基因工程实验教学整合与优化的改革与探索

2019-09-19任国领侯晓哲赵晓菊胡敏曲丽娜张虹

安徽农业科学 2019年16期

任国领　侯晓哲　赵晓菊　胡敏　曲丽娜　张虹

摘要基因工程是以分子生物學和遗传学为理论基础的专业必修课，其知识抽象复杂，理论性和实践性较强。基因工程实验作为基因工程教学的重要环节，可以帮助学生形象地去理解抽象难懂的理论知识。分析了基因工程实验教学中存在的问题，如授课内容老化、教学方法被动和考核方式单一等。基于基因工程实验课程的整合与优化，借助教师的科研优势进行基因工程实验教学的改革与探索，从教学内容、教学方法和考核方式等方面进行了改革，以期实现实验内容的整合与优化，以学生为中心的教学方法和以能力为导向的考核方式构建和完善。

关键词科研;基因工程;实验教学;教学改革

中图分类号 S-01文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）16-0275-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.078

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Reform and Exploration of the Integration and Optimization of Genetic Engineering Experiment Teaching

REN Guo ling1，2，HOU Xiao zhe3，ZHAO Xiao ju1 et al （1.Institute of Biological Engineering，Daqing Normal University，Daqing，Heilongjiang 163712;2.Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Oilfield Applied Chemistry and Technology，Daqing，Heilongjiang 163712; 3.Daqing Middle School of Heilongjiang Province，Daqing，Heilongjiang 163712）

Abstract Genetic engineering is a compulsory course based on molecular biology and genetics，which is abstract and complex，and it has deeper theory and better practicality.As an important part of genetic engineering teaching，genetic engineering experiment can help students to understand abstract and difficult theoretical knowledge.

The existing problems in the experiment teaching of genetic engineering at present were analyzed，such as aging teaching contents，passive teaching methods and single assessment methods.Based on the integration and optimization of the experimental class of genetic engineering，this paper carried out the reform and exploration of the experimental teaching of genetic engineering with the help of teachers scientific research advantages，and explored the reform from the aspects of teaching contents，teaching methods and assessment methods，so as to achieve the reform effect of the integration and optimization of experimental contents，the foundation and improvement of student centered teaching methods and ability oriented assessment methods.

Key words Scientific research;Genetic engineering;Experimental teaching;Teaching reform

基因工程是生命科学领域发展迅速和应用性较强的一门前沿学科，是以分子生物学和遗传学为理论基础的专业必修课程[1]。基因工程是以DNA重组技术为基础，按照人类意愿改变生物的性状，在工业、农业、医药、环保和能源等方面具有广阔的应用前景[2]。随着功能基因组学、生物信息学和基因编辑等新技术的不断涌现，基因工程的应用性和实践性进一步提升[3]。基因工程实验在基因工程教学中发挥着重要的作用，能够培养学生的动手能力、创新思维、创新意识和创新能力，锻炼学生的实践能力和科研思维，提升学生的综合素质。

目前，基因工程实验教学存在不少问题，比如实验内容分散老化，设计缺乏创新，被动非开放学习为主，演示性、验证性实验偏多，综合性、设计性实验比例偏低，教学方法陈旧，考核方式单一[4]。教师科研体现的是本专业最新的前沿方向和研究进展，教师将自己的科研项目引入到基因工程实验教学中，使研究内容的综合性和设计性更强，学生参与度更高，可以很好地锻炼学生的自主设计能力、实践动手能力和科研思维意识，使基因工程实验教学更有利于核心技能的学习和掌握，培养学生的研究性学习能力，提高基因工程实验课程的教学质量。

通过几年的教学实践，笔者将教师的相关科研项目“基于分子生物学的环境样品中细菌群落结构分析”引入基因工程实验教学中，对基因工程实验的教学内容进行整合与优化，对教学方法进行了大胆改革和有益探索，学生通过自主选取实验样品类型，自主设计实验方案，独立开展实验活动，独立完成实验总结。将原有独立分散的几个实验整合到“基于分子生物学的环境样品中细菌群落结构分析”科研项目中，提升了项目综合性和设计性，提高了学生的学习兴趣和自主设计实验的能力，达到了项目驱动式和启发式教学的目的，有效地提高了实验教学的效率。

1 基因工程实验教学中存在的问题

1.1 实验内容老化且分散，验证性实验偏多

传统的基因工程实验主要包括总DNA基因的提取与纯化、PCR 扩增、PCR产物的纯化与DNA片段的连接、感受态细胞制备与转化、质粒的提取或者基因表达产物检测等与基因克隆技术相关的基础实验[5]。虽然这些基础实验注重的是基础理论知识和基本技能，但缺乏贴近基因工程应用性和生物信息学前沿性的创新性实验，缺乏贴近行业的设计性实验;另外，实验项目内容孤立分散，验证性实验偏多，实验之间缺少内在联系，将各个实验割离导致学生缺少对实验的系统认识，学生对实验的目的与精髓不能很好地把握，学生学习的兴趣与积极性不高，实验效果不够理想[6]。

1.2 教学方法传统且枯燥，学生主动性较少传统的基因工程实验教学方法是教师课前准备相关样品、试剂和耗材，课堂讲解实验目的、实验原理、实验步骤和注意事项等，教师演示实验仪器的使用和实验步骤等，学生模仿教师的做法完成整个实验，最后写个实验报告上交[7-8]。这种传统的实验教学方法枯燥乏味，学生缺少独立思考，一味地进行机械模仿，导致学生缺少新奇感、主动性和创新精神，主动学习的意识和运用已学知识解决实际问题的能力完全缺失，学生探求科学的精神也被彻底扼杀。

1.3 考核方式单一且低效，学生能力无法充分体现

基因工程实验考试采用出勤、课堂表现和实验报告作为平时成绩，占总成绩的30%;期末考试主要包括笔试和操作考试，占总成绩的70%[9]。这种考核方式单一低效，缺乏教学考核评价的合理性和客观性，不能全面反映学生的实际动手能力、创新能力、思考分析能力、自主设计能力和科研综合素质，更不能很好地调动学生实验的积极性和主动性[10]。

2 基因工程实验教学的改革与探索

2.1 基因工程实验教学内容的整合与优化

教师将科研项目和科研成果设计实验内容，在教学内容上摒弃以往人为将实验教学分割成独立的实验，而是结合教师科研工作将基因工程实验整合成一个科研项目式的综合大实验——基于分子生物学的环境样品中细菌群落结构分析。通过不同环境微生物的基因克隆文库构建和分析整个过程，学生可以自主选择不同环境（油藏采出液、三元污水、油井注入水和含聚污水等）的实验样品，学生分组自主设计实验方案。让学生从整体上把握基因工程实验课程，学会自己设计实验方案、自学实验方法、独立学习实验技能，帮助学生树立正确的科研理念，注重锻炼学生的逻辑思维能力，注重实验的连贯性和整体性。整个实验内容经整合与优化后，主要包括：①从环境（油藏采出液、三元污水、油井注入水和含聚污水等）样品中提取微生物的基因组 DNA 及鉴定;②利用 PCR 技术扩增16S rDNA基因;③16S rDNA基因片段的回收及其与pMD18T载体的连接;④大肠杆菌感受态细胞的制备;⑤重组质粒 pMD-18T-16S rDNA的转化;⑥重组子的蓝白斑筛选及质粒的提取;⑦16S rDNA基因的生物信息学分析及群落结构解析。实验围绕环境样品中总基因组DNA的提取、16S rDNA基因的扩增、重组、转化、筛选及基因比对和生物信息学分析等内容展开，实验内容前后紧密衔接，实验的全部流程一个环节与另一个环节紧密相连，实验步骤前后连贯，从实验样品选擇、实验方案设计、实验方法选取、实验流程操作、实验结果分析到实验报告撰写再到最终的实验总结均是遵循“以学生为主体，教师为主导”的现代教育理念[11-12]。

2.2 基因工程实验教学方法的改革与实践

由于科研促进了基因工程实验内容的整合与优化，使整个基因工程实验整合成科研项目的形式，有利于促进基因工程实验教学方法的改革与优化。笔者改变了传统的、非开放式的课堂教学方法，转变为开放式实验室教学。第一节课由教师布置该学期基因工程实验课的整体目标，学生分组选择实验样品，制定实验方案，自主选择实验方法，所有实验均由学生自己独立完成，且准备实验也由学生完成。然后，教师讲解基因工程实验所用各种仪器设备的使用方法和注意事项，如高速离心机、灭菌锅、纯水仪、超净工作台、核酸纯化仪、 PCR仪、循环水浴锅和凝胶成像系统等。学生自己练习操作各种仪器设备，学生能熟练使用仪器设备后，经教师考核合格后就可以让学生进入开放实验室。做实验前，教师不限制学生对试剂、药品和仪器设备的使用，让学生准备各种试剂、耗材、灭菌等，包括配制培养基，制备感受态细胞，灭菌消毒枪头、PCR管和离心管等。实验过程中在教师的指导下完成整个实验操作，教师只需要规范操作，指导学生分析实验结果。每次实验操作完成后，教师都会针对各组学生（每组3～4人）实验过程中出现的问题，先让学生自己进行独立思考和自由讨论，学生自己讨论解决不了的问题，再引导学生和教师之间进行互动交流，以启发式和研讨式找出解决问题的办法，加深了学生对抽象理论知识的理解。实验报告在教师的指导下，由学生分组讨论后，以小组形式独立完成，锻炼了学生的团结协作精神。

2.3 基因工程实验考核方式的优化与提升

开放式的实验教学模式需要更加过程化的以创新能力培养为重心的实验课程考核新模式[13]。此类项目考核时，教师可以针对不同选题进行不同评价，主要从查阅文献、方案设计、方法选取、动手操作、问题解决、实验结果、实验小结、团结合作和创新能力等方面进行考核，进一步完善了开放式的管理制度与全程参与式的考核方式[14]。这种全过程性考核成绩的方法，既能反映学生的实际水平和能力，又能调动学生学习的主动性和积极性，为学生开展创新性活动奠定了坚实的专业基础。

3 实施基因工程实验课教学改革的成效分析

通过实施此次基因工程实验教学改革，让教师教学与科研相长，教学孵育科研，科研反馈教学，使基因工程实验的教学内容、教学方法和考核方式等实现了有效创新与完善。通过此次对实验教学的创新，让学生更好地参与实验环节，此次改革以大庆师范学院2013级、2014级和2015级生物技术专业学生为实施对象，直接受益的学生每年约70名。通过几年的实践，不仅有利于快速提高学生的实验技能，使学生对基因工程知识的学习兴趣更加浓厚，提高了学生的学习主动性和积极性，培养学生的科研兴趣和独立思考习惯，而且有利于启迪学生的创新思维和创新能力，为今后从事科研或工作打下良好的基础。

2016—2019年，大庆师范学院生物工程学院考研率一直保持30%以上，多名考研成功的学生反映综合性实验的开展使其对基因工程的实验原理、操作流程和基本技能都有了深刻的理解和掌握，使其在研究生面试时得到了导师们的认可。2016—2019年，近40名学生成功申请了国家级、省级、校级大学生创新研究项目的立项支持，发表研究论文10余篇，有10余个团队先后在国家级和省级竞赛中获奖。同时，通过对相关用人单位的走访得知，毕业生可以满足用人单位对专业的需求。

4 结语

经过近3年的改革和实践，教师将科研项目引入本科生基因工程实验课教学取得了一定的成效，构建了一个基因工程实验教学和教师科研相结合的开放教学模式和体系。然而，基因工程实验教学改革是一个系统工程[15]，仍需要不断探索和实践，基因工程实验教学的内容、方法和考核方式也要根据基因工程学科的发展方向进行大胆改革和创新，教师需要不断提升自身的业务水平和科研素质，紧跟学科前进的步伐，加大教学经费的投入力度，完善实验条件，促使基因工程实验教学更加科学合理，为国家培养出更多优秀的创新型、应用型人才。

参考文献

[1] 阮景军，徐如宏，田恩堂，等.科研促进基因工程实验教学改革初探[J].分子植物育种，2016，14（12）：3400-3404.

[2] 陈渝军，林晶.基因工程技术在医药卫生领域的应用及发展[J].药品评价，2005，2（2）：144-145.

[3] 赵燕，黄丽华，张学文，等.借助科研平台开展基因工程实验课教学改革探索与实践[J].现代农业科技，2017（24）：276-278.

[4] 赵晓菊，任国领，曲丽娜，等.地方高校应用型人才培养模式下的实践教学改革：以大庆师范学院基因工程实验教学为例[J].科教导刊，2016（6）：118-119.

[5] 魏娜.基因工程实验课程教学改革研究：以武汉工商学院为例[J].科教文汇，2018（1）：73-74.

[6] 王耕.高校基因工程实验课程改革探析与实践[J].教育现代化，2017（47）：84-85.

[7] 金勇丰，李霁，邵爱萍.本科生基因工程实验技能培养的改革与实践[J].实验技术与管理，2008，25（1）：16-18.

[8]陈桂敏.基因工程实验教学改革与探索[J].课程教育研究，2015（16）：247.

[9] 张军林，郭晓红，梅辉，等.应用技术大学基因工程实验课程考核改革的探索[J].今日湖北，2015（4）：111.

[10] 楊阳，何师国，方中明，等.分子生物学与基因工程实验课程体系的优化和考核方式的改革[J].武汉生物工程学院学报，2016，12（3）：170-172.

[11] 任桂萍，王文飞，尹杰超，等.分子生物学与基因工程实验课改革的探索与实践[J].教育教学论坛，2015（42）：204-205.