模塊化教學(xué)在本科生動(dòng)物分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用

摘 要 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的核心課程。由于學(xué)時(shí)有限，授課不集中，以及實(shí)驗(yàn)資源短缺等各種原因，造成傳統(tǒng)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)授課方式多以分散的單獨(dú)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，使得分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)缺乏完整性以及連貫性。筆者從事多年本科生動(dòng)物分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，發(fā)現(xiàn)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中實(shí)施模塊化教學(xué)可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

關(guān)鍵詞 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn) 模塊化教學(xué) 本科生

中圖分類號(hào)：G424?????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.039

Abstract Molecular biology experiment is the core course of life science-related majors. However， due to various reasons such as limited course hours， decentralized class schedule， and limited of experimental resources， the traditional teaching model of molecular biology experiments is mostly conducted with distributed experiments， which makes molecular biology experiments lack coherence. We have been engaged in the teaching of animal molecular biology experiments for undergraduates for many years. We found that the implementation of module teaching in molecular biology experiments can better cultivate students' independent thinking and rigorous scientific attitude.

Keywords molecular biology experiment; module teaching; undergraduates

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)作為分子生物學(xué)理論課程的實(shí)踐性課程，是整個(gè)生物學(xué)課程體系中重要的組成部分。同時(shí)分子生物學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)早已滲透到生命科學(xué)相關(guān)的其他領(lǐng)域，包括分子遺傳學(xué)、分子細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)等。分子生物學(xué)作為生命科學(xué)領(lǐng)域中最為活躍的一門學(xué)科，新技術(shù)新方法不斷涌現(xiàn)，比如從上個(gè)世紀(jì)70年代發(fā)展起來的DNA重組技術(shù)、本世紀(jì)初的RNAi技術(shù)到當(dāng)前研究異?；鸨腃RISPR技術(shù)。就目前的本科生分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課來說，還存在一些問題，比如課程內(nèi)容安排忽略了分子生物學(xué)各實(shí)驗(yàn)之間的有機(jī)聯(lián)系，多數(shù)安排的實(shí)驗(yàn)都是獨(dú)立的分散的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，針對(duì)這個(gè)問題，筆者認(rèn)為可以開展模塊化教學(xué)使得分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更為完整和連貫，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯?，為今后的科研生涯打下?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程模塊化設(shè)計(jì)

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)涉及內(nèi)容較多，從核酸提取、PCR技術(shù)到組學(xué)以及生物信息學(xué)分析等。但目前最為常用最為基本的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)仍然是針對(duì)DNA、RNA以及蛋白質(zhì)的基本操作技術(shù)。同時(shí)，在目前的分子生物學(xué)研究中涉及基因功能研究往往是在體外培養(yǎng)的細(xì)胞中進(jìn)行的。基于此，我們將分子生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)分為三大模塊內(nèi)容（圖1）：第一模塊為基因表達(dá)調(diào)控。由于目前涉及到基因功能研究往往都會(huì)檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)基因的表達(dá)情況。所以分子生物學(xué)研究中的基因表達(dá)檢測(cè)是最常用也是最為常規(guī)的分子生物學(xué)技術(shù)。通過分子生物學(xué)理論課的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)了解中心法則的內(nèi)容，基因表達(dá)包含兩個(gè)步驟，轉(zhuǎn)錄和翻譯，涉及到mRNA和蛋白質(zhì)，所以基因的表達(dá)情況一般需要從mRNA水平或者蛋白水平進(jìn)行檢測(cè)。mRNA水平檢測(cè)又可以分為以下六個(gè)實(shí)驗(yàn)，一共16學(xué)時(shí)。包括：總RNA提?。?學(xué)時(shí)）、RNA濃度測(cè)定與純度評(píng)估（1學(xué)時(shí)），RNA瓊脂糖凝膠電泳與完整性評(píng)估（3學(xué)時(shí)）、cDNA合成（3學(xué)時(shí)）、引物設(shè)計(jì)（1學(xué)時(shí)）、qPCR（4學(xué)時(shí)）。對(duì)于一般院校來說，由于本科生實(shí)驗(yàn)課的安排都是4學(xué)時(shí)一次實(shí)驗(yàn)課，所以整個(gè)mRNA水平檢測(cè)基因的表達(dá)實(shí)驗(yàn)可以分四次實(shí)驗(yàn)完成。另外，基因表達(dá)水平也可以從蛋白水平進(jìn)行檢測(cè)，此實(shí)驗(yàn)又可以分為三個(gè)小實(shí)驗(yàn)：蛋白質(zhì)提取、蛋白濃度測(cè)定和western blot技術(shù)。每個(gè)小實(shí)驗(yàn)分別安排4學(xué)時(shí)，一共12學(xué)時(shí)完成。第二大模塊為DNA克隆。本實(shí)驗(yàn)包括DNA提取、PCR、DNA片段回收與純化、感受態(tài)細(xì)胞制備、連接與轉(zhuǎn)化、克隆篩選、質(zhì)粒提取、酶切鑒定等八個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的平均安排4個(gè)學(xué)時(shí)，一共32學(xué)時(shí)。通過本模塊內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握基本的重組DNA技術(shù)，為以后的科研工作奠定良好基礎(chǔ)。第三模塊內(nèi)容為細(xì)胞培養(yǎng)，細(xì)胞培養(yǎng)也是在基因功能研究中常用的一種技術(shù)，本模塊內(nèi)容可分為以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，一共16個(gè)學(xué)時(shí)：培養(yǎng)基配制（2學(xué)時(shí)）、無菌培養(yǎng)操作規(guī)范（2學(xué)時(shí)）、細(xì)胞復(fù)蘇（4學(xué)時(shí)）、細(xì)胞傳代（4學(xué)時(shí)）、細(xì)胞凍存（4學(xué)時(shí)）。由于細(xì)胞培養(yǎng)對(duì)無菌操作環(huán)境的高要求，加大了教師的授課難度，加上本科生的班級(jí)和學(xué)生較多，所以在本科生分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)施難度較大，但在有硬件條件支持的院?？梢约哟髮W(xué)生的分組人數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇性的實(shí)施教學(xué)，多數(shù)學(xué)生可以觀摩教學(xué)，這樣也可以加深學(xué)生對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)的認(rèn)識(shí)和了解。

2模塊教學(xué)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的優(yōu)勢(shì)

對(duì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模塊化教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，三個(gè)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌M(jìn)行歸類，每一個(gè)模塊又分為多個(gè)獨(dú)立的小實(shí)驗(yàn)，各個(gè)獨(dú)立的小實(shí)驗(yàn)又環(huán)環(huán)相扣，簡(jiǎn)單來說，就是前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果又是后一個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料。這樣可以更好的讓學(xué)生了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的以及各個(gè)獨(dú)立的小實(shí)驗(yàn)在整個(gè)大實(shí)驗(yàn)中的地位與作用，從而可以更好的促進(jìn)學(xué)生更系統(tǒng)的掌握分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能與原理。

其次，通過模塊化教學(xué)可以更好地培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神。例如在進(jìn)行總RNA提取實(shí)驗(yàn)這一小節(jié)授課時(shí)，我們會(huì)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)RNA易降解以及無RNA酶環(huán)境對(duì)RNA提取成功的重要性，所以會(huì)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中全程戴口罩和手套，并且盡量減少交談。還有實(shí)驗(yàn)中用到的槍頭和離心管都是無RNA酶的。另一個(gè)在實(shí)驗(yàn)過程中需要提醒學(xué)生特別注意的是在加過氯仿震蕩離心后，一定要吸取上清液，不要吸到中間的白色的中間層，因?yàn)槔锩婧蠨NA。學(xué)生完成RNA提取實(shí)驗(yàn)后，通過瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗(yàn)檢測(cè)RNA的完整性（圖2）。第五組第二個(gè)樣品沒有條帶，本組有的學(xué)生認(rèn)為是沒有提取出來，有的學(xué)生認(rèn)為是漏了點(diǎn)樣。針對(duì)這個(gè)問題，讓學(xué)生重新將同個(gè)樣品進(jìn)行瓊脂凝膠電泳后，發(fā)現(xiàn)可以觀察到清晰的RNA條帶，因此學(xué)生都一致認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)操作過程中，一定要集中精力，小心謹(jǐn)慎，不能馬虎大意，既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)精力。第五組實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)樣品可以清晰的觀察到有DNA污染，學(xué)生都一致認(rèn)為是在吸取上清液的過程中由于貪多，可能吸到了中間的白色層，從而造成了DNA污染。因此通過實(shí)對(duì)驗(yàn)結(jié)果的分析，引導(dǎo)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)地去從上一次的實(shí)驗(yàn)中尋找原因。如果學(xué)生認(rèn)為有不同的原因，可以通過重做實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行確認(rèn)，最終的目的是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到每一次的實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟都非常的關(guān)鍵，在做實(shí)驗(yàn)過程中必須專心、細(xì)致，切不可心不在焉。不然就會(huì)造成實(shí)驗(yàn)沒有結(jié)果或結(jié)果達(dá)不到要求沒法進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。從而把人為的因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響降到最低。

由于分子生物學(xué)微觀實(shí)驗(yàn)的不確定性，所以在模塊化教學(xué)實(shí)施過程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些問題，教師在其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)不成功的情況下，應(yīng)該做好應(yīng)急預(yù)案，比如在DNA克隆大實(shí)驗(yàn)中，制備感受態(tài)細(xì)胞不成功或者轉(zhuǎn)化效率不高，會(huì)影響后續(xù)的一系列實(shí)驗(yàn)，對(duì)于這種情況，授課教師可以在連接轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中增加對(duì)照組，對(duì)照組利用已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證的感受態(tài)或者商業(yè)化感受態(tài)細(xì)胞，從而確保后面的實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。

3提升分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K化教學(xué)效果的措施

本科生選修的課程眾多，傳統(tǒng)的課程一次都是2個(gè)或3個(gè)學(xué)時(shí)，而分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)。目前大多數(shù)院校都是以4個(gè)學(xué)時(shí)為一個(gè)單位安排一次實(shí)驗(yàn)課，這樣安排課時(shí)的弊端就是不利于學(xué)生形成串聯(lián)性的知識(shí)記憶，學(xué)生在進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候已經(jīng)對(duì)上一個(gè)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容慢慢淡忘了，讓學(xué)生再?gòu)纳弦粋€(gè)實(shí)驗(yàn)中尋找問題顯然較難。所以對(duì)于模塊化教學(xué)的最佳的課時(shí)安排是集中時(shí)間授課，比如可以在學(xué)生上完理論課的后，也就是學(xué)期的最后一到兩周集中安排分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課。如果總課時(shí)為32學(xué)時(shí)，這樣一周的時(shí)間就可以完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程。這樣可以保證模塊化教學(xué)的效果，提高綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

目前針對(duì)本科生分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)問題就是投入經(jīng)費(fèi)不足。由于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的試劑耗材是一筆不小的開支，而各個(gè)院校在課程投入經(jīng)費(fèi)上都有一定的限制，加上本科生班級(jí)和人數(shù)較多，目前所做的只能對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，一般一組3-4人，這樣就會(huì)造成一部分學(xué)生不能實(shí)際操作，阻礙了對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。同時(shí)本科教學(xué)中心的硬件設(shè)施有限，也極大地限制了分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率與效果。因此建議院校加大對(duì)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的投入，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

4建立科學(xué)的課程考核方法

科學(xué)公正的課程成績(jī)?cè)u(píng)定方法可以引導(dǎo)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，否則，很容易挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。課程成績(jī)?cè)u(píng)分分為兩部分，分別為平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)。平時(shí)成績(jī)和考試成績(jī)分別占60%和40%。其中平時(shí)成績(jī)包括四個(gè)部分，包括課堂提問10%，出勤10%。實(shí)驗(yàn)操作20%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告60%。其中實(shí)驗(yàn)操作分是教師在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，對(duì)待實(shí)驗(yàn)的態(tài)度以及實(shí)驗(yàn)的操作的仔細(xì)程度進(jìn)行打分。另外，在科學(xué)研究中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄是否完整與規(guī)范牽涉到結(jié)果發(fā)表的是否準(zhǔn)確與科研誠(chéng)信問題，所以撰寫規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)性課程重要的培養(yǎng)目標(biāo)之一，因此實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)是平時(shí)成績(jī)重點(diǎn)考察部分，主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄是否完整，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析是否準(zhǔn)確和深入進(jìn)行打分。整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，教師準(zhǔn)備一定數(shù)量的覆蓋整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的試題。學(xué)生逐個(gè)進(jìn)行考核。首先學(xué)生隨機(jī)抽取試題，進(jìn)行口頭解答，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，教師根據(jù)學(xué)生的回答內(nèi)容是否準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)操作是否正確以及對(duì)儀器是否愛護(hù)等內(nèi)容進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)打分，作為考試成績(jī)。

5結(jié)語

通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，實(shí)施模塊化教學(xué)可以提升學(xué)生對(duì)分子生物學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的整體認(rèn)識(shí)和理解，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。然而分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，模塊化教學(xué)的內(nèi)容、方法以及考核評(píng)價(jià)等都需要不斷完善。同時(shí)教師和實(shí)驗(yàn)員也應(yīng)該不斷地提升和更新自身的知識(shí)水平與結(jié)構(gòu)，從而根據(jù)各自院校的實(shí)際情況進(jìn)行模塊化教學(xué)，保證教學(xué)效果。

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