分子生物学模块化教学改革的探索与实践

2018-03-08段瑞君李长忠

生物学杂志 2018年1期

段瑞君，杨希，梁健，李长忠

(青海大学生态环境工程学院，西宁 810016)

模块化教学模式(modules of employable skills，MES)出现于20世纪70年代，指将课程内容的知识点与相关的知识点组合起来，形成知识模块，进一步按照程序模块化的构想和原则设计教学内容、组合知识模块的一种教学模式。也就是指在既定的授课原则下，将涵盖的教学内容按照一定的标准或规则进行分解，然后组合成多个相对独立的教学知识模块，且各教学模块之间还可以按照一定的规则有选择性进行重新组合[1-2]。模块化教学法体现的针对性、灵活性和现实性与传统的教学方法相比，特点鲜明，因而越来越受到教师的关注[3]，近年来模块化教学模式在高校生命科学领域的诸多课程的教学中得到应用，如细胞生物学、微生物学、酶工程等，进行了相关教学理论的研究和实践的探索[4-7]，取得了较好的教学效果。

分子生物学是20世纪50年代初建立起来的一门新兴学科，是在遗传学、细胞生物学和生物化学三大学科基础上形成的一门独立的学科体系，分子生物学课程目前也已成为生命科学领域各专业最为基础、最为重要、最为前沿的主干课程之一[8-9]。分子生物学传统的教学模式，教学知识点繁多，没有明确地划分知识点模块，未能突出课程各章节间的联系，没有很好地体现围绕主要知识点及相关知识点的有机结合而形成相对独立的知识整体，不利于学生对知识的掌握。我们自2003年开设分子生物学课程以来，在多年课程教学改革的基础上[10-11]，提出了分子生物学模块化教学模式的改革思路，取得了初步成效。

1 分子生物学教学模式的现状

分子生物学属于新兴学科，教学内容的组织十分重要，且极具学科特色，特点是知识内容更新快，不仅需要参考诸多英文参考书内容，更需要随时关注国际最新分子生物学研究成果，需要教师在授课内容上不仅注重基本的理论，同时需要不断更新知识。另外分子生物学的研究技术应用性强，要求课程实验在整个教学任务中占据较高比重，需要在课程讲授中注重学生实验技能和理论基础的掌握。

目前，分子生物学课堂教学现状是基本依照教材章节的顺序进行讲授，这种方式导致上课内容相对零散，最新前沿动态和学科发展的内容不易穿插进去，相关知识点的有机结合不明显，从教学效果来看，学生对知识点的理解也是有限的，不能取得很好的启发和拓展效果。

分子生物学教学改革中也报道了采用了启发式、互动式、以问题为导向等教学方法[12-14]，这些方法的使用对教学效果的提高，具有一定的帮助，但授课内容的组织大多仍然沿用传统的模式，通过教学内容知识点的有机结合和选择组合来提高教学效果的目的尚未体现。

2 分子生物学模块化教学思路

现代生物学各课程的教学，随着科学技术的发展水平的提高和教育观念的转变，传统的讲授式教学不断地向各种新的教学培养模式发展。分子生物学课程作为生物科学领域的核心课程，具有概念抽象、术语生僻和内容繁杂等特点，如果将课程知识点按课程结构和教学内容分解为若干个相关知识模块，分析并构建这些知识模块之间的关联，使之形成一个网络化的有机整体，不仅符合学科的发展，更有利于学生掌握、理解和应用。

基于分子生物学课程的授课内容分成理论课和实验课两部分，在模块化教学改革中我们首先对理论课程建立了模块化教学方案，即主要围绕核酸的分子生物学内容，通过对国内外教材、教案的研究，将分子生物学理论课程分为4个知识模块(图1)，一是遗传信息的传递(中心法则)；二是以DNA重组技术为主的分子生物学实验技术；三是基因的表达与调控；四是分子生物学的应用与进展。

其次我们根据生命科学相关专业的特点对分子生物学实验教学体系提出了“3+1”实验教学体系[11]，即划分为4个教学模块，一是基础性实验；二是综合性实验；三是设计性实验；四是创新性实验。整个实验体系以基因克隆操作为核心，按照实验体系将涉及的基因克隆知识内容分为：分、切、接、转和检5个基本操作技术小模块(图1)。

简而言之，模块化教学首先将分子生物学教学内容的次序进行了合理调整，先基础后综合，符合学生对系统知识的认知规律。其次，突出了教学的重难点，使教学更有目的性、学习更有导向性。我们力求让分子生物学教学从有利于学生学习的角度出发，既强调模块内知识的紧密联系，又注重模块之间各知识点的相互呼应，这样课堂教学的效果不是局限在某一个孤立的知识点，而是站在整个课程的高度对知识进行融会贯通，方便学生掌握。

图1 分子生物学模块化教学设置

3 分子生物学模块化教学的实施及效果

3.1 教材的选择

多年的教学实践表明，选取适合本科生的分子生物学教材对于学生系统地掌握本学科的知识体系及最新研究动态至关重要，适宜的教材可以起到事半功倍的作用。目前我们主要选用北京大学朱玉贤等主编的《现代分子生物学》，它的知识体系完整，内容前沿，尤其是第四版突出强调了分子生物学研究技术和原理，在基因组学和蛋白质组学部分也扩充了一部分相关内容，这些知识点均体现了分子生物学的最新技术和研究成果。

3.2 分子生物学模块化教学内容的组织

分子生物学理论教学的第一模块“遗传信息的传递”主要围绕“中心法则”，以复制、转录、翻译三大基本过程为主，兼顾染色体、DNA、基因和基因组、DNA转座、DNA损伤与修复、DNA重组等基础知识点。根据所选教材，主要包括3个章节内容：第二章染色体与DNA；第三章生物信息的传递(上)——从DNA到RNA；第四章生物信息的传递(下)——从mRNA到蛋白质。由于其主要内容与生物化学多有重叠，可以采用双语教学的教学方式，有效提高学生的专业英语表达能力。

第二模块“分子生物学研究技术”主要包括核酸、蛋白质操作技术和基因功能研究技术两部分，结合分子生物学实验教学，以基因克隆为主。根据所选教材，主要包括2个章节内容：第五章分子生物学研究法(上)——DNA、RNA及蛋白质操作技术；第六章分子生物学研究法(下)——基因功能研究技术。由于课时少、内容多，主要采用分组讨论准备、学生PPT制作和翻转式教学方法，在节省课时的同时有效提高了学生的积极性。

第三模块“基因表达与调控”为课程重点，主要包括原核基因表达调控模式和真核基因表达调控模式两部分内容，原核基因表达调控模式以操纵子为主，主要讲授乳糖操纵子和色氨酸操纵子两大典型操纵子，真核基因表达调控模式以顺式作用元件和反式作用因子为主，兼顾表观遗传调控、基因沉默等内容。根据所选教材，主要包括2个章节内容：第七章基因的表达与调控(上)——原核基因表达调控模式；第八章基因的表达与调控(下)——真核基因表达调控的一般规律。为提高学生对重点内容的认知程度，教学中主要采用动画演示、辅以课堂练习题等多种方式来巩固知识认知。

第四模块“分子生物学的应用与进展”中应用部分包括基因与人类健康、基因与发育两章内容，进展部分以基因组内容为主。根据所选教材，主要包括3个章节内容：第九章疾病与人类健康；第十章基因与发育；第十一章基因组与比较基因组学。由于其教学内容涉及医学、发育生物学等相关学科，主要采用撰写小论文、课堂讨论、结合科研等方式进行教学。

分子生物学实验教学的第一模块“基础性”实验主要通过让学生动手练习基本的分子生物学实验操作，结合分子生物学课程实验，采取分项训练的方式，对分子克隆实验各环节(分、切、接、转、检等小模块)进行单项教学，从而使学生对课堂教学内容有更为深入和细节的认识。具体实验内容设计如下：

实验1 分子生物学实验基本操作

实验2 基因组DNA提取和纯度鉴定

实验3 琼脂糖凝胶电泳检测DNA

实验4 聚合酶链式(PCR)反应扩增DNA片段

实验5 大肠杆菌感受态细胞的制备及转化

实验6 质粒DNA的提取与鉴定

第二模块“综合性”实验利用连贯的系统性实验，开设综合性大实验课程，以分子克隆实验(分、切、接、转、检)为主，学生从提取基因组DNA到扩增目的基因，再到构建工程菌以及重组子检测的操作等进行连续操作，使学生将课程实验中的单项内容串联起来，同时掌握了成套实验技能。

第三模块“设计性”实验是在前两步的基础之上，结合后续实验课程，如基因工程实验，让学生通过查询文献等自行设计小实验并对分子克隆实验内容进行验证，扩展对分子生物学理论的认知。

第四模块“创新性”实验为高阶技能，主要针对理论知识扎实、实验操作优良的学生开展，可通过科研立项活动或毕业论文方式，让一部分同学探索更深入的分子生物学研究技术。

3.3 教学方式的多样化

根据具体模块的教学内容运用了讨论式、发现式、案例式等多种教学方法。例如课程组教师可通过分析课程各部分内容的特点，将教学内容划分为学生可自学部分、适宜课堂讨论部分、需要教师主讲部分等多种部分，激发学生的学习兴趣营造轻松、活跃的教学氛围。

3.4 模块化改革的教学效果

目前在我校2012—2014级生物技术、生物工程、生物制药专业应用情况良好，2015年对本院不同班级采取模块式教学对比，期末考核方式一致，结果表明采用模块式教学改革方式后学生对分子生物学课程的知识掌握明显增强，不及格率明显降低。尤其重要的是模块化教学改革大大激发了学生们的学习兴趣和积极性，学生的综合应用能力和实践能力得到提升，同时学生通过积极参与相关教师的科研项目，已获得多项国家和省级大学生创新项目，充分体现了教学改革效果。

4 展望

在具体的分子生物学教学过程当中，应当围绕最终的教学目的，强调教学模块的相对独立性和相互间的联系，使课程理论讲授变得松紧适度和通俗易懂，充分激发学生的学习主动性，让学生乐在其中，快速接受专业观点。同时加强相关模块之间教学内容的呼应，巩固和提高学生学习能力，通过有机地综合利用各个模块，实现学生对分子生物学相关研发和应用的认识与掌握。总而言之，模块化教学不仅可以调动学生的积极性，又能够充分发挥学生的创造性，让学生形成分子生物学学科完整的认知结构体系。

从整体上来看，逐步转变分子生物学教学理念，建立科学的分子生物学模块化教学模式，通过完善分子生物学课程体系，加大分子生物学课程群建设力度，促进教学方式变革，改变课程考核方式，注重分子生物学的实用性，充分调动学生自主学习分子生物学的兴趣，培养学生良好的分子生物学科研素质，将进一步满足分子生物学发展对大学研究型人才的需求，输送高质量的高校毕业生。

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