基于創新能力提升的基因工程教學改革探討與實踐

馮華朋 鄔麗 何玉龍 舒建洪

摘要基因工程是現代生物技術工程的核心課程，也是生物制藥專業學生的一門必修課程。結合浙江理工大學基因工程課程的改革與實踐的經驗，本文從教學理論、教學方法及教學形式等方面對浙江理工大學生物制藥專業基因工程課程改革進行了系統的梳理和總結，初步建立了基于創新能力提升的基因工程理論教學、實驗實踐及工廠參觀實習的教學體系。

關鍵詞 創新能力 基因工程 教學改革

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.16.033

Exploration and Practice of Genetic Engineering Teaching Reform Based on Innovation Ability Promotion

FENG Huapeng[1][3]， WU Li[2]， HE Yulong[1]， SHU Jianhong[1][3]（[1]College of Life Science and Medicine， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou， Zhejiang 310018；

[2]College of Life Sciences， China Jiliang University， Hangzhou， Zhejiang 310018；

[3]Hangzhou Hongsheng Biotechnology Co.， Ltd， Hangzhou， Zhejiang 310018）

AbstractGenetic engineering is the core course of modern biotechnology engineering and a compulsory course for students majoringin biopharmaceuticals. Combining with theexperienceofgenetic engineering curriculumreformand practice of Zhejiang Sci-Tech University， this article systematically combs and summarizes the genetic engineering curriculum reform of Zhejiang Sci-Tech University’s biopharmaceutical major from the aspects of teaching theory， teaching methods and teaching methods， and initially establishes a foundation based on innovation， and the teaching system of genetic engineering theory teaching， experimental practice and factory visit practice based on innovation ability promotion was established.

Keywordsinnovative ability； genetic engineering； teaching reform

基因工程（Geneticengineering）是對DNA或其他核酸分子的人工操縱，修飾和重組，從而來改變生物體或生物體種群的性狀的一門學科。在過去30多年的時間里，基因工程和生物技術的共同發展帶來了分子生物學的開創性發現，這些發現徹底改變了我們對自然的理解及其在社會中的應用。遺傳密碼的發現可以使我們可以操縱各種生物的基因組。基因工程是人工操縱、修飾和重組DNA或其他核酸分子，以修飾生物體或生物體種群。

作為生物制藥學生的專業必修課程和核心課程，基因工程的學習在本專業學生培養中有著非常重要的作用。從課程開設以來，本專業學生選課累計800余人，此外還有其他專業，例如生物技術專業的學生選修本課程。本課程的主要教學目標可以歸納為讓學生能在自己的專業領域，生物制藥這一塊掌握基本的專業技能，培養學生的創新思維能力。本課程的主要教學內容使學生能夠更好地掌握生物藥物研發過程中關于基因工程技術的理論知識，掌握基因表達、基因克隆及其他常見的基因工程學技術的方法和原理，使學生通過學習該課程掌握基因工程學的基本理論、實踐技術以及在生物藥物研究中的應用。

基因工程知識點密集，原理性強，內容抽象，短時間內迅速理解困難。如果單純地采用傳統的方式來教學，學生只能獲得一些浮于表面的感知性知識，并不能夠完全理解并應用。同時，基因工程這門學科需要學生掌握基本的專業知識，與理論和實踐密切相關，涉及許多技術困難。傳統的教學方法很容易使學生被動地接受知識，從而導致理論教學與實踐之間的脫節。另一方面，隨著經濟和科技的發展，基因工程的發展迅速，相關的知識理論也日益變化。本課程所學知識與今后生物制藥這個行業的發展密切相關，由于時代快速發展，生物制藥行業更新換代也快，課程內容需要相應地更新，為了培養高素質人才以滿足行業發展的需要，教學內容改革越來越迫切。[1]

基因工程課程建設存在的問題主要有以下幾個方面：（1）教學多媒體資源匱乏：基因工程是生物醫藥研究中的前沿技術，相關的理論知識雜糅，學起來花費時間多，使學生難以理解。因此，需要輔助以多媒體教學，虛擬仿真實踐等方式來引導學生，充實課堂，進一步提高教學質量。（2）缺乏全面實踐教學環節：基因工程技術涉及的平臺、試劑、儀器等都相對昂貴，因此目前不能開展大規模實踐教學活動，這極大阻礙了本課程的發展。（3）基因工程數字化課程教材缺乏，課程線上教學平臺匱乏。（4）在教學過程中，容易忽視在創新創造方面對學生的培養，只專注于知識的講授。[1]

1改革內容

1.1更新、豐富知識理論體系

近年來，基因工程的發展十分迅速，取得了巨大的成就，新的知識和理論不斷涌現。教師應該要對相關領域的研究成果和趨勢時刻掌握，不斷豐富和改進知識理論框架，如果能在教學過程中，引入新理論和新技術，讓學生拓展很多課外知識，讓他們對基因工程實時近況和近段時間的研究成果有所了解，這樣不僅能激發學生對基因工程這門學科學習的熱情和加強學生自主性，還會增強他們探索未知領域、形成完美價值觀的愿望和信心。

1.2層次分明，重點突出

基因工程的內容相對比較復雜，概念抽象，內容多樣化，知識點技術化和理論化，在知識點上也與生物化學、分子生物學和分子遺傳學等學科有交叉相關。對于相關專業的學生來說，基因工程的研究是專業學習的一個主要困難。一般來說，在引入基因工程學課程之前，學生已經對一些基礎理論知識進行學習了，奠定一定的理論基礎，所以需要將基因工程學教學的內容進行適當的刪減，精簡化以此讓學生方便理解。一些基本內容的整合可以通過課堂復習和課堂上的問題來實現，這使教師有足夠的時間解釋新知識、新理論和新技術。

1.3加強實基因工程實驗教學內容

除理論知識的學習外，該課程應該還要添加課外實踐等項目，鍛煉學生的動手能力，學到更多的實驗技術。用實驗驗證理論知識，用實踐豐富理論知識。遺傳工程實驗技術的操作需要基于課堂進行的。實驗前，教師應要求學生主動了解實驗的相關內容，理解相關知識原理，對于實驗的目的、操作步驟和所需注意的事項都要了然于胸。在實驗的過程中，必須嚴格按照實驗步驟進行操作，實驗之后讓學生及時總結實驗內容，鞏固理論知識，以此提升總結和語言表達的能力。增加企業實踐人員授課：邀請企業中從事基因工程研究的專業人員參與授課，為學生提供職業向導和實習平臺。[2]

1.4關注生命科學理論進展，促進生產實踐

自基因工程被應用以來，發展趨勢一直都保持良好狀態，且漸漸對生命科學的各個領域都有深遠影響，同時也促進了生命科學領域的研究，對人類生產實踐的各個行業和環節都產生了深遠的影響。由于教學時間的限制，很多基因工程相關知識無法在課堂展現，這要求學生們課后完成大量的自主學習，多看看文獻與專業領域報刊，時刻關注生命科學發展近況，了解人類生產實踐，通過專題學習、頭腦風暴和生產實踐等各種方式參與到生命科學理論的學習，構建豐富廣泛的生命科學理論體系。

2改革措施

2.1促進教學模式及教學資源多樣化

對于基因工程這門課程來說，若采用以板書教學為主，多媒體教學為輔的方式，課堂效率將會有所提升。多媒體教學方式總結起來有兩大優勢：將復雜問題簡單化和將抽象概念直觀化。多媒體教學可以將平時難以理解的專有名詞概念利用圖像、聲音、動畫等生動形象的進行展示，方便學生能夠快速理解。當然，板書教學也存在其獨特的優勢。在基因工程課程的教學中，合理采用這兩種方式，分別發揮出各自的特色，以此提高教學質量，使得學生學習效果能夠事半功倍。教師可以采用目前新興的教學資源平臺如學習通、雨課堂等課程教學平臺，找到合適的適合基因工程這門學科的方式，更可貴的在于提升了學生的積極性，使得課程相比之前充滿了趣味性。本課程的教材不包含多媒體教學資源，需要進一步制作關鍵技術的視頻和動畫等多媒體教學資源。由于基因工程的技術都是精細的技術操作，技術中包含DNA的提取、分離、純化、克隆等等，多媒體教學資源的制作將提升本課程的教學深度，降低學生學習難度，同時提高教學效果，起到示范的作用。另外，通過產學研聯盟平臺，將課堂教學和企業實踐有機結合在一起，讓學生學以致用，更好的鞏固課堂的學習知識。企業實踐人員授課：本課程著重對關鍵技術的掌握和運用，在理論教學的同時，邀請企業中從事基因工程研究的專業人員參與到教學環節中來，可以為學生講解理論在實踐中的應用，同時為學生提供職業向導和實習平臺。俗話說“三個臭皮匠趕上一個諸葛亮”，將分段擅長式教學引入課堂，每位教師因自己研究領域的不同所擅長的內容和章節也不同，遴選教學和科研水平都比較高的教師，挑選自己擅長的章節，進行分段式的教學，一門課由3-4名教師講授，而不是一名教師從頭講到尾。這樣學生不僅可以學到基本的理論知識，而且可以了解基因工程不同方向的最新前沿進展。

2.2加強課堂互動，開展頭腦風暴

高校學生具備自主學習及對新鮮事物的探索能力，教師可以提前讓學生預習下一節課的內容，主動了解相關知識，提出自己的問題和疑惑，課堂教師留出一定的時間與學生互動或讓同學之間討論，然后教師再進行總結。在本課程的后期，教師可以提出一些開放性的有研究價值的課題，讓學生自行分組討論，參考有關的文獻資料，對相關知識點進行收集和整理，并且相互討論，使用已有資料，提出解決問題的方案，然后進行知識點的融合，得到更好的結論。這樣既調動了學生自主學習探索科學的興趣，同時也提高了學生的創新思維和能力。

2.3優化知識體系結構，把握學科前沿進展

基因工程的課程原理性較強，內容比較多，且概念十分抽象，每個章節之間看似很獨立，但又存在著一定的相關性。如遇到不懂應立即查閱解決疑難困惑，這樣才能更好的鞏固教學內容，完善知識理論體系，學生才能收獲頗多，并能夠養成良好的閱讀習慣。本課程涉及的平臺、試劑、儀器等都相對昂貴，大規模實踐教學活動成本較高，難以實現。但是，可以通過建設虛擬仿真教學資源，通過虛擬仿真的實踐教學活動讓原本難以實現的實踐教學活動得以實現，也為其他課程開展虛擬仿真建設起到示范作用。[3]

2.4運用PDL教學法進行基因工程授課

基因工程的教學過程中，經常使用PDL教學法。它主要依托“設計與提出問題，教學過程的管理和組織，教學反思和總結”三個方面來開展。如下，我們將以“使用基因工程的方式對新型冠狀病毒進行防控”為例，詳述基因工程課程中運用PDL教學法的優勢。PDL教學法的第一步是問題的設計和提出，這對激發學生對基因工程這門課程所學知識點的興趣與思考非常有幫助。設計問題時應該緊跟科學前沿，技術應用為重點。同時設計的問題還要理論聯系實踐，方便學生理解，也要與課程重要知識點緊密吻合，突出重難點部分。當然我們也應該選擇適當的切入點進行提問。根據問題的特點，我們可以讓同學提前預習、借助網絡媒體查閱文獻資料或者隨堂討論等形式。學生通過對問題進行研究，拓寬知識面，激發學習興趣。

2.5加強基因工程課程的思政建設

課程思政主要指將愛國主義精神、道德修養、工匠精神、科學態度和創新精神等元素與課程內容相結合。根據我國動物克隆工作的進展，2019年制備出了生物鐘紊亂的體細胞克隆猴疾病模型，一批實驗性疾病類型模型的克隆已“付諸實踐”。藥物研發已走上“快車道”，體細胞克隆猴的成功將刺激我國率先開發新的研究鏈和技術，基于非人靈長類動物模型的藥物開發，阿爾茨海默病、自閉癥等腦疾病的藥物以及免疫力不足等方面也將開發出新的技術，這些技術成果體現了我國關于非人類靈長類動物模型方面的研究，已經處在了國際領先的地位。此外，結合國際上一些跨國育種公司（如孟山都）利用生物技術手段對我們國家棉花、玉米等作物進行的占領，侵害我國的本土作物的生物安全的案例。在課堂上培養學生們的家國情懷和提升民族責任感，將來用自己所學知識助力我們國家的發展。

3改革成果

本課程在近來的課程建設中，首先進行了配套教材建設。起初選用科學出版社的《基因工程》教材，然而隨著最新研究成果的發現，該教材逐步被高等教育出版社的《基因克隆和DNA分析》所替代，現已更新至第七版教材。本教材既注重基因工程的原理和技術前沿，又較適合省屬非醫藥類高等院校生物制藥專業本科學生的教學內容及深度。并且在浙江理工大學學校云建設了《基因工程》慕課堂，呂正兵教授的項目《基因工程技術制備門冬酰胺酶（凍干粉針）工藝的虛擬仿真實驗》獲批了2018年國家虛擬仿真實驗教學項目。通過本課程的學習，讓學生在基因工程理論體系、辯證的邏輯思維及實際操作及實踐方面又具有明顯的提高。能夠在將來的工作實踐和科學研究中學有所成。

*通迅作者：舒建洪

基金項目：2020年浙江理工大學“《基于創新能力提升的基因工程教學改革探討與實踐》教學改革一般項目”（編號：jgyb202021）；2020年浙江理工大學“《基因工程》線下優質課程建設項目”（編號：XMJWCb20200015）；2020年浙江理工大學《疫苗及免疫技術》新生研討課程建設項目（編號：XYZL202004）

參考文獻

[1]尹靜，詹亞光.改革基因工程教學強化學生創新能力.河北農業大學學報（農林教育版），2014.16（04）：116-118.

[2]趙帥，等.生物醫藥生產實踐教學法在生物工程專業本科教學中的應用.教育教學論壇，2020（18）：304-305.

[3]金太成，楊麗萍，趙永斌.虛擬仿真實驗平臺在生物技術專業本科實踐教學中的應用.長春師范大學學報，2019.38（02）：139-140.[