生物科學綜合實驗及其教學模式的改革

趙 靜，史美云，高雨堃，賀雷雨，李文利

（大連理工大學生命科學與藥學學院，遼寧盤錦 124221）

0 引言

針對傳統實驗教學存在的問題及新時代人才培養標準高的特點，我校生命科學與藥學學院對生物科學專業實驗課程開展了系列改革，從傳統的單一驗證性實驗教學，逐漸過渡為綜合設計型和科研轉化型的開放式教學模式［1-2］。本研究將生物科學領域必備的科研實踐技術引入教學中，使本科教學與科學研究有機結合，達到了新時代背景下高校對科教融合型人才培養的高標準、高要求、高期望［3-4］。

綜合實驗不僅融合了生物化學、分子生物學、微生物學及遺傳學等幾門必修課程的理論知識，所涉及的實驗技術更是現代生命科學領域常用的科研技術手段。實驗涉及多個環節，各個環節循序漸進，承上啟下，這樣不但使學生可以清晰地把握整個實驗脈絡，也提高了學生對實驗的重視度及操作的規范化，從而確保了高效有序的教學效果。此外，經過文獻檢索、實驗設計操作及科學研究論文的寫作等嚴格的訓練后，學生的科研能力和水平得到了進一步提高，這為其后續從事相關領域的科學研究工作打下了堅實基礎。

制約于多種客觀因素，很多高校實驗教學依然采用傳統的單一線下操作模式，實驗教學缺乏探究性和趣味性，不利于調動學生的積極性，從而導致教學效果不佳［5-6］。隨著現代網絡技術的發展，實驗教學模式創新的重要性日益彰顯，因此，需要不斷推進本科實驗平臺的建設及相關實驗教學模式的改革［7-8］。在生物科學專業的綜合實驗課程中，創新性地增加了虛擬仿真訓練和微視頻全程在線輔助操作等新型教學手段，真正實現了實驗教學模式從傳統單一的線下教學逐漸向多樣化的教學模式轉變。

本文以體外構建表達β-葡萄糖醛酸苷酶及其酶學活性測定實驗為例，具體討論在綜合實驗設計與探索方面的工作。

1 實驗方案設計

實驗方案設計是貫穿實驗課程的核心，學生可通過閱讀相關文獻、設計實驗方案、優化實驗條件、對實驗結果進行分析討論，并以預實驗報告的形式完成。方案中應包含實驗的技術流程、時間安排、操作方法及預期結果等。以體外構建表達β-葡萄糖醛酸苷酶及其酶學活性鑒定實驗為例，具體的實驗方案設計流程如圖1 所示。

圖1 體外構建表達β-葡萄糖醛酸苷酶及其酶學活性測定實驗方案設計流程圖

2 混合教學模式的開展

混合教學實驗課程的開展是在線下實操的基礎上，輔以微視頻及虛擬仿真等互聯網背景下的新型教學手段。該課程采用開放式教學模式，實驗開始前，學生需注冊登錄虛擬仿真平臺，經任課教師審核通過后即可閱讀實驗相關內容，如原理介紹，操作演示等。完成練習模式后，學生在線考核，并將成績提交至教師端，方便教師進行評定。在線下實操環節，學生在微視頻及實驗講義的指導下進行規范化操作。待實驗結束后，各小組同學整理分析實驗數據，并提交紙質版實驗報告。

3 實驗結果與討論

3.1 PCR擴增及電泳測定

配置PCR反應體系，設置程序，并在PCR 儀上運行該程序。待PCR 反應過程結束后，取出樣品，并采用DNA瓊脂糖凝膠電泳實驗進行測定。如圖2 所示，在1.8 kb左右處顯示出肉眼可辨的桔紅色熒光條帶，因此，可初步斷定其為目的基因片段。

圖2 PCR產物的電泳測定

3.2 質粒pET-28a（+）的提取及電泳測定

復蘇含pET-28a（+）質粒的DH5α 細胞，挑取單克隆菌落進一步擴大培養，收集細胞并按照質粒提取試劑盒的要求提取pET-28a（+）質粒，最后采用DNA瓊脂糖凝膠電泳實驗進行測定。如圖3 所示，在5.3 kb左右處顯示出肉眼可辨的條帶，因此，可初步斷定pET-28a（+）質粒提取成功。

圖3 質粒pET-28a（+）的提取及電泳測定

3.3 DNA的雙酶切及產物回收

質粒pET-28a（+）與目的基因β-Glu 經限制性內切酶Nde I／Xho I 作用后，進行瓊脂糖凝膠電泳實驗（見圖4）。根據Solarbio公司瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒說明書進行切膠回收。

3.4 酶切產物的連接、轉化、篩選及測定

膠回收后的酶切產物經T4 連接酶連接，并將連接產物轉化至BL-21 感受態細胞中。待培養過夜后，挑選7 組1／2 菌落進行PCR法篩選測定。如圖5 所示，1～6 組均為含有重組質粒的BL-21 細胞。

圖5 酶切產物的連接、轉化、篩選及測定結果

3.5 蛋白誘導表達、純化、測定及活性檢測

經篩選測定后的BL-21 細胞進一步擴大培養，IPTG誘導其表達目的蛋白，提取蛋白質并純化，并通過Western blot法檢測蛋白表達。如圖6（a）所示，經IPTG誘導的實驗組呈現明顯的條帶。各取50 μL 不同濃度的pNPG底物溶液，分別與50 μL β-Glu蛋白酶溶液和空白對照組溶液混合后，室溫反應5～10 min，酶標儀下檢測405 nm 處的吸光值。如圖6（b）所示，β-Glu蛋白酶作用組在405 nm 處的吸收值明顯高于對照組，表明本文所誘導表達的β-Glu 蛋白有較好的酶學活性。

圖6 蛋白鑒定及酶學活性檢測結果

4 考核評價

考核是本科實驗教學不可或缺的一部分，目的是檢驗實驗教學效果，評定教學質量［9-10］。為了實現科學客觀的成績評定，本課程設置了多元化過程考核體系：①查閱文獻（10%）：了解國內外相關技術研究現狀；②實驗設計（10%）：實驗方案是否具有可行性；③實驗規范化操作及過程記錄（10%線上+30%線下）：考察學生實驗操作的規范性及實驗記錄的完整性；④結果分析處理（10%）：是否能正確使用常用數據處理軟件；⑤實驗報告的撰寫（20%）：實驗報告書寫是否規范，內容是否完整；⑥實驗理論+技能考核（10%）。多元化的過程考核體系打破了傳統以實驗報告為最終成績評定的模式，使實驗課程的考核評定更為規范化［11-12］。

5 教學效果分析

5.1 貫穿式環節設置，保證教學連貫性與系統性

生物科學綜合實驗是生物科學專業的綜合研究性實驗課程，通常在大四學年第1 學期開課，共48 學時。在整個實驗過程中，從文獻檢索、實驗設計、實際操作到報告撰寫等各個環節承前啟后、循序漸進，學生的認真性與主動性貫穿全程，實驗成功率得到提高，教學的連貫性與系統性也有充分的保證。如實驗項目之間密切聯系，上一步實驗取得的結果是下一步實驗的原材料，這也就要求學生高度重視實驗，規范實驗操作。綜合實驗課程在考核過程中，要求學生嚴格按照本科畢業論文的格式書寫，目的是提早訓練學生論文書寫能力，為今后的畢業論文的完成打下基礎。

5.2 混合教學模式及開放的實驗，更好地釋放了學生的主觀能動性

虛擬仿真+微視頻+線下實操的混合教學模式突破了傳統演示性教學形式，通過網絡虛擬仿真教學，讓學生在輕松愉快的網絡環境中模擬真實的實驗操作［13-14］。在課程開始前沉浸式地了解實驗內容、具體操作流程及注意事項，并通過測試模式檢驗自己對實驗的掌握情況。課堂上，微視頻的全程輔助更有利于學生規范操作，提高實驗的成功率。生物科學綜合實驗采用開放式教學，學生可以根據自己的時間和進度安排具體的實驗過程，不再受傳統實驗的時空限制，從而激發了學生的主觀能動性。

5.3 多維度的教學考核實現了全方位的教學評價

傳統實驗教學通常以平時成績（出勤率、參與度、操作規范性等）和實驗報告作為最終考核方式，該模式缺乏課前的預習及課后的理論和技能考核［15］。此外，傳統的實驗報告格式單一，幾乎是實驗講義的復制版本，學生無法養成科研論文的寫作習慣。在生物科學綜合實驗的考核中，制定了線上與線下，課前與課后相結合的多元化過程考核體系，真正實現了全方位的教學評價。

6 結語

體外構建表達β-葡萄糖醛酸苷酶及其酶學活性測定實驗是基于本科實驗教學的需求，將前期科學研究成果轉化為本科實驗教學內容。本文以該實驗為例，系統地闡述與討論了生物科學綜合實驗的新型建設理念及設計的混合教學模式在教學中的實際應用。設計構建的實驗系統兼具前沿性、科學性和綜合性，在生物科學、化學生物和藥學專業本科教學及科研實踐和創新訓練等方面都有廣泛的應用前景和良好的應用效果。后續將進一步完善和豐富實驗內容，不斷探索新型混合教學模式可持續運行的有效方法，在拓展教學內容廣度和深度的同時，進一步增加實驗教學時間和空間的靈活度。