基于能力培养的分子生物学实验教学改革与探索

2014-03-22段瑞君魏晓星

生物学杂志 2014年2期

梁健，段瑞君，魏晓星

(1. 青海大学生态环境工程学院，青海西宁 810016; 2. 青海大学医学院，青海西宁 810001)

实践教学是高校教学工作的重要组成部分，是深化课堂教学的重要环节，是学生获取、掌握知识的重要途径[1]。高校实践教学在培养学生探索和创新精神，进而提高其实践能力和科学素养等方面发挥着举足轻重的作用[2]。青海大学生态环境工程学院自2001年开始，围绕“生命科学是一门实验科学”的核心思想，通过日元贷款、中央财政支持地方高校实验室建设等项目，借助于清华大学生命科学学院的对口支援工作，建成了由普通生物学、生物化学、分子生物学、微生物学、生理学、细胞生物学和遗传学等6个实验室和1个高原动物适应机制研究室组成的“省级生物科学实验教学示范中心”，成为全校生命科学类及相关专业本科生和研究生的实验教学和科研平台。

分子生物学是一门从分子水平研究生物大分子的结构和功能进而阐明生命现象本质的科学。目前，分子生物学是生命科学的带头学科，其发展使整个生命科学经历了一场全新的革命；同时，在农业上开辟了育种的新途径，在医学上有望开发出治疗某些特殊疾病的新方法，在环保上开拓了污染治理的新思路，在工业上形成了以基因工程为基础的新兴工业[3]。分子生物学理论及实验课程是高校生命科学及相关学科开设的重要专业课。分子生物学技术发展日新月异，该技术的发展已经在整个生物学领域占据了主导作用，成为生命科学及相关学科研究中普遍应用的方法和手段。因此，分子生物学实验课的教学显得尤为重要。从2007年起，我们以学生的能力培养为宗旨，对分子生物学实验课程的课程体系、教学内容、教学方法和手段、考核方式等方面进行了探索改革，实现了分子生物学实验从无到有，从验证实验到综合实验和探索创新实验，从依附于理论课程到单独开课，效果良好。

1 实验教学改革的内容

1.1 课程体系

建立科学合理的分子生物学实验课程体系，不仅能让学生领略到科学的本质，掌握科学的学习策略和思维方式，而且能够开拓学生的实践能力和创新能力，提高学生的综合素质[4,5]。

根据分子生物学实验课程的性质、类型和具体要求，参考国内清华大学、西北农林科技大学等高校课程设置情况，我们对实验内容进行了梳理和整合，建立了“3+1”模式的实验课程体系[6]。其中，3是指将实验课程分为3大类，第1类是基础性(技能性)实验课程，训练学生的基本专业技能；第2类是综合性实验课程，提高学生的综合能力；第3类是研究创新性实验课程，加强学生的创新能力和探索精神；1是指本科生进入科研实验室参与的科研训练。分子生物学实验教学体系包含分子生物学实验、基因工程实验、生物化学与分子生物学综合性大实验3门课程。分子生物学课程实验重在基础性教学，生物化学与分子生物学综合性大实验重在综合性训练，而基因工程实验重在研究性层次训练。

表1 分子生物学实验课程变化情况

1.2 教学内容

1.2.1 基础性实验课程

我们开设的基础性实验为经典的重组DNA技术[7]，主要包括以下8个实验：

实验一、植物基因组DNA的提取及分析；

实验二、质粒DNA的提取及分析；

实验三、PCR基本原理及扩增目的基因；

实验四、PCR产物(目的基因)的琼脂糖凝胶电泳；

实验五、载体DNA和目的基因的酶切及电泳检测；

实验六、酶切产物的纯化及DNA 重组；

实验七、大肠杆菌感受态细胞的制备及重组子的转化；

实验八、转化子的筛选与鉴定。

通过这些基本技能的训练，使学生对分子生物学技术有一个初步的理解，同时对如何规范使用移液器、离心机等基本技能进行了学习，有利于后面的教学和科研训练。

1.2.2 综合性实验课程

生物化学和分子生物学综合性大实验是在基本技能基础上的一个提升，如果说基础性实验是单项动作的话，那么综合性大实验则是连贯动作。所以，我们在教学计划中专门拿出4周时间，两周进行生物化学综合性大实验，两周进行分子生物学综合大实验。

在分子生物学综合性大实验中，我们以基因克隆为主线，充分考虑青藏高原特色资源，选择课程组一位教师已经完成的研究课题，“青稞hblt14.2基因的克隆及组织特异性分析”[8]，内容涉及DNA(RNA)提取，引物设计，PCR扩增目的基因，电泳检测，胶回收，构建TA克隆，转化，鉴定阳性克隆，半定量PCR等。综合性大实验不同于基础性试验的一个很重要的变化就是前后相连，内容贯通，前面实验的结果是后续实验的前提和保证，环环相扣，某一步骤出现问题，则无法进行后面的操作。综合性大实验进一步加深了学生对重组DNA技术的理解。同时，在生物化学大实验中进行重组蛋白的克隆表达，将生物化学和分子生物学的核心技术在一个月的时间内集中向学生展示，加深了印象，掌握了知识。

1.2.3 研究创新性实验课程

在实验教学中，一定要重视培养学生的创新精神和科研能力。我们通过大学生科研立项项目、本科生自主科研项目、开放实验项目等多种形式开展研究创新型实验，大多数同学是通过开放实验项目进行的。开放实验项目结合我校的“本科生导师制”，在课程中，学生选择相应的指导教师，由学生选择研究题目作为自己的课题，经指导教师和课程组教师双方认可后即可实施，时间为期一个学期，学期末进行PPT汇报，重点汇报实验原理、设计方案、实验结果、实验技能的学习、收获体会等，为后面毕业设计的顺利开展打下坚实的基础。

1.3 教学方法和手段

我们对教学手段进行了一些尝试性改革，具体包括如下几个方面：

1.3.1 教学与科研相结合

我们有目的地将科研课题和科研成果引入教学，在学生所学的基本内容以外，适当扩充了一些教师科研的相关内容。我们分子生物学课程组的几位教师，都不同程度地负责国家自然科学基金、省级、校级科研课题，将科研课题中与分子生物学相关的部分适当引入，不仅激发了同学们的学习热情，而且也为他们将来的科研工作打下基础。

1.3.2 利用多种资源丰富实验手段

我们在实验课程中将重组DNA技术作为重点技术向同学展示，但是分子生物学技术中的其它技术，例如southern印迹杂交技术、荧光定量PCR技术等，在生物学中的运用也很广泛。鉴于此，我们会给同学们提供2～3篇用到这种技术的文献，让同学们通过提前阅读，课堂上穿插讲授的方法，辅助于多媒体技术，让同学们通过动画、实验录像了解这些技术，拓宽他们的视野。

1.3.3 提前选择部分同学进入实验室接受训练

根据学院教师的研究方向，我们在课程教改的过程中，有目的、有意识地选取5名同学在二年级下学期进入实验室，根据实验室的研究方向和我们课程组的建议，进行分子生物学实验训练。如2009级生物技术的一位同学，进行了采自10个地理群的91个样本黄绿蜜环菌的群体遗传结构分析，测定和分析了所有样本的18S rDNA序列，该过程涉及基因克隆的整个过程，同时该同学还构建了系统进化树，并且与她的毕业论文联系到一起，起到了良好的效果。实践证明，这些提前接受训练的同学后来在分子生物学综合大实验中发挥了生力军的作用。

1.3.4 根据教学实际微调教学模式

实验教学不是一成不变的，教师在实际教学过程中，要善于发现问题，引导学生，尽量满足学生的求知欲。我们在近3年综合性大实验的培训过程中发现，学生普遍表现出对克隆基因的作用和功能很感兴趣。因此，我们在前几届学生的毕业论文和学院教师已发表的论文中，选取1～2个功能表现明显的基因，提前选取3名同学组成1组，重复之前的实验结果，向学生展示整体设计思路和最终得到的结果。经过综合性大实验的培训，学生初步建立了科学研究的意识，培养了从事科研工作的兴趣。同时，这3名同学就可以以此获得成绩和学分。

1.4 考核方式

实验教学考核中，我们改变了“结果导向”的衡量标准，力主“过程和结果同样重要”，体现“过程育人”的实验教学理念[9]。我们目前采用的分子生物学实验课学生成绩考核标准为：实验的考勤、预习占10%，实验过程的参与程度和完成情况(包括方案设计、时间安排、动手操作能力、实验作风)占总分的60%，实验报告占总分的30%，注重实验数据处理和实验结果的分析和讨论，鼓励批判性思维，鼓励学生分析出现这些结果的原因，加大结果分析在总分中的比例。