基于CDIO理念下“基因工程实验”多元教学模式的构建及实践＊

赵伟春

（浙江中医药大学滨江学院，浙江杭州 310053）

1 背景与意义

“基因工程实验”是我校滨江学院生物工程专业的必修课程。本实验课程要求学生掌握核酸的提取、基因分离、基因克隆、表达产物分离和鉴定等实验技能。该课程于2012年正式开设，较好地解决了过去实验教学依附于理论课程、课时少、内容孤立、交叉重复等问题，对学生实践动手能力的培养起到了积极地作用。但是，由于本课程开课时间短，存在教学内容简单孤立，教学方法不成体系，缺乏形成性评价等一系列问题。这与独立学院培养熟练掌握社会生产或社会活动的基础知识和基本技能，主要从事一线生产的应用型、技能型人才的培养目标不相适应。因此，如何从每一个教学环节入手，真正提高人才培养的质量，使学生走出校门之后能适应迅猛发展的科学技术，为国家的现代化建设做出贡献，是独立学院课程教学尤其是实验教学面临的一个重要课题。

近年来，以任务驱动的CDIO工程教育模式成为本科院校教学改革的新思路。CDIO工程教育理念是于2004年提出的一种新教学模式，代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运行（Operate）。它是借鉴现代工业产品的全生命周期的理念，为学生提供真实的工程情景，让其以实践的、主动的与课程之间有机联系的方式学习，是“做中学”和“基于项目的教育和学习”的集中体现。CDIO教学理念坚持以学生为主体，教师为主导，从实际或已有知识中发现和提出问题，引导学生应用所学知识探究规律和创新，教学中安排丰富的设计性和综合性实验，要求学生亲自动手和全身心投入，引导学生主动学习，提供更多的动手实践机会。因此，本课题组在“基因工程实验”课程中引入CDIO工程教育的理念，在不断更新教学内容的基础上，采用案例式、小组合作式等教学方法组织教学，改变终结性评价方式为形成性评价，从技能型人才的内在素质要求来提高人才的实用性，以适应社会的需求。

2 教学内容的整合

随着知识的日新月异，基因工程技术层出不穷。包括基因组DNA的提取、RNA的提取、目的基因的克隆、质粒载体的制备、限制性内切酶酶切、DNA和RNA的电泳回收、目的基因和载体的连接、

E.coli

感受态细胞的制备和转化、阳性克隆的PCR筛选、蛋白质的体外诱导表达、表达产物的分离和纯化、蛋白质电泳分析、基因组文库的构建、基因芯片的制备和应用、DNA测序技术、分子杂交技术等一系列的实验项目。而“基因工程实验”只有51学时。因此，本课程以CDIO教学理念为模式，强调实验教学与生产实践相结合，并结合我校办学特色，将教师在中医药领域的研究成果融入到实验教学中，将基因组DNA的提取、目的基因的克隆、质粒载体的制备、限制性内切酶酶切、DNA的电泳回收、目的基因和载体的连接、

E.coli

感受态细胞的制备和转化、阳性克隆的PCR筛选、蛋白质的体外诱导表达、表达产物的分离和纯化、蛋白质电泳分析等一系列的知识、技术放在生产实践的整体水平进行学习，形成以药用植物蛋白基因克隆表达的产品开发为主线的“基因工程实验”课程，并编制相应的CDIO培养大纲。同时，通过构建实验项目、课程设计和综合实训等环节落实教学内容，激发学生学习兴趣，使学生掌握扎实的基础理论知识，提高学生的创新能力。其余未能在课堂教学中实施的实验项目一方面通过网络虚拟实验室让学生自主学习，另一方面通过实验室开放项目、学生科技创新项目和毕业论文设计等方式在科研导师的指导下进行学习。

3 教学设计的创新

在教学环节的设计上，按照“以CDIO培养大纲为指南、以项目设计为导向、以工程能力培养为目标”的原则分为三个层次：

3.1 教师建立实验项目

实验项目是实验课程教学的基础，对学生基础专业技能的培养具有重要作用。实验项目分为验证性、综合性和设计性等。在本课程中，将课程的11个教学内容均设定为实验项目，每个实验项目又包含有不同的知识点和实验技能。例如，“质粒载体的制备”这一实验项目中，学生要掌握实验材料的灭菌、无菌操作、大肠杆菌的培养、菌体的收集、细胞的裂解、基因组DNA和蛋白质等杂质的去除、质粒载体的复性等一系列的理论知识和实验技能。通过教师讲解与演示、学生实地操作有机结合，学习各个知识点，以培养学生的实践动手能力和专业兴趣。

3.2 学生课程设计

在实验项目的基础上，学生以某一产品的开发为目的，综合运用课程的知识和技术（不同实验项目）完成一个完整的设计。通过课程设计，训练学生运用专业知识分析问题、解决问题的能力，提升和拓展学生的专业技能，全面检验学生的综合素质与工程实践能力。在本课程中，要求学生在教师提供药用植物的基础上，利用所学的基因工程理论知识设计一套切实可行的方案，完成药用植物蛋白基因的克隆表达过程。

3.3 学生综合实训

学生以课程设计为基础，综合运用课程相关知识完成项目的实战训练。在本课程中要求学生以药用植物蛋白克隆表达的生命周期为主线，严格按照基因工程技术的流程与规范，完成一个蛋白药物的少量生产，最后提交蛋白产品和相关的技术文档，并对测试结果进行分析。综合实训以项目为载体构建知识结构，将学科知识、专业技能与工程实践有效结合，体现基因工程领域中的工程学和方法学的实施，从而实现对学生技术与管理能力的训练和职业综合素质的培养。

4 教学方法的变革

推行“以学生为中心，以能力发展为主线”的CDIO教学方法改革，倡导以案例牵引、项目驱动、小组合作式学习等教学方法，改变传统“填鸭式”的教学方式，充分利用有限的课堂教学学时提升教学质量，提高学生的知识应用能力、创新思维能力、实践动手能力和团队合作能力。

4.1 案例牵引

按照CDIO大纲能力培养的层次要求，结合实践课程的教学目标，并充分体现我校的中医药特色，我们精心规划和设置了“药物植物蛋白的克隆表达”的教学案例，把教学内容巧妙地融合在案例之中，学生以完成案例任务为目标，在老师的指引下对目标问题进行分析与分解，并通过动手实践解决问题，真正做到“做中学”和“学中做”，培养学生的创新思维。

4.2 项目驱动

根据CDIO“做中学”和“基于项目的教育和学习”的思想，在基因工程实验教学中引入以项目为载体、任务为驱动的教学模式，在实战中以运用基因工程技术实现在大肠杆菌中生产药用植物蛋白的生命周期为主线，从项目启动到需求分析、构思、设计、实现、测试到运行维护的整个生产过程的构建和实战来培养学生的工程实践能力和综合素质。

4.3 小组合作式教学

团队协作能力是理工科类学生必备的一种能力。在实际教学过程中，我们通过学生自由组合的方式，将学生分为3人/组。教师将教学任务下达到各小组。学生在教师的指导下，根据任务分工的不同，分头查找资料，小组交流并讨论，通力合作以完成实验项目。问题解决后，学生还要对本小组及自己的学习过程进行自我反思和评价，总结所获得的知识和技能。通过这种方式发展学生的团队合作能力和自主学习能力。

5 评价体系的完善

采用多主体、多元化、动态化的教学评价体系对学生的知识、技能和素质全方面进行形成性评价。对学生的评价分为三大块进行：

5.1 教师测评

教师测评分为两部分，占总成绩的85%。其一，教师以个体的方式评价学生对专业知识与技能的掌握情况。主要包括出勤和实验态度（10～15%）、实验理论知识（课前预习考试、实验记录、期末实验论文，30～35%）、操作技能（课前实验材料准备、课堂操作、期末实验操作考试，40～45%）等。其二，以小组为单位，考核学生的实践能力、创新思维和团队精神，包括课程设计作品演示、项目论文答辩等（10～15%）。

5.2 学生自评

学生自评占总成绩的5%。在完成教学目标之后，学生对本人在合作学习过程中的表现做出自评，包括学习态度、理论知识掌握情况、实践操作技能和团队合作精神等。

5.3 小组互评

小组互评占总成绩的10%。各组成员对本组及本组成员在合作学习过程中的表现做出评价，同时对各合作小组进行组与组交叉评价。

6 结语

“基因工程实验”的教学实践证明，CDIO教学理念有利于学生个性的发扬和潜力的发挥，有利于学生创新能力的培养。学生较好地掌握了基因工程的基本概念、基本原理及基本操作技术，熟悉基因工程复杂的操作流程及其在工农业及医学中的应用，训练和提高了学生利用所学知识分析并解决研究、生产领域中实际问题的能力，使学生在今后继续深造和运用基因工程技术开展生命科学领域的科研、教学、生产、开发等工作中形成较强的竞争力。《基因工程实验》课程多维教学模式的有效构建和实施，也为其他实践教学类课程的建设提供了借鉴。