代謝工程與合成生物學教學改革探索

周春燕 汪城墻

(山東農業大學 山東 泰安 271018)

0 引言

代謝工程與合成生物學是山東農業大學生命科學學院開設的一門生物與醫藥類專業課，是基于基因工程、分子生物學等基礎課程后開設的課程。隨著DNA重組技術的發展，基因工程應運而生，隨后延伸出了代謝工程以及合成生物學[1]。代謝工程聚焦細胞代謝途徑與調控網絡的設計與優化，實現目標產物的生物合成與應用；而合成生物學聚焦生命元件的人工設計與改造，偏重基礎理論研究；兩學科有交叉也有不同[2]。代謝工程與合成生物學課程主要以專題的形式，講授兩個交叉學科領域的發展、重要研究領域和最新進展，幫助學生開拓科研視野并培養科研思維。該課程具有較強的時效性和應用性，也蘊含著豐富的思政元素，常規的教學模式需要進一步改革優化。基于代謝工程與合成生物學的發展特點和多年教學實踐，該課程應推進重塑講課模式、挖掘科研和思政案例、開啟“案例+探究式+線上線下”混合式教學模式等多種教學改革，通過多種途徑強化教學效果。

1 重塑講課模式

常規的課堂教學模式是將代謝工程和合成生物學兩學科分開教學，缺乏連貫性，使學生不易理解兩個學科的融合發展歷程以及發展趨勢。代謝工程與合成生物學課程應重塑講課模式，將代謝工程和合成生物學兩學科緊密結合，授課時應整合介紹兩學科發展歷程和重要知識點。代謝工程和合成生物學均基于基因工程發展而來，存在承上啟下的連續性，在介紹三個學科先后發展歷程中，要讓學生理解學科整體發展規律。授課時應整合介紹代謝工程和合成生物學領域的技術方法、研究進展和應用案例，突出技術方法的革新以及突破性成果。代謝工程和合成生物學領域的研究技術具有互通性，前者偏重研究自然界固有基因元件，而后者會引入人工合成和創造的基因模塊。代謝工程和合成生物學兩學科相互滲透、緊密相連，發展迅猛，尤其是有著“第三次生物技術革命”之稱的合成生物學，在科學探索和產業應用方面取得了突出成績；比如青蒿素的微生物合成與應用[3]，是代謝工程和合成生物學兩個學科領域的共同標志性成果。

2 案例教學模式改革

案例教學法最早由古希臘哲學家蘇格拉底提出，又稱為“蘇格拉底式教學法”[4]，將抽象的理論知識和形象的實際問題相結合，有效激發學生學習的積極性，提高學生理解、分析和解決問題的綜合能力。案例教學的精髓不在于讓學生去認同和理解某種既定的觀點，重要的是讓學生用批判性的思維尋找解決問題的切入點[5]。

2.1科研案例教學改革

代謝工程與合成生物學課程的科研案例教學改革，擬建設一套集特色與創新于一體的科研案例庫。科研案例庫引用國內外經典案例教學思想，引入代謝工程與合成生物學領域特有的里程碑式的研究成果，從特殊背景介紹開始，系統介紹案例內容，增加學生的帶入感，變被動為主動。同時，該案例庫的建設亦應結合山東農業大學相關研究領域與農林類特色。通過本課程科研案例庫的系統學習，可讓學生逐步理解代謝工程與合成生物學相關領域的研究方法并尋找契合點，深入把握科研內涵，為日后開展科研工作打下基礎。擬建設5個具有重要應用前景的科研案例：農業微生物肥料菌種的基因組工程改造與替代傳統工藝的新發酵工藝研制；用于農藥殘留監測的微生物傳感器構建及應用；利用合成生物學技術構建細胞工廠，以及構建多酶分子機器來生產藥物的關鍵因素和典型案例；新型生物燃料的合成與應用技術；基因治療及應用倫理問題探究。

2.2思政案例教學改革

高校課程思政建設是將高校各類專業課程與思政理論有機結合而達到協同效應，構建教育教學全過程中的新型育人格局形式。高校課程思政建設的全面推動，是我國在教育過程中落實“立德樹人”根本任務的一項重要戰略舉措[6]。2020年5月印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》中明確指出，要把思想政治教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設，達到提高高校人才培養質量的目的[7]。結合國家的教育方針政策，高校教師應在教學過程中樹立課程思政育人的理念，將傳授學生專業知識與塑造學生思想道德品質有機融合。國內不同高校的“課程思政”教學建設各具特色，具體實施過程中也取得了初步成效[8]。代謝工程與合成生物學研究領域因涉及生物安全、生物倫理、生態文明等層面問題，課程思政建設尤為重要，需要在授課時對學生進行思想道德和生物倫理教育，引導學生對生命意義的思考，以確保生物與醫藥類專業人才能夠樹立正確的生命價值觀和科研事業觀，對生物與醫藥學科的長遠發展具有重要意義。

代謝工程與合成生物學是生物學重要的前沿學科，但尚未有豐富成型的思政案例。建立一套代謝工程與合成生物學領域的專業和思政相融合的應用性教學案例，需梳理代謝工程與合成生物學課程所蘊含的思政教育元素，實現思政教育與專業知識體系教育的有機統一。基于山東農業大學代謝工程與合成生物學課程中介紹的基本理論知識、研究進展與應用等教學內容，本文提出可在授課時結合教學內容引入的5個緊密關聯的思政案例：科技創新是民族不斷前進的靈魂；民族科研自信的典范——屠呦呦；不忘初心牢記使命，樹立為全人類服務的思想意識；以國家目標和戰略需求為導向，瞄準科技前沿；合成生物學技術風險決策與科研人員的道德選擇。課程思政案例要緊跟時代，課程思政教育也要追求創新，思政案例授課結束后應及時評價與反思，做到精益求精。可通過調查問卷、師生座談等形式收集參與思政教學的學生們的想法，并邀請思政專業教授對教學過程中開展的思政教學環節進行評估，從思政內容、教學形式、教師能力等方面對課程思政教學的實施做出總體評價與分析，以期不斷完善課程思政教學體系。

3 “案例+探究式+線上線下”混合式教學模式探索

探究式教學法是以學生為主體，教師在學習過程中給出一些事例和問題，引導學生通過閱讀、思考和討論等途徑自主學習，掌握認識和解決問題的方法和步驟，研究客觀事物的屬性，并推導出相應結論[9]。代謝工程與合成生物學學科發展快速而課堂講授學時有限，課上未涉及到的有關內容，可形成相關案例，通過探究式教學模式引導學生查閱有關論文資料并進行線上討論與考核，推進“案例+探究式+線上線下”混合式教學模式改革。

3.1“案例+探究式+線上線下”混合式教學實施方案

代謝工程與合成生物學課程的科研案例以及思政案例的教學應以學生為主體，采用線上線下混合式教學模式開展，獲得一手實踐報告與經驗。計劃將學生分成5個大組，每組分別選擇一個科研案例和思政案例，學生也可自主選擇新的案例。學生以小組形式查閱資料，開展探究式學習，每小組將學習成果形成一份10-20分鐘的PPT以及一份1000字以上的案例總結報告，發送給授課教師審閱。授課時，選擇4學時進行線上案例教學和考核，每小組推選1-2名學生結合現代化的多媒體手段進行講解，師生互動討論，充分調動學生積極性，使科研和思政案例達到感同身受式的教學效果。此教學模式可充分調動學生的積極性、主動性和參與度。

線上教學策略與質量保障：課前的網絡調試和溝通十分必要。網絡授課要保證網絡暢通，需要優質的教學平臺、穩定的網絡和良好的硬件。騰訊課堂、雨課堂、微助教等平臺會針對每門課程提供課堂簽到、課堂測試與討論等多種互動功能，課堂形式豐富。不同平臺的優缺點不同，教師可同時開啟2個平臺，緩解網絡卡頓造成的學習障礙。線上課堂要強化互動并監控學生的學習進度。為了保證學生及時跟進學習過程，教師要進行簽到和提問，并且鼓勵學生隨時留言溝通。課下要加強測驗與總結。可通過平臺發布作業并設置自動完成評閱，提高考核效率。

3.2線上考核模式改革

課程最后的結課考試也可采用網絡開卷或閉卷的方式來進行考核。網絡考核要做到盡可能地真實反應學生的學習成效，避免抄襲等現象的發生。微助教等平臺具有課堂資源庫，里面具有組卷功能，可設立試題庫，然后選擇隨機出題，保證每位學生的答卷不同，選擇題等答案的編排順序不同，可最大限度避免抄襲的嫌疑。另外，也可嘗試采用騰訊會議等平臺進行網絡考試視頻監控，教師將試題發給學生，在規定時間內作答。另外，網絡考試試題應以應用型題目為主，題量要大，要最大限度的避免學生私下抄襲的現象。

4 結語

代謝工程與合成生物學領域的研究，旨在改造現有的生命體為人類造福，具有很強的時效性和應用性。開展代謝工程與合成生物學的科研與思政案例教學、探究式教學、線上線下混合式教學模式改革，可充分調動學生的學習積極性和探究欲；可激發學生科研潛力；可挖掘該課程中所蘊含的思政教育元素和所承載的思想政治教育功能；對深化生物與醫藥類專業學生培養模式改革并提高學生培養質量具有重要意義。本文探索的科研和思政案例教學模式和“案例+探究式+線上線下”混合式教學模式可推廣到高校其他生物類專業的教學過程，并對高校其他專業課程的教學改革也有一定借鑒意義。