基因工程實驗教學整合與優化的改革與探索

任國領　侯曉哲　趙曉菊　胡敏　曲麗娜　張虹

摘要?基因工程是以分子生物學和遺傳學為理論基礎的專業必修課，其知識抽象復雜，理論性和實踐性較強?；蚬こ虒嶒炞鳛榛蚬こ探虒W的重要環節，可以幫助學生形象地去理解抽象難懂的理論知識。分析了基因工程實驗教學中存在的問題，如授課內容老化、教學方法被動和考核方式單一等?；诨蚬こ虒嶒炚n程的整合與優化，借助教師的科研優勢進行基因工程實驗教學的改革與探索，從教學內容、教學方法和考核方式等方面進行了改革，以期實現實驗內容的整合與優化，以學生為中心的教學方法和以能力為導向的考核方式構建和完善。

關鍵詞?科研;基因工程;實驗教學;教學改革

中圖分類號?S-01文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0275-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.078

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Reform?and?Exploration?of?the?Integration?and?Optimization?of?Genetic?Engineering?Experiment?Teaching

REN?Guo?ling1，2，HOU?Xiao?zhe3，ZHAO?Xiao?ju1?et?al?（1.Institute?of?Biological?Engineering，Daqing?Normal?University，Daqing，Heilongjiang?163712;2.Heilongjiang?Provincial?Key?Laboratory?of?Oilfield?Applied?Chemistry?and?Technology，Daqing，Heilongjiang?163712;?3.Daqing?Middle?School?of?Heilongjiang?Province，Daqing，Heilongjiang?163712）

Abstract?Genetic?engineering?is?a?compulsory?course?based?on?molecular?biology?and?genetics，which?is?abstract?and?complex，and?it?has?deeper?theory?and?better?practicality.As?an?important?part?of?genetic?engineering?teaching，genetic?engineering?experiment?can?help?students?to?understand?abstract?and?difficult?theoretical?knowledge.

The?existing?problems?in?the?experiment?teaching?of?genetic?engineering?at?present?were?analyzed，such?as?aging?teaching?contents，passive?teaching?methods?and?single?assessment?methods.Based?on?the?integration?and?optimization?of?the?experimental?class?of?genetic?engineering，this?paper?carried?out?the?reform?and?exploration?of?the?experimental?teaching?of?genetic?engineering?with?the?help?of?teachers?scientific?research?advantages，and?explored?the?reform?from?the?aspects?of?teaching?contents，teaching?methods?and?assessment?methods，so?as?to?achieve?the?reform?effect?of?the?integration?and?optimization?of?experimental?contents，the?foundation?and?improvement?of?student?centered?teaching?methods?and?ability?oriented?assessment?methods.

Key?words?Scientific?research;Genetic?engineering;Experimental?teaching;Teaching?reform

基因工程是生命科學領域發展迅速和應用性較強的一門前沿學科，是以分子生物學和遺傳學為理論基礎的專業必修課程[1]。基因工程是以DNA重組技術為基礎，按照人類意愿改變生物的性狀，在工業、農業、醫藥、環保和能源等方面具有廣闊的應用前景[2]。隨著功能基因組學、生物信息學和基因編輯等新技術的不斷涌現，基因工程的應用性和實踐性進一步提升[3]?；蚬こ虒嶒炘诨蚬こ探虒W中發揮著重要的作用，能夠培養學生的動手能力、創新思維、創新意識和創新能力，鍛煉學生的實踐能力和科研思維，提升學生的綜合素質。

目前，基因工程實驗教學存在不少問題，比如實驗內容分散老化，設計缺乏創新，被動非開放學習為主，演示性、驗證性實驗偏多，綜合性、設計性實驗比例偏低，教學方法陳舊，考核方式單一[4]。教師科研體現的是本專業最新的前沿方向和研究進展，教師將自己的科研項目引入到基因工程實驗教學中，使研究內容的綜合性和設計性更強，學生參與度更高，可以很好地鍛煉學生的自主設計能力、實踐動手能力和科研思維意識，使基因工程實驗教學更有利于核心技能的學習和掌握，培養學生的研究性學習能力，提高基因工程實驗課程的教學質量。

通過幾年的教學實踐，筆者將教師的相關科研項目“基于分子生物學的環境樣品中細菌群落結構分析”引入基因工程實驗教學中，對基因工程實驗的教學內容進行整合與優化，對教學方法進行了大膽改革和有益探索，學生通過自主選取實驗樣品類型，自主設計實驗方案，獨立開展實驗活動，獨立完成實驗總結。將原有獨立分散的幾個實驗整合到“基于分子生物學的環境樣品中細菌群落結構分析”科研項目中，提升了項目綜合性和設計性，提高了學生的學習興趣和自主設計實驗的能力，達到了項目驅動式和啟發式教學的目的，有效地提高了實驗教學的效率。

1?基因工程實驗教學中存在的問題

1.1?實驗內容老化且分散，驗證性實驗偏多

傳統的基因工程實驗主要包括總DNA基因的提取與純化、PCR?擴增、PCR產物的純化與DNA片段的連接、感受態細胞制備與轉化、質粒的提取或者基因表達產物檢測等與基因克隆技術相關的基礎實驗[5]。雖然這些基礎實驗注重的是基礎理論知識和基本技能，但缺乏貼近基因工程應用性和生物信息學前沿性的創新性實驗，缺乏貼近行業的設計性實驗;另外，實驗項目內容孤立分散，驗證性實驗偏多，實驗之間缺少內在聯系，將各個實驗割離導致學生缺少對實驗的系統認識，學生對實驗的目的與精髓不能很好地把握，學生學習的興趣與積極性不高，實驗效果不夠理想[6]。

1.2?教學方法傳統且枯燥，學生主動性較少?傳統的基因工程實驗教學方法是教師課前準備相關樣品、試劑和耗材，課堂講解實驗目的、實驗原理、實驗步驟和注意事項等，教師演示實驗儀器的使用和實驗步驟等，學生模仿教師的做法完成整個實驗，最后寫個實驗報告上交[7-8]。這種傳統的實驗教學方法枯燥乏味，學生缺少獨立思考，一味地進行機械模仿，導致學生缺少新奇感、主動性和創新精神，主動學習的意識和運用已學知識解決實際問題的能力完全缺失，學生探求科學的精神也被徹底扼殺。

1.3?考核方式單一且低效，學生能力無法充分體現

基因工程實驗考試采用出勤、課堂表現和實驗報告作為平時成績，占總成績的30%;期末考試主要包括筆試和操作考試，占總成績的70%[9]。這種考核方式單一低效，缺乏教學考核評價的合理性和客觀性，不能全面反映學生的實際動手能力、創新能力、思考分析能力、自主設計能力和科研綜合素質，更不能很好地調動學生實驗的積極性和主動性[10]。

2?基因工程實驗教學的改革與探索

2.1?基因工程實驗教學內容的整合與優化

教師將科研項目和科研成果設計實驗內容，在教學內容上摒棄以往人為將實驗教學分割成獨立的實驗，而是結合教師科研工作將基因工程實驗整合成一個科研項目式的綜合大實驗——基于分子生物學的環境樣品中細菌群落結構分析。通過不同環境微生物的基因克隆文庫構建和分析整個過程，學生可以自主選擇不同環境（油藏采出液、三元污水、油井注入水和含聚污水等）的實驗樣品，學生分組自主設計實驗方案。讓學生從整體上把握基因工程實驗課程，學會自己設計實驗方案、自學實驗方法、獨立學習實驗技能，幫助學生樹立正確的科研理念，注重鍛煉學生的邏輯思維能力，注重實驗的連貫性和整體性。整個實驗內容經整合與優化后，主要包括：①從環境（油藏采出液、三元污水、油井注入水和含聚污水等）樣品中提取微生物的基因組?DNA?及鑒定;②利用?PCR?技術擴增16S?rDNA基因;③16S?rDNA基因片段的回收及其與pMD18T載體的連接;④大腸桿菌感受態細胞的制備;⑤重組質粒?pMD-18T-16S?rDNA的轉化;⑥重組子的藍白斑篩選及質粒的提取;⑦16S?rDNA基因的生物信息學分析及群落結構解析。實驗圍繞環境樣品中總基因組DNA的提取、16S?rDNA基因的擴增、重組、轉化、篩選及基因比對和生物信息學分析等內容展開，實驗內容前后緊密銜接，實驗的全部流程一個環節與另一個環節緊密相連，實驗步驟前后連貫，從實驗樣品選擇、實驗方案設計、實驗方法選取、實驗流程操作、實驗結果分析到實驗報告撰寫再到最終的實驗總結均是遵循“以學生為主體，教師為主導”的現代教育理念[11-12]。

2.2?基因工程實驗教學方法的改革與實踐

由于科研促進了基因工程實驗內容的整合與優化，使整個基因工程實驗整合成科研項目的形式，有利于促進基因工程實驗教學方法的改革與優化。筆者改變了傳統的、非開放式的課堂教學方法，轉變為開放式實驗室教學。第一節課由教師布置該學期基因工程實驗課的整體目標，學生分組選擇實驗樣品，制定實驗方案，自主選擇實驗方法，所有實驗均由學生自己獨立完成，且準備實驗也由學生完成。然后，教師講解基因工程實驗所用各種儀器設備的使用方法和注意事項，如高速離心機、滅菌鍋、純水儀、超凈工作臺、核酸純化儀、?PCR儀、循環水浴鍋和凝膠成像系統等。學生自己練習操作各種儀器設備，學生能熟練使用儀器設備后，經教師考核合格后就可以讓學生進入開放實驗室。做實驗前，教師不限制學生對試劑、藥品和儀器設備的使用，讓學生準備各種試劑、耗材、滅菌等，包括配制培養基，制備感受態細胞，滅菌消毒槍頭、PCR管和離心管等。實驗過程中在教師的指導下完成整個實驗操作，教師只需要規范操作，指導學生分析實驗結果。每次實驗操作完成后，教師都會針對各組學生（每組3～4人）實驗過程中出現的問題，先讓學生自己進行獨立思考和自由討論，學生自己討論解決不了的問題，再引導學生和教師之間進行互動交流，以啟發式和研討式找出解決問題的辦法，加深了學生對抽象理論知識的理解。實驗報告在教師的指導下，由學生分組討論后，以小組形式獨立完成，鍛煉了學生的團結協作精神。

2.3?基因工程實驗考核方式的優化與提升

開放式的實驗教學模式需要更加過程化的以創新能力培養為重心的實驗課程考核新模式[13]。此類項目考核時，教師可以針對不同選題進行不同評價，主要從查閱文獻、方案設計、方法選取、動手操作、問題解決、實驗結果、實驗小結、團結合作和創新能力等方面進行考核，進一步完善了開放式的管理制度與全程參與式的考核方式[14]。這種全過程性考核成績的方法，既能反映學生的實際水平和能力，又能調動學生學習的主動性和積極性，為學生開展創新性活動奠定了堅實的專業?基礎。

3?實施基因工程實驗課教學改革的成效分析

通過實施此次基因工程實驗教學改革，讓教師教學與科研相長，教學孵育科研，科研反饋教學，使基因工程實驗的教學內容、教學方法和考核方式等實現了有效創新與完善。通過此次對實驗教學的創新，讓學生更好地參與實驗環節，此次改革以大慶師范學院2013級、2014級和2015級生物技術專業學生為實施對象，直接受益的學生每年約70名。通過幾年的實踐，不僅有利于快速提高學生的實驗技能，使學生對基因工程知識的學習興趣更加濃厚，提高了學生的學習主動性和積極性，培養學生的科研興趣和獨立思考習慣，而且有利于啟迪學生的創新思維和創新能力，為今后從事科研或工作打下良好的基礎。

2016—2019年，大慶師范學院生物工程學院考研率一直保持30%以上，多名考研成功的學生反映綜合性實驗的開展使其對基因工程的實驗原理、操作流程和基本技能都有了深刻的理解和掌握，使其在研究生面試時得到了導師們的認可。2016—2019年，近40名學生成功申請了國家級、省級、校級大學生創新研究項目的立項支持，發表研究論文10余篇，有10余個團隊先后在國家級和省級競賽中獲獎。同時，通過對相關用人單位的走訪得知，畢業生可以滿足用人單位對專業的需求。

4?結語

經過近3年的改革和實踐，教師將科研項目引入本科生基因工程實驗課教學取得了一定的成效，構建了一個基因工程實驗教學和教師科研相結合的開放教學模式和體系。然而，基因工程實驗教學改革是一個系統工程[15]，仍需要不斷探索和實踐，基因工程實驗教學的內容、方法和考核方式也要根據基因工程學科的發展方向進行大膽改革和創新，教師需要不斷提升自身的業務水平和科研素質，緊跟學科前進的步伐，加大教學經費的投入力度，完善實驗條件，促使基因工程實驗教學更加科學合理，為國家培養出更多優秀的創新型、應用型人才。

參考文獻

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