模塊化教學(xué)在《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》中的應(yīng)用

尹業(yè)師　陳華海　李百元

【摘要】《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》是生物工程專業(yè)的一門非常重要的核心課程，是對生物工程專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的概括和綜合應(yīng)用，直接對接企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求。本文對《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對模塊化教學(xué)改革趨勢進(jìn)行了介紹，對模塊化教學(xué)方法在《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》中的應(yīng)用進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】模塊化教學(xué)? 生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)

【基金項(xiàng)目】本文受湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目的資助。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）07-0109-02

生物工程專業(yè)以現(xiàn)代生命科學(xué)知識(shí)和先進(jìn)制造技術(shù)為基礎(chǔ)，是一門重生產(chǎn)應(yīng)用的綜合性工科實(shí)用型專業(yè)。一般認(rèn)為生物工程專業(yè)以微生物學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)等理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)工程制造技術(shù)，對生物遺傳物質(zhì)進(jìn)行定向改造，從而創(chuàng)造出具有大規(guī)模生產(chǎn)潛能的“工程菌”或“工程細(xì)胞株”。這些“工程菌”或“工程細(xì)胞株”不僅可以生產(chǎn)出一些從自然界中發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，也可以創(chuàng)造性地制造出一些自然界本身并不存在的新物質(zhì)，從而造福社會(huì)。生物工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求學(xué)生們既要掌握生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，又要具備工程化思維和手段。

生物相關(guān)學(xué)科實(shí)際上是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是檢驗(yàn)和評價(jià)理論教學(xué)效果的最好手段和方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必不可少的一部分。學(xué)習(xí)生物科學(xué)必須以實(shí)驗(yàn)為載體提高生物科學(xué)素養(yǎng)，以實(shí)驗(yàn)為基本方法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。這就要求在生物工程教學(xué)中必須特別重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物工程專業(yè)教學(xué)過程中非常重要的一環(huán)，也是實(shí)施素質(zhì)教育、提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的有效途徑。然而對于《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》，很多開辦生物工程專業(yè)的學(xué)校仍沒有單獨(dú)開設(shè)這門課程。目前，生物工程的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課大多附屬于專業(yè)理論課，且分散到該專業(yè)的多門課程，如基因工程實(shí)驗(yàn)、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)等。大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由任課教師從一些實(shí)驗(yàn)教材上選取，沒有經(jīng)過系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)，且大都沒有連貫性。導(dǎo)致有些實(shí)驗(yàn)重復(fù)開，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)沒有重點(diǎn)講，且大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中很少經(jīng)過思考，做過的實(shí)驗(yàn)印象不深刻，更談不上將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)聯(lián)系和拓展，很難達(dá)到培養(yǎng)綜合性應(yīng)用型人才的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。這也可能是造成目前有些大學(xué)生畢業(yè)后“高不成、低不就”的主要原因之一。

目前，對《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》相關(guān)的教學(xué)改革探討較少。2020年7月，在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，以“生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)”為主題進(jìn)行搜索只找到了5篇相關(guān)文章，且多以宏觀思考為主。如廣西大學(xué)粟桂嬌等發(fā)表的“生物工程綜合實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)課及教學(xué)改革”[1]和南陽師范學(xué)院張彩瑩等發(fā)表的“《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》課程的改革與實(shí)踐”[2]等。她們對《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》進(jìn)行獨(dú)立設(shè)課的重要性，及課程教學(xué)改革的必要性和宏觀的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分享，認(rèn)為有必要進(jìn)一步探索和實(shí)踐如何改善《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》教學(xué)方法，確實(shí)提高其教學(xué)效果。

模塊化教學(xué)是一個(gè)完整的教學(xué)系統(tǒng)，一般依據(jù)教學(xué)目的將教學(xué)內(nèi)容劃分成不同層次的教學(xué)模塊，每個(gè)模塊包含特定的教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)，同時(shí)各模塊之間又相互關(guān)聯(lián)、層層遞進(jìn)。模塊化教學(xué)是一種新型的教學(xué)方法，有助于提高大學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，是一種以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)而進(jìn)行的課堂教學(xué)改革實(shí)踐[3]。模塊化教學(xué)法采用模塊化教學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，通過情境式教學(xué)等方法幫助同學(xué)們加深理解和增強(qiáng)記憶。該方法由國際勞工組織在20世紀(jì)70年代研發(fā)，以幫助學(xué)生們在項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)中提高分析問題和解決問題的能力[4]。模塊化教學(xué)已經(jīng)成為各高校和中學(xué)部分學(xué)科教學(xué)改革的一種新興模式。在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，以“模塊化教學(xué)”為主題檢索發(fā)現(xiàn)，模塊化教學(xué)相關(guān)論文的發(fā)表數(shù)量在2007年以后出現(xiàn)明顯增多趨勢，近年來一直維持在每年發(fā)表300篇左右。自20世紀(jì)90年代開始，模塊化教學(xué)法已被我國職業(yè)教育系統(tǒng)借鑒，并被廣泛應(yīng)用[5-7]。近年來，模塊化教學(xué)在高校生命科學(xué)領(lǐng)域諸多課程的教學(xué)中均有應(yīng)用，如細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)、酶工程、分子生物學(xué)等均進(jìn)行了相關(guān)教學(xué)理論的研究和實(shí)踐探索[8-12]，取得了較好的教學(xué)效果。但模塊化教學(xué)在《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》中的實(shí)踐與應(yīng)用還未見報(bào)道。

實(shí)際上，生物工程核心包括五大工程，即基因工程、發(fā)酵工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和細(xì)胞工程。其上、下游之間模塊化界限清晰，同時(shí)又相互關(guān)聯(lián)，而且基因工程和酶工程等模塊已經(jīng)有模塊化教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)，有利于模塊化教學(xué)在《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》中的應(yīng)用。如“基因工程操作”主題，可以以“外源目的DNA獲得—目的DNA與載體DNA重組—質(zhì)粒轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)染—陽性克隆篩選與驗(yàn)證—表達(dá)產(chǎn)物與生物活性分析”為主線，將其分為“分、切、接、轉(zhuǎn)和檢”5個(gè)基本操作技術(shù)小模塊。傳統(tǒng)教學(xué)排課一般將基因工程、發(fā)酵工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和細(xì)胞工程分別單獨(dú)設(shè)課，以基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)“填鴨式”教授為主。本校開設(shè)《生物工程綜合大實(shí)驗(yàn)》的目標(biāo)是將已經(jīng)單獨(dú)設(shè)課的各個(gè)模塊融會(huì)慣通，開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。以更好對接社會(huì)需求和企業(yè)發(fā)展需要，努力培養(yǎng)地方性應(yīng)用型復(fù)合人才。

綜合實(shí)驗(yàn)是將學(xué)生已掌握的基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)踐技能有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)造性地解決一個(gè)實(shí)際問題或生產(chǎn)出某一種具體產(chǎn)品[13]。作者在教學(xué)過程中，結(jié)合科研項(xiàng)目，以S-雌馬酚的發(fā)酵生產(chǎn)及細(xì)胞活性評估為例，將實(shí)驗(yàn)按模塊化設(shè)計(jì)，分解成“產(chǎn)S-雌馬酚大腸桿菌工程菌構(gòu)建”“大豆苷元轉(zhuǎn)化酶酶活性測定”“關(guān)鍵功能基因的蛋白質(zhì)工程改造”“微生物發(fā)酵生產(chǎn)”和“雌馬酚抗炎活性測定”五個(gè)模塊。在“產(chǎn)S-雌馬酚大腸桿菌工程菌構(gòu)建”模塊中首先復(fù)習(xí)基因工程和分子克隆相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)，然后重點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)訓(xùn)練，包括外源DNA的PCR擴(kuò)增、DNA雙酶切、外源DNA與載體DNA的連接、重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化、陽性工程菌篩選與驗(yàn)證。在“大豆苷元轉(zhuǎn)化酶酶活性測定”模塊，首先復(fù)習(xí)外源蛋白表達(dá)、檢測和酶活性測定方法，重點(diǎn)進(jìn)行蛋白質(zhì)SDS-PAGE電泳和Western blotting檢測，及使用HPLC等方法檢測反應(yīng)底物和產(chǎn)物濃度以評價(jià)酶活性。在“關(guān)鍵功能基因的蛋白質(zhì)工程改造”模塊，重點(diǎn)是進(jìn)行蛋白質(zhì)改造策略和方法的講解，及如何靈活使用“工程菌構(gòu)建模塊”和“酶活性測定模塊”所學(xué)習(xí)掌握的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在“微生物發(fā)酵生產(chǎn)”模塊，首先復(fù)習(xí)微生物學(xué)和發(fā)酵工程相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)習(xí)如何防止發(fā)酵過程中雜菌污染及如何處置發(fā)酵過程中經(jīng)常碰到的問題，重點(diǎn)掌握微生物分離純化、微生物放大培養(yǎng)、發(fā)酵管路連接與運(yùn)行、發(fā)酵產(chǎn)物分離純化等實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在“雌馬酚抗炎活性測定”模塊，首先復(fù)習(xí)細(xì)胞培養(yǎng)和酶聯(lián)免疫吸附相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)如何進(jìn)行細(xì)胞復(fù)蘇、細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞傳代，及如何使用酶聯(lián)免疫吸附試劑盒檢測細(xì)胞生物學(xué)活性。該實(shí)驗(yàn)基本覆蓋了生物工程從實(shí)驗(yàn)室操作到工業(yè)化生產(chǎn)的全過程，既沒有重復(fù)，又上、下游緊密連接，且方便模塊化管理。有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程化思路和對接企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求。

通過近2年的教學(xué)實(shí)踐，作者發(fā)現(xiàn)這種以社會(huì)需求能力為導(dǎo)向的模塊化教學(xué)模式能很好地將基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，有利于：（1）激發(fā)學(xué)生的實(shí)習(xí)和實(shí)驗(yàn)興趣、啟迪其創(chuàng)新思維和改善其自主設(shè)計(jì)能力;（2）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、實(shí)踐動(dòng)手和綜合應(yīng)用能力;（3）提高學(xué)生科研水平、增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)信心[14]。受到了學(xué)生們的好評和歡迎。但也還存在一些注意事項(xiàng)和有待繼續(xù)改進(jìn)的地方：（1）要始終把培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的高水平應(yīng)用性復(fù)合型人才作為課程開設(shè)目標(biāo);（2）模塊的劃分要科學(xué)合理，既符合專業(yè)習(xí)慣和要求，又能模擬對接企業(yè)流水生產(chǎn)線;（3）模塊主題的選擇要難易恰當(dāng)、上下連慣、重復(fù)性少;（4）任課教師要不斷學(xué)習(xí)更新專業(yè)知識(shí)、經(jīng)常了解企業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)和需求，以便更好地進(jìn)行課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和改革。

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