微生物遺傳育種學教學策略創新

張顯 饒志明 徐美娟 楊套偉 李華鐘 段作營 陳獻忠

摘? 要：為進一步提高微生物遺傳育種學課程教學質量，激發學生的專業興趣，文章從模塊化教學方法、創新教學模式、多元化授課形式等方面探討了該課程教學改革的必要性，闡述了對微生物遺傳育種學課程融入思想政治教育的思考，討論了如何為國家與社會培養出綜合素質全面和具有創新能力以及國際化視野的綜合型人才，為相關本科專業的教學改革實踐與應用提供借鑒。

關鍵詞：微生物遺傳育種學;教學改革;發酵工程

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）36-0030-04

Abstract： To further improve the course teaching quality of Microbial Genetics and Breeding to undergraduate students， this paper discussed the necessity of teaching innovation of this course from the aspects of modular teaching methods， innovative teaching modes and diversified teaching forms， and proposed thoughts on integrating curriculum into ideological and political education. This paper focuses on how to cultivate talents with comprehensive quality， innovative ability and international vision， and provides reference for the curriculum innovation practice and application of undergraduate majors.

Keywords： Microbial Genetics and Breeding; teaching reform; fermentation engineering

隨著當今生物科技的快速發展，微生物作為細胞工廠生產可替代能源已成為必然趨勢，高產菌株的選育及生產工藝的優化顯得尤為重要。通過微生物遺傳育種的應用，改變傳統的資源利用模式，利用技術創新實現環境友好型產業模式的轉變，將為工業生活提供更好的技術支持和資源保障。課程主要面向“輕工、發酵、食品”等行業，培養具有國際視野的、高素質創新創業人才。課程不僅注重培養學生的人身安全、環境安全、科學倫理等方面的意識，還注重培養學生分工合作、團隊協作的精神，同時還培養學生身負祖國工業生物技術領域發展的使命感和時代責任感的情懷。

一、微生物遺傳育種學教學中廣泛存在的問題

（一）以教材為主的理論學習跟不上知識更新的速度

21世紀是生命科學快速發展的時期，組學技術、基因組編輯技術、人工智能解析蛋白生命體等高新技術的快速發展，導致原有的只針對書本知識的教學方式已無法應對如今技術演變的速度[1]。以教師為主，學生在規定動作下學習的教學模式也將無法滿足目前行業創新發展形式下對人才積極性、主動性和創造性的培養要求[2]。隨著學科前沿技術的推陳出新，微生物遺傳育種學需要統籌新興育種技術在本課程中的呈現度，使學生充分掌握理論課中所學微生物育種學基礎理論知識，提高學生科研創新能力和科學素養。

（二）照本宣科導致對知識運用不夠靈活

目前微生物遺傳育種學課程中的理論知識和基礎性實驗的學習內容較為固定，教材更新速度較慢，在實驗的創造性和微生物代謝機理的初步思考方面還有一定的局限。教材中目前采用的實驗素材較為固定，且大部分學校開展系統性微生物遺傳育種大實驗的條件保障力不足。固定式的按照既定步驟進行實驗會導致學生對實驗的思考不充分，并且無法格物致知，進一步導致學生對知識的運用以及對實驗的理解出現偏差，不利于對學生創新能力的培養。

（三）單一教學模式導致學生積極性不高

目前多數本科課程都采用課堂授課的傳統教學模式，這種單一的教學形式無法滿足學生對知識的多樣性需求，難以充分調動學生對知識接納的積極性以及對新知識的思考。在課程安排過程中如何用多種方法來豐富課程內容、來強化課程呈現度，進一步調動學生對相關知識學習的積極性并自主深化其對課程知識的理解，拓寬學生的學科視野，是目前微生物遺傳育種學教學過程中亟待解決的問題。

二、微生物遺傳育種學課程突破

（一）深度融入思想政治教育

深度挖掘微生物遺傳育種學課程思想政治教育資源，避免片面強調育才功能而忽視其教育功能的不足，構建自然科學課程和思想政治理論課下的“立德”根本任務，引入思想政治教育手段引導學生樹立樂觀進取的人生觀、明辨是非的世界觀和積極向上的價值觀，進而在提升自然科學知識的同時，深度融入思想政治教育。在為學生講述現代學科前沿研究成果的同時，將國際科技趨勢的演變和國際形勢的變化聯系到一起，宣揚我國科技工作者頑強拼搏的奮斗精神[3]，培養學生正確的人生觀和世界觀，增強學生為國家貢獻的內在動力。

（二）創新授課形式，深化教學改革

傳統的微生物遺傳育種教學中以教師講授、學生聆聽為主的教學模式已經無法滿足發酵工程學科對人才的培養要求，這種模式容易使學生在學習過程中產生疲態、較被動的感覺，影響教學效果和課堂氛圍[4]。如何引導學生變被動學習為主動實踐，激發學生的創新積極性，培養工業生物技術領域高素質、創新人才的形勢迫切且意義深遠。在微生物遺傳育種學的教學過程中，可以采用模塊化教學方式將課程分為三大模塊。第一模塊結合學校教學硬件，通過數字媒體以及VR仿真課堂教學等，將微生物遺傳育種學課程基礎知識和實驗過程以不同于簡單講述的方法呈遞給學生。第二模塊是以學生為主導的主題研討。學生根據興趣自主選擇研討方向將國際前沿的微生物遺傳育種學進展，以分小組主題匯報的形式進行匯報并進行全班研討，在開拓學生科技視野的同時，鍛煉了學生匯報演講時的組織、應變、講述能力。第三模塊是分組進行實驗方案研討，實驗教學是實踐性教學的一種組織形式。學生利用本校的硬件實驗條件，由教師給定實驗主題以及實驗目的，學生自行制定實驗方案與計劃，在老師輔助監督下，有組織地開展實驗方案研討與論證，通過提問、交流和討論，提高知識與發展能力，強化以學生為中心的自主學習過程，學生可以在獨立檢索文獻和總結梳理知識點的同時培養積極的學習習慣。

（三）以實驗教學促理論教學

濃厚的興趣是深刻理解課程知識的前提，學生通過實驗復現傳統微生物遺傳育種學現象，不僅能幫助其深刻理解實驗中涉及的生物學原理和技術，來更好地掌握課程知識，還能較好地激發其對所學課程的求知欲[5]。因此必須引導學生主動實踐的意識，增強學生主動思考的能力，通過實驗教學將實驗過程中的思考和體會與課堂中學習到的理論知識相呼應，在深刻體會探索相關生物學原理的過程中，將實驗方案設計與具體方法的選擇有機統一，激發學生主動學習的內驅力[6]。在微生物遺傳育種學課程的教學開展過程中，還要充分利用所在學校的學科平臺資源[7]，開展理論授課與實驗授課相結合的教學模式，在接受課堂理論知識的系統學習后，去實驗過程中探討如何將其進行應用，開發學生獨立思考、發現問題、解決問題以及靈活運用課堂知識的能力。

（四）注重課程交叉，提高學生知識綜合運用能力

在微生物遺傳育種學傳統課程教學策略不斷進行改革的時代背景下，不斷吸收開發新知識、新方法、新思路，及時更新教學內容，及時將本課程與其他課程相互交叉或重復的內容進行重構優化。例如，微生物遺傳育種學課程部分內容與生物化學、分子生物學、微生物學等課程高度交叉融合，因此本課程在其他課程內容相關原理和現象基礎上，要更加注重育種策略的設計，充分體現實用性、前沿性和新穎性，增強學生融會貫通多種課程知識的能力[8]。

（五）緊跟學科前沿，引入新技術新突破

后疫情時代是生命科學的新紀元，近些年來發展出的大批高新技術已被逐漸應用并隨著研究的深入被不斷改進，相關技術缺陷也被一一攻克。在此科技發展的速度背景下，微生物遺傳育種學教材中采用的實驗素材已逐漸不能滿足教學需要。例如：紫外線誘變大腸桿菌篩選耐藥突變株的這一課程實驗，紫外誘變技術結合抗生素篩選等基礎遺傳育種學技術已無法很好契合當今社會發展對工業微生物菌株開發的要求。因此，需要緊跟學科前沿，在微生物遺傳育種的課程中，引入新技術突破。以相關知識發現為例，將學生引入更高層次的知識殿堂，引導學生自主學習諾貝爾獎等知識發現的過程及其相關原理，并將相關知識點結合到微生物遺傳育種學課程中，帶領學生把握科技進步方向，普及前沿科技的技術要點。

本文以生命科學前沿技術如何改變傳統微生物育種方式舉例如下：

CRISPR/Cas基因編輯技術一誕生就被視為21世紀最為重要的生物發現之一。經典的CRISPR/Cas系統來源于細菌防御系統，該系統由一個用于精確靶向的單引導RNA（SgRNA）和一個用于DNA結合和核酸酶活性的Cas蛋白組成。依賴于CRISPR/Cas系統的高精度[9]，除了原有的核酸酶活性外，還開發了多種功能，如基因組堿基編輯、基因敲除和激活、染色質成像系統等。這些擴展展示了CRISPR/Cas系統的靈活性，并且由于其穩定高效，CRISPR/Cas技術已經成為基因組編輯的強大工具，在生命科學的各個領域都展現出廣闊的應用前景，促進了基礎生物學、生物醫學和農業研究的發展，也為疾病的臨床治療提供了新策略。基因組編輯技術的進步使基礎和應用生物學研究發生了革命性的變化[10]。

標志著人工智能與生物學科的交叉產物AlphaFold于2021年誕生，AlphaFold可以周期性的以原子精度預測蛋白質結構[11]。在技術上，AlphaFold利用多序列對齊，進行深度學習算法的設計，還結合了關于蛋白質結構的物理和生物學知識提升效果。具體來看，AlphaFold網絡由兩個主要部分組成[12]，首先，網絡的主干通過一個稱為Evoformer的新神經網絡塊的重復層來處理輸入，產生一個Nseq×Nres陣列（Nseq：序列數，Nres：殘差數），它表示一個處理過的MSA和一個表示剩余對的Nres×Nres陣列。Evoformer塊包含許多新穎的基于注意力和非基于注意力的成分，它的關鍵創新是與MSA交換信息的新機制，并能直接推理空間和進化關系的配對表征。網絡的主干之后是結構模塊（Structure Module），該模塊以蛋白質的每個殘基的旋轉和平移的形式引入了顯式的3-D結構。這些表征在微不足道的狀態下初始化，所有旋轉設置為同一性（identity），所有位置設置為原點，但能夠快速開發和完善具有精確原子細節的高度準確的蛋白質結構[13]。

又例如2017年諾貝爾化學獎授予發明了冷凍電鏡技術的三位科學家，以獎勵其對探明生物分子高分辨率結構的貢獻。2018年諾貝爾化學獎授予了三位科學家，弗朗西斯·阿諾德獲獎的理由是他首次進行了酶的定向進化。這些通過解析和改變蛋白質結構，獲得具有目的催化能力的蛋白質有著廣泛的應用領域。另一位獲獎者喬治·史密斯發明了一種被稱為“噬菌體展示”（phage display）的技術[14]：這讓能感染細菌的病毒可以用來進化新的蛋白質。而格雷戈里·溫特爵士則利用噬菌體展示技術生產了新的藥物[15]。如今，噬菌體技術可產生抗體，用以中和毒素，對抗自身免疫性疾病以及治療轉移性癌癥等[16]。通過與學生剖析講述前沿科技，可極大地豐富學生專業視野，消除了學生對前言技術望而卻步的距離感，進一步激發學生們對生命科學領域知識進行探索的愿望。

（六）強化實踐能力，以賽促學

微生物遺傳育種學就是在微生物學、分子生物學等學科的基礎上，將科技手段切實運用在實踐中，隨著課外實踐活動的進行，學生對基礎知識的掌握將會越發嫻熟，對微生物遺傳育種的認識也會越發深刻。微生物遺傳育種教學應基于施教單位已有實驗條件，鼓勵學生積極組隊參加中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、國際遺傳工程機器競賽（iGEM）、全國大學生生命科學競賽、生命科學創新創業大賽、“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽等國內外生命科學領域相關科學競賽，展現學生專業風采，以賽促學，以學促行，促進學生對知識的消化吸收，強化實踐能力。鼓勵學生主動走進實驗室，參與教師的課題研究，讓學生在實踐的過程中，對微生物遺傳育種有更切身的理解。

三、結束語

微生物遺傳育種學作為一門理論與實踐相結合的應用類課程，應盡可能地激發學生的潛能，培養符合國家需求且具有國際視野的高素質創新型人才，以推動科技的進步與時代的發展[17]。緊隨國際前沿發展的教學內容，改進更科學有效的教學模式，深化課程建設內涵，提高學生自主思考、自主學習和實踐動手的能力，以理論課教學為基石，通過豐富的教學形式為學生多元化、創造性學習先進微生物育種策略并應用到今后的科研工作中奠定堅實的基礎。高校要緊跟21新世紀科技發展的步伐，適應社會多元發展的需要，通過自主討論，設計實驗教學，讓學生把課堂所學的理論知識和學過的實驗技能更靈活有機地結合起來。同時推進國際、校際間的合作，共享優質教學資源，共同使微生物遺傳育種學教學水平得到全面進步[18]。

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