分子生物学与基因工程实验课程体系的优化和考核方式的改革

杨阳等

[摘要]根据我校应用型人才培养的目标和要求，将科研成果转化为实验教学内容，以验证性实验、综合性实验和设计性实验整合优化分子生物学和基因工程实验课程体系，期末考核采用设计实验方案解决科学问题的方式进行，突出学生的主体地位，提高综合运用能力，培养创新精神。

[关键词]分子生物学与基因工程 实验课程体系 考核方式

分子生物学（molecular biology）是在分子水平上研究生命现象的科学，通过研究生物大分子（核酸、蛋白质）的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质[1]。基因工程（genetic engineering）是以分子生物学为理论基础，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品[2]。分子生物学和基因工程技术已被广泛地应用于生命科学的各个领域，并且与农业、工业、医药、食品、环境等行业紧密结合，创造了巨大的经济效益和社会效益。而分子生物学与基因工程实验教学对培养生物相关专业应用型人才具有重要意义。通过几年的实践与探索，我们整合优化了分子生物学与基因工程实验课程体系，并改革了考核方法，提高了教学质量，培养了学生熟练的分子操作能力和科研思维素养。

一、分子生物学与基因工程实验课程体系的优化

武汉生物工程学院生物工程、生物技术本科专业在大学三年级上学期开设分子生物学课程，其中理论课48学时，实验课24学时。实验课内容设计以模式植物水稻为材料，从DNA、RNA、蛋白三个水平介绍分子生物学常用实验操作技术，使学生较全面和深入理解分子生物学以DNA复制、RNA转录和蛋白质合成为核心的中心法则。

分子生物学实验教学内容包括以下五个实验项目：

实验一 分子生物学常用试剂配制及琼脂糖凝胶电泳（验证性实验）；

实验二CTAB法提取植物基因组DNA（综合性实验）；

实验三 植物总RNA的提取及反转录（综合性实验）；

实验四 半定量RT-PCR（设计性实验）；

实验五 SDS-PAGE（综合性实验）；

考 核 设计实验解决科学问题并撰写实验论文报告。

大学三年级下学期开设基因工程课程，其中理论课32学时，实验课32学时。实验课内容设计围绕基因工程的操作流程“切、接、转、增、检”共设计七个连续的实验项目：

实验一 SDS法提取动物基因组DNA（综合性实验）；

实验二PCR扩增目的基因（验证性实验）；

实验三PCR产物的纯化及DNA片段的体外连接（综合性实验）；

实验四 感受态细胞制备（综合性实验）；

实验五 重组质粒转化与阳性克隆筛选（综合性实验）；

实验六 质粒DNA的提取与纯化（综合性实验）；

实验七 质粒DNA限制性内切酶酶切鉴定（设计性实验）；

考 核 设计实验解决科学问题并撰写实验论文报告。

整合优化体现在：

1.以验证性实验、综合性实验和设计性实验整合分子生物学和基因工程实验课程内容，为学生创设一种科学研究的情境和途径。以类似科学研究的方式，指导学生查阅文献，设计实验方案，实施实验流程，分析实验结果，撰写实验报告，并整理成实验课程论文。

2.实验项目内容均来自课题组教师的科研成果，分子生物学实验以模式植物水稻，基因工程实验以动物牛为实验材料，结合微生物实验技术，全面掌握植物、动物和微生物的分子操作技能。实验课实行小班教学，学生2人一组，使每一位学生得到充分的训练，动手能力提高。

3.实验课所使用的酶、试剂盒等均为科研或公司选用的主流产品，如Ambion TRIzol? Reagent、Takara PrimeScriptTMⅡ High Fidelity RT-PCR kit、MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit、pMD?18-T Vector、E.coli DH5αCompetent Cells、TaqTM、MiniBEST Plasmid Purification Kit、HindⅢ、EcoRⅠ、BamHⅠ、DNA Marker DL2000 DL15000、RNA Marker RL6000、Premixed Protein Marker（Low）等。

4.憑借多媒体实验室，利用实验间歇，播放网络下载或教研室教师制作的微视频、微课、MOOC等资源，使抽象的实验技术具体形象、化难为易，此外教会学生使用NCBI、Primer5.0、Clustal w、Bioedit、DNAstar、genedoc等生物信息学常用网站和软件，学会数据处理和分析。

5.教研室每位教师每年为学生提供4-5个科研助理岗位，学生可申请加入教师的课题研究或自主申请课题，系统培养学生的科研素养。

通过分子生物学实验，使学生掌握围绕中心法则三种生物大分子DNA、RNA和蛋白质的常用操作技术，如核酸提取（基因组DNA、总RNA）、琼脂糖凝胶电泳、反转录、半定量RT-PCR和SDS-PAGE，熟练使用微量移液器、高速离心机、鼓风干燥箱、电泳槽和电泳仪、紫外凝胶成像系统、超净工作台、PCR仪、培养箱、高压灭菌锅等仪器设备。在此基础上，通过系统的、一环紧扣一环的基因工程实验训练，巩固加强分子操作技能，培养学生独立实验、综合运用的能力，为学生进入基因测序公司，疫苗、抗体生产企业，发酵类企业，动、植物育种和抗病研究中心奠定基础。

二、分子生物学与基因工程实验考核方式的改革

考核是实验教学工作的一个重要组成部分，对于调动学生学习积极性起到重要作用。改革后的课程考核方式包括平时成绩70%和期末考核30%。平时成绩中实验态度、实验原理、实验技能、组员合作、仪器使用、实验室常识考核占50%，预习报告及实验报告占20%。对于期末考核方式做了较大调整，强调“设计性”-学生应用所学实验基本原理和技能拟定实验方案解决科学问题，强调“实验效率”-在规定的时间内，撰写实验设计方案、实施操作过程、提交实验论文报告，强调“团队合作”-4～6人为一科研小组，具体实施方案举例如下：

1.期末考核方式

分子生物学和基因工程实验设计考试要求学生在3小时内完成，允许携带实验书、实验报告、手机、电脑等工具。

2.期末考核评分标准

期末考试占总成绩的30%，即30分，分数评定包括以下三个部分：

①实验设计：随机分组随机抽题（现场抽题），以4～6人为一科研小组，通过设计实验解决科学问题，占20分。评分标准：如在规定的3小时内完成并解决科学问题，小组成员每人获20分；如只完成实验的1/2，小组成员每人获10分；操作规范性、着装（实验服）均要考核，该分数由教师评定。

②实验原理：教师随机提问实验原理及方法，学生口答，占5分。

③团队协作：组员互评，占5分。科研小组内，提供实验设计解决方案的学生获5分；主动实验的学生4分；被动受指挥的学生2分；不做实验、浑水摸鱼的学生0分，该分数由组内学生互评。务必分出组内等级。

3.期末考核题目（部分）

①请设计实验确定鸡蛋清中或鸡蛋黄中高丰度蛋白质的相对分子质量。

②请设计实验确定甲、乙两位同学提取基因组DNA或总RNA质量好坏，分析并说明原因。

③甲同学因疏忽未对提取的基因组DNA、总RNA样品做标记，请设计一实验，帮他分辨样品，并分析样品质量好坏，说明原因。

④甲同学根据目的基因碱基序列，设计了一对引物，碱基序列分别为：上游引物5′-TGCTGCAAGACCTGGTA-3′，下游引物5′-AGCAGCCTATCACGCAGGATA-3′，请根据Tm值相关理论，设定PCR实验退火温度的合理范围。已知该基因约500bp，退火温度55℃，设计实验克隆该基因并检验。

⑤设计实验确定混合核酸样品中，DNA片段的数量及分子量大小。

⑥设计实验提取黄瓜基因组DNA，并检验其质量。

⑦设计实验证明真核生物基因为断裂基因。

⑧根据第一次看家基因电泳图谱，设计并操作第二次PCR的加样体系，并说明原因。

⑨设计实验确定大肠杆菌菌液为含有目的基因的阳性克隆。

此外，基因工程实验考核学生还需整理所有的实验报告为课程论文。

三、结束语

武汉生物工程学院生物学是湖北省省级重点学科，分子生物学和基因工程分别获批省级资源共享课及省级精品課。在分子生物学与基因工程实验教学工程中，我们始终贯彻落实我校应用型人才培养目标，不断整合优化实验课程体系，改革实验考核方式，重在培养学生独立实验、分析解决问题的能力，提高学生实验设计、综合运用的能力，培养出生物产业高素质的应用型人才。用人单位对我院生物工程、生物技术专业的实习生和毕业生给予高度评价，认可学生分子生物学和基因工程知识储备及实验操作能力。此外，通过分子生物学、基因工程理论和实验的学习，许多学生立志考研并成功被国内外知名大学分子生物学相关专业录取，社会认可度高。

基金项目：湖北省教育厅项目（NO：2012391）

[参考文献]

[1]朱玉贤，李毅，郑晓峰，郭红卫.现代分子生物学（第4版）.高等教学出版社，2013.

[2]董妍玲，洪华珠.基因工程（第1版）.华中师范大学出版社，2013.

（作者单位：1.武汉生物工程学院生命科学与技术学院 湖北武汉，2.武汉生物工程学院继续教育学院 湖北武汉）