生物技術專業基因工程綜合實驗教學改革

趙梅，齊向輝

（江蘇大學 食品與生物工程學院，江蘇鎮江 212013）

生物技術是基于生命科學的技術手段實現人類預想產品的技術，其專業旨在培養適應時代發展，掌握分子生物學、微生物學、基因工程等基本知識，獲得應用基礎研究和科技開發研究的實踐技能，具有良好的科學素質、較強的創新意識的綜合型人才[1-2]。

生物技術的核心專業課基因工程是以分子生物學為基礎的復雜學科，具有較強的實踐性、技術性[3-6]。基因工程綜合實驗技術是生物技術專業最重要的實驗技術之一，掌握基因工程綜合實驗技術是走向生物技術領域從業的關鍵[4]。因此，基因工程綜合實驗的教學至關重要，是銜接高校學生與社會的紐帶，在學習過程中將會不斷提高學生自主學習與創新能力[7-9]。

1 基因工程綜合實驗教學中存在的問題

隨著生物技術的快速發展，教學體制改革也隨之不斷完善，對于生物技術專業培育的人才有了更高的要求。但是目前的基因工程綜合實驗在教學的過程中仍存在以下問題。

1.1 實驗教學時間安排不科學

以往的基因工程綜合實驗課通常被安排在基因工程課程開展的過程中，且每周開設一次，存在開展實驗課時，部分理論課程內容還沒有開展，學生不能及時將所學知識應用到基因工程實驗中的問題。此外，基因工程綜合實驗是一個需要連貫操作的實驗過程，將連貫的基因工程實驗分割成若干獨立的小實驗，割裂了每個實驗之間的內部邏輯關系，使學生難以對基因工程綜合實驗過程形成整體的印象。

1.2 實驗教學內容缺乏創新

實驗教學不能緊跟時代發展的腳步，缺乏創新，且存在一定的重復。為節省實驗時間和實驗材料，教師提前準備了實驗所用試劑、引物、構建成功的質粒和基因工程菌等，導致學生無法體驗實驗的準備、設計等過程。實驗教學內容均為基礎性驗證實驗，學生只要按照步驟實施最終均會成功，這會使學生在今后的實驗中缺乏面對失敗的勇氣，無法從失敗中汲取經驗，對于學生的成長極其不利。此外，所有學生的實驗結果一致，很容易出現“抄襲”現象，不僅無法激發學生的積極性，還會導致學生無法充分融入實驗過程，對實驗的理解有著一定的局限性。

除此之外，基因工程綜合實驗課程是一門非常重要的、前沿性的專業基礎實驗課。該課程的設置是在大三的第2學期，繼分子生物學實驗、酶工程實驗之后進行，在實驗內容的設計上與其他實驗課程存在一定的重復性，對于學生創新性思維的培養有一定的局限性。

1.3 實驗教學方式單一

實驗教學方式大多采用講授法，老師在實驗課開始前一周會將所有的實驗安排、實驗講義發給學生預習。實驗前，教師利用黑板詳細向學生描述實驗目的、實驗原理、實驗步驟、注意事項等，然后學生按照黑板上的步驟去操作，最終獲得相應的實驗結果。在這個過程中，學生只是機械的參與了實驗的過程，驗證了實驗的結果，對實驗的設計一知半解，更沒有深入思考過實驗成功與失敗的關鍵點，完全處于一種被動接受的狀態，學習的效率非常低。在這種方式的教學模式下，只能提高學生的實驗操作技能，但對實驗過程中最重要的設計實驗，遇到問題時分析問題、解決問題的能力沒有任何的提高，學生仍然無法獨立設計實驗，進行創新性的實驗研究。

1.4 實驗考核方式不合理

實驗的考核方式影響著學生的實驗成績，學生的實驗成績又會影響學生的學習態度，而學習態度主要表現在學生對于實驗課的積極性。以往的實驗考核主要是以學生最終提交的實驗報告為評分基礎，學生的實驗報告書完成的更加工整，內容更加全面，結果分析更加合理，可能獲得的分數就會越高。這種評價方式會使學生更多的去關注實驗的結果、實驗報告的書寫，而忽略實驗課上實驗知識與操作技能的學習，導致學生做實驗的積極性不高。

上述基因工程綜合實驗教學中存在的“重報告，輕實驗”的現象，說明這種教學方式已無法滿足目前科技快速發展時代對綜合人才的培養需求，必須要對該實驗教學進行改革，改革的方向應更加科學，還應具有一定的創新性。

2 基因工程綜合實驗教學改革措施

2.1 實驗教學時間合理化

基因工程綜合實驗是一個有機的整體，每個模塊需要連續操作，才能達到預期的實驗效果。這就要求在實驗教學的過程中要設置一個連續、完整的時間段以便學生有充足的時間去實踐操作。本研究將基因工程綜合實驗安排在基因工程課程結束后的2個整周（如18～19周），整體、連續的實驗課程有助于培養學生的整體意識。

2.2 優化教學內容

基因工程綜合實驗教學內容包括基因工程菌的復活培養、外源基因在大腸桿菌中誘導表達重組蛋白、SDS-PAGE檢測重組蛋白、重組蛋白的分離純化、重組蛋白的活性檢測、頭發中DNA的提取與檢測以及DNA分子標記技術7個實驗，即32個學時。其中實驗第1～5個實驗是一個整體實驗，實驗6～7需要提取學生自身的DNA進行實驗，得到的結果會有一定的差異性。

為消除基因工程綜合實驗內容重復和脫節的現象，打破課程封閉、凌亂、僵化的狀態，給學生更多學習、接觸新技術的時間和空間，教學內容的優化至關重要。（1）本課題組在內容設計上聯系分子生物學實驗、酶工程實驗老師商量同一類型實驗采用不同方法去操作。例如，酶工程實驗親和層析純化蛋白中利用重力法分離純化蛋白，而基因工程綜合實驗采用離心法分離純化蛋白；分子生物學實驗中已學會構建質粒，基因工程則可以直接從重組質粒開始實驗，質粒構建部分可以作為實驗設計寫入學生的實驗報告中。（2）為開拓學生的創新思維，應設計靈活、多變的探究性實驗，使學生發揮想象力，并根據實驗過程的現象、思考等增加其對實驗原理的理解。例如，純化蛋白時，設置不同的咪唑濃度，學生通過實驗探究找尋最佳咪唑洗脫濃度；不同的熒光蛋白混合時，通過不同的咪唑濃度分別洗脫出單一熒光蛋白；DNA分子標記實驗中每位同學實驗結果的差異性有助于培養其分析能力等。（3）基因工程綜合實驗材料的選擇上，可選擇一個既與生物技術密切相關又能使學生直接觀察到實驗結果的研究對象。例如，選擇不同熒光蛋白克隆、構建，表達及活性測定，學生可以通過觀察熒光蛋白的顏色判斷重組質粒的構建是否成功、熒光蛋白在誘導后是否表達、熒光蛋白的純化是否成功等，給學生緊張的實驗增添了趣味性。

基因工程綜合實驗具有一定的復雜性，在實驗過程中每2位同學為一組，通過合作形式共同操作能夠有效提高實驗的成功率，遇到問題時可以相互討論解決，實驗設計時也會考慮的比較全面。

2.3 學生參與實驗教學與準備

轉變傳統以老師為主導的教學方法，讓學生參與基因工程綜合實驗的教學中。（1）鼓勵學生分批進入實驗室參與實驗的前期準備，主要包括實驗過程中試劑的配制與分裝、材料的滅菌、引物設計等，這不僅有利于學生熟悉實驗流程，還可加強學生對pH計、PCR儀、DNA濃度檢測儀、凝膠成像儀以及高壓滅菌鍋等儀器的使用，對于后期畢業設計時的獨立實驗有著重要的作用。（2）由于基因工程綜合實驗具有周期長、步驟煩瑣等特點，為節省時間，可加強同學之間的交流、合作，在實驗過程中每2位學生一組，自主安排時間進行實驗，建議采用合理的穿插實驗。例如，在進行外源基因在大腸桿菌中誘導表達重組蛋白實驗時即可接種重組菌，為后續蛋白的分離純化做準備。實驗過程中，教師可在現場來回巡視檢查學生的操作規范情況。（3）每天安排1 h進行自由討論，由學生分享實驗現象，老師提出問題，學生解答，在討論中實現教學相長；此外教師還應對操作技術難點進行講解，示范操作。

2.4 健全考核制度，提升教學效果

傳統實驗考核主要根據學生的實驗報告書寫情況進行打分，這種評定方式比較單一，嚴重影響學生實驗的積極性，容易出現“重報告輕實驗”的現象，有悖于實驗課鍛煉學生實踐能力的初衷。鑒于參加基因工程綜合實驗的學生即將步入大四，將面臨著畢業論文的設計、寫作等難題，本課程采用多樣化的考核方式，以期能為學生的畢業設計打好基礎，與此同時培養學生的獨立思考、動手操作能力等。

（1）實驗表現（40%）

實驗表現包括考勤（10%）、課堂表現（30%）。考勤是學生對基因工程綜合實驗課程的態度表現，包括實驗期間有無遲到、早退等現象。課堂表現主要由老師在巡察實驗過程中通過學生的實驗操作規范、技術的掌握程度、回答問題的表現等方面進行打分。如果學生缺勤或未做實驗但使用其他學生實驗結果者，實驗表現記為0分。

（2）實驗論文（50%）

實驗論文包括開題報告（10%）、學生的實驗設計（20%）以及實驗結果分析（20%）內容。①實驗開始前，老師將整個實驗的最終目標告訴學生，讓學生根據所學知識查閱文獻、設計實驗，形成開題報告。老師針對每位學生的開題報告提出相應的評閱意見，針對不合理的設計，積極引導學生修改。②學生在實驗過程中需做好實驗記錄，遇到問題先嘗試自己解決，解決不了再尋求同學或老師的幫助，培養學生的科研素養和團隊合作精神。老師來回檢查、指導學生的實驗操作，遇到個別問題，進行單獨指導；遇到共性問題，集中與學生討論、講解實驗要點，使學生將課堂上學習到的理論知識與實踐操作緊密結合，融會貫通。③實驗結果的分析需與實驗記錄保持一致，分析實驗過程中的現象、產生的原因等。經過一系列的培訓，學生的邏輯思維能力、實驗操作技能等均會有較大的進步。

（3）實驗總結與感想（10%）

實驗完成后，每個同學寫一份實驗總結與感想，作為實驗成績考核的一部分。學生可以從整個基因工程綜合實驗出發，論述自己的實驗總結與感想，對其中的注意事項或實驗的關鍵點進行分析，闡述自己的看法，也可以提出一些建設性的意見等。老師在批改這部分內容時可以從側面了解學生的掌握和學習情況，從學生的意見反饋中找尋教學改革的建設點，實現教學相長。

2.5 利用科研平臺鞏固學習效果

在基因工程綜合實驗課程結束后，教師可鼓勵學生積極加入學業導師的科研項目，將實驗中學習的專業課知識及實驗技能應用到真正的科研課題中，在新課題的沖擊下，激發學生對新知識、新技術、新方法學習的積極性，推動教學相長的良性循環，增強學生對科研的興趣，培養學生的科研邏輯思維，全面提高學生的科研能力。

3 結語

經過2年的基因工程綜合實驗教學改革，學生獨立思考、設計實驗、分析及解決問題的能力有所提升，學生能夠主動參與到教學中，師生間互動增強，獲得學生的一致好評。為緊跟生物技術前沿發展的要求，在今后的綜合實驗教學中還可以設置一些熱點實驗，如CRISPR Cas9、Western雜交、RT-PCR等技術激發學生的興趣，讓學生在學習中體會學術前沿的專業知識，提升學生的綜合素養，逐步擴充和更新綜合實驗內容。