Problem-based learning模塊式試驗(yàn)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐

周 波，徐啟江

(東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 哈爾濱 150040)

分子生物學(xué)現(xiàn)已成為21世紀(jì)許多新興交叉學(xué)科的研究工具[1-2]。在我國高校生命科學(xué)學(xué)院和生物系中，分子生物學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)課程成了學(xué)生的必修課。分子生物學(xué)教學(xué)實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于學(xué)生理解和掌握分子生物學(xué)的相關(guān)知識，有利于提高學(xué)生動手能力和掌握實(shí)驗(yàn)操作技能。雖然在目前大數(shù)據(jù)背景下，慕課、微課已將課堂翻轉(zhuǎn)[3-4]，但分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程仍然需要傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室課堂教學(xué)。因?yàn)榉肿由飳W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中所使用的材料往往涉及DNA和蛋白質(zhì)，這些生物分子無法通過肉眼直觀感受，學(xué)生只有通過動手操作，才有可能充分認(rèn)識并掌握這些分子的特性并獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技能。在提升本科學(xué)生能力為主的課程教學(xué)改革背景下，本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時逐年精簡，而學(xué)習(xí)內(nèi)容卻隨著生物技術(shù)的發(fā)展逐年增多，所以在有限的學(xué)時內(nèi)靠傳統(tǒng)教學(xué)完成本科階段的實(shí)驗(yàn)具有一定的困難。因此，如何合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，對教學(xué)方法進(jìn)行有效的改革，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力、良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生既體會到生命微觀世界之奇妙，又認(rèn)識到分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)在研究中的重要作用，讓學(xué)生在自主試驗(yàn)獲得知識的同時，得到實(shí)驗(yàn)技能的全面訓(xùn)練是擺在教師面前的重要任務(wù)。筆者在十多年本科分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，逐步將基本技術(shù)實(shí)驗(yàn)融入大的模塊式試驗(yàn)中[5]，采用problem-based learning(PBL)教學(xué)模式[6-7]引導(dǎo)鼓勵學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)信息資源，以小組為單位進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計、明確分工、團(tuán)隊合作，共同完成試驗(yàn)任務(wù)。我們通過對這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的實(shí)施，取得了初步的經(jīng)驗(yàn)和顯著的成效。

分子生物學(xué)是一門建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上的理論與技術(shù)并重的學(xué)科。為滿足學(xué)生就業(yè)和課題科學(xué)研究的需要，培養(yǎng)生命科學(xué)各專業(yè)技術(shù)人才，東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院將分子生物學(xué)及現(xiàn)代分子生物學(xué)大實(shí)驗(yàn)作為各專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，而且將分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)作為一門獨(dú)立的必修課，在一個學(xué)年內(nèi)先后完成分子生物學(xué)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)兩門課程。

1 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)現(xiàn)狀

在分子生物學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中，普遍遇到的問題是理論教學(xué)抽象，難以理解，而且與實(shí)踐有很大的差距，學(xué)生所學(xué)的理論難以同步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。特別是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多都是一些重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生所做的、看到的只是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的既定重復(fù)，發(fā)現(xiàn)不了實(shí)際科研過程中可能遇到的問題。因此，很多本科生步入研究生行列后，理論知識掌握得很好，但是在實(shí)踐過程中，科研分析能力、動手能力卻很差；不能獨(dú)立思考和有效開展課題研究，仍然處于被迫接受型的狀態(tài)，導(dǎo)師安排一點(diǎn)，就做一點(diǎn)，沒有自己對課題的想法和規(guī)劃。

在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教學(xué)質(zhì)量和效果參差不齊。我們通過調(diào)查非本校生源研究生在本科期間做過的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)他們有的只是提取DNA、進(jìn)行凝膠電泳實(shí)驗(yàn)；有的只做基因克??；有的甚至由于經(jīng)費(fèi)限制只是觀摩實(shí)驗(yàn)。新的課程教學(xué)改革也明確提出，要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中構(gòu)筑以能力培養(yǎng)為主線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。但事實(shí)上，很多學(xué)生往往在課堂上學(xué)到的、得到的只是“魚”，而缺乏“漁”的能力。

課堂及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不當(dāng)，無法調(diào)動學(xué)生的積極性，學(xué)生的參與度不高。教學(xué)工作包括教與學(xué)，二者相輔相成，從教的方面看，教師都能按照教學(xué)大綱講授課程內(nèi)容，可是這種教的效果千差萬別，這與學(xué)生主動學(xué)的程度也有關(guān)，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是教學(xué)效果好壞的關(guān)鍵。

針對分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，我們在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用PBL教學(xué)模式，將基本的實(shí)驗(yàn)融入實(shí)用性強(qiáng)、學(xué)生感興趣的研究性課題中，努力在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中營造一種讓學(xué)生充分發(fā)揮想象和潛能的氛圍，在整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程中貫穿以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)思想，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考、分析問題和設(shè)計實(shí)驗(yàn)解決問題的能力，努力提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

2 PBL模塊式試驗(yàn)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

PBL是基于問題的學(xué)習(xí)，主要以學(xué)生為中心采用學(xué)習(xí)小組的方式自主學(xué)習(xí)；學(xué)習(xí)過程中以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，教師僅起組織者和解惑者的作用[8-9]。PBL模塊式試驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的一個新思路，是學(xué)生得到創(chuàng)新能力和科學(xué)綜合研究能力培養(yǎng)，受到創(chuàng)新思維啟發(fā)和引導(dǎo)的一種好方式[10]。在PBL模塊式試驗(yàn)中，學(xué)生要完成試驗(yàn)，必然要進(jìn)行資料的查閱、試驗(yàn)方案的設(shè)計，運(yùn)用試驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行組合以及動手實(shí)施試驗(yàn)方案，并寫出論文式的實(shí)驗(yàn)報告。在這些過程中，學(xué)生的科研思維和能力自然而然地就得到了培養(yǎng)。

PBL模塊式試驗(yàn)教學(xué)的目的更注重學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新思維、動手能力、分析和解決問題能力的培養(yǎng)。當(dāng)然，就模塊試驗(yàn)本身來說，它是一個或幾個基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的組合，而我們在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課中根據(jù)學(xué)生水平和能力給定課題任務(wù)，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇研究問題，提出研究內(nèi)容，組合生物信息學(xué)模塊、基因克隆模塊、載體構(gòu)建模塊、蛋白質(zhì)表達(dá)模塊、分子雜交模塊等設(shè)計合理的研究方案，進(jìn)行試驗(yàn)，全方位地培養(yǎng)學(xué)生試驗(yàn)研究的能力，充分調(diào)動學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)課程和課題研究的主動性和積極性。

首先從生物信息學(xué)模塊學(xué)習(xí)如何從GenBank中檢索目的基因序列，序列的同源性比對，開放讀碼框的分析以及氨基酸序列的分析、亞細(xì)胞定位分析、結(jié)構(gòu)預(yù)測以及同源引物設(shè)計和文獻(xiàn)查詢等。然后根據(jù)學(xué)生的興趣(選擇發(fā)育過程、代謝途徑、脅迫相關(guān)的基因)分成不同研究小組(5人/組，30人/教學(xué)班)，要求學(xué)生從水稻、擬南芥或者其他易于獲得的植物材料中克隆出完整的編碼基因并進(jìn)行組織特異性表達(dá)和原核蛋白表達(dá)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計。整個試驗(yàn)涉及的內(nèi)容包括：生物信息學(xué)模塊(序列查詢、引物設(shè)計)；基因克隆模塊(核酸提取、核酸電泳、PCR擴(kuò)增反應(yīng)、載體連接、感受態(tài)細(xì)胞的制備及轉(zhuǎn)化、質(zhì)粒DNA提取、序列測定)；載體構(gòu)建模塊(質(zhì)粒的酶切、基因重組、陽性克隆篩選)；分子雜交模塊(探針合成、RNA的提取、Northern雜交)；蛋白質(zhì)表達(dá)模塊(蛋白誘導(dǎo)表達(dá)、PAGE凝膠電泳、考馬斯亮藍(lán)染色等)。就實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來看，整個實(shí)驗(yàn)過程圍繞課題研究展開，涵蓋了實(shí)驗(yàn)課的所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生通過完整的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，一方面能培養(yǎng)科學(xué)研究的基本素質(zhì)，掌握完整的科研思維以及具體的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法，為今后準(zhǔn)備在生物領(lǐng)域就業(yè)和科學(xué)研究發(fā)展的學(xué)生奠定良好的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)；另一方面，由于課題的趣味性、實(shí)驗(yàn)的完整性和連貫性，可以調(diào)動學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的求知欲，因?yàn)槊總€學(xué)生都希望通過自己的努力和試驗(yàn)，得到理想的結(jié)果。

在以前的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)單純的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，如為學(xué)生準(zhǔn)備好所需的藥品、試劑、材料、程序、步驟，學(xué)生只需按照實(shí)驗(yàn)步驟操作，就像組裝工人一樣，機(jī)械地執(zhí)行著操作步驟。結(jié)果幾乎都一樣，沒有遇到任何麻煩和失敗，這樣學(xué)生幾乎不思考，沒有思考問題，根本得不到有效的訓(xùn)練。我們將PBL模塊式試驗(yàn)引入分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，只給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮湍繕?biāo)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)了基本的實(shí)驗(yàn)原理后，結(jié)合所掌握的分子生物學(xué)知識，自主查資料和設(shè)計方案，通過比較方法的優(yōu)劣，選定合適的方法，確定相關(guān)的步驟，進(jìn)行操作。教師只是為學(xué)生提供所需的相關(guān)試劑和儀器使用方法，確定試驗(yàn)方向，強(qiáng)調(diào)學(xué)生所選步驟的關(guān)鍵操作，解答相關(guān)的疑問。根據(jù)研究內(nèi)容按基因克隆、特異性表達(dá)、原核蛋白表達(dá)3個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行問題集中講解和控制實(shí)驗(yàn)節(jié)奏，其他關(guān)于實(shí)驗(yàn)方案的制定和實(shí)施及結(jié)果檢測完全由學(xué)生自主在56學(xué)時的課堂上完成相關(guān)的內(nèi)容。

PBL模塊式試驗(yàn)是為了讓學(xué)生掌握試驗(yàn)的目的以及在課題中的作用，根據(jù)課題研究需要，將各個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)組合成整體研究方案，逐漸形成一種完整的科學(xué)思維，提高科研素質(zhì)和研究能力。在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于一些實(shí)驗(yàn)的原理較為復(fù)雜，涉及的實(shí)驗(yàn)技術(shù)背景知識較多，在分子生物學(xué)理論課中無法詳細(xì)講述。因此，教師對實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論知識的講解和闡述是必不可少的。在試驗(yàn)過程中，學(xué)生一定會有很多問題，他們的求知欲也被調(diào)動起來，會主動查閱和學(xué)習(xí)相關(guān)的知識內(nèi)容，老師要抓住這個時機(jī)，及時補(bǔ)充講透這些實(shí)驗(yàn)理論，學(xué)生理解后會積極思考并想通過試驗(yàn)驗(yàn)證，這樣就把零散單調(diào)的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容融入到完整有趣的課題研究中了。

3 PBL模塊式試驗(yàn)教學(xué)的思考(問題與對策)

學(xué)生手生、眼生，由于學(xué)生基本是第一次接觸分子生物學(xué)相關(guān)的試驗(yàn)，很多儀器、試劑沒見過，老師要對相關(guān)儀器的使用做詳細(xì)的介紹，要檢驗(yàn)配制的試劑是否正確，所用的器皿及實(shí)驗(yàn)用具是否符合實(shí)驗(yàn)要求。

實(shí)驗(yàn)學(xué)時不夠。由于實(shí)驗(yàn)課時遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出課程規(guī)定課時，同時有些實(shí)驗(yàn)是連續(xù)性的，要求學(xué)生要連續(xù)幾天做下去才行，在排課的時候應(yīng)將課排在下午或者晚上，甚至利用周六、周日的時間來進(jìn)行。

教學(xué)費(fèi)用不足。分子試驗(yàn)的試劑、藥品、耗材費(fèi)用較大，這就要求學(xué)生試驗(yàn)過程中要節(jié)省每一個槍頭、每一副手套、避免藥品試劑的浪費(fèi)。一些試驗(yàn)結(jié)果如果能作為課題研究的一部分，可以利用課題的費(fèi)用購買試劑進(jìn)行相關(guān)的研究。

有的學(xué)生參與積極性不夠，實(shí)驗(yàn)讓同學(xué)代勞。雖然我們強(qiáng)調(diào)要求每位學(xué)生最后都要有自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括實(shí)驗(yàn)過程中的中間檢測環(huán)節(jié)和結(jié)果，但是不可避免地會有不感興趣的同學(xué)參與積極性低，這就要求教師采用多元化的考核方式[11]，如根據(jù)課堂實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報告結(jié)果分析、期末試驗(yàn)設(shè)計考試等方式，多個層面進(jìn)行考核，防止高分低能學(xué)生出現(xiàn)。

4 結(jié)束語

PBL模塊式試驗(yàn)教學(xué)與分子生物學(xué)理論教學(xué)是相互依賴、相互促進(jìn)的教學(xué)形式，是生命科學(xué)各專業(yè)學(xué)生掌握和運(yùn)用知識、提高生物研究技能的重要方式，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力與提高科研素質(zhì)的必要途徑。PBL模塊式試驗(yàn)教學(xué)，需要為學(xué)生創(chuàng)造試驗(yàn)設(shè)計和發(fā)揮自主性的平臺，而不是依賴教師手把手地進(jìn)行。模塊式試驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容上對不同的學(xué)科可以有不同形式，但模式上完全是可以相互借鑒的。