生物工程專業基因工程與分子生物學實驗教學改革初探

王雪酈　吳遠根　王春曉　王修俊　羅小葉

摘 要 基因工程與分子生物學是生物工程專業的必修課，其中實驗教學起著舉足輕重的作用。筆者分析了當前基因工程與分子生物學實驗課程教學中存在的問題，從教學模式、教學內容以及成績評價體系等方面進行改革，通過新方法、新手段提高了實驗教學的水平，激發了學生學習的積極性和自主性。

關鍵詞 生物工程 基因工程與分子生物學 實驗 教學改革

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.02.047

On the Reform of Gene Engineering and Molecular Biology

Experiment Teaching in Bioengineering Major

WANG Xueli， WU Yuangen， WANG Chunxiao， WANG Xiujun， LUO Xiaoye

（School of Liquor and Food Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025）

Abstract Gene engineering and molecular biology are compulsory courses in bioengineering， among which experimental teaching plays an important role. In this paper， the author analyzes the problems existing in the teaching of gene engineering and molecular biology experiment course， and carries out the reform from the teaching mode， teaching content and performance evaluation system. Through the new methods and new means， the level of experiment teaching is improved， and the students' learning polarity and autonomy are stimulated.

Keywords bioengineering; Gene Engineering and Molecular Biology; experiment; teaching reform

0 引言

生物工程專業培養目標是培養具有生物學與工程學基礎知識，掌握生物加工過程相關科學原理和技術的專業性人才。隨著基因工程技術的發展，分子生物學和基因工程分別被納入本科教學范疇。分子生物學主要關注生物大分子的結構、功能等內容，從分子水平出發闡釋生命活動的規律和過程，[1]而基因工程更多的是關注遺傳物質（DNA片段），在中心遺傳法則的基礎上利用現代分子生物學技術實現DNA的敲除、拼接、重組等過程。[2]因此，上述兩門課程不管是內容方面，還是技術手段方面都相互關聯，基因工程技術是對分子生物學理論的實踐，若將分子生物學和基因工程合并，則有助于學生對相關理論概念的理解和掌握，真正實現理論指導實踐，實踐驗證理論的過程。[3，4]2016年，貴州大學釀酒與食品工程學院新版培養方案中將基因工程與分子生物學兩門課合并為一門課——基因工程與分子生物學。在基因工程與分子生物學教學中實驗教學的作用不可忽視，通過實驗教學可以幫助學生對原本抽象的概念有了感性的認識，也是通過實驗幫助學生掌握現代基因工程的技術手段，培養學生的實驗技能。[5]然而，相對于其他實驗學科而言，基因工程與分子生物學實驗不僅實驗時間長、費用多，而且大部分實驗現象只能在實驗結束時才能觀察到，導致實驗教學質量難以得到保障。

1 基因工程與分子生物學實驗教學過程中的不足

近年來，國內許多高校已掀起一場基因工程與分子生物學實驗教學改革的熱潮，雖取得了一定成果，但因受限于傳統教學模式，導致大批學生無法獨立完成相關實驗，甚至無法理解實驗的目的和原理。經系統分析后發現，基因工程與分子生物學實驗教學存在以下幾點不足：

（1）教學模式較為單一。傳統的基因工程與分子生物學實驗因受耗材費用高、儀器設備人均臺套數較少等影響，導致在實驗教學中仍是以教師為中心，學生“照葫蘆畫瓢”的參照實驗指導書完成“規定動作”。該種教學模式不僅不能激發學生的創新意識和自主意識，還極易導致出現一人操作多人圍觀的現象，尤其在考核形式單一的背景環境下更容易影響學生學習的積極性。

（2）實驗項目零散，缺少綜合性和設計性實驗。據報道，目前生物工程專業基因工程與分子生物學實驗教學中已開設的實驗項目有：質粒提取，瓊脂糖凝膠電泳，感受態細胞制備，PCR 技術、轉化子的篩選等。上述實驗項目在一定程度上培養了學生常規的基因工程與分子生物學實驗技能，但難以在思想上幫助學生們構建成一個相互關聯的完整體系。更重要的是，大部分基因工程與分子生物學實驗中綜合性和設計性實驗偏少，無法培養學生的自主學習能力和創新能力，無法從根本上調動學生學習的積極性。

（3）考核形式單一，注重實驗過程忽略分析問題、解決問題的能力。大部分實驗成績憑借實驗報告完成情況和出勤率，該種考核方式不僅不能反映學生的真實水平，也不利于學生實踐能力的培養。實驗報告的撰寫僅能判斷學生對實驗步驟和方法的掌握程度，但是學生在實驗過程中分析問題和解決問題的能力卻無從考證。

2 基因工程與分子生物學實驗教學改革與實踐

貴州大學釀酒與食品工程學院一直非常重視實踐教學在理論教學中的比例，自基因工程與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了一定的實驗教學學時。針對上述分析中的不足，筆者以滿足知識、能力、素質三個層次的目標為導向，整合原有的實驗項目，實驗設計遵循從基礎技術的培養到綜合能力的提升，旨在學生掌握基礎實驗技能的基礎上，根據常規基因工程與分子生物學技術路線構建綜合性實驗，幫助學生了解當代分子生物學和基因工程實驗思路。

2.1 教學方法的多樣化

（1）微視頻：通過自制微視頻中的動畫，將枯燥的基因工程與分子生物學的基本概念和原理以及復雜的實驗步驟通過聲音、圖像、動畫的形式來展現。

（2）知識大講堂：每月1次的基因工程與分子生物學大講堂則是邀請本院教師進入實驗室，以講座的形式從研究背景、關鍵問題、實驗設計和論證、實驗過程等環節深入淺出的向本科生展示他們的研究成果，開拓學生的知識視野，及時更新學生的知識體系，提高學生密切關注學術前沿的意識。

（3）教學網絡平臺，借助學院的虛擬仿真實驗室，建立基因工程與分子生物學實驗教學網絡平臺。該平臺中提供的虛擬仿真軟件可以加強學生對實驗操作的熟悉程度，避免實驗耗材的浪費，除此之外可以利用此教學平臺指導學生將實驗中得到的PCR測序結果在NCBI上進行比對并用Mega軟件構建進化樹，補充完善與基因工程和分子生物學息息相關的生物信息學相關知識。

2.2 教學內容的層次化

改革后的基因工程與分子生物學實驗主要有兩部分組成，第一部分是基礎實驗操作的學習，第二部分是提升型的綜合性實驗。前者是培養學生基因與分子生物學實驗操作的基本技術，如：基因組 DNA 的提取、質粒 DNA的提取、DNA 濃度的測定、PCR 基因擴增、瓊脂糖凝膠電泳等，后者是利用綜合實驗，引入項目管理的模式，培養學生形成系統的、完整的實驗思路。所謂項目來自于我院教師承擔的各類項目，其中涉及國家自然科學基金、國家重大研發項目、貴州省科技支撐計劃以及各類產學研項目，如“葡萄酒釀酒酵母基因工程菌的構建”等。在對學生進行基本實驗技能培訓后，將學生4～5 人分為一組，待學生完成文獻查閱—方案制定—討論交流—方案修訂等流程后，讓學生自主開展實驗過程。綜合性實驗以教師承擔的課題為依托，巧妙地將基因工程與分子生物學實驗與項目背景和意義結合起來，實驗項目的設計需包含3個目標：第一，幫助學生掌握基礎實驗操作;第二，引導學生了解基因工程與分子生物學實驗常規路線設計;第三，培養學生“項目邏輯思維”，讓學生參與到實際的科研工作中，激發學生的學習熱情，也培養學生從事科研的興趣，不再認為基因工程與分子生物學是“摸不著”的高科技，為今后的學習和科研創新工作打下良好和扎實的理論基礎。

2.3 成績評定的多元化

實驗成績的評定不再采用實驗報告“一錘定音”的模式，而更多關注學生主觀能動部分的收獲。如綜合性實驗過程中實驗方案的設計，數據處理的方法，而在基礎性實驗中則關注學生的實驗操作規范性，團隊合作能力。本次改革在實驗報告的撰寫方面也提出了新要求：第一，在實驗預習報告中，以問題的形式引導學生進行預習，要求學生完成實驗技術路線圖的繪制，幫助學生強化實驗項目之間的邏輯性，找到影響實驗成敗的關鍵技術點，也避免學生出現直接“照抄實驗指導書”而不用心理解和掌握實驗步驟的情況;第二，在傳統實驗報告（實驗目的、原理、儀器設備、試劑藥品，操作步驟、數據記錄和處理）的基礎上，強調實驗結果成敗因素的分析。通過實驗，絕大多數同學認真的反思實驗操作，總結出不少有利于后期實驗開展的方法和技巧，如針對PCR體系成分較為復雜的特性，同學們提出了加1個組分在實驗技術路線圖旁做一個標記的辦法，避免出現試劑漏加的現象。再比如，PCR體系中所用到的Taq酶都是熱失活的，應該確保其在冰盒中存放，加完迅速放回冰箱中等等。最終學生的實驗成績由基礎成績（50%）、理論考試（20%）、綜合性實驗（30%）三部分組成，基礎成績中預習成績占20%、實驗操作占20%、實驗報告10%，而綜合性實驗成績則根據組內方案的設計、組內人員配合度以及實驗成果等進行評估。

2.4 實驗指導的延續性

自2017年以來，我院已實現本科實驗室平臺的開放化管理，因此在課程之外，積極鼓勵學生從事開放實驗的訓練，組織學生申報大學生創新創業項目，“SRT”項目等，提高學生的實驗技能。在課外實踐過程中利用翻轉課堂的模式，讓學生自選題目，自制實驗方案，增強學生對實驗項目的興趣，提升實驗積極性，主動性。

3 總結

筆者以培養目標為導向，以承擔項目為依托，通過項目式教學、翻轉課堂等模式的改革，旨在解決傳統基因工程與分子生物學實驗教學中存在的問題，幫助學生更好的掌握基因工程與分子生物學的基本原理和概念。通過層次性實驗項目的設計，既培養了學生常規實驗的操作技能，又幫助學生形成了基因工程與分子生物學系統的實驗思路。實驗類型由基礎向綜合轉變，實驗難度由淺入深，實驗參與度由少積多，逐漸引導學生的加入，提升學生的學習熱情和積極性。本次教改收到了較好的教學效果，基礎技術的培養讓學生受益終生，技術路線的學習讓學生形成系統實驗的意識，教學過程中項目式實驗的設計也讓學生了解到現階段基因工程與分子生物學研究的熱點和難點，為生物工程應用型人才的培養打下堅實的基礎。

【基金項目】貴州大學2016年“本科教學工程”建設項目（JG201642），貴州大學“本科教學工程”建設項目（JG201965），貴州大學2016年高等教育研究項目（Gdgj2016009）

參考文獻

[1] 杜婕，徐國強，趙運英，等.分子生物學實驗課程的教學改革與實踐[J].廣東化工，2016.43（05）：194-195.

[2] 李馨，劉吉升，周玉萍，等.生物工程上游技術實驗的教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2019.36（03）：225-228.

[3] 劉建，李甜，孫立志，等.工科院校分子生物學和基因工程整合教學模式初探[J].長春教育學院學報，2011.27（10）：97-98.

[4] 王川，黃丹，魏丕偉，等.生物工程類專業分子生物學教學模式改革[J].農業工程，2019.9（04）：97-99.

[5] 趙運英，徐國強，曹春蕾，等.本科分子生物學課程教學的改革與效果[J].廣東化工，42（14）：234-235.