基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合與優(yōu)化的改革與探索

任國領(lǐng)　侯曉哲　趙曉菊　胡敏　曲麗娜　張虹

摘要?基因工程是以分子生物學(xué)和遺傳學(xué)為理論基礎(chǔ)的專業(yè)必修課，其知識(shí)抽象復(fù)雜，理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)?；蚬こ虒?shí)驗(yàn)作為基因工程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，可以幫助學(xué)生形象地去理解抽象難懂的理論知識(shí)。分析了基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，如授課內(nèi)容老化、教學(xué)方法被動(dòng)和考核方式單一等?；诨蚬こ虒?shí)驗(yàn)課程的整合與優(yōu)化，借助教師的科研優(yōu)勢(shì)進(jìn)行基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面進(jìn)行了改革，以期實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整合與優(yōu)化，以學(xué)生為中心的教學(xué)方法和以能力為導(dǎo)向的考核方式構(gòu)建和完善。

關(guān)鍵詞?科研;基因工程;實(shí)驗(yàn)教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)?S-01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2019）16-0275-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.078

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Reform?and?Exploration?of?the?Integration?and?Optimization?of?Genetic?Engineering?Experiment?Teaching

REN?Guo?ling1，2，HOU?Xiao?zhe3，ZHAO?Xiao?ju1?et?al?（1.Institute?of?Biological?Engineering，Daqing?Normal?University，Daqing，Heilongjiang?163712;2.Heilongjiang?Provincial?Key?Laboratory?of?Oilfield?Applied?Chemistry?and?Technology，Daqing，Heilongjiang?163712;?3.Daqing?Middle?School?of?Heilongjiang?Province，Daqing，Heilongjiang?163712）

Abstract?Genetic?engineering?is?a?compulsory?course?based?on?molecular?biology?and?genetics，which?is?abstract?and?complex，and?it?has?deeper?theory?and?better?practicality.As?an?important?part?of?genetic?engineering?teaching，genetic?engineering?experiment?can?help?students?to?understand?abstract?and?difficult?theoretical?knowledge.

The?existing?problems?in?the?experiment?teaching?of?genetic?engineering?at?present?were?analyzed，such?as?aging?teaching?contents，passive?teaching?methods?and?single?assessment?methods.Based?on?the?integration?and?optimization?of?the?experimental?class?of?genetic?engineering，this?paper?carried?out?the?reform?and?exploration?of?the?experimental?teaching?of?genetic?engineering?with?the?help?of?teachers?scientific?research?advantages，and?explored?the?reform?from?the?aspects?of?teaching?contents，teaching?methods?and?assessment?methods，so?as?to?achieve?the?reform?effect?of?the?integration?and?optimization?of?experimental?contents，the?foundation?and?improvement?of?student?centered?teaching?methods?and?ability?oriented?assessment?methods.

Key?words?Scientific?research;Genetic?engineering;Experimental?teaching;Teaching?reform

基因工程是生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速和應(yīng)用性較強(qiáng)的一門前沿學(xué)科，是以分子生物學(xué)和遺傳學(xué)為理論基礎(chǔ)的專業(yè)必修課程[1]。基因工程是以DNA重組技術(shù)為基礎(chǔ)，按照人類意愿改變生物的性狀，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保和能源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。隨著功能基因組學(xué)、生物信息學(xué)和基因編輯等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，基因工程的應(yīng)用性和實(shí)踐性進(jìn)一步提升[3]。基因工程實(shí)驗(yàn)在基因工程教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用，能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力和科研思維，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

目前，基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在不少問題，比如實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分散老化，設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新，被動(dòng)非開放學(xué)習(xí)為主，演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例偏低，教學(xué)方法陳舊，考核方式單一[4]。教師科研體現(xiàn)的是本專業(yè)最新的前沿方向和研究進(jìn)展，教師將自己的科研項(xiàng)目引入到基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使研究?jī)?nèi)容的綜合性和設(shè)計(jì)性更強(qiáng)，學(xué)生參與度更高，可以很好地鍛煉學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和科研思維意識(shí)，使基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有利于核心技能的學(xué)習(xí)和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力，提高基因工程實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量。

通過幾年的教學(xué)實(shí)踐，筆者將教師的相關(guān)科研項(xiàng)目“基于分子生物學(xué)的環(huán)境樣品中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析”引入基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)基因工程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合與優(yōu)化，對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了大膽改革和有益探索，學(xué)生通過自主選取實(shí)驗(yàn)樣品類型，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)總結(jié)。將原有獨(dú)立分散的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)整合到“基于分子生物學(xué)的環(huán)境樣品中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析”科研項(xiàng)目中，提升了項(xiàng)目綜合性和設(shè)計(jì)性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，達(dá)到了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式和啟發(fā)式教學(xué)的目的，有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

1?基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

1.1?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容老化且分散，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多

傳統(tǒng)的基因工程實(shí)驗(yàn)主要包括總DNA基因的提取與純化、PCR?擴(kuò)增、PCR產(chǎn)物的純化與DNA片段的連接、感受態(tài)細(xì)胞制備與轉(zhuǎn)化、質(zhì)粒的提取或者基因表達(dá)產(chǎn)物檢測(cè)等與基因克隆技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[5]。雖然這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)注重的是基礎(chǔ)理論知識(shí)和基本技能，但缺乏貼近基因工程應(yīng)用性和生物信息學(xué)前沿性的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，缺乏貼近行業(yè)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);另外，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容孤立分散，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多，實(shí)驗(yàn)之間缺少內(nèi)在聯(lián)系，將各個(gè)實(shí)驗(yàn)割離導(dǎo)致學(xué)生缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的目的與精髓不能很好地把握，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與積極性不高，實(shí)驗(yàn)效果不夠理想[6]。

1.2?教學(xué)方法傳統(tǒng)且枯燥，學(xué)生主動(dòng)性較少?傳統(tǒng)的基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是教師課前準(zhǔn)備相關(guān)樣品、試劑和耗材，課堂講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)等，教師演示實(shí)驗(yàn)儀器的使用和實(shí)驗(yàn)步驟等，學(xué)生模仿教師的做法完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，最后寫個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告上交[7-8]。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法枯燥乏味，學(xué)生缺少獨(dú)立思考，一味地進(jìn)行機(jī)械模仿，導(dǎo)致學(xué)生缺少新奇感、主動(dòng)性和創(chuàng)新精神，主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)和運(yùn)用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力完全缺失，學(xué)生探求科學(xué)的精神也被徹底扼殺。

1.3?考核方式單一且低效，學(xué)生能力無法充分體現(xiàn)

基因工程實(shí)驗(yàn)考試采用出勤、課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為平時(shí)成績(jī)，占總成績(jī)的30%;期末考試主要包括筆試和操作考試，占總成績(jī)的70%[9]。這種考核方式單一低效，缺乏教學(xué)考核評(píng)價(jià)的合理性和客觀性，不能全面反映學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、思考分析能力、自主設(shè)計(jì)能力和科研綜合素質(zhì)，更不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性[10]。

2?基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索

2.1?基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的整合與優(yōu)化

教師將科研項(xiàng)目和科研成果設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在教學(xué)內(nèi)容上摒棄以往人為將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分割成獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，而是結(jié)合教師科研工作將基因工程實(shí)驗(yàn)整合成一個(gè)科研項(xiàng)目式的綜合大實(shí)驗(yàn)——基于分子生物學(xué)的環(huán)境樣品中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析。通過不同環(huán)境微生物的基因克隆文庫構(gòu)建和分析整個(gè)過程，學(xué)生可以自主選擇不同環(huán)境（油藏采出液、三元污水、油井注入水和含聚污水等）的實(shí)驗(yàn)樣品，學(xué)生分組自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。讓學(xué)生從整體上把握基因工程實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)會(huì)自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自學(xué)實(shí)驗(yàn)方法、獨(dú)立學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技能，幫助學(xué)生樹立正確的科研理念，注重鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力，注重實(shí)驗(yàn)的連貫性和整體性。整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容經(jīng)整合與優(yōu)化后，主要包括：①從環(huán)境（油藏采出液、三元污水、油井注入水和含聚污水等）樣品中提取微生物的基因組?DNA?及鑒定;②利用?PCR?技術(shù)擴(kuò)增16S?rDNA基因;③16S?rDNA基因片段的回收及其與pMD18T載體的連接;④大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞的制備;⑤重組質(zhì)粒?pMD-18T-16S?rDNA的轉(zhuǎn)化;⑥重組子的藍(lán)白斑篩選及質(zhì)粒的提取;⑦16S?rDNA基因的生物信息學(xué)分析及群落結(jié)構(gòu)解析。實(shí)驗(yàn)圍繞環(huán)境樣品中總基因組DNA的提取、16S?rDNA基因的擴(kuò)增、重組、轉(zhuǎn)化、篩選及基因比對(duì)和生物信息學(xué)分析等內(nèi)容展開，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容前后緊密銜接，實(shí)驗(yàn)的全部流程一個(gè)環(huán)節(jié)與另一個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，實(shí)驗(yàn)步驟前后連貫，從實(shí)驗(yàn)樣品選擇、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方法選取、實(shí)驗(yàn)流程操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析到實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫再到最終的實(shí)驗(yàn)總結(jié)均是遵循“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的現(xiàn)代教育理念[11-12]。

2.2?基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革與實(shí)踐

由于科研促進(jìn)了基因工程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整合與優(yōu)化，使整個(gè)基因工程實(shí)驗(yàn)整合成科研項(xiàng)目的形式，有利于促進(jìn)基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革與優(yōu)化。筆者改變了傳統(tǒng)的、非開放式的課堂教學(xué)方法，轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放式實(shí)驗(yàn)室教學(xué)。第一節(jié)課由教師布置該學(xué)期基因工程實(shí)驗(yàn)課的整體目標(biāo)，學(xué)生分組選擇實(shí)驗(yàn)樣品，制定實(shí)驗(yàn)方案，自主選擇實(shí)驗(yàn)方法，所有實(shí)驗(yàn)均由學(xué)生自己獨(dú)立完成，且準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)也由學(xué)生完成。然后，教師講解基因工程實(shí)驗(yàn)所用各種儀器設(shè)備的使用方法和注意事項(xiàng)，如高速離心機(jī)、滅菌鍋、純水儀、超凈工作臺(tái)、核酸純化儀、?PCR儀、循環(huán)水浴鍋和凝膠成像系統(tǒng)等。學(xué)生自己練習(xí)操作各種儀器設(shè)備，學(xué)生能熟練使用儀器設(shè)備后，經(jīng)教師考核合格后就可以讓學(xué)生進(jìn)入開放實(shí)驗(yàn)室。做實(shí)驗(yàn)前，教師不限制學(xué)生對(duì)試劑、藥品和儀器設(shè)備的使用，讓學(xué)生準(zhǔn)備各種試劑、耗材、滅菌等，包括配制培養(yǎng)基，制備感受態(tài)細(xì)胞，滅菌消毒槍頭、PCR管和離心管等。實(shí)驗(yàn)過程中在教師的指導(dǎo)下完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，教師只需要規(guī)范操作，指導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每次實(shí)驗(yàn)操作完成后，教師都會(huì)針對(duì)各組學(xué)生（每組3～4人）實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，先讓學(xué)生自己進(jìn)行獨(dú)立思考和自由討論，學(xué)生自己討論解決不了的問題，再引導(dǎo)學(xué)生和教師之間進(jìn)行互動(dòng)交流，以啟發(fā)式和研討式找出解決問題的辦法，加深了學(xué)生對(duì)抽象理論知識(shí)的理解。實(shí)驗(yàn)報(bào)告在教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生分組討論后，以小組形式獨(dú)立完成，鍛煉了學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。

2.3?基因工程實(shí)驗(yàn)考核方式的優(yōu)化與提升

開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式需要更加過程化的以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為重心的實(shí)驗(yàn)課程考核新模式[13]。此類項(xiàng)目考核時(shí)，教師可以針對(duì)不同選題進(jìn)行不同評(píng)價(jià)，主要從查閱文獻(xiàn)、方案設(shè)計(jì)、方法選取、動(dòng)手操作、問題解決、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)小結(jié)、團(tuán)結(jié)合作和創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行考核，進(jìn)一步完善了開放式的管理制度與全程參與式的考核方式[14]。這種全過程性考核成績(jī)的方法，既能反映學(xué)生的實(shí)際水平和能力，又能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，為學(xué)生開展創(chuàng)新性活動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)的專業(yè)?基礎(chǔ)。

3?實(shí)施基因工程實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革的成效分析

通過實(shí)施此次基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，讓教師教學(xué)與科研相長(zhǎng)，教學(xué)孵育科研，科研反饋教學(xué)，使基因工程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等實(shí)現(xiàn)了有效創(chuàng)新與完善。通過此次對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新，讓學(xué)生更好地參與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，此次改革以大慶師范學(xué)院2013級(jí)、2014級(jí)和2015級(jí)生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生為實(shí)施對(duì)象，直接受益的學(xué)生每年約70名。通過幾年的實(shí)踐，不僅有利于快速提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，使學(xué)生對(duì)基因工程知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣更加濃厚，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和獨(dú)立思考習(xí)慣，而且有利于啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，為今后從事科研或工作打下良好的基礎(chǔ)。

2016—2019年，大慶師范學(xué)院生物工程學(xué)院考研率一直保持30%以上，多名考研成功的學(xué)生反映綜合性實(shí)驗(yàn)的開展使其對(duì)基因工程的實(shí)驗(yàn)原理、操作流程和基本技能都有了深刻的理解和掌握，使其在研究生面試時(shí)得到了導(dǎo)師們的認(rèn)可。2016—2019年，近40名學(xué)生成功申請(qǐng)了國家級(jí)、省級(jí)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新研究項(xiàng)目的立項(xiàng)支持，發(fā)表研究論文10余篇，有10余個(gè)團(tuán)隊(duì)先后在國家級(jí)和省級(jí)競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)。同時(shí)，通過對(duì)相關(guān)用人單位的走訪得知，畢業(yè)生可以滿足用人單位對(duì)專業(yè)的需求。

4?結(jié)語

經(jīng)過近3年的改革和實(shí)踐，教師將科研項(xiàng)目引入本科生基因工程實(shí)驗(yàn)課教學(xué)取得了一定的成效，構(gòu)建了一個(gè)基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和教師科研相結(jié)合的開放教學(xué)模式和體系。然而，基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一個(gè)系統(tǒng)工程[15]，仍需要不斷探索和實(shí)踐，基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、方法和考核方式也要根據(jù)基因工程學(xué)科的發(fā)展方向進(jìn)行大膽改革和創(chuàng)新，教師需要不斷提升自身的業(yè)務(wù)水平和科研素質(zhì)，緊跟學(xué)科前進(jìn)的步伐，加大教學(xué)經(jīng)費(fèi)的投入力度，完善實(shí)驗(yàn)條件，促使基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加科學(xué)合理，為國家培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才。

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