适应拔尖学生培养目标的分子生物学实验教学体系的探索

沈 喜， 易 静， 张春江， 向 云， 浦铜良， 张 华， 冯虎元

(兰州大学 生命科学学院，兰州 730000)

适应拔尖学生培养目标的分子生物学实验教学体系的探索

沈 喜， 易 静， 张春江， 向 云， 浦铜良， 张 华， 冯虎元

(兰州大学 生命科学学院，兰州 730000)

根据我院当前分子生物学实验课程的开设现状，结合生物萃英班拔尖人才的培养目标，探讨了本实验课程教学体系改革的一系列探索，希望通过教材建设、内容更新、教学体系优化、优秀师资的促进、师生交流加强各方面的措施，有效改善分子生物学实验的教学效果，提高拔尖本科生的实验综合能力和科研素养。

拔尖学生； 分子生物学； 实验教学； 实验内容系统化

0 引 言

我校“基础学科拔尖学生培养试验计划”从2011年开始实施，相关专业依托我校基础学科优势，致力于建立拔尖人才重点培养机制，吸引最优秀的学生投身基础科学研究，努力使进入计划的学生成长为未来基础学科领域的国际领军人才[1]。生物学“萃英班”就是其中一个学科方向的拔尖学生班级，是生物学拔尖学生自主学习、个性发展、成长成才的重要基地。鉴于拔尖班学生的培养目标和培养方式，实验课程与普通本科生实验课程有所不同，除了要掌握基本操作和实验技能外，更注重实验内容的研究性和前沿性，要求在实验内容中引入科研性实验。分子生物学实验是生物学“萃英班”开设在大学二年级下学期的主干基础课，具有实践性、技术性和探索性较强的特点。

我院分子生物学实验课程开设于1996年，培养理念和教学内容一直注重围绕基础原理知识、重点培养基本技术操作，属于传统的基础性实验教学模式。这种传统灌输型的教学模式面向生物萃英班学生显示出许多不足，不仅不能满足拔尖学生的求知欲望，而且难以凸显和符合拔尖学生的培养宗旨，显然不适应综合性、研究性、科研性实验的教学目标。因此，自2012年起，本课程对生物萃英班的教学进行了一系列改革和探索，建立了基础、综合、研究多层次实验构成的综合性实验教学体系。针对旨在提高学生的动手能力，培养学生的研究性思维，探索优秀学生的培养方案，本文做一个相应的探讨和总结。

1 偏重基础性实验教学模式存在的问题

1.1实验体系缺乏系统性

基础性实验内容含经典的验证性实验居多，设计的各实验内容之间相互独立，每次实验基本都是“照葫芦画瓢”式的学习方式[2]，学生掌握的核酸提取、目的基因片段的扩增、DNA的转化以及蛋白质的鉴定等一系列实验之间缺乏知识的连续性和逻辑性，一方面不利于帮助学生记忆缺乏逻辑联系的实验内容，另一方面，碎片式的灌输方式就像下一盘毫无章法的棋，使学生缺失了全局观念的培养，不利于学生理解如何应用实验技术来解决科研和实践中的问题。

1.2教学模式抑制了学生主观能动性的发挥

大学生从事实验学习，掌握主观能动的操作技能是理工科本科教育的一个基本特征[3]，原《分子生物学实验》的课时安排是36学时，5 d完成教学，在这样短的课时内要完成一系列实验内容，就不能保证实验的所有步骤都由学生自主完成。常规实验模式是由实验老师采集样本、培养材料、配制试剂、调试好各种仪器设备、处理实验废弃物，这些本属于培养实验室独立操作能力的环节，由于没有足够的课时而由老师代为完成，造成学生的实验技能掌握不完整，很大程度上限制学生动手能力的提高，不利于培养学生的主观能动性以及独立完成科研性实验的能力。

1.3实验过程缺乏科研的挑战性

基础性实验的实验设计基本为验证性实验，实验材料都是由老师统一培养和处理，实验过程多由老师主导、学生被动重复，实验产物没有其他用途，质量要求不高。最后全班同学的实验结果差别很小，使学生很难从相似的结果中发现问题、分析问题和解决问题，并且造成同学之间相互借用数据和照片，甚至相互抄袭实验报告以完成任务，不能较好地达到实验培训的目的，不利于探究性和创造性思维的培养。

2 注重研究性实验教学的改革措施

2.1实验教材的建设

实验教材是培养人才的知识载体，是实验教学的依据，也是培养学生动手能力的主要工具[4]。本院开设的《分子生物学实验》一直采用过去编写的实验讲义，内容以基础性、验证性实验为主。根据新形势的需要，分子实验老师结合多年的教学、科研经验，编写了《基础分子生物学实验教程》，于2014年兰州大学出版社正式出版。新实验教材具有以下特点：① 实验内容分为基础性实验和综合性实验等不同层次，知识架构体现循序渐进，不仅适用于普通本科生的基础实验教学，也适用于拔尖学生的综合性和研究性教学；② 选入近几年兴起的一些研究型实验技术(如酵母双杂交技术)，有利于课堂知识与科技前沿的衔接；③ 注重实验原理和实验流程图文并茂式的阐述，在某些关键的实验步骤后注解注意事项和操作技巧；④ 增加大量实验装置、设备以及实验结果照片，表现形式更加直观容易记忆；⑤ 增加实验发展的背景知识，加强可读性和趣味性。经过3年的使用，新教材收到了学生的广泛好评。实验教材建设是实验教学体系建设的基础和工具，只有不断总结教学经验，教材内容体现先进性和拓展性，才能为多种模式的教学打下良好基础[5]。

2.2实验体系的优化

实验体系改变各个实验相互独立的模式，而是设计了以基础实验为本，以科研工作中成熟的分子克隆为主线，具有系统性和综合性的实验项目。系统性、综合性实验不同于基础性实验的一个重要变化就是前后相连，内容贯通[6]。生物萃英班开设的实验：“绿色荧光蛋白(GFP)基因表达载体的构建及在原核生物中的表达鉴定”(见图1)，从目的基因片段的获取，到表达克隆的构建和筛选，目的蛋白的诱导表达，最后对目的蛋白进行Western-blotting检测表达差异，不仅涵盖了原基础实验所有的实验技术，而且通过内容整合、完善、补充，成为一个系统的综合性实验。这样，每个实验之间的内容相互联系，有机地将各个独立实验结合起来，在培养学生动手能力和训练基本技能的同时，又系统学习了解决科学问题的整套实验流程。对于培养学生的科研兴趣，提高其科研思维、分析问题和解决问题的能力都具有重要的意义[7]。

图1 绿色荧光蛋白(GFP)基因表达载体的构建及在原核生物中的表达鉴定

2.3实验教学模式的改进

(1) 增加实验课时。萃英班实验课时从基础班的36学时增加到54学时，6 d完成，课时的扩充，一方面为完善的实验体系、较全面的实验内容提供了时间的保证，另一方面，学生有时间自主配置常用试剂，充分学习实验室常规仪器的规范使用和保养，例如加样枪的调校和润滑油的添加、分析天平的调节和清理等，并能严格按照实验室安全规则科学处理实验废弃品。全方位参与实验准备、实验操作、仪器管理、实验室安全管理的各个环节，提高了学生对实验环节的熟悉程度和科研素养，培养学生的基本科研能力，使学生能尽快适应未来的研究工作[8]。

(2) 增添实验器材。进一步改善实验条件，增加实验器材和耗材的投入，避免因共用仪器数量少造成的使用限制，减少有的学生整个实验结束后，还未能掌握常用仪器如何正确使用的现象。每个小组配置一套微量移液器，保证每位学生都有操作机会，提高规范、熟练使用仪器的能力，减少操作误差。适当添加试剂盒的应用，以研究实验室的标准拓宽本科生的操作范围。

(3) 更新实验内容。生物萃英班降低了验证性实验比例，通过深入整合和创新验证性实验内容，使实验项目能够体现专业特点[]，将研究、综合性实验比例提高至80%。并且在几年的实践中，有选择地去除了实验现象不明显的表达蛋白如人血清IgG、HSP70蛋白，选择科研中常用的、实验现象明显的报告基因GFP、RFP转化原核细胞，然后进行时间梯度诱导表达，最终的结果直观有趣。当GFP蛋白成功表达后，装有菌液的doff管变成了荧光棒，让学生们在新奇中体会到了成功的喜悦，对实验的印象十分深刻，吸引学生全身心关注实验过程，激发了实验热情。

2.4优秀师资力量对实验过程的“四化”促进

俗话说：名师出高徒。具有高素质、高度责任感的教师队伍是培养拔尖人才的关键，优秀的师资配置加强了基础与科研的有力结合。据《兰州大学“基础学科拔尖学生培养试验计划”实施方案》，生物萃英班配备了相对稳定的优秀授课教师团队[1]，授课教师团队立足校内优秀教师资源，有利于将科研思维带入教学的各个环节，使实验过程更具有挑战性。

(1) 实验设计科研化。基础教学与科研一直是相辅相成，互相促进的关系。本实验课程的任课老师全部具有博士学位，并承担研究生的培养任务，研究领域涉及植物学、微生物学等，所以在实验设计中有意识地加入目的蛋白在原核生物中的表达、基因芯片鉴定原核细胞等一些研究领域的技术路线，既让初学者实现了实验教材的实践操作，又掌握了在科研中的运用途径。这种具有科研目的的实验课程，会让学生明确学习目的，培养学生的综合实验能力[10]。

(2) 实验思维全局化。为了培养学生解决科学问题的全局性思维，提高解决实际问题的能力而设置多种问题，例如在表达载体构建实验中，涉及的基本技术为限制性内切酶酶切和连接，如果只限于这两个技术本身，操作简单枯燥。而在科研中，成功构建一个表达载体不仅要求目的基因按照正确方向连接，而且要使连接的目的基因在受体细胞中经IPTG诱导后正确表达。所以，在实验前引导学生了解：① 表达载体和克隆载体应用的区别；② 如何选择合适的表达载体；③ 选择合适的限制性内切酶进行单酶切还是双酶切；④ 采用同尾酶酶切得到同样的黏性末端还是双酶切得到不同黏性末端？经各种选择的对比最后确定实验方案。通过这种启发式的教学方法，培养学生了解设计实验的整体思路，以及实验材料的选取策略和实验成败的关键问题，达到“授之以渔”的目的。

(3) 实验要求高标准化。分子生物学实验不同于其他基础实验的是，实验过程中现象不明显，经常通过结果才能推断操作过程中的正误。所以对萃英班学生的培训注重操作细节，不能仅仅达到“会”操作，而要学会从不同的实验结果分析成败原因，使实验产物达到一定的质量，以满足下一步实验的需要。例如质粒DNA的提取对质量和浓度都有一定要求：① 在同样体积的菌液中，提取的DNA浓度是否足够用于做酶切底物，操作的注意点就是如何充分裂解细胞；② 质粒DNA的质量，如果纯化步骤里没有注意抽提的要点，很有可能未除尽盐、杂蛋白和苯酚，影响下一步酶反应的完成。细化每一个实验步骤的操作原理和要求，加强了学生对实验的重视程度，有利于培养学生严谨求实的实验态度[11]。

(4) 实验考核论文化。撰写实验报告可以帮助学生夯实理论知识、培养学生的综合应用能力[12]，对于生物萃英班学生，更需要改变大量篇幅抄写实验材料、步骤的方式。学习按照科学问题的提出、实验设计的路径、收集和处理实验照片、整理实验数据等科研论文的模式进行撰写，并且通过查阅相关的经典论著、期刊论文、专业性网页论坛，初步学会分析和讨论实验结果，将基础知识与前沿研究相结合，思考有价值的突破点。这种初步尝试，对学生以后自主设计实验、申请和实践本科生科研项目都是有益的尝试和帮助，了解学术论文是什么以及如何构架学术论文获得了宝贵的经验。

3 小班制特点加深交流与促进

国际上生命科学实验教学多采取小班化实验课程为主，以小组合作的形式完成特定的任务[13]。我校生物萃英班通常有15位学生，这种小班制的特点使学生之间、师生之间的交流更加紧密，形成了学生自主学习、合作学习、师生互动、学生互动的同伴教学模式的学习氛围[14]。

3.1激发学生交流

除了学习兴趣以外，同伴间的对比、竞争以及实验中的挫败往往是激发学生实验兴趣的重要因素。哈佛大学埃里克.马祖尔(Eric Mazue)教授创立的同伴教学法[15]，就鼓励学生合作学习，增加交流互动，改善传统教学手段和教学模式。

萃英班采用的综合性实验会因一系列实验操作和产物质量的不同，导致最后的实验结果充满了不确定性，例如表达载体经过前几个实验的构建、转化后筛选克隆，有的同学在一个培养皿里多达几十个白色菌斑，有的同学只有几个，有的同学蓝白斑全有，而有的同学居然无任何结果。一个小班级里成功和失败的鲜明对比，强烈激发了同学之间相互讨论、交流操作经验的热情，培养了相互帮助解决问题的团队协作精神。促进学生主动翻阅文献和一些专业网站，查找提高连接效率和转化率的技巧和方法以及操作中的注意要点，举一反三，达到了较好的实验效果。

3.2促进师生互动

生物萃英班配备两三位实验教师，充足的师资增加了师生交流的机会，改变老师讲、学生照单做的单一形式，而是在教学环节中加入了学生讲解，老师演示，再反过来学生操作，教师到各小组讲评等多角度的互动环节。这种课堂上师生角色互换的方式，促使学生课前主动预习，课堂上能快速掌握操作技巧，真正成为实验课堂的主人。

4 结 语

综上所述，我院针对拔尖人才培养，进行了一系列分子生物学实验教学改革的探索，设置基础、综合、研究多层次有机结合的综合性实验的教学内容，努力实现以学生为主体，教师为引导的教学模式。但是，要完成综合性、研究性实验，使学生学会解决实验中途出现的种种问题和困难，尽可能得到较好的最终结果，这就对教师的知识面、实际科研水平、快速解决突发问题的能力有了较高的要求[16]。所以，教学有法，贵在得法，教师事先预设的教学方法，只能作为教学预案。当走进实验室，面对一个个具有活跃思维的鲜活的生命体，教师需要按照学生知识水平和班级的差异，不断调节和选择行之有效的教学体系和方法，才能逐步达到较好的教学效果。

[1] 龙瑞军，安黎哲，张稳刚，等．“基础学科拔尖学生培养试验计划”的探索与思考——以兰州大学为例[J]．高等理科教育，2015，122(4)：97-102.

[2] 杜照奎，李钧敏，蒋 明．分子生物学综合性实验教学与改革[J]．实验室研究与探索，2015，34(7)：165-168.

[3] 赵建华．西方大学本科实验教学有效性研究综述[J]．实验室研究与探索，2012，31(10)：92-94.

[4] 周国安．加强学生科学实验能力培养[J]．实验室科学，2006(1)：28-29.

[5] 董海瑞，齐晓慧，毛 琼．线性系统理论实验教材建设的几点考虑[J]．中国教育技术装备，2016(3)：151-152.

[6] 陈火英，葛海燕，周选围．信息技术环境下分子生物学实验教学改革探析[J]．高校实验室工作研究，2012，31(10)：1-3.

[7] 沈 喜，朱景红，浦铜良，等．优化实验设计，提高学生实验兴趣——以western blotting检测人血清IgG实验为例[J]．教育教学论坛，2015(24)：251-252.

[8] 陈 艳．大学生科研训练的实践与思考[J]．教育教学论坛，2015，42(10)：265-266.

[9] 王增宝，赵修太，付帅师，等．改革实验教学模式提高大学生的实验兴趣与创新能力[J]．实验室科学，2015，18(1)：91-93.

[10] 牛焕双，李 宇，杜 林，等．科研实验转化成综合化学教学实验的探索[J]．实验室研究与探索，2014，33(2)：150-154.

[11] 钱 洁，房建民，陈志宏．生物技术综合性和设计性实验教学改革与实践[J]．实验室研究与探索，2014，33(1)：207-210.

[12] 汪朝阳，祝凤荣，张向阳，等．实验报告在多元化考核与评价中的功能[J]．实验科学与技术，2008，6(5)：119-121.

[13] 王 芳，李 滨．国外高校实验教学经验及启示[J]．实验室科学，2012，15(5)：1-3.

[14] 刘艳峰．同伴教学法在大学物理实验课程中的应用[J]．高等理科教育，2015，120(2)：72-74.

[15] 埃里克·马祖尔．同伴教学法——大学物理教学指南[M]．朱敏，陈险峰，译．北京：机械工业出版社，2011：23.

[16] 韩宏岩，许维岸．生物类本科生综合实验设计与实践的探索[J]．实验室研究与探索，2014，33(3)：168-171.

ExplorationontheExperimentalTeachingSystemofMolecularBiologyfortheGoalofCultivatingTop-notchStudents

SHENXi,YIJing,ZHANGChunjiang,XIANGYun,PUTongliang，ZHANGHua，FENGHuyuan

(School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

According to the current molecular biology experiment courses, and combined with the training strategy of the CuiYing biological class, we discussed on a series of explorations on the improvement of the teaching system. We hope that by constructing textbook, optimizing the experimental teaching system, promoting by the excellent teachers and strengthening the communication between teacher and student, the teaching effect, overall experimental ability and research literacy could be effectively improved.

top-notch students； molecular biology； experiment teaching; experimental content system

G 642

A

1006-7167(2017)09-0149-04

2016-09-28

国家基础学科人才培养基金(J1210077，J1210033，J1103502)；兰州大学实验技术创新项目(201317)；兰州大学2016年度教学研究项目(201617)

沈 喜(1973-)，女，浙江绍兴人，博士，高级实验师，研究方向：分子生物学实验教学及实验室仪器管理。Tel.：13919093509；E-mail：shenxi@lzu.edu.cn