基因工程实验课程改革探析与实践

郜 刚,李 卉,智艳平,薛 珍

(山西师范大学 生命科学学院，山西 临汾 041000)

基因工程实验课程改革探析与实践

郜 刚,李 卉,智艳平,薛 珍

(山西师范大学 生命科学学院，山西 临汾 041000)

基因工程技术是现代生物技术中发展最迅速的核心技术，它的主要贡献是为社会提供优质产品，为人类提供社会服务。相关实验课程的完成质量对该技术的发展至关重要，但是，目前基因工程实验课程教学存在许多问题。例如：教学经费投入不足；教学内容老化；实验难度大、周期长；学生自主实验的积极性不高以及缺乏贴近行业的创新性实验项目等。因此，其改革方向为：加强实验室建设, 增加教学投入；加强师资培训, 提高教师业务素质；更新实验内容、调整实验结构；改革教学方式；实验教学应与科研实践、毕业设计相结合以及更新考核方式等。通过改革探析与实践，基因工程实验教学课程改革在科研，考研和毕业生实习等方面取得较大进展。

生物技术；基因工程；实验教学；课程改革

生物技术、信息技术和新材料技术是世界许多国家的三大重要技术，其中生物技术又可以分为传统生物技术、工业生物发酵技术和现代生物技术三类，现在人们常说的生物技术实际上就是现代生物技术。现代生物技术包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程这五大工程技术，其中基因工程技术是现代生物技术中最吸引人、最重要和发展最迅速的核心技术[1]。基因工程技术是获取、整理、破译、编辑和表达生物体内遗传信息的一种核心技术，以细胞生物学、分子生物学和分子遗传学的基本理论体系为指导，在基因的分离克隆、基因表达调控机制的诠释、基因编码产物的产业化及生物遗传性状的改良等方面显示出极高的实用价值。作为20 世纪生命科学最辉煌的成就之一，诞生于70 年代初的基因工程技术正在以日益加快的步伐驱动着人类社会生活方式的重大变革[2]。

基因工程的主要贡献是为社会提供了大量优质产品，为人类提供治理环境、临床诊断、基因治疗和改良农作物品种等社会服务[3]。在环境保护方面，基于基因工程的DNA 探针能够检测环境中的病毒、细菌等污染；“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。在医药卫生方面表现为基因工程药品如：胰岛素、干扰素、白细胞介素等的生产；还表现在基因诊断与基因治疗方面。在农牧业、食品工业上的应用是转基因动、植物的生产。在工业原料生产上的应用有转基因微生物生产高分子多聚物、转基因微生物参与环境净化和废料再生。基因工程实验是综合性大学生物技术、生物工程专业和医学、农林院校相关专业的重要实验技术课程，涉及遗传学、分子生物学、生物化学、微生物学、细胞生物学等重要课程的理论知识，在科学技术日新月异迅猛发展的时代，新理论、新技术层出不穷。基因工程技术正以其巨大的活力展示着惊人的发展潜力和极其广阔的应用前景。

1 基因工程实验课程教学存在的问题

山西师范大学生命科学学院的生物技术、生物工程专业开设与基因工程、植物基因工程和植物基因表达调控等课程相关的实验课程。基因工程实验技术要求高，要完成相关实验需要基因操作技术、细胞操作技术和遗传学技术等多种操作技术，对学生提出了很高的要求。基因工程实验方面存在许多不足。

1.1 教学经费投入不足

近年来，基因工程实验药品价格迅速上涨，仪器设备更新很快，加之学校扩招学生明显增加，实验耗材需求量变大。但是，教学经费投入增加不多，新药品、新试剂、新仪器等硬件设施得不到及时补充，这就导致了学生能够完成的实验项目减少、实验质量降低，实验教学的具体实施难度增大。

1.2 实验教学内容老化

基因工程理论和实践发展相当迅速，许多新技术日益成熟，而旧的知识理论被引入教材时间过长，实验内容老化，未能及时更新。基因工程实验指导书目类型不少，但由于基因工程实验的特殊性，真正适合本科生进行实验的参考书却很少，而且许多授课教师知识结构老化，教学模式陈旧，这就导致了实验教学与社会发展脱节，学生了解最前沿动态、学习最先进技术的条件受到限制。

1.3 实验难度大、周期长

基因工程实验技能的培养，相对于基因工程基础理论来说是相当滞后的，随着现代生物学技术的发展和对人才的要求，基因工程实验技能的培养必须提高到新的层次上来。但是，实验难度大，指导书上可操作性强的实验内容不多，而且由于实验课时少，在规定时间内完成相关实验的可能性减小，这就要求学生利用课余时间来弥补课上实验时间的不足，但是学生的课余时间有限，实验室使用空间有限，以及课下缺乏专业的教师指导和严格的管理措施[4]。因此，学生在短时间内完成信息量巨大的基因工程实验失去保障。

1.4 学生自主实验的积极性不高

本科生的基因工程实验中综合性和设计性实验相对较少，而验证性实验占了较大的比重，且实验之间缺乏联系。实验前教师讲述实验原理、操作步骤、实验结果进行讲述，并将各种试剂、材料都准备齐全，这就使得学生在整个实验教学过程中只是被动地接受知识，学生的主体地位没有突出，也没有体现师生和生生之间的互动。学生进行创新实践活动的机会减少，该教学方法不能充分发挥学生的主动性和创造性，不能使学生在实践中充分锻炼运用所学知识的能力。

1.5 缺乏贴近行业的创新性实验项目

缺乏针对具体产业的实验教学内容，这是许多高校亟待解决的问题。在深化教育改革，培养创新型、应用型人才的今天，教学型的高校没有围绕本地区的经济建设与社会发展，科研和产业相脱节，对培养实用性的人才重视程度不高，忽略学生职业技能和行业素养的培养，没有将培养目标定位在适应地方经济和产业发展的需求上来[5]。这需要在今后的实验教学改革过程中不断地总结思考，充实完善。

2 基因工程实验教学改革方向

为体现生物技术和生物工程专业的特色，提升本科实验教学水平，适应社会特别是研究机构以及生物高新技术产业对毕业生技术技能掌握程度的要求，山西师范大学生命科学学院根据专业培养目标，在院系各级领导的正确领导下，对基因工程实验课程的教学内容、教学方法与手段等各个方面进行了探索式的改革，推进自主式、合作式、探究式的教学模式[6]，将科研先进成果引入教学，搭建基因工程基础实验教学与科学研究的互通平台，为培养具备综合能力的生物学科高素质人才提供理论支持。

2.1 加强实验室建设, 增加实验教学投入

本课程主要在我院实验中心的基因工程实验室、分子生物学实验室、生物技术实验室和遗传学实验室进行开课，实验室的建设、仪器设备的配置是能否顺利开设实验课的条件[7]。为此山西师范大学生命科学学院筹集了百万余元资金，添置了高速冷冻离心机、PCR 基因扩增仪、凝胶成像分析仪、紫外分光光度仪、制冷型恒温金属浴、电泳槽和电泳仪等实验设备，购置了足量分子生物学试剂以及移液管和PCR 管等耗材，使本科生能顺利完成较为复杂的实验项目，如质粒DNA 的提取及其定性定量分析、大肠杆菌感受态细胞的制备及质粒DNA 的转化、植物基因组DNA 的提取和检测、植物总RNA 的提取、Southern 杂交、PCR 基因扩增及扩增产物的回收以及DNA 的重组等实验。

2.2 加强师资培训, 提高教师业务素质

近几年分子生物学发展迅速，赋予该学科更大的内涵。学校组织教师参加培训，指导教师积极参与科研工作，通过科研提高实验教学业务水平，使实验教学深入浅出，达到教学和科研相互促进共同发展的目的[8]。实验教师人数不足也是导致实验教学效果欠佳的一个原因，学校适当安排了具有熟练实验技能的博士、硕士研究生充实实验课教师队伍，使实验教学气象更新，激发了学生参与实验课的兴趣与积极性，使实验教学取得了比较满意的效果。

2.3 更新实验内容、调整实验结构

本科生的学习兴趣对学好基因工程理论和实验技术是至关重要的，我们根据生物学学科的发展要求，对实验内容和结构进行调整来培养学生的学习兴趣[9]，首先，以基本实验技能训练为基础，达到能掌握基因工程最基本的实验技术及操作方法；能正确使用仪器设备、准确处理实验数据和描述实验结果的目的；同时，增加综合性实验和设计性实验，例如，基于本实验室的主要研究课题青枯菌诱导的马铃薯防卫相关基因克隆与表达分析，让学生完成青枯菌分子分型的综合创新性实验研究项目，从DNA的提取、琼脂糖凝胶电泳检测、PCR基因扩增以及聚丙烯酰胺凝胶电泳SRAP分析到根据基因特异性完成聚类分析，整个实验一脉相承，同时，还可以进行扩增产物的回收和DNA 的重组等实验。另外，质粒DNA 的提取及分析、大肠杆菌感受态细胞的制备及质粒DNA 的转化实验之间也具有连贯性，这样就将基因工程实验中涉及的内容整合成一个个整体。其次，补充上述实验过程中未涉及但属于大纲要求内的实验项目，例如：植物总RNA 的提取及定性定量分析、酶切、酶连等实验，使教学内容完整而系统。这样有利于培养学生严谨的学习态度和实事求是的工作作风，有利于锻炼学生的独立操作和研究创新能力。

2.4 改革教学方式

要想达到较好的教学效果，应采用传统教学方式与多媒体教学方式相结合的方法，基因工程课程中涉及的概念抽象、理论性强，传统的教学方式不能完全满足基因工程教学的需要，多媒体教学能综合利用文字、声音和动画等信息，使学习内容图文并茂、栩栩如生，便于学生理解记忆，使教学效果事半功倍[10]。教学实践中要突出学生的主体地位，实验中许多操作步骤复杂，实验教学的准备过程较长，所以，在教师给出实验题目后，让学生参与实验教学的准备过程，使学生充分体验基因工程实验的各个准备阶段。同时学生在教师的指导下，查阅相关文献资料设计实验内容，提出实验方案，在学生设计实验方案的过程中，教师用心启发，耐心解释，悉心引导，进而设计出科学的实验技术路线，让学生从实验原理、注意事项、出现的问题和解决方法等方面有一个整体理解和掌握[11]。在基因工程实验中，其过程重于结果，它可以使学生获得从课本上学不到的知识和能力，并能使学生形成完整的科学研究态度。

2.5 基因工程实验教学与科研实践、毕业设计相结合

基因工程实验是对学生基因工程知识的全面检验，将科研中的一些初级问题放入教学中，例如，在学生的实验课程中开设与该实验室教师主要研究项目，即马铃薯青枯病抗性研究有关的实验课题，如：马铃薯RNA的提取与质量检测；cDNA的合成；马铃薯或青枯菌基因组DNA的提取与检测；不同品系马铃薯及不同小种青枯菌SRAP-PCR多态性分析等，让学生对科学研究有一个初步认识，同时让学生参与到教师的科研项目中，这样既拓宽了视野又开阔了眼界，对相关理论知识的理解也有所加深，进一步增强了他们的学习兴趣，提高了他们的科学思维能力。另外，学生较早地接触科研项目，对完成自己的毕业论文奠定了科研基础。

毕业论文的撰写是本科教学的一个重要环节，而一篇优秀的毕业论文则需要进行严密的实验，这就对本科生的实验技能提出了较高的要求。学校开设专门的基因工程大实验课程，能让学生真正掌握一套比较完整的基因工程实验技术。该实验安排在暑期进行，可以与毕业设计很好地衔接起来[12]。由此，基因工程实验教学达到了一个新的层次，学生具备了较强的基因工程实验操作能力，能较早进入并适应实验室的科研工作。

2.6 更新实验考核方式

基因工程是一门实践性、技术性较强的课程，实验是基因工程课程的重要组成部分，在实验过程中应严格要求学生做好实验原始记录，要求按照研究论文的格式并结合传统实验报告的格式完成实验报告。要求学生利用所学的基本理论知识，找出实验结果存在差异性的原因。同时，鼓励学生提出创造性的见解和认识，为今后学生从事科学研究奠定良好的基础。

3 基因工程实验教学改革实现成效

通过全面整改，该课程实验环境有所改善，教师业务素质得到提高，教学方式获得更新，更加注重基础技能训练，综合能力培养和教学科研相结合的教学模式，培养了学生独立思考科研问题并进行相关实验操作的能力。本改革以山西师范大学生命科学学院生物技术和生物工程专业2009级、2010级和2011级学生为实施对象，直接受益学生人数约为200名/年。

经过近三年的实践，学生对本门课程学习的积极性和主动性提高。一些优秀的学生能够顺利拿到校级创业创新基金项目和校级科研基金项目；学生参加课程组教师相关科研项目的人数增加；部分学生在山西省“挑战杯”课外科技作品竞赛中获奖；学生在校期间公开发表的与课程相关的学术论文篇目增多。实践还证明，构建并实施正确的基因工程实验教学体系和培养模式促进了考研人数的增加，考研学生在复试中，较强的基因工程实验操作技能，受到了东北师范大学、厦门大学等多所院校教师的肯定。该项改革也为今后的毕业设计奠定了良好的基础，毕业生适应工作的时间大大缩短，适应能力明显提高。通过对毕业生表现的跟踪调查，发现学生在所进行的毕业实习中，表现出较强的实验操作能力、组织能力和设计能力，以及良好的创新精神和合作精神，受到了用人单位的一致好评。此外，经过在实践中不断地总结、修改、再总结，课程组正筹备编写新的适应学生进行教学实验的基因工程实验技术课程。

本改革能紧密围绕学生综合能力的培养，采用以学生为主体、教师主导的教学方法，教学内容全面且紧跟专业前沿，改革的思路明确，教学框架具体，使教师实验教学和学生自主学习能够同时顺利进行。

4 结束语

我校通过基因工程实验课程的教学改革实践, 增强了学生的责任心, 团队合作意识, 使学生获得了从事科研工作的基本能力, 也为本科生毕业论文的设计、写作以及将来从事生命科学相关研究打下坚固的基础。虽然实验教学改革取得了一定进展，但是基因工程是一项系统的工程，目前还处于不断摸索阶段，相关部门还需要不断探索、实践和总结，才能把教学工作开展得有声有色[13]，才能为国家培养具备高能力和高素质，具有创新精神和创新能力，适应新时代要求的21世纪合格人才。

[1]王忠华,斯越秀,俞超,等.“基因工程实验技术”教学改革与探索[J].中国电力教育,2013(4):136-140.

[2]唐培安.《基因工程》教学方法改革的探索[J].安徽农学通报,2011,17(23):179-185.

[3]何华纲,朱姗颖,姜松,等.分子生物学与基因工程实验教材建设初探[J].生物学杂志,2013,30(1):95-105.

[4]陈彦.坎特布雷大学实验室安全管理及启示[J].实验室研究与探索,2013,32(1):93-97.

[5]董妍玲,潘学武.应用型人才培养目标下基因工程实验教学改革的实践[J].黑龙江畜牧兽医,2013(4):175-176.

[6]贾桂康,苏仕林.基因工程实验教学改革探析[J].现代农业科技,2009(21):300-301.

[7]齐凤慧,詹亚光.《基因工程》实验教学改革的探索[J].实验科学与技术,2008,6(1):111-140.

[8]朱旭芬,赵小立,张铭.基因工程实验课程的建设与实践[J].中国大学教学,2006(3):44-45.

[9]何燕,张婷,吴昌学,等.医学生物技术本科生基因工程实验教学改革与实践[J].现代医药卫生,2013,29(11):1735-1736.

[10]李慧娟,崔志芳,韩秋霞,等.《现代生物技术》综合设计性实验教学模式的探讨—以基因工程实验为案例[J].轻工科技,2012(9):157-160.

[11]邢万金,扈延茂.本科基因工程大实验教学改革的实践和体会[J].生物学通报,2007,42(2):48-50.

[12]金勇丰,李霁,邵爱萍.本科生基因工程实验技能培养的改革与实践[J].实验技术与管理,2008,25(1):16-18.

[13]任如意,魏继承.基因工程实验教学改革初探[J].高等理科教育,2008(6):112-114.

Analysis and Practice of Genetic Engineering Experiment Curriculum Reformation

GAO Gang, LI Hui, ZHI Yanping, XUE Zhen

(College of Life Science, Shanxi Normal University, Linfen 041000,China)

The genetic engineering technology, which is developing rapidly, is the core of the modern biological technology. Its main contribution is to provide products of high quality for the society and social services for the human. The completion quality of the relevant experimental courses is vital to the development of the technology. But the current teaching exists many problems, such as the insufficient education funds investment， the aging experimental teaching content， difficult experiment with long cycle， the low enthusiasm of students and the lack of the innovative experimental project close to the industry. Therefore, the direction of the reformation is to strengthen the construction of laboratory and increase investment， to reinforce the training and improve teachers’ professional quality， to update the experiment’s content and adjust its structure， to reform the teaching methods， to combine the experiment teaching with scientific research practice and graduation design，and to update experiment’s examination way. Through the analysis and practice of reformation, The genetic engineering experiment teaching course have had larger progress in terms of scientific research, examination of postgraduate and graduation field work.

biological technology; genetic engineering; experimental teaching; course reform

2014-03-06；修改日期: 2014-04-08

山西省高等教育质量和水平提升工程教学项目：地方高师院校《基因工程》实验教学体系优化研究资助项目(J2012043)。

郜 刚(1971- )，男，博士，教授，研究方向：分子遗传学。

G642.423;Q343.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.017