阶段式分子生物学实验教学新模式的探索

周强 易浪波

摘要：本文在分析分子生物学实验教学的现实困难的基础上，构建了阶段式实验教学新模式，将整个实验教学分为认知、训练、应用三阶段，并详细介绍了每个阶段的实验内容、培养要求、考核办法、实施要点等。该教学模式为分子生物学实验教学的改革提供参考。

关键词：分子生物学；实验教学；阶段式教学模式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0279-02

分子生物学是在生物分子水平上研究生命現象的科学，主要研究核酸、蛋白质等的结构、功能、调控等，其已成为生命科学领域的基础学科和重要研究技术。主要涉及生物学、药学、基础医学、作物学等15个一级学科和生物科学、生物工程、农学等40余个专业，又与生物化学、生物信息学、遗传学、基因工程等近百门课程相关。在高等教育中，分子生物学是一门非常重要的基础课或专业课程，也是理论与实验结合非常紧密的课程。实验课程不仅能帮助学生理解分子生物学抽象的原理知识，还能训练学生掌握分子生物学的实验技术，培养实践能力和创新精神。

一、目前分子生物学实验教学中存在的主要困难

1.教学课时数量较少。分子生物学实验过程步骤多、耗时较长，一次课程通常需3小时以上。比如完成PCR实验教学和操作至少需要4小时。而目前，绝大部分高校的实验课时在32-64学时，仅能开设10-15个实验项目，这只能满足分子生物学的基础实验教学。学生也仅能按照实验指导完成一次操作过程，缺少必要的独立实验操作练习。

2.教学内容不够深入。大部分高校的实验课程仅开设了一些基础性实验内容，这与分子生物学研究技术的快速发展现状是极不相符的[1]。有的实验还采用比较费时费力的老技术，近些年新的研究技术也没有补充进课堂。

3.考核体系较简单。目前的考核主要是从出勤、课程预习、实验报告和期末考查来评价学生的实验课程成绩，难以真实反映学生对实验的掌握能力[1]。考核内容较简单，激励措施缺失，促进学生主动学习的动力不足。

二、阶段式分子生物学实验教学模式的内涵

针对实验教学中的困难，我们建立了一种新的分子生物学实验教学模式。其特点是将整个实验教学分为认知、训练和应用三个阶段。实验内容从经典实验、探究实验、科研实验逐步加深。对实验能力的要求从理解、掌握、运用逐步提高。考核包括实验报告、课程论文、理论考核、结果汇报、技能考察等多项内容，考核评价体系更加科学、全面。该教学模式能够根据学生的兴趣和需求，进行差异化教学，促进学生主动学习，提高实验教学效果。

第一阶段为认知阶段，主要在课堂学时内完成。实验内容主要包括两部分。主体实验内容是DNA、RNA的提取、琼脂糖核酸电泳、目标基因的PCR扩增、SDS-PAGE电泳检测等常规的分子生物学实验，重在理论的讲解和操作要点的指导。让学生能够理解实验方法和实验操作的原理及要求，初步完成整个实验流程。辅助实验内容为虚拟实验，主要是针对因设备要求高、实验难度大等暂时没有条件开设的实验，比如基因编辑、单克隆抗体制备等。通过虚拟实验，可以开拓学生的视野。第一阶段的考核以实验报告和针对实验理论和操作要点进行课堂问答（或理论考试）为主[2]，可占课程期末总成绩的30%-40%。

第二阶段为训练阶段，主要在课堂学时之外，在指导教师的指导下，在开放实验室进行探究实验。2-3名学生组成实验小组，在6-10大类的选修实验中，自选2-3个不同类型的实验项目，利用课余时间自主查找资料、设计实验方案、开展实验研究、分析数据结果，最后在课堂上进行汇报。通过课外的自主实验练习，使得学生能够掌握基础的分子生物实验技术，也初步了解科学研究的过程。这些实验项目应与分子生物学的应用密切，包括利用16SDNA鉴定微生物的种类、克隆生物中的特定基因、检测目标基因在RNA水平表达的变化等多个大类实验项目。在大类项目下，学生可以选择或设计具体的实验内容。比如鉴定微生物的种类，可以鉴定酸奶、腊肉、土壤等多种样品中的微生物。这类实验根据学校的特色或学生的专业有针对性的设置，难度不高，工作量适中，操作性强，成功率较高。其综合了多种分子生物学的研究技术，学生练习充分，对学生实验能力的锻炼有较好的效果。该阶段的考核由实验进展和技能考核两部分组成。实验进展可占总成绩的20%-30%，主要考核项目实施的工作量、实验进展和结果等。技能考核可占总成绩的20%-30%，主要是随机抽取1-2项实验操作进行考察。

第三阶段为应用阶段，主要是在课堂教学之外，学生根据自己的兴趣选择科研导师。在导师的指导下，选择合适的科研课题进行科研训练。该类项目工作量较大，具有一定的创新和难度。要求学生能够综合应用分子生物学技术针对具体的科学问题展开研究。比如对植物某一基因的功能进行研究，可能涉及核酸的提取检测、PCR扩增、载体构建、转基因操作、蛋白质印迹检测等多项研究手段，有效的提高了学生的科研素养和创新能力。对于该阶段的考核有不同的形式。一种形式是实验项目能够在一个学期内完成的，可以作为课程论文考核。根据学生的表现和实验进展情况，由导师给予评价，成绩计入课程期末总成绩，所占成绩比例为20%-30%。另一种形式是将其作为创新学分或毕业论文。通过有关考核程序，单独给予学分。

三、阶段式分子生物学实验教学模式的实施要点

1.第一阶段的教学中，首先，要精炼实验内容，重视各实验项目中的系统性。在有限的实验课堂教学中，选择讲授的实验基本能够覆盖分子生物学的基础技术，体现分子生物研究中的共性技术。就目前的现状而言，大部分高校以分子克隆为主体，蛋白质相关实验为辅。所以，对分子克隆的主要操作环节必须讲解到位，关键实验技术必须指导到位。可以以一个具体基因的克隆过程作为教学内容，按照真实的实验次序开设实验，确保实验的系统性和逻辑性。也相当于带领学生参与完成了一次真实的科学研究，使学生对科研有了更加直观的认识。这一阶段切忌把实验项目开设得多而全和高精尖。对于不能在该阶段完成的实验项目，可以安排在第二阶段的训练中。其次，教学形式要丰富。目前的教学中，多是教师讲授实验原理、目的、试剂、步骤等，然后学生在规定时间完成实验操作，形式单一，学生较为被动。在教学可以引进虚拟实验室、微课慕课、翻转式教学、讨论式教学等先进的教学技术和理念，充分调动学生学习的积极性。比如，课前通过预习、视频学习和虚拟实验室练习，使得学生初步了解试验内容和操作过程，在真实实验课堂中，就会得心应手，各种操作忙而不乱，提高了课堂效率和学习效果。

2.第二阶段的教学中，首先，如何保障实验室的开放运行是关键。该阶段的实验时间多在课堂、甚至工作时间之外，这就需要从经费、制度、人员多方面进行配合。经费由课程承担，实验耗材需充分计划，纳入课程预算；在仪器的使用、实验室的安全管理等方面要建立严格的制度，如进入实验室的学生需进行仪器操作培训和实验室安全学习考试。同时，对于实验室管理人员和指导教师应按照实验室开放的周期和指导项目计算加班工作量。其次，指导老师的队伍要加强。该阶段的实验涉及分子生物学的各个研究领域，内容较多，差异较大，仅1-2位实验教师难以承担指导工作。所以，必须将相关的博士、教授等纳入实验教师队伍，组建6-10人以上的教学团队。根据各人的研究专长，指导学生自主开展实验。在指导过程中，强调学生的中心地位，多以探讨式、启发式的形式进行辅导，以提高学生分析、解决问题的能力。

3.第三阶段的教学中，保障、考核和激励体系是重点。在该阶段，实验经费主要依靠科研导师的课题和学生申请大学生科研项目支持。实验场所主要是导师的科研实验室和学院平台的开放实验室。其中，导师的支持更为重要。所以，可以实施本科生导师制，鼓励、支持教师利用课题资源指导本科生的学习。考核分为导师考核和项目检查进行。导师考核由导师根据其日常工作表现给予评价。而项目检查是由专家组对项目进行开题报告、中期进展和结果答辩。对于考核不合格的，不予计学分。激励主要通过举行、参加各种竞赛，对获奖学生进行表彰，并在评优评先、奖学金评定等方面予以加分。

参考文献：

[1]张贺翠，杨昆，刘文清，等.分子生物学实验教改中存在的问题及对策研究[J].安徽农业科学，2015，（4）：391-392.

[2]高利臣，肖璐，冯涛.分子生物学实验教学改革的几点思考[J].实验室研究与探索，2010，29（4）：104-107.