樣品進行核酸提取后作為擴增的模板，如果是革蘭氏陰性菌，可以直接進行菌落PCR。在實驗開始實施前，除了重申實驗步驟及注意事項外，向學生提出思考題：（1）PCR體系中的每個組分加入順序是否是隨機的？為什么？（2）如何操作才能在25μl這樣微量體系中降低實驗誤差？（3）如何檢測PCR是否成功？讓學生帶著問題去邊做邊想，培養學生發現問題、解決問題的能力。

2.3 實驗效果評價 每位同學需按照要求撰寫實驗報告，除了常規的實驗目的、實驗原理、實驗步驟及結果等，還需要回答實驗前提出的思考題，分析自己實驗成功或失敗的原因。以下是部分同學在實驗報告中分析總結的實驗心得：（1）PCR體系成分較多，為了防止加錯或者漏加，應該加入1個組分在實驗記錄本上打一個“√”，同時把該組分移到另外1個離心板上；（2）PCR體系中所用到的Taq酶都是熱失活的，應該在冰盒中存放，加完迅速放回冰箱中；（3）除了模板不同，在實驗中所有試劑都一樣，可以由1個同學先把所有的組分加在一起后混勻再進行分裝，減少槍頭的使用量和降低實驗誤差；（4）在進行瓊脂糖凝膠電泳分析時，有的同學能擴增出與預期大小一致的目的條帶，有的則只有引物二聚體，并無目的條帶，分析原因：①忘記加入某一組分；②PCR程序設置錯誤；③模板質量問題，比如說目的菌株的DNA提取失敗導致模板濃度低或雜蛋白太多，影響擴增體系；（5）瓊脂糖凝膠電泳完畢需進行核酸染料染色，此環節需帶雙層手套進行保護，還需注意使用凝膠成像分析儀時需摘掉手套或請同組同學在電腦上進行成像操作，避免污染實驗室其他區域。以上只是部分有代表性的學生實驗報告中的心得體會，相當多的同學反映在此實驗中不僅掌握了PCR的原理和步驟，而且感覺分子生物學實驗不再是看不見，摸不著了，同時在撰寫實驗報告時不再是以往的“搬運式”（即除了姓名學號不一樣，別的實驗報告內容都一樣），而是加入了自己發現問題、解決問題這一過程，了解到實驗的各個組分在其中發揮的作用，真正掌握并理解了PCR的實驗原理。

3 課外拓展

在理論課程和實驗進行期間，利用翻轉課堂向學生推送有關PCR技術研究進展和PCR技術在生命科學中的應用等綜述，同時向學生布置作業：每位同學經過文獻檢索和查閱制作1個有關于PCR的PPT并利用課外時間進行匯報。例如，有的同學選取了今日說法中的親子鑒定為切入點，制作了“PCR在親子鑒定中的應用”向大家講解；有的同學則對PCR技術的發展感興趣，制作了“熒光定量PCR在快速檢測致病菌中的應用”向大家講解；有的同學自學了生物信息學，就以“16SrDNA在微生物鑒定中的應用”為題，在指導老師協助下對自己的PCR產物測序結果在NCBI上進行了比對并用Mega軟件構建了進化樹進行分析。同學們在這個環節中擴展了知識面，也通過查閱文獻了解到分子生物學跟人類的生活息息相關，紛紛表示要好好學習這門課。

4 結語

分子生物學實驗技術發展迅速，各類院校開設的實驗項目各有特色，結合我院現有情況，很難做到面面俱到。作為任課老師也需要不斷學習，將分子生物學的發展前沿和自身的科研項目融入到日常的教學活動中。目前，基礎性、驗證性實驗在我院分子生物學實驗課程中占有比例較大，我們在此部分實驗中著重培養學生的動手能力，使學生掌握基本原理和基本操作步驟；同時利用開放實驗室、挑戰杯等第2課堂選拔一部分同學結合科研項目開展一些綜合性、創新性實驗，從而培養學生的創新能力。今后，還將優化調整分子生物學實驗教學體系和改革考核方式，引入創新學分獎勵制度，期望通過分子生物學實驗教學改革的不斷深入，為培養合格的生物工程創新型人才做出貢獻。

參考文獻

[1]朱玉賢，李毅，鄭曉峰，等.現代分子生物學（第4版）[M].北京：高教出版社，2013.

[2]申煌煊，李剛.分子生物學實驗方法與技巧[M].廣州：中山大學出版社，2010.

（責編：張宏民）