階段式分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式的探索

周強(qiáng) 易浪波

摘要：本文在分析分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)實(shí)困難的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了階段式實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為認(rèn)知、訓(xùn)練、應(yīng)用三階段，并詳細(xì)介紹了每個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、培養(yǎng)要求、考核辦法、實(shí)施要點(diǎn)等。該教學(xué)模式為分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供參考。

關(guān)鍵詞：分子生物學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；階段式教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）03-0279-02

分子生物學(xué)是在生物分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學(xué)，主要研究核酸、蛋白質(zhì)等的結(jié)構(gòu)、功能、調(diào)控等，其已成為生命科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科和重要研究技術(shù)。主要涉及生物學(xué)、藥學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、作物學(xué)等15個(gè)一級(jí)學(xué)科和生物科學(xué)、生物工程、農(nóng)學(xué)等40余個(gè)專業(yè)，又與生物化學(xué)、生物信息學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程等近百門課程相關(guān)。在高等教育中，分子生物學(xué)是一門非常重要的基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課程，也是理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合非常緊密的課程。實(shí)驗(yàn)課程不僅能幫助學(xué)生理解分子生物學(xué)抽象的原理知識(shí)，還能訓(xùn)練學(xué)生掌握分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

一、目前分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要困難

1.教學(xué)課時(shí)數(shù)量較少。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程步驟多、耗時(shí)較長(zhǎng)，一次課程通常需3小時(shí)以上。比如完成PCR實(shí)驗(yàn)教學(xué)和操作至少需要4小時(shí)。而目前，絕大部分高校的實(shí)驗(yàn)課時(shí)在32-64學(xué)時(shí)，僅能開(kāi)設(shè)10-15個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這只能滿足分子生物學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生也僅能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)完成一次操作過(guò)程，缺少必要的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)。

2.教學(xué)內(nèi)容不夠深入。大部分高校的實(shí)驗(yàn)課程僅開(kāi)設(shè)了一些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這與分子生物學(xué)研究技術(shù)的快速發(fā)展現(xiàn)狀是極不相符的[1]。有的實(shí)驗(yàn)還采用比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力的老技術(shù)，近些年新的研究技術(shù)也沒(méi)有補(bǔ)充進(jìn)課堂。

3.考核體系較簡(jiǎn)單。目前的考核主要是從出勤、課程預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末考查來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)，難以真實(shí)反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握能力[1]。考核內(nèi)容較簡(jiǎn)單，激勵(lì)措施缺失，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)力不足。

二、階段式分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的內(nèi)涵

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的困難，我們建立了一種新的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。其特點(diǎn)是將整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為認(rèn)知、訓(xùn)練和應(yīng)用三個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從經(jīng)典實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、科研實(shí)驗(yàn)逐步加深。對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊髲睦斫狻⒄莆铡⑦\(yùn)用逐步提高。考核包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課程論文、理論考核、結(jié)果匯報(bào)、技能考察等多項(xiàng)內(nèi)容，考核評(píng)價(jià)體系更加科學(xué)、全面。該教學(xué)模式能夠根據(jù)學(xué)生的興趣和需求，進(jìn)行差異化教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

第一階段為認(rèn)知階段，主要在課堂學(xué)時(shí)內(nèi)完成。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括兩部分。主體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是DNA、RNA的提取、瓊脂糖核酸電泳、目標(biāo)基因的PCR擴(kuò)增、SDS-PAGE電泳檢測(cè)等常規(guī)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，重在理論的講解和操作要點(diǎn)的指導(dǎo)。讓學(xué)生能夠理解實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)操作的原理及要求，初步完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程。輔助實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為虛擬實(shí)驗(yàn)，主要是針對(duì)因設(shè)備要求高、實(shí)驗(yàn)難度大等暫時(shí)沒(méi)有條件開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)，比如基因編輯、單克隆抗體制備等。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)，可以開(kāi)拓學(xué)生的視野。第一階段的考核以實(shí)驗(yàn)報(bào)告和針對(duì)實(shí)驗(yàn)理論和操作要點(diǎn)進(jìn)行課堂問(wèn)答（或理論考試）為主[2]，可占課程期末總成績(jī)的30%-40%。

第二階段為訓(xùn)練階段，主要在課堂學(xué)時(shí)之外，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。2-3名學(xué)生組成實(shí)驗(yàn)小組，在6-10大類的選修實(shí)驗(yàn)中，自選2-3個(gè)不同類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用課余時(shí)間自主查找資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究、分析數(shù)據(jù)結(jié)果，最后在課堂上進(jìn)行匯報(bào)。通過(guò)課外的自主實(shí)驗(yàn)練習(xí)，使得學(xué)生能夠掌握基礎(chǔ)的分子生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也初步了解科學(xué)研究的過(guò)程。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)與分子生物學(xué)的應(yīng)用密切，包括利用16SDNA鑒定微生物的種類、克隆生物中的特定基因、檢測(cè)目標(biāo)基因在RNA水平表達(dá)的變化等多個(gè)大類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在大類項(xiàng)目下，學(xué)生可以選擇或設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如鑒定微生物的種類，可以鑒定酸奶、臘肉、土壤等多種樣品中的微生物。這類實(shí)驗(yàn)根據(jù)學(xué)校的特色或?qū)W生的專業(yè)有針對(duì)性的設(shè)置，難度不高，工作量適中，操作性強(qiáng)，成功率較高。其綜合了多種分子生物學(xué)的研究技術(shù)，學(xué)生練習(xí)充分，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ腻憻捰休^好的效果。該階段的考核由實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和技能考核兩部分組成。實(shí)驗(yàn)進(jìn)展可占總成績(jī)的20%-30%，主要考核項(xiàng)目實(shí)施的工作量、實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和結(jié)果等。技能考核可占總成績(jī)的20%-30%，主要是隨機(jī)抽取1-2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行考察。

第三階段為應(yīng)用階段，主要是在課堂教學(xué)之外，學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇科研導(dǎo)師。在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，選擇合適的科研課題進(jìn)行科研訓(xùn)練。該類項(xiàng)目工作量較大，具有一定的創(chuàng)新和難度。要求學(xué)生能夠綜合應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)針對(duì)具體的科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)研究。比如對(duì)植物某一基因的功能進(jìn)行研究，可能涉及核酸的提取檢測(cè)、PCR擴(kuò)增、載體構(gòu)建、轉(zhuǎn)基因操作、蛋白質(zhì)印跡檢測(cè)等多項(xiàng)研究手段，有效的提高了學(xué)生的科研素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。對(duì)于該階段的考核有不同的形式。一種形式是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠在一個(gè)學(xué)期內(nèi)完成的，可以作為課程論文考核。根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，由導(dǎo)師給予評(píng)價(jià)，成績(jī)計(jì)入課程期末總成績(jī)，所占成績(jī)比例為20%-30%。另一種形式是將其作為創(chuàng)新學(xué)分或畢業(yè)論文。通過(guò)有關(guān)考核程序，單獨(dú)給予學(xué)分。

三、階段式分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施要點(diǎn)

1.第一階段的教學(xué)中，首先，要精煉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，重視各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的系統(tǒng)性。在有限的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，選擇講授的實(shí)驗(yàn)基本能夠覆蓋分子生物學(xué)的基礎(chǔ)技術(shù)，體現(xiàn)分子生物研究中的共性技術(shù)。就目前的現(xiàn)狀而言，大部分高校以分子克隆為主體，蛋白質(zhì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)為輔。所以，對(duì)分子克隆的主要操作環(huán)節(jié)必須講解到位，關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)必須指導(dǎo)到位。可以以一個(gè)具體基因的克隆過(guò)程作為教學(xué)內(nèi)容，按照真實(shí)的實(shí)驗(yàn)次序開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)，確保實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性和邏輯性。也相當(dāng)于帶領(lǐng)學(xué)生參與完成了一次真實(shí)的科學(xué)研究，使學(xué)生對(duì)科研有了更加直觀的認(rèn)識(shí)。這一階段切忌把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)得多而全和高精尖。對(duì)于不能在該階段完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以安排在第二階段的訓(xùn)練中。其次，教學(xué)形式要豐富。目前的教學(xué)中，多是教師講授實(shí)驗(yàn)原理、目的、試劑、步驟等，然后學(xué)生在規(guī)定時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)操作，形式單一，學(xué)生較為被動(dòng)。在教學(xué)可以引進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)室、微課慕課、翻轉(zhuǎn)式教學(xué)、討論式教學(xué)等先進(jìn)的教學(xué)技術(shù)和理念，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。比如，課前通過(guò)預(yù)習(xí)、視頻學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)驗(yàn)室練習(xí)，使得學(xué)生初步了解試驗(yàn)內(nèi)容和操作過(guò)程，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)課堂中，就會(huì)得心應(yīng)手，各種操作忙而不亂，提高了課堂效率和學(xué)習(xí)效果。

2.第二階段的教學(xué)中，首先，如何保障實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放運(yùn)行是關(guān)鍵。該階段的實(shí)驗(yàn)時(shí)間多在課堂、甚至工作時(shí)間之外，這就需要從經(jīng)費(fèi)、制度、人員多方面進(jìn)行配合。經(jīng)費(fèi)由課程承擔(dān)，實(shí)驗(yàn)耗材需充分計(jì)劃，納入課程預(yù)算；在儀器的使用、實(shí)驗(yàn)室的安全管理等方面要建立嚴(yán)格的制度，如進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生需進(jìn)行儀器操作培訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)室安全學(xué)習(xí)考試。同時(shí)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室管理人員和指導(dǎo)教師應(yīng)按照實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的周期和指導(dǎo)項(xiàng)目計(jì)算加班工作量。其次，指導(dǎo)老師的隊(duì)伍要加強(qiáng)。該階段的實(shí)驗(yàn)涉及分子生物學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域，內(nèi)容較多，差異較大，僅1-2位實(shí)驗(yàn)教師難以承擔(dān)指導(dǎo)工作。所以，必須將相關(guān)的博士、教授等納入實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍，組建6-10人以上的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。根據(jù)各人的研究專長(zhǎng)，指導(dǎo)學(xué)生自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。在指導(dǎo)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的中心地位，多以探討式、啟發(fā)式的形式進(jìn)行輔導(dǎo)，以提高學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力。

3.第三階段的教學(xué)中，保障、考核和激勵(lì)體系是重點(diǎn)。在該階段，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)主要依靠科研導(dǎo)師的課題和學(xué)生申請(qǐng)大學(xué)生科研項(xiàng)目支持。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所主要是導(dǎo)師的科研實(shí)驗(yàn)室和學(xué)院平臺(tái)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。其中，導(dǎo)師的支持更為重要。所以，可以實(shí)施本科生導(dǎo)師制，鼓勵(lì)、支持教師利用課題資源指導(dǎo)本科生的學(xué)習(xí)。考核分為導(dǎo)師考核和項(xiàng)目檢查進(jìn)行。導(dǎo)師考核由導(dǎo)師根據(jù)其日常工作表現(xiàn)給予評(píng)價(jià)。而項(xiàng)目檢查是由專家組對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行開(kāi)題報(bào)告、中期進(jìn)展和結(jié)果答辯。對(duì)于考核不合格的，不予計(jì)學(xué)分。激勵(lì)主要通過(guò)舉行、參加各種競(jìng)賽，對(duì)獲獎(jiǎng)學(xué)生進(jìn)行表彰，并在評(píng)優(yōu)評(píng)先、獎(jiǎng)學(xué)金評(píng)定等方面予以加分。

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