分子生物学实验教学改革的探索

傅晶 许晓东 刘佳明

摘要：文章从改善教学条件、丰富教学内容、引入先进的教学理念等方面对分子生物学实验教学进行了改革，在提高学生的分析和解决问题的能力、培养学生创新能力上取得了较好的效果。

关键词：分子生物学实验；教学改革；教学内容

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）22-0123-02

分子生物学是在分子层面上解析生命现象的科学，其主要研究内容围绕着生物大分子的复制、转录、翻译和调控的过程展开。分子生物学是高等教育中生物学专业的学生接触到的第二门专业课，其理论与生物化学、遗传学紧密地交织。全面系统地掌握分子生物学知识为进一步学习基因工程、细胞生物学、发育生物学、结构生物学、生物信息学等前沿学科奠定基础。分子生物学实验课程与分子生物学理论课程相配套，力求让学生通过实验操作过程更好地理解分子生物学的理论知识。然而现实中的实验教学的效果并不理想，本文将就如何解决分子生物学实验教学中出现的问题进行探讨和改革。

一、分子生物学实验课程的目标和定位

分子生物学是旨在阐明生物体内的核酸、蛋白质等生物大分子物质的结构与功能、遗传信息传递途径以及基因表达调控方式的一门学科，能从分子水平揭示生物体产生遗传、发育、生长、变异等现象的机制[1]。分子生物学领域的任何新的发现都为生物学的发展带来新突破。目前分子生物学技术已经成为了揭示生物界奥秘、动植物和微生物改良、控制和治疗疾病的重要手段。高校的生物学专业开设分子生物学实验课程的目的是为了让学生掌握基本的分子生物学实验技能，形成良好的科研素质，为今后从事科学研究打下坚实的基础。该门课程主要在生物专业的二年级下学期开设，紧密围绕同期开设的分子生物学理论课程，通过为期一周的综合性大实验让学生将理论与实际紧密结合起来，为培养具有良好的科研素质的研究型人才打下基础。

二、分子生物学实验教学中存在的问题

现行的分子生物学实验课程主要涉及质粒提取、限制性内切酶酶切、聚合酶链式反应（PCR）、TA克隆、大肠杆菌感受态细胞的制备、核酸电泳、地高辛标记的southern杂交、植物基因组和总RNA的提取、反转录等环节[2-3]。传统的授课方式是教师简要地讲授实验原理和方案步骤，演示关键的实验操作，学生遵照实验指导和老师的示范完成实验，老师和学生一起分析实验的结果。在多年的教学实践过程中，笔者发现了这门实验教学存在诸多问题，比如：由于条件所限，每组学生人数太多（4个或更多），许多学生没有动手机会，出现每组只有一个学生操作，其他学生观看的现象；由于实验周期较长，并且很多实验结果都是通过比较类似的核酸凝胶电泳图来呈现，常常出现学生对不同的实验结果张冠李戴的现象；近年来，分子生物学领域出现了许多新理念和新技术，传统的分子生物学实验课程所讲授的实验技术较陈旧，跟不上学科的发展；据绝大多数之后走上生物学科学研究道路的学生反映，这门实验课只让他们熟悉了简单的实验操作，真正需要独立开展相关科研工作的时候，他们仍不知道该如何开始。

三、分子生物学实验教学的改革措施

针对现行的分子生物学实验课出现的诸多问题，对该课程进行教学改革刻不容缓，我们对该课程从以下几个方面进行了改革：

1.加大实验室的配套建设，增加学生的动手机会。近年来，学校和相关院系加大了对分子生物学教学实验室的投入，完善其硬件设施的建设，确保实验仪器、材料、试剂的充分供给，实现了实验分组的最小化；在实验课程安排上，尽量让每个同学独立操作，即使有些实验环节需要小组成员合作，也要求每个组员都参与到其中，各司其责；在撰写实验报告时，每个同学都有独立的实验结果，有效地避免了雷同实验报告的出现。

2.强化学生对于实验结果的分析理解。充分发挥多媒体教学信息量大、形象生动的优势，将同学们的实验结果直观地显示出来，逐一分析比较每个人的结果，即使是不理想的结果也帮助学生找到产生问题的可能原因和解决办法。采用案例教学法，在幻灯片中展示已发表的高水平文章中的相关图片和数据，让学生领会到实验中正、负对照的重要性，找到假阳性和假阴性产生的原因，意识到根据所要阐明的问题的不同，同样的实验数据可以有不同处理方式，引导学生形成严谨的科学思维和活学活用的能力[4]。

3.增设运用到新理论新方法的实验项目。现行的分子生物学实验重点介绍了基于DNA连接酶的分子克隆技术，该实验让学生了解了分子生物学实验中的常规的工具酶如Taq DNA聚合酶、T4 DNA连接酶的活性和特点。然而近年来，分子生物学发展突飞猛进，涌现出了一系列新的实验技术与方法，逐渐取代了传统的酶切连接技术，比如一步法克隆技术已经被广泛地应用于各种载体的构建中。该方法利用同源重组的原理，可以在质粒的任何位点进行一个或多个目标DNA的片段的插入，而不需要任何限制性内切酶和连接酶，具有位点选择灵活、快速简便、精确和克隆效率高等特点[5]。因此，在原有实验内容的基础上，增设了一步法克隆实验，通过与同时实施的传统的酶切连接实验相比较，让学生体会到新方法的便捷和强大，还有助于学生对于DNA同源重组这一教学难点的理解。

现代的分子生物学研究已进入功能基因组时代，对基因的编码产物蛋白功能的分析已成为高水平研究中的关键环节，也是基因功能的最终体现。然而传统的分子生物学实验并没有涉及这方面的内容。免疫沉淀技术可以从生物体的上千种不同的蛋白质中，富集纯化处于天然状态的特定蛋白，有利于进一步的蛋白功能的诠释。在传统分子生物学实验中开展的southern杂交实验有许多等待的时间，我们同时并行开展了免疫沉淀和western杂交的实验，既让课堂时间得到更高效的利用，又开拓了学生的视野。

4.培養学生的综合运用能力。传统的分子生物学实验已形成了较为详细的实验指导，大部分学生只要按部就班就能完成实验。然而实验指导中的每个操作步骤的原理——即为什么要这样操作，以及每个试剂成分的用途，学生基本上不清楚。因此我们将这些细节问题作为教学重点，让学生知其然并且知其所以然。比如在分子生物学实验中的CTAB法提取植物基因组的教学环节，我们详细讲解CTAB法的原理，之后采取问题式和讨论式教学法，提出如何提取叶绿体的基因组，学生通过查阅资料整理出详尽的实验方案。这个过程既有助于学生们形成举一反三的能力，又能加深学生对于生物界中既有共性又有特性的问题的理解，还能加强学生发散性思维和创造性思维的培养[6]。又如在讲授分子克隆技术时，采用模拟教学法，针对不同的实验目的，让学生自己设计实验方案，包括载体的选择、引物设计、酶切位点的选择等等。通过这种教学互动，可以提高学生的学习积极性，增强学生解决实际问题的能力。

四、结束语

分子生物学实验课程的设计思想是紧密结合学科的理论基础，紧跟学科的发展，将科研中成熟的先进方法和技术通过实验教学传授给学生。然而近年来，传统的分子生物学实验课程逐渐暴露出一些问题和急需完善的方面，通过对该课程进行教学改革，充分地调动了学生的积极性和主观能动性，满足了学科迅猛发展的需要，为培养出兼具严谨与创新精神的科研人才打下基础。

参考文献：

[1]朱玉贤.现代分子生物学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]李钧敏.分子生物学实验[M].杭州：浙江大学出版社，2010.

[3]赵莹莹，何剑斌，于业辉，等.高等农业院校分子生物学教学改革实践[J].沈阳农业大学学报：社会科学版，2014，16（6）：713-716.

[4]伦镜盛，胡忠，钟名其，等.基于整合思维的分子生物学实验教学改革[J].实验室研究与探索，2015，34（8）：173-178.

[5]Li Ming，Shen Xiaodong，Zhao Yan et al.Better understanding of homologous recombination through a 12-week laboratory course for undergraduates majoring in biotechnology[J].Biochemistry and Molecular Biology Education，2017，45（4）：329-335.

[6]巴格托，考夫曼.培养学生的创造力[M].陈菲，周晔晗，李娴，译.上海：华东师范大学出版社，2013.