试论以基因发现历程为主线的综合生物实验教学改革

刘文广　鲍永利　王克慧　鄢然　刘文宇　丁晓玲　庞泽龙

摘要：生命科学的实验教学是增强学生感性认识、促进学生有效学习、培养学生实践能力的重要手段，是帮助学生养成创新意识、培养未来高素质科技人才的重要环节。本文提出了“以基因发现历程为主线的”综合生物实验教学改革的理念，认为可以围绕某一个特定基因来部分地整合多门生命科学二级学科的实验课程。希望这一理念能够帮助高校探索出一套更加系统而完整的生命科学实验教学体系。

关键词：基因发现；主线；实验课程；综合教学改革；生命科学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）50-0084-03

一、前言

生命科学本身是一门实验性科学，开设实验课是使学生增强感性认识、有效学习知识的重要教学手段，也是将学生培养成未来科技与教育人才的重要教学环节。如何提高学生的学习兴趣，帮助学生更加有效地学习知识，使其自觉地形成较为全面、系统、综合的科研思维意识，以及使学生领会如何探讨一个完整的生命科学问题，是教师面临的一项挑战。我国《中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》提出，“坚持以人为本、全面实施素质教育是教育改革发展的战略主题”，要“着力提高学生的学习能力、实践能力、创新能力”，并“倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学，帮助学生学会学习，激发学生的好奇心，培养学生的兴趣爱好”。针对这一要求，我们在理论上探讨了“以基因发现历程为主线的”综合实验教学改革，希望在多门生物学二级学科的实验课程中，在各自原有教学大纲基础上，适当调整一些教学内容，使这些内容能够统一地围绕一个特定基因，让学生了解和学习该基因的发现及其功能分析的背景知识、来龙去脉和实验技能，帮助学生融会贯通地学习理论知识，从而寓探索一个完整科学问题的意识于教学之中，并期待这种方式有利于培养具备全面了解、系统思考、综合设计和未来创新能力的人才。

二、生物实验教学的现状分析

现阶段我国高校生物实验课程的设置，是以二级学科为中心，各门课程之间相对独立，缺乏必要的交流和联系。多数学生在修完各门课程之后，因很少有机会综合地应用各科知识，很难将各个学科有机联系在一起，所以对众多课程缺乏相应的梳理和整合，学生的知识结构略显扁平化和分散化（图1）。我国传统教育观念重视理论教学，轻视实验教学[1]。这种观念影响到了生物实验的教材内容和课堂教学方式。现今我国高校生物实验教学大多采用基础性、验证性和演示性实验教材。教材内容相当固定，在各二级学科的实验课程之间，彼此缺乏有效的过渡和衔接，甚至个别实验内容出现重复现象[2，3]。在实验课堂上，教师一般会用一部分时间针对某一实验的原理、步骤、注意事项、结果分析和讨论等内容进行具体讲解和说明，然后学生按照教材给出的实验流程演示一遍[2，4]。在这样的实验教学实践中，教师无法充分地启发学生探索一个完整科学问题的意识，学生一般处于被动接受的地位，其主观能动性未得到很好的发挥，其学习兴趣未被充分地激发出来[4]。我们发现，目前的探索焦点主要针对于某一门二级学科课程的综合性实验设计，力图将同一门课程内的实验进行整合，从而形成较为完整的实验教学体系，以此训练学生全面、系统、综合的科研思维能力[5，6]。总的来说，这些探索都没有考虑到将多门课程融合在一起，尚未构思出一套更加系统而完整的实验教学体系，缺乏探索一个完整科学问题的意识。综上所述，我们认为，目前的生物实验教学在适应高素质科技人才培养上尚有待提高的地方，教师有必要认识到学生在今后独立从事科技工作时，其科研思维的局限性会制约其发展。

三、综合生物实验教学改革的理论基础

据观察，当代生命科学研究基本上是以基因为中心进行的，围绕基因的高水平研究又是多以基因的发现历程为主线展开的。所谓基因发现历程的概念，我们可以通过随后的举例来粗略说明。首先，根据遗传病家系调查或者临床诊断数据等资料，采用经典遗传学的定位分析方法和先进的基因组测序方法，发现和确定突变的候选基因；采用生物信息学的方法，分析候选基因的结构，预测其功能；采用分子生物学的方法，克隆候选基因的完整基因组结构片段或者全长编码cDNA片段，并选用分子克隆、基因敲除、沉默、编辑或者转基因等技术，改变候选基因在細胞或个体中的结构状态或表达状态；采用细胞生物学和组织解剖学的方法，分别观察候选基因的突变或表达改变所引起的细胞和个体生命活动的异常；采用细胞生物学的方法，确定候选基因表达的组织特异性及其蛋白表达产物在细胞内的定位；采用分子生物学和生物化学的方法，分别分析候选基因的表达调控机制及其蛋白表达产物的作用机制；最后，在总结基因的功能和致病机理基础上，展望甚至尝试基因治疗等应用。这个例子清楚地说明，基因发现是一个系统而完整的、涉及多个生命科学二级学科的科学问题（图1）。

正是因为基因发现历程涵盖着一个完整的生命科学问题，并且可以将生命科学的很多二级学科联系在一起，所以我们在理论上提出了“以基因发现历程为主线的”综合实验教学新方式。这一方式可以在保持原有教学大纲不变的情况下，在多门生物学二级学科的实验课程中适当调整一些教学内容，使这些内容共同围绕一个特定基因，让学生了解和学习该基因的发现及其功能分析的背景知识、来龙去脉和实验技能。这些内容将体现出更强的综合性、更深更广的探究性、更浓的趣味性，并且能够寓探索一个完整科学问题的意识于本科教学之中。在一个完整科学问题意识的指引下，学生的视野将得到开阔，学生的知识结构将得到改善（图1）。

基因发现历程是一个系统而完整的、涉及多个生命科学二级学科的问题，以基因发现历程为主线的综合生物实验教学改革可以改善学生的知识结构。

四、综合生物实验教学改革方案的理论探讨

1.课程改革的构思。在基本保持原有实验课程教学大纲不变的情况下，首先确定一种基因，并沿着该基因的发现历程这一主线，选择多门可能相互联系的实验课程，适当调整其中的一些教学内容，使这些内容均围绕这个基因展开。结合专门从事过转录因子相关科学研究的经历，我们理论上初步构思了“以基因发现历程为主线的”综合实验教学大纲（表1）。这个大纲仅仅是为了说明问题而拟就的，供读者参考。这个大纲表明，相关教师可以将遗传学实验、分子生物学实验和细胞生物学实验等课程联系在一起，可以共同选取转录因子X基因，并针对该基因，各自适当调整相关教材内容。在课堂上，每位相关教师要较好地说明所教内容与本课程的其他内容或者其他课程内容的前后关联，使学生能够一直带着同样的一个科学问题，在不同的实验课程中，饶有兴趣地学习。

本表为示例而已，仅供参考。各学校可结合自身特色，尝试着将多门不同的二级学科统一起来。各学校不必苛求按照基因发现历程这一主线设计综合实验课程体系，只要以一个共同基因为中心，尽可能将多门相关二级学科的实验课程联系在一起，亦可达到本文中教学改革的目的。

综合生物实验教学改革的效果评价。我们曾经就本文和22位东北师范大学2015级本科生开展了理论研讨活动。大家一致认为，本文能够提醒自己要培养探讨一个完整科学问题的意识，并普遍感觉，“以基因发现历程为主线的”综合实验教学改革有助于初步培养自己全面、系统、综合的科研思维意识。接下来，我们拟提出调查问卷，使之作为综合教学改革效果的评价办法。从教师层面了解，在所有相关实验课程结束后，通过一次实验课考试或者一份综合实验报告，是否看到学生在思考问题的时候变得更加全面、系统和综合。从学生层面了解，同以前相比，是否提高了实验课的学习兴趣；是否能够领悟到全面、系统、综合地思考一个科学问题的重要性；同以前相比，是否更加喜欢科学研究。

五、结语

本文分析了生物实验教学的现状，探讨了综合生物实验教学改革的理论基础，明确了实验教学改革的目的，在此基础上，构思了“以基因发现历程为主线的”综合实验教学大纲及其效果的评价办法。我们期望本文有助于高校探索出一套整合多门二级学科的、更加系统和综合的生物實验教学课程体系。这一体系能够寓探索一个完整科学问题的思想于其中，从而进一步提高学生的学习兴趣和融会贯通的学习能力，增强其全面、系统、综合的科研思维意识。

参考文献：

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[4]王筱冰，张坤，王攀.细胞生物学实验课教学改革初探[J].现代生物医学进展，2011，（19）：3780-3782.

[5]王甜，林宏辉，王茂林，王瑛，解丽芳.拔尖创新人才分子生物学实验教学的探索与实践[J].生物学杂志，2012，29（3）：96-98.

[6]张雅利，孔宇，亓树艳，莫晓燕.生物工程综合实验课程的构建与实施[J].教育教学论坛，2014.

Abstract：Experimental education in biology is an important means for students to enhance their perceptual knowledge，to promote their effective learning，and to foster their practice ability，and it is also an important link to help students in development of the innovation consciousness so as to get them prepared as talents in science and technology in the future. In this article，an idea on the integrative reform of experimental courses in biology based on a gene discovery main thread is provided，deeming that a particular gene could be used to partially integrate several courses into a multidisciplinary one. This idea incorporates a sense of complete exploration of a scientific issue in the course.This idea is also expected to help universities find out a more systematic and integrated set of experimental courses in life sciences.

Key words：gene discovery；main thread；experimental courses；integrative teaching reform；biology