生物工程专业“分子生物学实验”课程建设及优化

曹张军，张兴群，王 露，邓云霞，卞永刚，陈 婷，张云龙，黄志伟

(东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620)

一、 “分子生物学实验”课程建设的重要性

分子生物学、细胞生物学和神经生物学构成了当代生命科学的三大主题，是引领生命科学发展方向的重要基础性学科，其研究方法和理论成果的全面渗透推动了生命科学其他领域的发展。分子生物学的研究对象是核酸、蛋白质等构成生命体系的基本大分子，关注的焦点是大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系。作为现代生命科学领域中最具活力的学科，分子生物学不仅为人类从分子水平揭示生命本质提供了可能，也为人类由被动适应自然、利用自然转向主动改造、重组自然界提供了技术手段和理论依据[1]。

生命科学属于实验性学科，如同生命科学课程体系中的其他实验性课程一样，分子生物学理论均来自实验结果的观察及推理，分子生物学研究离不开实验技术支撑，分子生物学理论又为新技术、新方法的建立提供了理论指引。对于分子生物学及其实验技术与生物工程之间的关系往往存在一种误解，即分子生物学及其实验技术属于生命科学基础性学科，与属于工学范畴的生物工程关联度并不是很强。实际上，正是基因重组、蛋白修饰、细胞融合等技术的成熟与发展，使得生物工程由传统走向了现代。根据需要设计改进天然的或构建新的可操作性的生物工程系统(核酸、蛋白质、脂质体及多糖复合物等)，乃至新代谢步骤与途径，并对其加以工程化应用，已经成为生物工程领域的重要内容，分子生物学理论及方法对生物工程的指导作用越来越不可忽视。因此，加强“分子生物学实验”课程建设对培养既掌握包括分子生物学理论和方法在内的生命科学基本原理和技术，又具有工程化视野的生物工程专业创新型人才具有重要的意义。

二、 “分子生物学实验”课程建设的措施

1. 紧跟科研发展，更新实验内容

随着分子生物学由前沿学科转变为成熟学科，我国高校在分子生物学及实验技术的课程设置、内容界定、教材选用等方面日臻成熟。如同生命科学课程体系中的其他实验课程一样，分子生物学研究离不开各种分子生物学实验技术的支撑。以“分子生物学实验”课为依托，培养和训练学生正确的思维方式、熟练的实验操作技能，并在解决现实问题中加以综合运用的能力是教学体系的关键环节和重要过程。因此，“分子生物学实验”课程教学内容设置、教学效果优劣直接影响到学生对分子生物学基本概念、基础知识的理解，以及对各种分子生物学操作技能的掌握和运用。为了提升教学质量，契合高等院校培养具有创新思维和创新能力专业人才的目标，结合我校(东华大学)实际和学生特点，自2014年开始，对“分子生物学实验”课程教学进行了改革和优化，实现了本科“分子生物学实验”课程教学从单个验证性实验到综合探索性实验的转变(见表1)。

表1 “分子生物学实验”课程的教学内容变化

2. 紧扣培养目标，激发学生学习兴趣

我校生物工程专业培养掌握生物工程的科学原理、工艺技术和工程设计等基础理论、基本技能的工科类学生。工科类学生往往缺乏对于学习分子生物学技术和方法的兴趣。实际上，分子生物学技术在构建基因工程菌、代谢梳理调控及合成生物学中均有重要应用。因此，通过实验课激发学生学习和掌握分子生物学技术的兴趣和热情，做到理论联系实际、融会贯通，理解并掌握理论知识非常重要。

由于分子生物学是从分子水平认识和探讨生命体系的化学组成、信息传递及基因调控等涉及生命本质的问题，加之与诸如生物化学、遗传学、细胞生物学等学科联系紧密，形成的概念多、内容广、知识点零碎、理论抽象难懂等特点，导致记忆量大、理解困难等问题，多数学生感到分子生物学理论课很难学好，学习兴趣下降。通过“分子生物学实验”课教学，帮助学生理解抽象的分子生物学理论，进而激发学习兴趣。

(1) 借助实验操作和可见的实验结果，将分子生物学某些概念具体化、形象化，有助于学生对理论知识的理解记忆、接受吸纳。如理论课教学中讲到质粒环状超螺旋结构，可以通过实验课中质粒的琼脂糖凝胶电泳位置不同的三个条带，形象地展示质粒的开环状、线状和超螺旋状三种形式。

(2) 增加学生的实验参与度。一般情况下，与理论课程配套的实验课教学，往往是任课教师或助教将相关试剂和实验材料准备妥当，学生到实验室后按照事先规定的流程进行操作，学生往往处于被动状态。实际上，准备实验和实验过程对于实验课的教学效果同样重要。把学生分成若干小组，由于高校一般实行的是学分制管理，每个小组内的学生课余时间并非完全一致，在实验课教师的指导下，每组可以安排若干学生参与实验试剂和实验材料的准备，这样不仅可提高学生实验参与度和互相交流的机会，提高学生的学习热情，培养学生的自主学习能力和团队合作能力，而且试剂配制过程也是一个引导学生思考的过程，如实验所用各种试剂的作用、特点、添加顺序等。尽管试剂盒的大量使用极大地提高了分子生物学研究效率，但考虑到在基本的本科分子生物学实验中大量使用试剂盒不利于学生基本操作能力的训练，同时也会弱化学生对实验操作原理的理解和思考，因此我们不主张大量使用试剂盒。如细菌质粒DNA提取实验，在选用试剂盒的情况下，很少有学生会深入思考用于破菌的三种溶液有哪些成分，这些成分的作用原理又是什么。另外，在分子生物学实验(如电泳、酶切过程等)进行过程中有较多的等待时间，可充分利用这些时间向学生讲解实验中的注意事项、进行课堂提问、播放实验教学视频等，引导学生思考，以提高实验教学效率。

(3) 实验课指导教师必须精心准备，做到心中有数，基本的实验项目必须选取经典项目且最可靠的操作方案，并经预实验充分论证其可靠性。对于实验过程中可能出现的各种问题准备好相应的预案，提高实验的成功率，尤其是验证性实验。实验教科书和实验指导书往往较少涉及分子生物学实验操作过程的细节和手法，而这又恰恰是决定实验成败的关键。如质粒DNA提取过程中的破菌过程，利用可调式微量移液器准确吸量液体，尤其是吸取内切酶时枪头的位置，蛋白质凝胶电泳过程中如何避免出现“微笑”条带和“皱眉”条带等，要求教师必须重点关注，甚至要手把手演示清楚。

3. 结合科研设计实验体系，提高教学效果

针对分子生物学新技术、新方法不断涌现的现实情况，在充分论证的基础上，不断改革优化分子生物学实验内容是提高实验教学效果的关键。通常，隶属于工科的生物工程专业均以核酸分子操作作为主线设计安排分子生物学实验内容。考虑到分子生物学实验开设对象通常是微生物及生物工程专业学生，在以DNA重组技术为主线设计实验的前提下，利用教学小组承担的国家自然科学基金项目“S.maltophilia DHHJ胞外胞内酶降解羽毛角蛋白协同增效作用机制解析”[2-3]中涉及的实验方法“基于16S rRNA序列分析聚类鉴定细菌种类”，以项目中的细菌为对象，重新编排和增加实验内容，形成前后呼应、环环相扣的实验体系[4-5]。前一个实验结果为后一个实验提供相应的实验材料和保障(如细菌基因组DNA提取结果就是PCR实验的模板，而PCR实验的结果就是连接T载体材料)，前一实验若不能按质完成，后续实验则无法进行，这促使学生认真对待每一个实验操作，提高实验成功率。该实验体系以具体功能性细菌为对象，实验内容涉及细菌基因组DNA提取、PCR扩增技术、DNA琼脂糖凝胶电泳、扩增产物的胶回收、DNA片段连接、感受态细胞制备、感受态细胞转化、质粒DNA提取、阳性克隆质粒鉴定等基本实验项目。利用课题开发的mini Tn10插入突变实验菌株，并得到4 000多个目标菌突变株；利用同源重组突变技术通过PCR产物一步法对细菌基因组敲除[6]，同时利用sRNA定量干扰目标基因表达[7]。这三个实验体系的建立，可分别从正向遗传及反向遗传角度对功能菌株分子机制进行解析，对提高本科生实验教学质量及相关教师科研项目都大有裨益。

实验体系的构建改变了过去分子生物学实验单一、分散、耗时、效率低的弊端，实验内容成为前后相连、内容贯通的综合系列模式。这不仅有助于学生对相关知识点的理解，而且通过搭建这种寓具体分散的实验项目于系统实验体系的方式，形成了基本的基因工程实验设计框架，使学生对实验每一步操作涉及的基本原理以及实验方法之间彼此的内在关联性有了更明确的认识，为毕业论文乃至今后从事科学研究打下坚实基础。实践表明，分子生物学实验教改的实施明显提高了学生综合实验能力和创新思维能力。

4. 完善实验教学考核方式

教学评价不仅是评价学生对教学内容的掌握程度，对于实验课来说更重要的是学生的学习态度，将来从事科研的严谨性，同时也是对教师教学效果的评价，以为后期改进教学环节服务，因此仅用实验报告评价学生实验成绩显然不科学。在我们的评价体系中，不仅重视实验操作、实验结果分析及实验报告撰写，还采取实验课程结束后，实验教师当场出题，学生在实验室现场操作的方式，对学生掌握实验操作的能力进行考核。在此基础上，把对实验室公共事务的态度及合作交流能力写入评价标准中。通过对学生动手能力、操作习惯、创新能力等多角度的考核，从而合理地评定学生的课程成绩，做到公平、公正。

实验课成绩的评分标准：(1)平时成绩，由实验操作(占25%)及平时表现(占25%)构成。实验操作包括仪器操作及实验掌握。平时成绩基准分为80分，旷课一次扣5分，迟到一次扣2～3分，打扫卫生，积极进行实验中出现的公共问题的处理，加5～10分。(2)实验报告成绩(占50%)。实验成绩评定体系的完善，增加了师生互动，调动了学生参与实验的积极性，提高了实验课教学效果。

三、 结语

“分子生物学实验”课程是生物相关专业的重要实践环节，是课堂理论教学的延伸和拓展。近年来，通过对“分子生物学实验”课程改革的研究与实践，较好地支撑了培养目标。作为生命科学学科体系中发展最为迅速的学科，分子生物学的理论更新及实验体系不断完善是必然的，对待教学内容亦应采取与时俱进的态度。因此，在后续的教学实践过程中，我们将根据新技术、新方法的稳定性，适时添加到实验教学内容中。