基因工程课程的多元化教学设计及应用

方泽民， 刘娟娟， 房 伟， 肖亚中

(安徽大学 生命科学学院， 合肥 230601)

在分子生物学和分子遗传学等学科综合发展的基础上，1972年，Paul Berg等人创立了定向改造生物的新科学——基因工程，其原理是应用人工方法把生物的遗传物质分离出来，在体外进行切割、连接和重组，构成遗传物质的新组合，然后将重组的DNA转化或导入到原先没有这类分子的宿主细胞内稳定繁殖，从而改变其遗传特性，或者使新的遗传物质在新的宿主中实现大量表达，以得到基因产物，包括药物、酶蛋白等[1]。基因工程的诞生使得生命科学发生了革命性的变化，并逐渐成为现代生物技术的核心，广泛地应用于工农业和医药等领域。近年来，随着科学技术的快速发展、国家对生命科学人才素质要求的逐渐提高，基因工程已成为生命科学相关专业的一门重要专业基础课程[2]。它具有专业性强、内容抽象、知识点多、技术发展更新迅速等特点[3]。因此，传统的注入式教学，已不能满足启发和引导学生学习课程的积极性和主动性[2,4]。

多元化的教学设计是指根据多元化的教学内容，通过探究、启发、翻转课堂等策略或其组合开展课程内容的教学和讲授。为了提高教学质量，更好地唤起学生主动学习的积极性，系统掌握基因工程技术的理论、方法和技术，最终培养学生发现问题、思考问题、解决问题的能力，安徽大学生命科学学院基因工程课程组多年来积极开展课程教学改革，通过梳理教学思路，在既往传统课堂教学基础上，增强多元化教学方式，形成了以课堂教学为基础、结合多媒体、“线上”素材及参与实践等教学手段的多元化教学模式，逐渐形成了一些实践与经验。

1 理论联系应用，精选并合理安排教学内容

基因工程是集理论性与应用性为一体的学科。通过课程的学习，预期让学生掌握基因工程的基本原理、基本研究手段和研究方法，了解基因工程操作的基本流程；在此基础上，逐步形成综合思维能力，并运用学到的知识分析身边存在的某些实际问题[5]。因此，课程教学安排中，我们以基因工程原理为逻辑起点，以实际应用中的典型案例为线索，采取“逐步分解渗透”的方法，将原理、技术和应用进行有效整合，让学生在理解细节原理的同时，掌握技术的应用环节[4-5]。例如，我们在教学过程中，以环境样品中特定基因的筛选及表达为案例，首先向学生展示整体框架思路，然后针对具体的每一个单独环节，详细讲解涉及的每一种技术及原理，最终将这些单独环节集成为一个完整的体系(图1)。在基因工程的54个教学学时中，我们安排了36个学时的课程按照该种模式进行讲授。讲授的内容包括基因工程的基本技术原理、基因工程载体及基因克隆策略等。

图1 环境微生物样品中特定基因的筛选及表达策略示意图

因本课程以大学三年级的生物技术、生物工程及生物科学等专业学生为讲授对象，在此之前，他们已系统学习过微生物学、分子生物学以及遗传学等课程，掌握了分子生物学和遗传学的基本背景。为了有效地将有限的教学学时用于新知识的教学与实践，我们在教学过程中，通过与不同课程组之间的协调，有效使本门课程与其他课程的知识进行衔接，避免知识的重叠和交叉。

2 充分发挥多媒体功能，辅助“线上”素材，深化原理与技术衔接

多媒体教学具有图、声、文并茂，信息量大，教学效率高等优势[6]。另一方面，随着网络的普及，可移动设备例如笔记本电脑和手机已成为学习的重要阵地。充分利用网络“线上”信息可以为基因工程教学提供丰富的资源，有效地将枯燥的教学内容“化难为易、化静为动”[7]。为此，我们以教学大纲为总体框架，查阅国内外相关资料，并针对相关的实验如质粒的抽提、DNA电泳、基因的PCR扩增等实验项目拍摄成视频短片；将收集的文字、视频等资源通过Microsoft PowerPoint、Microsoft word、photoshop、Flash等软件进行整合、加工，制作了基因工程教学多媒体课件，通过大量的图片、视频等素材向学生展示最新的国内外相关研究进展及案例。

我们依托手机App，建立了师生的学习QQ群和微信群，方便老师和同学、以及同学与同学之间及时沟通学习中遇到的问题。为了充分利用课堂时间讲授关键内容，我们还将不需要在教学时间展示的内容制作成了辅助教学多媒体课件，内容主要包括各种技术的补充案例、每一种技术的拓展操作视频等。例如，在讲解DNA测序原理时，我们会将测序技术的发展历史及每个关键阶段的经典论文和设备按照时间顺序进行总结，作为辅助学习材料，通过QQ群和微信群发送给同学作为自主学习和拓展知识材料。

3 基于“生物技术科学史”，增强学生学习兴趣

生命科学史揭示了科学家思考和解决生物学问题的整个思路历程[8]。在教学中，穿插介绍部分基因工程技术发现及发展过程中的科学史故事，不仅可以增强教学的趣味性，也可以让学生体会到部分“偶然中的必然”。例如，在穆利斯(Kary Banks Mullis)“开车回家的路上的突发奇想”，发明了聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction, PCR)技术，并因此成为诺贝尔奖获得者的背后，是其天马行空、突破常规的学术思想和扎实的学术积累[9]。另外，同学们可以从这些鲜活的例子中，逐渐发现科学的魅力，细细品味和感受科学家在探究科学问题过程中的思维方式、交流合作以及不同观点之间的激烈碰撞和争论，理解科学家严谨的科学态度、求真务实的科学精神和矢志追求真理的科学世界观。例如，遗传学家麦克林托克(Barbara McClintock)在20世纪50年代即发现并报道了“跳跃基因”的存在[1]。在当时的科学界，无人能够理解“跳跃基因”的奥秘，麦克林托克因此一直被科学界所排斥，其在学术界的地位也因此一落千丈，并被人认为是“疯子”。然而，麦克林托克并没有因此而气馁，而是继续潜心自己的科学研究。直到1980年代，“跳跃基因”的概念才最终被科学界所接受，麦克林托克于1984年获得诺贝尔奖[9]。

近年来，国际科学教育领域已充分认识到科学史在科学教育过程中对培养学生科学兴趣、提高学生科学素养、引导学生创新思维方面的重要性，大力提倡将科学史教育纳入大学生课程教育之中[8]。我们在基因工程教学过程中，对若干技术背后的科学史故事进行了整理，对有用的素材进行了提取，包括科学家探索某一问题的过程、在研究过程中的态度、观点及与他人的争议、采用的实验方法及技术，以及在研究过程中表现出的人格魅力故事等，并以适当的形式引入到教学过程中，让学生感受和体验与“学术大咖”相似的科学探究过程，培养他们的学习兴趣。

4 拓展前沿知识，增强学生互动性和主动性

作为一门前沿性科学技术，基因工程教学内容的更新速度需要跟上现实技术发展的速度[10-11]。我们在设计教学计划和教学内容、以及在教学过程中，预留了3～6学时的教学实践，用于最新的前沿动态的引导性讲授；同时，我们给学生预留足够的时间查阅相关资料，并在教学期限内规划一定学时，为基因工程前沿技术讨论学时，增强学生的参与度和主动性，翻转学生的学习习惯，变被动学习为主动学习，进而培养学生解决问题、表达观点等综合能力。

另外，在教学过程中，我们以热点争议问题为切入点，引发学生从专业角度来思考问题。例如，我们会在学期的第6周左右，向学生发布不同的讨论话题，如“转基因食品”“基因编辑婴儿”“黄金大米”等典型的基因工程科学问题[12]，鼓励学生自由组合成小组，查阅相关资料。在学期末，我们会安排3个教学学时左右的时间，鼓励学生通过PPT等形式将查阅的资料进行总结，面向全班表达自己的观点，引导学生从专业的角度思考问题，树立不盲从、不瞎猜、科学解决问题的正确态度；同时，学生可以通过在主动阐述和互相辩论中了解最新的基因工程技术的原理、应用及利弊等知识。

5 结语

为了提高学生的综合素质，让学生系统掌握基因工程的基本原理、技术和方法，我们不断改革和创新基因工程教学模式，从教学实践中遇到的实际问题出发，逐一分析解决问题，力图为学生提供一个积极、开放、多样化的学习氛围，转换学生传统思维和学习方式，培养学生学习的兴趣和积极性。从近5年的探索和实践来看，多元化的基因工程教学有效地提高了学生的学习兴趣，学生的课堂参与度和积极性也明显提高。反映在学生的学期末考试答卷上，我们也明显地发现，学生能够较为灵活地运用学习的基因工程原理设计实验，解释常见的基因工程操作过程中出现的现象，达到了预期的教学目标。

然而，基因工程教学改革是一个系统工程，通过过去几年的教学探索和实践，虽然取得了较好的教学效果，但基因工程技术的发展和应用均异常迅速，因此，在未来的教学和实践中，还需要通过不断探索和整合，及时地将最新的基因工程技术及原理进行设计并融入课堂教学中，让学生及时地掌握学科的最新动态并将学习的知识应用于今后的工作和学习中。