地方應(yīng)用型本科院校基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

高兆建 張娜 周金偉 范曉博 張傳麗

摘要 基因工程是生物工程專業(yè)一門重要的實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程。為了改進(jìn)基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，根據(jù)基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，結(jié)合該課程的實(shí)際教學(xué)情況，分析了基因工程課程教學(xué)中存在的問題，并從教學(xué)內(nèi)容及形式等方面進(jìn)行一些教學(xué)改革探索。通過幾年的教學(xué)改革和總結(jié)創(chuàng)新，充分改善了基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，調(diào)動了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)和科研能力。

關(guān)鍵詞 基因工程;實(shí)踐教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號 S-01文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2021）07-0280-03

Abstract Genetic engineering is an important practical course in biological engineering specialty. In order to improve the experimental teaching quality of genetic engineering and promote the cultivation of students comprehensive ability， according to the experimental teaching characteristics of genetic engineering， combining with the actual teaching situations of this course， the existing problems in the teaching of genetic engineering course were analyzed， some teaching reforms were carried out from the aspects of the content and teaching forms.Through several years of teaching reform and summary innovation， the experimental teaching effect of genetic engineering has been fully improved， the enthusiasm of students to experiments has been aroused， and the comprehensive quality and scientific research ability of students have been enhanced.

Key words Genetic engineering;Experimental teaching;Teaching reform

作者簡介 高兆建（1976—），男，山東沂南人，副教授，博士，從事食品生物技術(shù)研究。

基因工程又稱DNA重組技術(shù)，是以分子生物學(xué)為理論基礎(chǔ)的一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科[1]?；蚬こ虒θ祟愄剿魃举|(zhì)，促進(jìn)生物技術(shù)飛速發(fā)展起著不可估量的作用，它是目前自然科學(xué)領(lǐng)域中生命力最強(qiáng)、發(fā)展速度和發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膭?chuàng)新技術(shù)之一[2]。目前，基因工程正以空前的勢頭迅速發(fā)展，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已發(fā)展成為現(xiàn)代生物工程技術(shù)的核心[3]。目前，全國各大高校生物科學(xué)、生物工程和生物技術(shù)等生物類相關(guān)專業(yè)均開設(shè)了基因工程理論以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)?；蚬こ虒?shí)驗(yàn)可以促進(jìn)學(xué)生更好地掌握基因工程理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?；蚬こ虒?shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量對于培養(yǎng)綜合素質(zhì)高的優(yōu)秀專業(yè)人才有著至關(guān)重要的作用。

傳統(tǒng)的基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系存在課時安排不合理、教學(xué)方法陳舊、學(xué)生上課無熱情、考核體系無實(shí)效等問題，已不能滿足培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力的要求[4]。因此，新的國際形勢下迫切需要實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，從而推動基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的快速提高。筆者根據(jù)多年的基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，改革了實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，優(yōu)化了考核體系，探索了新的教學(xué)方法并將最新的科研成果引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，建立了以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力和解決實(shí)際專業(yè)問題能力的高素質(zhì)優(yōu)秀人才。

1 基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

1.1 實(shí)驗(yàn)項目多，課時安排不充足

基因工程是一門邏輯性很強(qiáng)的學(xué)科，理論和數(shù)據(jù)均來自實(shí)驗(yàn)，大學(xué)生具備熟練的專業(yè)技術(shù)操作技能是工科院校本科教育的典型特征。原基因工程實(shí)驗(yàn)課時安排是16學(xué)時，在這么短的學(xué)時內(nèi)要完成細(xì)菌基因組提取、目的基因克隆、質(zhì)粒載體制備等6個實(shí)驗(yàn)項目，這勢必造成實(shí)驗(yàn)的試劑配制、菌體培養(yǎng)等過程以及某些實(shí)驗(yàn)步驟由教師代學(xué)生完成，無法保證學(xué)生全程親自開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生忙于記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，缺乏充分的時間對結(jié)果進(jìn)行討論與分析。另外，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)不是全程由學(xué)生完成，對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題學(xué)生無法全面分析原因，因此導(dǎo)致學(xué)生的動手操練不充分，實(shí)驗(yàn)操作生疏，創(chuàng)新能力不足，不具備獨(dú)立完成創(chuàng)新性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)項目的能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)項目彼此獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)體系缺乏系統(tǒng)性

傳統(tǒng)基因工程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，例如細(xì)菌基因組的分離純化、瓊脂糖凝膠電泳、PCR擴(kuò)增基因等[4]。雖然開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項目較多，但各項目之間相互獨(dú)立，缺乏知識的連續(xù)性和邏輯性，學(xué)生難以把握基因工程實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果整體聯(lián)系[5-6]。這種教學(xué)形式難以培養(yǎng)大學(xué)生的系統(tǒng)觀念，也不能培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)知識自由設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案解決專業(yè)中的實(shí)際問題。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法落后，學(xué)生主觀能動性差

長期以來，實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)模式主要是實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員事先將試驗(yàn)需要的試劑配制好并與其他所需的實(shí)驗(yàn)用具等一起擺放到實(shí)驗(yàn)臺上。實(shí)驗(yàn)課開始時，教師針對實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、試劑配制、實(shí)驗(yàn)注意問題等方面進(jìn)行講解，然后學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟按部就班地操作。這種教學(xué)模式中占主導(dǎo)地位的是教師，而學(xué)生則只能在教師的要求下被動接受實(shí)驗(yàn)和理論知識，沒有機(jī)會去思考問題、解決問題。實(shí)驗(yàn)過程學(xué)生缺乏對實(shí)驗(yàn)的設(shè)計，也缺乏分析和思考的過程，其不良影響反映在后續(xù)基因工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中，包括畢業(yè)設(shè)計的實(shí)踐過程中，學(xué)生很難獨(dú)立完成研究項目，分析能力較差，表明這種不以學(xué)生為主導(dǎo)的授課模式在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的過程中存在嚴(yán)重弊端。

1.4 考核評價片面化，缺乏激勵性

具備檢查、督促作用的高效考核體系不僅能使學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)，而且能增強(qiáng)學(xué)生知識的探索積極性、學(xué)習(xí)主動性，從而在學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力方面得到了顯著提高[7]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課考核以實(shí)驗(yàn)報告為主要參考，這種單一的考核評價方式難免使學(xué)生養(yǎng)成“唯結(jié)果至上”的錯誤認(rèn)識，實(shí)驗(yàn)課過程中不認(rèn)真聽講，不積極參與實(shí)驗(yàn)操作，過程只是走馬觀花。課下不積極思考，甚至為了得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，修改數(shù)據(jù)或抄襲其他同學(xué)實(shí)驗(yàn)報告，導(dǎo)致上交的實(shí)驗(yàn)報告千篇一律，實(shí)驗(yàn)報告不能準(zhǔn)確反映學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對實(shí)驗(yàn)技能的掌握程度，甚至不認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)報告寫得好的同學(xué)比認(rèn)真做的同學(xué)成績高，這樣會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2 基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

2.1 以學(xué)生為主體，開放設(shè)計性實(shí)驗(yàn)

基因工程的實(shí)驗(yàn)操作過程復(fù)雜，無法在短時間內(nèi)完成各個操作模塊[8]。在基因工程實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，開設(shè)開放性設(shè)計實(shí)驗(yàn)。安排學(xué)生在實(shí)驗(yàn)周或者將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排在周末。教師對設(shè)計性實(shí)驗(yàn)只提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，而沒有明確給予學(xué)生試劑配制方法、實(shí)驗(yàn)步驟、預(yù)期結(jié)果等詳細(xì)信息。學(xué)生需要獨(dú)自思考，查閱文獻(xiàn)資料，設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案。整個實(shí)驗(yàn)過程均以學(xué)生為主體，教師輔助性提出建議，讓學(xué)生充分體會到科研的整個過程情況。開放性設(shè)計實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生將整個分割的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容聯(lián)系起來，實(shí)驗(yàn)?zāi)K環(huán)環(huán)相扣，同學(xué)們更容易把握課程的內(nèi)在邏輯性。開放設(shè)計實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞终{(diào)動學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)、仔細(xì)認(rèn)真的科研態(tài)度以及友好協(xié)作的團(tuán)隊精神，顯著提高了學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和開拓創(chuàng)新的科研精神[9]。

2.2 多媒體輔助教學(xué)，開發(fā)利用網(wǎng)絡(luò)資源

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通過PPT簡單講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等，學(xué)生非常被動地按照實(shí)驗(yàn)步驟一步一步操作，整個過程學(xué)生沒有思考，僅是任務(wù)性地完成實(shí)驗(yàn)操作。為此，徐州工程學(xué)院教務(wù)處積極開展網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺項目的建設(shè)，基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊的教師積極參與項目申報和平臺建設(shè)，例如PCR克隆基因、堿裂解法提取質(zhì)粒、瓊脂糖凝膠電泳等，教師事先將錄制好的教學(xué)視頻放到學(xué)校官網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺上，學(xué)生可以隨時自由觀看學(xué)習(xí)。與傳統(tǒng)教科書相比，仿真實(shí)驗(yàn)、視頻教學(xué)更加生動形象，學(xué)生隨時可以使用手機(jī)觀看視頻，方便學(xué)生提前預(yù)覽并在實(shí)驗(yàn)課后再次學(xué)習(xí)，顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[10]。另外，教師指導(dǎo)鼓勵學(xué)生運(yùn)用超星學(xué)習(xí)通和中國大學(xué)MOOC（慕課）自主學(xué)習(xí)，并且在每一章節(jié)后布置課后作業(yè)，網(wǎng)上檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。這些改革與應(yīng)用顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，解決了上課時間不充分的問題，增加了學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化了對實(shí)驗(yàn)原理的理解。

2.3 調(diào)動學(xué)生積極性，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)評價體系

考核評價體系對實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的影響至關(guān)重要。優(yōu)秀的評價方式能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)對科學(xué)知識的探知能動性，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。為此，建立以技能考核為主線，與結(jié)果考核相結(jié)合的全過程考核方式，具體包含平時成績、實(shí)驗(yàn)報告、操作綜合評價、科研小論文、考試成績等多元化的考核項目。平時成績占總成績的20%，主要考查課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)規(guī)范性等;實(shí)驗(yàn)報告占總成績的20%，要求學(xué)生除了能詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果外，還要對結(jié)果進(jìn)行分析并展開討論;操作綜合評價主要考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能的掌握情況以及重要儀器設(shè)備的熟練使用程度;實(shí)驗(yàn)考試占總成績的30%，主要以開卷形式進(jìn)行，考查學(xué)生解決實(shí)際問題的能力;科研小論文占總成績的30%，因?yàn)檎麄€實(shí)驗(yàn)體系的設(shè)計具有連貫性、系統(tǒng)性，所有實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要求學(xué)生撰寫一篇完整的科研小論文，從中學(xué)生可以學(xué)習(xí)文獻(xiàn)的查閱、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理方法，學(xué)會論文的撰寫方法，為以后從事科研創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。與以往的單純實(shí)驗(yàn)報告考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績相比，這種評價機(jī)制更為全面、科學(xué)，更能提高學(xué)生的科研能力，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核體系的導(dǎo)向和激勵作用，使學(xué)生的綜合素質(zhì)得到全面提升。

2.4 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課外補(bǔ)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與教師科研項目相結(jié)合

徐州工程學(xué)院食品與生物工程學(xué)院具備良好的科研研究平臺，從事基因工程教學(xué)的教師承擔(dān)了一些國家自然科學(xué)基金、省自然科學(xué)基金、省科技計劃項目等一系列縱向課題，對研究領(lǐng)域的一些前沿?zé)狳c(diǎn)問題有比較深入的研究。他們將研究課題的國內(nèi)外研究最新進(jìn)展情況、研究思路、發(fā)展趨勢等介紹給學(xué)生，拓寬學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生對基因工程的學(xué)習(xí)興趣，并將科學(xué)研究中比較成熟的一些分支項目引入基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。例如，徐州工程學(xué)院教師國家自然基金項目“土壤污染有機(jī)磷農(nóng)藥降解菌多樣性及其分子生態(tài)效應(yīng)研究”中的一個子課題“有機(jī)磷農(nóng)藥降解酶基因的克隆表達(dá)”應(yīng)用到學(xué)生基因工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。學(xué)生通過親自體驗(yàn)一個特定降解酶基因的克隆表達(dá)過程，深刻體會基因工程實(shí)驗(yàn)課程，并能充分鍛煉基因工程實(shí)驗(yàn)的基本操作技術(shù)和培養(yǎng)邏輯思維能力?；蚬こ虒?shí)驗(yàn)課題項目設(shè)計如圖1所示。整個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括以下方面：①從有機(jī)磷降解細(xì)菌中提取總基因組;②設(shè)計降解酶基因的特異性引物;③PCR技術(shù)擴(kuò)增特定酶基因，電泳及酶切鑒定;④鑒定后的PCR產(chǎn)物同克隆載體pGM-T載體連接;⑤大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞的制備;⑥重組質(zhì)粒的熱激轉(zhuǎn)化;⑦陽性克隆的藍(lán)白斑篩選;⑧重組質(zhì)粒的酶切、PCR鑒定、測序鑒定;⑨表達(dá)重組載體的質(zhì)粒構(gòu)建;⑩陽性重組表達(dá)載體的轉(zhuǎn)化與篩選;B11重組菌株誘導(dǎo)表達(dá)及表達(dá)產(chǎn)物SDS-PAGE電泳檢測、活性檢測。整個綜合性大實(shí)驗(yàn)過程將基因工程實(shí)驗(yàn)中各個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項目緊密串聯(lián)起來，前后連貫、密切銜接。整體實(shí)驗(yàn)過程包括基因工程的基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如引物設(shè)計、基因組提取、凝膠電泳、質(zhì)粒提取、PCR擴(kuò)增基因、酶切鑒定、DNA回收、連接、轉(zhuǎn)化、篩選等10多種基本基因操作技術(shù)。實(shí)驗(yàn)項目開展過程中，多種基本技術(shù)（如PCR、酶切、提質(zhì)粒、電泳等）學(xué)生需要反復(fù)操作，基本技能得到充分鍛煉。由此可見，科研項目與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充，對于提高學(xué)生的動手操作技能、培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)問題的解決能力、培養(yǎng)科研思維和創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)思維是非常必要的，也為學(xué)生未來從事重大科研項目打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

基因工程是生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展速度最迅速的新興學(xué)科，是高等學(xué)校生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)一門十分重要的課程，其對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程具有同等重要的地位。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培

養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，充分鍛煉其動手操作技能，最大限度地

發(fā)揮教育教學(xué)效果，是需要不斷改革創(chuàng)新和積極探索的方向。充分掌握基因工程實(shí)驗(yàn)的基本原理、熟練操作基因工程基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)、

靈活應(yīng)用基因工程技術(shù)方法來解決生命科學(xué)問題，這些在生命科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域研究中起著至關(guān)重要的作用。通過以上教學(xué)改革，該課程教學(xué)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了他們開展科學(xué)研究的能力。在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，將繼續(xù)積極探索和優(yōu)化基因工程實(shí)驗(yàn)課程體系，更新教育觀念，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，不斷提高教學(xué)水平。通過基因工程實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生更容易快速理解和掌握基因工程的基本原理，奠定了未來獨(dú)立完成生命科學(xué)大型課題的實(shí)踐技能基礎(chǔ)，使他們實(shí)現(xiàn)基因工程理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能。

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