生物技術專業綜合大實驗課程的開發與實踐

張英 郝林琳 祝萬菊 唐小春 任林柱 逄大欣 謝子聰

（1.吉林大學動物科學學院 吉林長春 130062；2.吉林大學動物醫學學院 吉林長春 130062）

生物技術（Biotechnology）是以現代生命科學為基礎，結合其他基礎學科的科學原理，以基因工程為核心，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需產品或達到某種目的［1］。21世紀是生物技術飛速發展的時代，很多高等院校陸續開辦了生物技術專業，培養能夠掌握生物技術相關原理和技術的專業型人才，以滿足新時代對生物技術專業人才的需求。

生物技術是一門綜合性、實踐性和技術性很強的學科，該學科開設的主干課程包括生物化學與分子生物學、基因工程、細胞生物學、蛋白質工程與酶工程等［2］，是在分子水平上探索生命的本質，理論性極強。而實驗課教學是培養學生基本操作技能、創新思維和意識，鍛煉學生發現問題、分析問題和解決問題的重要手段［3-4］。為了更好地幫助學生深刻理解和掌握相關課程的理論知識，加大了實驗課設置比例，并引入“設計性、綜合性、創新性”的教學理念，使學生能夠系統化、全面化地掌握生物技術。

1 實驗設計

眾多的實踐教學經驗證明，綜合性實驗是培養學生良好專業技能的有效手段［5］。實驗設計從基礎實驗的掌握到綜合性、設計性實驗的挖掘，是培養學生綜合素質和能力的重要途徑，能夠幫助學生更好地解生物技術實驗課的實驗思路。為此，引導學生積極在知網、萬方、維普等數據庫查閱相關實驗文獻，利用生物信息學軟件、分子生物學、細胞生物學和生物化學課程中學到的理論知識自主進行實驗項目的設計。依托實驗室內現有的GFP 綠色熒光蛋白表達系統、pDsRed1-N1 紅色熒光蛋白表達系統、真核昆蟲細胞表達系統，以及畢赤酵母表達系統，進行不同基因的克隆、表達、純化及鑒定，實驗流程見圖1。在整個實驗設計中，應用到的實驗技術包含了生物學信息軟件的使用、細菌培養、感受態的制備、目的基因的克隆、誘導表達、蛋白純化、SDS-PAGE 及Western Blot 鑒定等，從而形成一個完整的、系統化的實驗設計。例如，學生設計的實驗項目有重組人Elafin 在畢赤酵母系統中的表達鑒定、人CAT 基因紅色熒光蛋白報告基因表達載體的構建及功能鑒定、IGF-1 基因可變剪接體亞型在長白豬不同組織中的表達鑒定等多個實驗項目。

圖1 不同目的基因克隆實驗的總體計劃

2 實驗實施

2.1 實驗共享平臺的建立與完善

實驗室環境和儀器設備是完成實驗的基礎和條件，利用學校的實驗室改造資金和儀器購置計劃，不斷改善實驗條件，充分保障實驗課的順利開展。對教學實驗室的名稱、功能、負責人及開放時間等信息進行匯總；對實驗室內的儀器進行分類統計，包括儀器品牌、儀器功能、臺套數、儀器負責人等信息，針對不同的儀器設備，制定儀器簡明操作流程；對大型貴重的儀器進行操作視頻的錄制工作，詳見圖2。同時，建立實驗室使用的規章制度、開放制度和預約登記制度。開發創建實驗室使用的功能軟件系統，將實驗室信息、儀器信息、規章制度等內容上傳到系統里，便于師生在線查看和使用，為學生開展綜合性大實驗提供參考和支撐，做到心中有數、有的放矢，充分發揮實驗室的資源優勢和儀器使用效率。

圖2 流式細胞儀的結構組成及應用

2.2 實驗教師隊伍的建設與培養

師者，傳道授業解惑也，學高為師。在教學活動中，實驗教師隊伍的培養和建設至關重要。教師隊伍的結構組成包括教學名師、專業教授、青年教師及實驗技術人員等為一體的實驗教學團隊，教學名師和專業教授大多數為國家級、省部級科研及教學課題的主持者或參與者，能從制高點了解生物技術專業的前沿知識和技術，能對學生實驗設計的思路、創新性和可操作性提供專業的指導意見和建議，而青年教師大多是剛走上工作崗位，朝氣蓬勃有熱情，除了傳播專業知識外，更有親和力，更能帶動學生的實驗熱情，與學生之間的交流更順暢。此外，實驗技術人員也是不可或缺的一員，在實驗課程開展過程中，從頭到尾全程參與服務。在實驗課程開展前，組織教學團隊的成員進行集體備課，教學名師和教授對青年教師和實驗技術人員等進行教學內容、教學經驗和教學方法的指導與分享，提高青年教師的業務素養和水平，使其快速成長為教學骨干，完成“傳—幫—帶”的使命。同時，根據實驗技術人員對實驗條件的介紹，團隊成員進行內部討論，對實驗室內能做什么、怎么做、做成什么做到心中有數、了如指掌。通過不斷的交流和學習，不斷提高教學團隊成員的知識儲備、業務水平、強大的事業心和責任感，能夠將理論知識和實踐課程充分結合起來，提高實驗教學的效果。

2.3 教學手段的多樣化

首先，將“實驗小組長制”引入到教學活動中。實驗開始前，提前進行實驗分組，每組5～7 人，分割成不同的小班級模塊，選拔責任心強、樂于助人、動手能力強、有團隊服務精神的學生為實驗小組長，組長負責召集組員討論實驗內容、實驗方案、組員分工等，并積極與實驗老師溝通，進行實驗教室和儀器設備的預約、調試和使用等，在實驗課開展前，提前進入實驗室，進行實驗前準備工作，包括試劑的配制、儀器的熟悉等，突出學生的主體地位，樹立學生的主人翁精神。

其次，加大教學網絡平臺的建設與使用。網絡教學是信息技術與專業的整合，利用學院的多媒體制作系統，自制一些微視頻動畫，將“看不見，摸不著”的枯燥實驗理論視頻化、形象化，幫助學生更好地理解和掌握實驗原理、概念和實驗操作（見圖3和圖4），也可以從虛擬仿真實驗技術制作公司定制一些生物技術專業相關的視頻軟件投入到實驗教學中，豐富和拓寬教學信息資源庫，做到實體實驗和虛擬實驗有機結合，充分發揮虛擬仿真實驗的優勢。學生可根據自己的需要和時間，有個性化地選擇學什么、如何學、怎么學，從而培養學生的自學能力，提升學生的知識面，為進入實驗室開展實驗打下良好的基礎。

圖3 等電聚焦電泳原理和圖譜分析過程

圖4 Western B lot的實驗過程及部分實驗操作

最后，引入“翻轉課堂”和“PBL”教學理念。反轉教學也稱為翻轉教學、易位課堂等，是通過大量的信息技術的輔助，在課前由學生自行完成知識的傳授，在課堂中，師生互動，答疑解惑來實現知識的內化，從而達到更好的教學效果［6-7］。PBL（Problem Based Learning）教學模式是1969年由美國神經病學教授Bar-rows 創立的，是一種以激發學生自主學習動機和提高學生自己解決問題能力為目標的教學法，其教學理論和經驗正逐漸被廣泛接受和采納［8］。兩種教學理念的引入，改變了學生在以往實驗過程中，學生到點上課、到點下課，在課堂中被動地接受知識的輸入，知其然不知所以然，課后很容易淡忘了，導致很多實驗技術掌握不扎實，在畢業論文答辯和研究生復試被問起時一臉茫然。“翻轉課堂”和“PBL”教學法的引入大大提高了實驗教學的效果，使學生能夠從被動學習轉變為對科研問題的主動探索，培養了學生自主學習、自主講授和分工協作的能力，由被動填鴨式的教學轉變為對學術問題的探討，加深了對理論和實驗知識的理解和掌握程度。訓練了學生的科學思維和獨立解決問題的能力和水平，將課前預習、課上學習、課后復習充分融合在一起。

2.4 考核階段

與以往實驗課考核不同，在生物技術專業大實驗課程的成績評定時，不再局限于實驗報告，而是注重實驗過程的培養。建立以提高學生綜合素質和能力為目標的考核評價體系，充分調動了學生參與實驗的積極性和主動性。其中，平時成績占30%，包括實驗預習、預習筆記、出勤情況、組內成員交流及師生交流等；實驗方案的設計占30%，包括設計內容、技術路線、表述方式是否準確等；實驗成績占40%，包括實驗操作、實驗報告、實驗參與度、儀器使用熟練程度等。其中，實驗報告的撰寫方面，要求學生按照科技論文寫作的模式進行，包括題目、摘要、關鍵詞、實驗材料與方法、實驗步驟、實驗結果、實驗現象的分析和討論等，使學生能提前了解論文的撰寫格式，為將來畢業論文的設計奠定基礎。

3 實施效果

經過幾年的教學實踐證明，生物技術專業綜合大實驗課程的開設，在培養學生常規實驗操作技能的同時，大大提高了學生自主設計和開發綜合性、復雜性實驗項目的能力和水平。在實驗過程中，每名學生都能發揮主人翁意識，做到小組團隊成員之間相互協作、共同成長、共同進步。這種以“項目”為導向的綜合大實驗的開展，培養了學生嚴謹的科研思維、科研態度，提升了分析問題與解決問題的能力，學生評價生物技術綜合大實驗課程的設置，讓他們學到的知識體系內容更加完整、拓展了知識面，開闊了眼界，為今后從事相關專業的工作打下了基礎。