基于CDIO理念下“基因工程實驗”多元教學模式的構建及實踐＊

趙偉春

（浙江中醫藥大學濱江學院，浙江杭州 310053）

1 背景與意義

“基因工程實驗”是我校濱江學院生物工程專業的必修課程。本實驗課程要求學生掌握核酸的提取、基因分離、基因克隆、表達產物分離和鑒定等實驗技能。該課程于2012年正式開設，較好地解決了過去實驗教學依附于理論課程、課時少、內容孤立、交叉重復等問題，對學生實踐動手能力的培養起到了積極地作用。但是，由于本課程開課時間短，存在教學內容簡單孤立，教學方法不成體系，缺乏形成性評價等一系列問題。這與獨立學院培養熟練掌握社會生產或社會活動的基礎知識和基本技能，主要從事一線生產的應用型、技能型人才的培養目標不相適應。因此，如何從每一個教學環節入手，真正提高人才培養的質量，使學生走出校門之后能適應迅猛發展的科學技術，為國家的現代化建設做出貢獻，是獨立學院課程教學尤其是實驗教學面臨的一個重要課題。

近年來，以任務驅動的CDIO工程教育模式成為本科院校教學改革的新思路。CDIO工程教育理念是于2004年提出的一種新教學模式，代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運行（Operate）。它是借鑒現代工業產品的全生命周期的理念，為學生提供真實的工程情景，讓其以實踐的、主動的與課程之間有機聯系的方式學習，是“做中學”和“基于項目的教育和學習”的集中體現。CDIO教學理念堅持以學生為主體，教師為主導，從實際或已有知識中發現和提出問題，引導學生應用所學知識探究規律和創新，教學中安排豐富的設計性和綜合性實驗，要求學生親自動手和全身心投入，引導學生主動學習，提供更多的動手實踐機會。因此，本課題組在“基因工程實驗”課程中引入CDIO工程教育的理念，在不斷更新教學內容的基礎上，采用案例式、小組合作式等教學方法組織教學，改變終結性評價方式為形成性評價，從技能型人才的內在素質要求來提高人才的實用性，以適應社會的需求。

2 教學內容的整合

隨著知識的日新月異，基因工程技術層出不窮。包括基因組DNA的提取、RNA的提取、目的基因的克隆、質粒載體的制備、限制性內切酶酶切、DNA和RNA的電泳回收、目的基因和載體的連接、

E.coli

感受態細胞的制備和轉化、陽性克隆的PCR篩選、蛋白質的體外誘導表達、表達產物的分離和純化、蛋白質電泳分析、基因組文庫的構建、基因芯片的制備和應用、DNA測序技術、分子雜交技術等一系列的實驗項目。而“基因工程實驗”只有51學時。因此，本課程以CDIO教學理念為模式，強調實驗教學與生產實踐相結合，并結合我校辦學特色，將教師在中醫藥領域的研究成果融入到實驗教學中，將基因組DNA的提取、目的基因的克隆、質粒載體的制備、限制性內切酶酶切、DNA的電泳回收、目的基因和載體的連接、

E.coli

感受態細胞的制備和轉化、陽性克隆的PCR篩選、蛋白質的體外誘導表達、表達產物的分離和純化、蛋白質電泳分析等一系列的知識、技術放在生產實踐的整體水平進行學習，形成以藥用植物蛋白基因克隆表達的產品開發為主線的“基因工程實驗”課程，并編制相應的CDIO培養大綱。同時，通過構建實驗項目、課程設計和綜合實訓等環節落實教學內容，激發學生學習興趣，使學生掌握扎實的基礎理論知識，提高學生的創新能力。其余未能在課堂教學中實施的實驗項目一方面通過網絡虛擬實驗室讓學生自主學習，另一方面通過實驗室開放項目、學生科技創新項目和畢業論文設計等方式在科研導師的指導下進行學習。

3 教學設計的創新

在教學環節的設計上，按照“以CDIO培養大綱為指南、以項目設計為導向、以工程能力培養為目標”的原則分為三個層次：

3.1 教師建立實驗項目

實驗項目是實驗課程教學的基礎，對學生基礎專業技能的培養具有重要作用。實驗項目分為驗證性、綜合性和設計性等。在本課程中，將課程的11個教學內容均設定為實驗項目，每個實驗項目又包含有不同的知識點和實驗技能。例如，“質粒載體的制備”這一實驗項目中，學生要掌握實驗材料的滅菌、無菌操作、大腸桿菌的培養、菌體的收集、細胞的裂解、基因組DNA和蛋白質等雜質的去除、質粒載體的復性等一系列的理論知識和實驗技能。通過教師講解與演示、學生實地操作有機結合，學習各個知識點，以培養學生的實踐動手能力和專業興趣。

3.2 學生課程設計

在實驗項目的基礎上，學生以某一產品的開發為目的，綜合運用課程的知識和技術（不同實驗項目）完成一個完整的設計。通過課程設計，訓練學生運用專業知識分析問題、解決問題的能力，提升和拓展學生的專業技能，全面檢驗學生的綜合素質與工程實踐能力。在本課程中，要求學生在教師提供藥用植物的基礎上，利用所學的基因工程理論知識設計一套切實可行的方案，完成藥用植物蛋白基因的克隆表達過程。

3.3 學生綜合實訓

學生以課程設計為基礎，綜合運用課程相關知識完成項目的實戰訓練。在本課程中要求學生以藥用植物蛋白克隆表達的生命周期為主線，嚴格按照基因工程技術的流程與規范，完成一個蛋白藥物的少量生產，最后提交蛋白產品和相關的技術文檔，并對測試結果進行分析。綜合實訓以項目為載體構建知識結構，將學科知識、專業技能與工程實踐有效結合，體現基因工程領域中的工程學和方法學的實施，從而實現對學生技術與管理能力的訓練和職業綜合素質的培養。

4 教學方法的變革

推行“以學生為中心，以能力發展為主線”的CDIO教學方法改革，倡導以案例牽引、項目驅動、小組合作式學習等教學方法，改變傳統“填鴨式”的教學方式，充分利用有限的課堂教學學時提升教學質量，提高學生的知識應用能力、創新思維能力、實踐動手能力和團隊合作能力。

4.1 案例牽引

按照CDIO大綱能力培養的層次要求，結合實踐課程的教學目標，并充分體現我校的中醫藥特色，我們精心規劃和設置了“藥物植物蛋白的克隆表達”的教學案例，把教學內容巧妙地融合在案例之中，學生以完成案例任務為目標，在老師的指引下對目標問題進行分析與分解，并通過動手實踐解決問題，真正做到“做中學”和“學中做”，培養學生的創新思維。

4.2 項目驅動

根據CDIO“做中學”和“基于項目的教育和學習”的思想，在基因工程實驗教學中引入以項目為載體、任務為驅動的教學模式，在實戰中以運用基因工程技術實現在大腸桿菌中生產藥用植物蛋白的生命周期為主線，從項目啟動到需求分析、構思、設計、實現、測試到運行維護的整個生產過程的構建和實戰來培養學生的工程實踐能力和綜合素質。

4.3 小組合作式教學

團隊協作能力是理工科類學生必備的一種能力。在實際教學過程中，我們通過學生自由組合的方式，將學生分為3人/組。教師將教學任務下達到各小組。學生在教師的指導下，根據任務分工的不同，分頭查找資料，小組交流并討論，通力合作以完成實驗項目。問題解決后，學生還要對本小組及自己的學習過程進行自我反思和評價，總結所獲得的知識和技能。通過這種方式發展學生的團隊合作能力和自主學習能力。

5 評價體系的完善

采用多主體、多元化、動態化的教學評價體系對學生的知識、技能和素質全方面進行形成性評價。對學生的評價分為三大塊進行：

5.1 教師測評

教師測評分為兩部分，占總成績的85%。其一，教師以個體的方式評價學生對專業知識與技能的掌握情況。主要包括出勤和實驗態度（10～15%）、實驗理論知識（課前預習考試、實驗記錄、期末實驗論文，30～35%）、操作技能（課前實驗材料準備、課堂操作、期末實驗操作考試，40～45%）等。其二，以小組為單位，考核學生的實踐能力、創新思維和團隊精神，包括課程設計作品演示、項目論文答辯等（10～15%）。

5.2 學生自評

學生自評占總成績的5%。在完成教學目標之后，學生對本人在合作學習過程中的表現做出自評，包括學習態度、理論知識掌握情況、實踐操作技能和團隊合作精神等。

5.3 小組互評

小組互評占總成績的10%。各組成員對本組及本組成員在合作學習過程中的表現做出評價，同時對各合作小組進行組與組交叉評價。

6 結語

“基因工程實驗”的教學實踐證明，CDIO教學理念有利于學生個性的發揚和潛力的發揮，有利于學生創新能力的培養。學生較好地掌握了基因工程的基本概念、基本原理及基本操作技術，熟悉基因工程復雜的操作流程及其在工農業及醫學中的應用，訓練和提高了學生利用所學知識分析并解決研究、生產領域中實際問題的能力，使學生在今后繼續深造和運用基因工程技術開展生命科學領域的科研、教學、生產、開發等工作中形成較強的競爭力。《基因工程實驗》課程多維教學模式的有效構建和實施，也為其他實踐教學類課程的建設提供了借鑒。