基因工程課程的多元化教學(xué)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

方澤民， 劉娟娟， 房 偉， 肖亞中

(安徽大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 合肥 230601)

在分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)等學(xué)科綜合發(fā)展的基礎(chǔ)上，1972年，Paul Berg等人創(chuàng)立了定向改造生物的新科學(xué)——基因工程，其原理是應(yīng)用人工方法把生物的遺傳物質(zhì)分離出來，在體外進(jìn)行切割、連接和重組，構(gòu)成遺傳物質(zhì)的新組合，然后將重組的DNA轉(zhuǎn)化或?qū)氲皆葲]有這類分子的宿主細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)定繁殖，從而改變其遺傳特性，或者使新的遺傳物質(zhì)在新的宿主中實(shí)現(xiàn)大量表達(dá)，以得到基因產(chǎn)物，包括藥物、酶蛋白等[1]。基因工程的誕生使得生命科學(xué)發(fā)生了革命性的變化，并逐漸成為現(xiàn)代生物技術(shù)的核心，廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等領(lǐng)域。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展、國(guó)家對(duì)生命科學(xué)人才素質(zhì)要求的逐漸提高，基因工程已成為生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程[2]。它具有專業(yè)性強(qiáng)、內(nèi)容抽象、知識(shí)點(diǎn)多、技術(shù)發(fā)展更新迅速等特點(diǎn)[3]。因此，傳統(tǒng)的注入式教學(xué)，已不能滿足啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性和主動(dòng)性[2,4]。

多元化的教學(xué)設(shè)計(jì)是指根據(jù)多元化的教學(xué)內(nèi)容，通過探究、啟發(fā)、翻轉(zhuǎn)課堂等策略或其組合開展課程內(nèi)容的教學(xué)和講授。為了提高教學(xué)質(zhì)量，更好地喚起學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，系統(tǒng)掌握基因工程技術(shù)的理論、方法和技術(shù)，最終培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的能力，安徽大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院基因工程課程組多年來積極開展課程教學(xué)改革，通過梳理教學(xué)思路，在既往傳統(tǒng)課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，增強(qiáng)多元化教學(xué)方式，形成了以課堂教學(xué)為基礎(chǔ)、結(jié)合多媒體、“線上”素材及參與實(shí)踐等教學(xué)手段的多元化教學(xué)模式，逐漸形成了一些實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)。

1 理論聯(lián)系應(yīng)用，精選并合理安排教學(xué)內(nèi)容

基因工程是集理論性與應(yīng)用性為一體的學(xué)科。通過課程的學(xué)習(xí)，預(yù)期讓學(xué)生掌握基因工程的基本原理、基本研究手段和研究方法，了解基因工程操作的基本流程；在此基礎(chǔ)上，逐步形成綜合思維能力，并運(yùn)用學(xué)到的知識(shí)分析身邊存在的某些實(shí)際問題[5]。因此，課程教學(xué)安排中，我們以基因工程原理為邏輯起點(diǎn)，以實(shí)際應(yīng)用中的典型案例為線索，采取“逐步分解滲透”的方法，將原理、技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行有效整合，讓學(xué)生在理解細(xì)節(jié)原理的同時(shí)，掌握技術(shù)的應(yīng)用環(huán)節(jié)[4-5]。例如，我們?cè)诮虒W(xué)過程中，以環(huán)境樣品中特定基因的篩選及表達(dá)為案例，首先向?qū)W生展示整體框架思路，然后針對(duì)具體的每一個(gè)單獨(dú)環(huán)節(jié)，詳細(xì)講解涉及的每一種技術(shù)及原理，最終將這些單獨(dú)環(huán)節(jié)集成為一個(gè)完整的體系(圖1)。在基因工程的54個(gè)教學(xué)學(xué)時(shí)中，我們安排了36個(gè)學(xué)時(shí)的課程按照該種模式進(jìn)行講授。講授的內(nèi)容包括基因工程的基本技術(shù)原理、基因工程載體及基因克隆策略等。

圖1 環(huán)境微生物樣品中特定基因的篩選及表達(dá)策略示意圖

因本課程以大學(xué)三年級(jí)的生物技術(shù)、生物工程及生物科學(xué)等專業(yè)學(xué)生為講授對(duì)象，在此之前，他們已系統(tǒng)學(xué)習(xí)過微生物學(xué)、分子生物學(xué)以及遺傳學(xué)等課程，掌握了分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的基本背景。為了有效地將有限的教學(xué)學(xué)時(shí)用于新知識(shí)的教學(xué)與實(shí)踐，我們?cè)诮虒W(xué)過程中，通過與不同課程組之間的協(xié)調(diào)，有效使本門課程與其他課程的知識(shí)進(jìn)行銜接，避免知識(shí)的重疊和交叉。

2 充分發(fā)揮多媒體功能，輔助“線上”素材，深化原理與技術(shù)銜接

多媒體教學(xué)具有圖、聲、文并茂，信息量大，教學(xué)效率高等優(yōu)勢(shì)[6]。另一方面，隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，可移動(dòng)設(shè)備例如筆記本電腦和手機(jī)已成為學(xué)習(xí)的重要陣地。充分利用網(wǎng)絡(luò)“線上”信息可以為基因工程教學(xué)提供豐富的資源，有效地將枯燥的教學(xué)內(nèi)容“化難為易、化靜為動(dòng)”[7]。為此，我們以教學(xué)大綱為總體框架，查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，并針對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)如質(zhì)粒的抽提、DNA電泳、基因的PCR擴(kuò)增等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目拍攝成視頻短片；將收集的文字、視頻等資源通過Microsoft PowerPoint、Microsoft word、photoshop、Flash等軟件進(jìn)行整合、加工，制作了基因工程教學(xué)多媒體課件，通過大量的圖片、視頻等素材向?qū)W生展示最新的國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展及案例。

我們依托手機(jī)App，建立了師生的學(xué)習(xí)QQ群和微信群，方便老師和同學(xué)、以及同學(xué)與同學(xué)之間及時(shí)溝通學(xué)習(xí)中遇到的問題。為了充分利用課堂時(shí)間講授關(guān)鍵內(nèi)容，我們還將不需要在教學(xué)時(shí)間展示的內(nèi)容制作成了輔助教學(xué)多媒體課件，內(nèi)容主要包括各種技術(shù)的補(bǔ)充案例、每一種技術(shù)的拓展操作視頻等。例如，在講解DNA測(cè)序原理時(shí)，我們會(huì)將測(cè)序技術(shù)的發(fā)展歷史及每個(gè)關(guān)鍵階段的經(jīng)典論文和設(shè)備按照時(shí)間順序進(jìn)行總結(jié)，作為輔助學(xué)習(xí)材料，通過QQ群和微信群發(fā)送給同學(xué)作為自主學(xué)習(xí)和拓展知識(shí)材料。

3 基于“生物技術(shù)科學(xué)史”，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

生命科學(xué)史揭示了科學(xué)家思考和解決生物學(xué)問題的整個(gè)思路歷程[8]。在教學(xué)中，穿插介紹部分基因工程技術(shù)發(fā)現(xiàn)及發(fā)展過程中的科學(xué)史故事，不僅可以增強(qiáng)教學(xué)的趣味性，也可以讓學(xué)生體會(huì)到部分“偶然中的必然”。例如，在穆利斯(Kary Banks Mullis)“開車回家的路上的突發(fā)奇想”，發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase chain reaction, PCR)技術(shù)，并因此成為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的背后，是其天馬行空、突破常規(guī)的學(xué)術(shù)思想和扎實(shí)的學(xué)術(shù)積累[9]。另外，同學(xué)們可以從這些鮮活的例子中，逐漸發(fā)現(xiàn)科學(xué)的魅力，細(xì)細(xì)品味和感受科學(xué)家在探究科學(xué)問題過程中的思維方式、交流合作以及不同觀點(diǎn)之間的激烈碰撞和爭(zhēng)論，理解科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神和矢志追求真理的科學(xué)世界觀。例如，遺傳學(xué)家麥克林托克(Barbara McClintock)在20世紀(jì)50年代即發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了“跳躍基因”的存在[1]。在當(dāng)時(shí)的科學(xué)界，無人能夠理解“跳躍基因”的奧秘，麥克林托克因此一直被科學(xué)界所排斥，其在學(xué)術(shù)界的地位也因此一落千丈，并被人認(rèn)為是“瘋子”。然而，麥克林托克并沒有因此而氣餒，而是繼續(xù)潛心自己的科學(xué)研究。直到1980年代，“跳躍基因”的概念才最終被科學(xué)界所接受，麥克林托克于1984年獲得諾貝爾獎(jiǎng)[9]。

近年來，國(guó)際科學(xué)教育領(lǐng)域已充分認(rèn)識(shí)到科學(xué)史在科學(xué)教育過程中對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)興趣、提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維方面的重要性，大力提倡將科學(xué)史教育納入大學(xué)生課程教育之中[8]。我們?cè)诨蚬こ探虒W(xué)過程中，對(duì)若干技術(shù)背后的科學(xué)史故事進(jìn)行了整理，對(duì)有用的素材進(jìn)行了提取，包括科學(xué)家探索某一問題的過程、在研究過程中的態(tài)度、觀點(diǎn)及與他人的爭(zhēng)議、采用的實(shí)驗(yàn)方法及技術(shù)，以及在研究過程中表現(xiàn)出的人格魅力故事等，并以適當(dāng)?shù)男问揭氲浇虒W(xué)過程中，讓學(xué)生感受和體驗(yàn)與“學(xué)術(shù)大咖”相似的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣。

4 拓展前沿知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生互動(dòng)性和主動(dòng)性

作為一門前沿性科學(xué)技術(shù)，基因工程教學(xué)內(nèi)容的更新速度需要跟上現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的速度[10-11]。我們?cè)谠O(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)內(nèi)容、以及在教學(xué)過程中，預(yù)留了3～6學(xué)時(shí)的教學(xué)實(shí)踐，用于最新的前沿動(dòng)態(tài)的引導(dǎo)性講授；同時(shí)，我們給學(xué)生預(yù)留足夠的時(shí)間查閱相關(guān)資料，并在教學(xué)期限內(nèi)規(guī)劃一定學(xué)時(shí)，為基因工程前沿技術(shù)討論學(xué)時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的參與度和主動(dòng)性，翻轉(zhuǎn)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生解決問題、表達(dá)觀點(diǎn)等綜合能力。

另外，在教學(xué)過程中，我們以熱點(diǎn)爭(zhēng)議問題為切入點(diǎn)，引發(fā)學(xué)生從專業(yè)角度來思考問題。例如，我們會(huì)在學(xué)期的第6周左右，向?qū)W生發(fā)布不同的討論話題，如“轉(zhuǎn)基因食品”“基因編輯嬰兒”“黃金大米”等典型的基因工程科學(xué)問題[12]，鼓勵(lì)學(xué)生自由組合成小組，查閱相關(guān)資料。在學(xué)期末，我們會(huì)安排3個(gè)教學(xué)學(xué)時(shí)左右的時(shí)間，鼓勵(lì)學(xué)生通過PPT等形式將查閱的資料進(jìn)行總結(jié)，面向全班表達(dá)自己的觀點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從專業(yè)的角度思考問題，樹立不盲從、不瞎猜、科學(xué)解決問題的正確態(tài)度；同時(shí)，學(xué)生可以通過在主動(dòng)闡述和互相辯論中了解最新的基因工程技術(shù)的原理、應(yīng)用及利弊等知識(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，讓學(xué)生系統(tǒng)掌握基因工程的基本原理、技術(shù)和方法，我們不斷改革和創(chuàng)新基因工程教學(xué)模式，從教學(xué)實(shí)踐中遇到的實(shí)際問題出發(fā)，逐一分析解決問題，力圖為學(xué)生提供一個(gè)積極、開放、多樣化的學(xué)習(xí)氛圍，轉(zhuǎn)換學(xué)生傳統(tǒng)思維和學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。從近5年的探索和實(shí)踐來看，多元化的基因工程教學(xué)有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的課堂參與度和積極性也明顯提高。反映在學(xué)生的學(xué)期末考試答卷上，我們也明顯地發(fā)現(xiàn)，學(xué)生能夠較為靈活地運(yùn)用學(xué)習(xí)的基因工程原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，解釋常見的基因工程操作過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

然而，基因工程教學(xué)改革是一個(gè)系統(tǒng)工程，通過過去幾年的教學(xué)探索和實(shí)踐，雖然取得了較好的教學(xué)效果，但基因工程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用均異常迅速，因此，在未來的教學(xué)和實(shí)踐中，還需要通過不斷探索和整合，及時(shí)地將最新的基因工程技術(shù)及原理進(jìn)行設(shè)計(jì)并融入課堂教學(xué)中，讓學(xué)生及時(shí)地掌握學(xué)科的最新動(dòng)態(tài)并將學(xué)習(xí)的知識(shí)應(yīng)用于今后的工作和學(xué)習(xí)中。