莫日根, 邢萬(wàn)金, 王志鋼, 阿拉坦高勒, 哈斯阿古拉, 苑 琳, 侯 鑫, 蘇慧敏, 張彥桃, 王 鄭, 范麗菲
(內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 呼和浩特 010021)
為了適應(yīng)生物技術(shù)的發(fā)展,包括工科院校和醫(yī)學(xué)院校在內(nèi)的很多高校都紛紛開(kāi)設(shè)了生物技術(shù)和生物工程等專(zhuān)業(yè),但由于基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心,綜合性大學(xué)的生命科學(xué)學(xué)院應(yīng)該以其系統(tǒng)的生物學(xué)教學(xué),尤其是生物化學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程及分子生物學(xué)等核心專(zhuān)業(yè)課的教學(xué),成為培養(yǎng)生物技術(shù)和生物工程專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才的搖籃。
培養(yǎng)創(chuàng)新人才是個(gè)復(fù)雜而長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程,不僅需要教師知識(shí)結(jié)構(gòu)的更新、教學(xué)方法的變革,更需要教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)組織形式的與時(shí)俱進(jìn)。生命科學(xué)是實(shí)驗(yàn)性科學(xué),因此對(duì)于培養(yǎng)生命科學(xué)創(chuàng)新人才而言,實(shí)驗(yàn)教學(xué)極其重要。為了培養(yǎng)生物科學(xué)、生物技術(shù)和生物工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力,近年來(lái)我們進(jìn)行深入的思考和大膽的嘗試[3-10],同時(shí)借鑒兄弟院校的成功經(jīng)驗(yàn)[11-13], 從改善實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)施到改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,從封閉式的課堂式小實(shí)驗(yàn)到全天候開(kāi)放式綜合性大實(shí)驗(yàn),無(wú)論在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容還是組織形式上都力求為學(xué)生營(yíng)造創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)氛圍,著力于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力,取得了顯著效果。但是以前教改形成的基因工程大實(shí)驗(yàn)、發(fā)酵工程大實(shí)驗(yàn)和生物化學(xué)大實(shí)驗(yàn)等綜合性大實(shí)驗(yàn)雖然在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)以科研項(xiàng)目的形式學(xué)習(xí)若干有聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)技術(shù),教學(xué)方式上強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立操作能力,但若干綜合性大實(shí)驗(yàn)之間尚缺少實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的剛性聯(lián)系,學(xué)生們?cè)诓煌拇髮?shí)驗(yàn)課程上學(xué)到的實(shí)驗(yàn)理念和操作技能不能形成一個(gè)知識(shí)鏈條,難以綜合運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)和技能解決一個(gè)較大的科學(xué)問(wèn)題或生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)。這一缺陷在學(xué)生申請(qǐng)和完成國(guó)家或校內(nèi)大學(xué)生創(chuàng)新性科研項(xiàng)目的時(shí)候尤為明顯??紤]到理論課程教學(xué)之間的天然分隔與自成體系,如果實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)脫節(jié),不能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中把各門(mén)理論知識(shí)融為一體,將使科學(xué)知識(shí)被置于無(wú)用之地,教學(xué)效果明顯降低,甚至挫傷學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)知識(shí)的興趣,成為教學(xué)的桎梏。鑒于此我們把已開(kāi)設(shè)多年、運(yùn)轉(zhuǎn)成熟的3個(gè)獨(dú)立的生物技術(shù)大實(shí)驗(yàn)——基因工程大實(shí)驗(yàn)、微生物發(fā)酵工程大實(shí)驗(yàn)和生物化學(xué)大實(shí)驗(yàn)重新定位和組合,以基因工程大實(shí)驗(yàn)為上游、發(fā)酵工程大實(shí)驗(yàn)為中游、生物化學(xué)大實(shí)驗(yàn)為下游技術(shù)整合成一個(gè)更大的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),通過(guò)生產(chǎn)某一種有生物活性的重組蛋白為目的,用大科研項(xiàng)目的形式構(gòu)建成一個(gè)連續(xù)進(jìn)行的綜合性研究型“生物技術(shù)超大實(shí)驗(yàn)”。學(xué)生經(jīng)過(guò)該門(mén)超大型綜合性實(shí)驗(yàn)課程的訓(xùn)練,將系統(tǒng)地學(xué)習(xí)現(xiàn)代生物技術(shù)的實(shí)踐理念,基因克隆、質(zhì)粒構(gòu)建、細(xì)菌發(fā)酵、蛋白提取、純化和酶活性分析等分子生物學(xué)、微生物學(xué)和生物化學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法及原理。該大實(shí)驗(yàn)不僅夯實(shí)了相關(guān)課程的基礎(chǔ)理論知識(shí)、學(xué)習(xí)了現(xiàn)代分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù),更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的大學(xué)科意識(shí)、大項(xiàng)目理念、獨(dú)立工作能力和科技創(chuàng)新能力。
本實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容上以發(fā)酵生產(chǎn)有生物活性的重組細(xì)菌堿性磷酸酶蛋白為最后的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),用細(xì)菌堿性磷酸酶基因克隆、大腸桿菌中表達(dá)及檢測(cè)、工程菌選種、發(fā)酵生產(chǎn)、堿性磷酸酶提取、純化和酶活性測(cè)定等一系列實(shí)驗(yàn)作主線(xiàn),貫穿基因工程大實(shí)驗(yàn)、發(fā)酵工程大實(shí)驗(yàn)和生物化學(xué)大實(shí)驗(yàn),重排實(shí)驗(yàn)課程順序,建立以基因工程實(shí)驗(yàn)為核心的上游、中游和下游三個(gè)大實(shí)驗(yàn)?zāi)K組合的綜合性生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)該系列課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生了解現(xiàn)代生物技術(shù)的基本內(nèi)容并體驗(yàn)用基因工程技術(shù)生產(chǎn)有活性的重組蛋白的完整過(guò)程。
基因工程大實(shí)驗(yàn)?zāi)K是整個(gè)超大實(shí)驗(yàn)的核心,負(fù)責(zé)給另外發(fā)酵模塊制備能夠表達(dá)重組堿性磷酸酶的工程菌。實(shí)驗(yàn)主要由PCR擴(kuò)增堿性磷酸酶基因、表達(dá)載體的構(gòu)建、感受態(tài)細(xì)胞的制備與轉(zhuǎn)化、堿性磷酸酶的誘導(dǎo)表達(dá)、表達(dá)產(chǎn)物的電泳檢測(cè)等一整套關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組成,最終獲得能夠特異性大量表達(dá)重組堿性磷酸酶的大腸桿菌菌株。本模塊共學(xué)習(xí)11項(xiàng)基因工程實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)(表1)[9],以全天候開(kāi)放、教師指導(dǎo)、學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的研究項(xiàng)目方式進(jìn)行,共耗時(shí)約10.5 d,參考學(xué)時(shí)為48。學(xué)生通過(guò)本模塊的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí),將夯實(shí)基因工程的基本概念和操作原理,學(xué)習(xí)基因工程常用的核酸與蛋白操作技術(shù)。
表1 生物技術(shù)超大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)架
發(fā)酵大實(shí)驗(yàn)?zāi)K通過(guò)利用上游模塊制備的能夠表達(dá)重組堿性磷酸酶的大腸桿菌菌種,從中篩選出表達(dá)量大的菌種,測(cè)定生長(zhǎng)曲線(xiàn)、摸索出最優(yōu)發(fā)酵條件,發(fā)酵大量的菌體。本模塊包含8個(gè)實(shí)驗(yàn)(表1),參考學(xué)時(shí)為40,同樣以教師指導(dǎo)下的學(xué)生獨(dú)立操作形式進(jìn)行。通過(guò)本模塊的實(shí)驗(yàn)操作,學(xué)生將夯實(shí)工程菌的篩選、發(fā)酵罐的工作和使用、發(fā)酵條件優(yōu)化、溶氧系數(shù)的測(cè)定、接種技術(shù)和菌種擴(kuò)大培養(yǎng)等一系列微生物發(fā)酵原理,并學(xué)習(xí)一些生產(chǎn)實(shí)踐中常用的發(fā)酵技術(shù),最終用機(jī)械攪拌發(fā)酵罐生產(chǎn)堿性磷酸酶。
生物化學(xué)大實(shí)驗(yàn)?zāi)K將利用發(fā)酵實(shí)驗(yàn)?zāi)K發(fā)酵后的菌體,破碎后提取和純化重組堿性磷酸酶。教學(xué)內(nèi)容主要有菌體蛋白的提取、分離、純化、鑒定和酶活性測(cè)定等典型生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)。學(xué)習(xí)7種常用的蛋白質(zhì)鑒定和處理相關(guān)技術(shù)(表1)的基本原理和實(shí)驗(yàn)操作,共32個(gè)學(xué)時(shí)。
本大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由上、中、下三個(gè)大實(shí)驗(yàn)?zāi)K構(gòu)成,3個(gè)模塊均以綜合性大實(shí)驗(yàn)的形式獨(dú)立運(yùn)行了多年,收到了良好的教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步整合而成的超大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在保持3個(gè)模塊原有的教學(xué)效果的基礎(chǔ)上,通過(guò)溝通3個(gè)模塊之間的有機(jī)聯(lián)系,進(jìn)一步擴(kuò)大了教學(xué)成果,讓學(xué)生能夠連續(xù)完整地體驗(yàn)用基因工程技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)重組酶的現(xiàn)代生物技術(shù)方案與過(guò)程,并使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握上游基因克隆操作技術(shù)、中游發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)、下游蛋白質(zhì)提取純化和酶活性檢測(cè)等方法的基本原理和實(shí)踐操作,培養(yǎng)既懂理論又精通設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)方案并具備獨(dú)立操作能力的創(chuàng)新人才。實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果的關(guān)鍵在于溝通三大模塊之間的聯(lián)系和合理安排3個(gè)模塊的開(kāi)課順序,讓同一批學(xué)生按上、中、下游的順序完成3個(gè)大實(shí)驗(yàn),并分別按時(shí)完成各個(gè)模塊的教學(xué)目標(biāo),即在基因工程大實(shí)驗(yàn)中成功制備工程菌,在發(fā)酵工程大實(shí)驗(yàn)中篩選到高表達(dá)菌株并成功發(fā)酵,在生化大實(shí)驗(yàn)中成功提取并純化得到有活性的酶。
生物技術(shù)超大實(shí)驗(yàn)主要由一系列生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)組成,其核心模塊基因工程大實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生具備遺傳學(xué)和基因工程理論知識(shí)。遺傳學(xué)、基因工程和分子生物學(xué)理論課在我校分別于大學(xué)三年級(jí)上下學(xué)期開(kāi)課,而中游模塊涉及的微生物學(xué)和發(fā)酵工程理論課、下游模塊涉及的生物化學(xué)課程在大學(xué)二年級(jí)開(kāi)課(圖1)。教學(xué)改革的第一個(gè)問(wèn)題是改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課排課模式。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課一般是在理論課結(jié)束后進(jìn)行,或者與理論課同時(shí)進(jìn)行,而超大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行必須從基因工程大實(shí)驗(yàn)課開(kāi)始,把在大學(xué)二年級(jí)開(kāi)設(shè)的發(fā)酵工程大實(shí)驗(yàn)和生物化學(xué)大實(shí)驗(yàn)安排到大學(xué)三年級(jí)的基因工程大實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)行,但保留二年級(jí)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課中關(guān)于生物大分子的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。教學(xué)改革面臨的另一個(gè)問(wèn)題是3個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)K的進(jìn)行都需要實(shí)驗(yàn)室全天開(kāi)放。綜合考慮理論課學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)課時(shí)間進(jìn)行了如下安排, 大學(xué)三年級(jí)下學(xué)期開(kāi)設(shè)的3個(gè)學(xué)分的基因工程理論課按每周4學(xué)時(shí)上課,在學(xué)期末能夠結(jié)余4周時(shí)間進(jìn)行上游模塊基因工程大實(shí)驗(yàn)教學(xué),在暑期為期一個(gè)月的夏季學(xué)期完成中游發(fā)酵工程大實(shí)驗(yàn)并儲(chǔ)存學(xué)生得到的發(fā)酵產(chǎn)物,大學(xué)四年級(jí)第一學(xué)期進(jìn)行下游的生物化學(xué)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)(圖1)。
上述實(shí)驗(yàn)安排的好處之一是最大可能地保證了三個(gè)模塊的連續(xù)性,保持學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案的完整性、實(shí)驗(yàn)操作和科研思維的連貫性。好處之二是沒(méi)有與其它理論課或?qū)嶒?yàn)課沖突。此外,本實(shí)驗(yàn)安排也為即將進(jìn)入生物技術(shù)相關(guān)用人單位的同學(xué)進(jìn)行實(shí)習(xí)實(shí)踐、推免研究生到相關(guān)實(shí)驗(yàn)室完成畢業(yè)論文提供了技術(shù)熱身準(zhǔn)備,使學(xué)生能夠把自己學(xué)過(guò)的知識(shí)和技能熟練地應(yīng)用到新的科研項(xiàng)目中,擴(kuò)大了本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。
圖1 本科生物技術(shù)超大實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)安排以及與之內(nèi)容相關(guān)的本科專(zhuān)業(yè)課程的時(shí)間關(guān)聯(lián)
基因工程大實(shí)驗(yàn)、發(fā)酵工程大實(shí)驗(yàn)和生物化學(xué)大實(shí)驗(yàn)是本文介紹的“生物技術(shù)超大實(shí)驗(yàn)”的3個(gè)組成模塊。
Fig 1 Semester arrangement of a super comprehensive experimental course of biotechnology for undergraduates and its relationship with other courses as a function of time
本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容互相關(guān)聯(lián),是一個(gè)超大實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并具有上、中、下游的單向時(shí)間順序(圖1),但3個(gè)模塊仍然分別在3個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,因此在時(shí)空上相對(duì)獨(dú)立,具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)分別由各自模塊的實(shí)驗(yàn)教師承擔(dān),考核歸各自模塊獨(dú)立實(shí)行。每個(gè)模塊都按照科研項(xiàng)目的形式展開(kāi),要求學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前提交開(kāi)題報(bào)告,詳細(xì)陳述立項(xiàng)依據(jù)和實(shí)驗(yàn)方案以及實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,學(xué)生完成該模塊的全部實(shí)驗(yàn)后提交畢業(yè)論文格式的實(shí)驗(yàn)論文。在3個(gè)模塊全部結(jié)束后,抽取部分學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)答辯,以考察學(xué)生的學(xué)術(shù)交流能力。
生物技術(shù)超大實(shí)驗(yàn)運(yùn)行一年后得到了學(xué)生的普遍好評(píng),由于3個(gè)模塊在內(nèi)容與時(shí)間上順序井然,一氣呵成,使學(xué)生深刻地體會(huì)到了生物技術(shù)的連貫性、綜合性與研究性。由于我們鼓勵(lì)學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理、獨(dú)立制定實(shí)驗(yàn)方案并在實(shí)踐中摸索學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用和操作技能,給學(xué)生們提供了充分展示自己運(yùn)用知識(shí)的才能的空間。每個(gè)模塊都以目標(biāo)導(dǎo)向的項(xiàng)目形式進(jìn)行,學(xué)生有機(jī)會(huì)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)重復(fù)某個(gè)失敗的實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┑淖畲髸r(shí)間范圍內(nèi)積累經(jīng)驗(yàn)、互相討論、探究實(shí)驗(yàn)成功的秘訣和總結(jié)失敗的教訓(xùn)。在近3個(gè)月的連續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生們飽嘗了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的艱辛和實(shí)驗(yàn)成功的喜悅,認(rèn)識(shí)到了實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)和充分準(zhǔn)備的重要性。培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維和勇于探究的創(chuàng)新精神,更重要的是體會(huì)到了理論知識(shí)的用途,提高了學(xué)習(xí)興趣,這一切成為學(xué)生的最大收獲,也充分達(dá)到了本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目的。在這一成功整合的鼓舞下,我們正在醞釀把細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞工程實(shí)驗(yàn)和植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)整合為細(xì)胞工程超大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
但要在時(shí)間和空間上合理安排生物技術(shù)、生物工程和生物科學(xué)3個(gè)專(zhuān)業(yè)近200名本科生無(wú)縫銜接超大型本科實(shí)驗(yàn)組合仍然存在一定的難度,在細(xì)節(jié)安排上也暴露出一些問(wèn)題。比如,某學(xué)生小組在某個(gè)模塊的某個(gè)實(shí)驗(yàn)操作中沒(méi)有取得預(yù)期的結(jié)果,將會(huì)導(dǎo)致該組無(wú)法進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn),這時(shí)候就需要教師用預(yù)先保存好的實(shí)驗(yàn)材料救助,但由于本科生第一次進(jìn)行分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn),操作失誤或者實(shí)驗(yàn)失敗的情況經(jīng)常發(fā)生,所以不斷救助的結(jié)果導(dǎo)致不少學(xué)生最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是源于教師保存的材料,而非自己的原創(chuàng),這在一定程度上挫傷了學(xué)生的積極性,也降低了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探索性。
其次,這三個(gè)大實(shí)驗(yàn)?zāi)K及其相關(guān)的理論課并不是本學(xué)院每個(gè)專(zhuān)業(yè)的必修課?;蚬こ汤碚撜n、基因工程大實(shí)驗(yàn)課及發(fā)酵工程理論課和大實(shí)驗(yàn)課是生物工程和生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)的必修課,但對(duì)生物科學(xué)專(zhuān)業(yè)是選修課;有些生物科學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生逃避理論考試,只選擇參加大實(shí)驗(yàn)但不參加基因工程和發(fā)酵工程理論課,結(jié)果成為浪費(fèi)材料的“機(jī)械操作”,而不是懂得原理的 “科學(xué)實(shí)驗(yàn)”,既不能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的,也給實(shí)驗(yàn)室管理和教師教學(xué)增添了負(fù)擔(dān),使得許多實(shí)驗(yàn)器材由于這些學(xué)生的無(wú)知而損壞。我們預(yù)想在運(yùn)行成熟后作為全校公選課吸收部分其他院系的學(xué)生參與學(xué)習(xí)和體驗(yàn)現(xiàn)代生物技術(shù),但目前的實(shí)踐提醒我們?cè)谡n程設(shè)置和實(shí)驗(yàn)管理上還需要摸索。
為了達(dá)到培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的教學(xué)目標(biāo),我們以全新的思路架構(gòu)了生物技術(shù)超大實(shí)驗(yàn)課程,其內(nèi)容包括基因工程、發(fā)酵工程和生物化學(xué)基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)。所設(shè)計(jì)的三大模塊實(shí)驗(yàn)盡管在教學(xué)形式和內(nèi)容上彼此相對(duì)獨(dú)立,但在實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳嫌斜厝坏膬?nèi)在聯(lián)系,在一個(gè)模塊內(nèi),上一個(gè)實(shí)驗(yàn)為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)制備材料;不同模塊間,上游模塊為下游模塊制備實(shí)驗(yàn)材料,實(shí)現(xiàn)了循序漸進(jìn),逐步延伸和深入,確保課程的連貫性和綜合性,使學(xué)生得到最大程度的綜合性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。新的超大實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)一步挖掘了原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的潛力,在不增加經(jīng)費(fèi)和課時(shí)投入的前提下大幅度提升了教學(xué)質(zhì)量,取得了很好的教學(xué)效果。
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