本科生分子生物学实验延伸课堂的教学实践

盛哲津, 李天明, 陆东东

(同济大学 生命科学与技术学院， 上海 200092)

0 引 言

分子生物学是在分子水平研究蛋白质、核酸等生物大分子形态、结构、规律及其相互关系的学科，与生物化学、基因工程、细胞生物学等紧密联系，相互交织，在生命科学领域是最基础也是最重要的学科之一;尤其在生命科学快速发展的今天,其基本理论和研究方法的掌握对生命科学的学生来说是非常重要[1]。生命科学又是一门实践科学，许多理论只有通过实验才能更彻底、更全面地理解和掌握，高校的分子生物学实验课程几乎对生命学科的本科生都有开设，是每个生命科学和生物技术相关专业的学生所必须要掌握的基本实验课程[2-3]。

随着 “双一流”学校建设和学院在以“干细胞和表观遗传学”研究为核心任务，带动学院其他科研、教学领域全面发展的战略目标下，对分子生物学实验在生物技术专业高端人才培养中的作用提出了更高要求，生命科学作为首批“基础学科拔尖学生培养试验基地”的三个基础学科之一。本科生分子生物学实验课程一直在实践中力求改革与创新，原有实验教学内容、实验指导教材、教学方法、教学模式、成绩评价和指导教师队伍建设等已经不能满足现阶段对综合性、全面性人才培养的要求。通过实验教学改革与探索，自2016年起，逐步开展本科生分子生物学实验教学延伸课堂的建设，全面提升和优化实验内容、注重学生实验技能训练、开展多部门多学科联合实践教学等多形式的教学改革创新，使理论学习和实验实践相互渗透，有利于学生更好地掌握分子生物学知识和技能，拓展视野，在培养学生的综合性能力上效果显著，可为开展生命科学相关人才培养新机制的研究作参考。

1 传统课堂内分子生物学实验教学的现状

目前的实验课程内容多以基础性、验证性实验课程为主，实验教学内容结构不够合理，缺乏系统性与兴趣导向,任课教师事先规划好课程教学计划，教师介绍实验背景知识、实验目的和要求、实验原理、操作步骤及注意事项等，学生遵从教师的指导进行实验操作，获得实验数据并完成实验报告，任课老师以演示实验教学为主，学生机械地利用事先准备好的试剂、仪器、耗材等进行操作，学生被动性接受知识成为一些高校实验教学的主要手段[4-5]。教学模式常常导致学生实验操作如工厂流水线上工人，缺乏主动性思维和系统性理解，初次接触分子生物学实验的本科生往往难以做到理论学习和实验实践相互渗透，缺乏独立思考与创新意识，实验常常局限于实验教学中心的教室里，以验证性实验为主的教学缺乏主动设计性思维，由于中心教学资源和课时地限制，有时总是最积极的几个学生在操作实验，许多学生实际动手操作机会较少，缺乏考核评价体系，比较单调的教学方式使学生失去对实验课的兴趣。

2 实验教学改革与延伸课堂的内容

2.1 实验课时合理优化

合理的课时安排是开展实验教学的保证，优化原有实验课程，合理利用大量实验过程中的等待时间，开展包括：对学生基本实验技能，正确的试剂配置方法，生物实验相关仪器设备的使用，实验操作技能关键点、实验安全等的教学。做到见缝插针地利用这些时间。另一方面分子生物学实验课程试点开展从36课时增加到78课时，课时的扩充为完善实验体系建设，为分子生物学实验教学内容改革提供了时间保证。

2.2 实验延伸课堂主要内容的设置

课程依托学校实验教改专项，建设以现有的分子生物学实验课程6大实验为基础，延伸分子生物学实验课堂，通过延伸课堂结合分子生物学实验技术领域的最新动态和研究手段，通过对学生实验的基本技能延伸、综合设计性实验、实践教学、实验优化讨论等的内容开展多形式的实验教学，开展延伸实验自编教材手册建设，与实验室、科研支撑平台、实验动物中心等联合教学，拓宽学生视野，开放实验室以弥补中心高端实验资源不足的劣势，使实验教学和科研资源互补、互相渗透。这一系列拓展实验补充、教学实践、模式创新，进一步激发学生学习兴趣(见表1)。

表1 生物技术专业分子生物学延伸课堂主要项目设置一览

3 延伸课堂的特点与成效

3.1 实验教学结构优化

基础性实验项目主要包括基本的分子生物学操作技术, DNA分子的酶切和连接、琼脂糖凝胶电泳、细胞转化、PCR扩增目的基因等,结合本科生教学以及分子生物学技术特点，在教学过程中，优化整体设计，以完整、系统、实用为原则，经典实验与科研技能培养相结合，将分子生物学实验课程设计为若干个有机整合的大实验，有利于培养学生综合性实验能力[6-8]。分子生物学实验延伸课堂从2016年开始逐步改革,加入基因表达、萤光素酶报告基因检测等相关实验课程，增加设计性、综合性实验学时比重，2018年学时数翻倍，改变以往以验证性实验为主导的实验设置结构，形成基础性、设计性、综合性相对平衡的结构，结合实验实践教学，形成了多层次实验教学体系(见表2)。

表2 2016～2018年分子生物学实验教学不同类型

3.2 实验教学模式多样化，构筑实验教学开放大平台

学院分子生物学实验在实验教学中心开设基础实验课程的同时，为优化管理、实现资源共享，学院将实验室资源优选整合科研实验室、科研支撑技术平台、实验动物中心等部门，构筑实验教学大平台，合理分配分子生物学延伸课堂的一部分实验教学和实践教学任务。以科研支撑技术平台为例，平台目前包括有30多台高端实验设备，其中16台高端分子生物学、细胞生物学相关设备，总价值达3 000万元以上，分别拥有生化分子实验测试、细胞影像分析技术、流式细胞测试分析技术、电生理技术、电镜技术等5个技术平台，8间开放实验室，丰富的科研资源共享给学生进行实验和开展仪器资源原理、应用等实践教学，延伸课堂并且利用了该科研支撑平台的信息化实验预约管理系统，不局限于课堂，学生可自由安排时间，随时预约实验，在老师的协调下开展相关实验，面向拓展课堂学生开放，学院优质资源整合并运用到实验教学中， 使实验教学的模式更加灵活，实验教学与实践教学相结合，有效提高了学生的综合能力及科学素养，拓宽了学生的视野。

3.3 规范实验评价体系

原来以实验结果和实验报告来评定学生的实验考评体系不够全面[9-10]，随着实验课程改革和延伸实验教学考核评价体系的建立，力求做到客观地评价学生在实验过程中的实际能力，使学习成绩能比较真实地反映出学生的实践能力。因此，考核项目的设置应体现专业性和全面性，在实验过程中实验方案设计、进度、数据分析、完成质量等诸多方面进行综合考评，注重实验过程考察的精细化、数据化，在原考评体系的基础上形成了实验理论、实验技能、设计方案报告、实验报告水平、实验实践综合评定等5方面考核。以基于标曲法评价荧光定量PCR反应效率实验为例：在教学中，首先通过教师指导、学生讨论、软件学习等，学生自行对给定的基因进行引物设计，实验设计方案确定后，开展讨论，对于引物长度、跨内含子、GC含量、BLAST结果等各项指标开展自评互评及教师指导等多形式评估后，形成评估报告。修改后确定最终方案，实验中学生扩增不同浓度的cDNA模板，生成相对标准曲线的方法，得到的基因扩增效率(R2值、斜率、截距)、灵敏度、可重复性(复孔SD值)等一系列实验参数指标加入到实验教学评估中，以往这些实验参数在学生最终的实验报告中不能体现，实际上这些实验数据真实反映学生的实验情况，结合原有观察荧光扩增曲线、溶解曲线、电泳图像等内容使得评价体系更完善。

4 “121”模式的实施

高校长期以来对实验教学的师资队伍建设缺乏重视，难以形成优势互补的师资队伍[11],在延伸课堂实践中，针对设计性实验的实验教学师资配备实行“121”模式，即针对某一小组的实验课程，实行1位教授，2位科研实验室技术员，1位助教的教师队伍配备模式开展实验教学。 近年来本科生“导师制”模式已在各高校逐步推广，但往往流于形式[12]，而“121”模式中的1位教授(独立实验室主任)，即是“导师制”落到实处的体现，教授不仅参与实验课程的顶层设计、实验理论教学、实验指导，还创造机会和学生展开实验讨论、邀请部分学生参与研究生组会、实验室参观等实践教学活动，不仅激发了学生的实验兴趣和热情，使学生体会了实验室的科研环境，增强了教学互动体验，这是实验室主任参与实验教学起到的助推效应的结果。科研实验室内研究型实验技术人员参与本科实验课程的实验教学准备与实验指导工作，是科研与实验教学相结合的实践内容之一[13]，“121”模式中的“2”，就是科研实验室内的研究型实验技术人员，为实验教学中的中坚力量，这类技术人员拥有扎实的分子生物学专业背景、实验技术能力和学习能力，能快速投入到实验教学中去，给予实验课程的技术支持、教学支持，学院积极鼓励这类技术人员充实和完善到实验教学师资队伍中，对课程起到了积极的促进作用，从课后问卷调查中得到了学生良好的反馈。助教在西方大学教育中扮演着十分重要的角色,在我国高校的实验教学中也已经有所实践，但参与程度不够深入，经过延伸课堂师资队伍改革的实践，实验室选拔的优秀研究生助教能充分体现“传帮带”的作用，本科生往往跟这些研究生助教形成良好的沟通机制，有利于实验教学的开展，助教也使学生和教师之间形成了良好的桥梁作用，使教师能更好了解教学的动态效果，及时调整教学策略，不断优化教学方案。

5 结 语

近年来，我院开展了如模拟科研情境的研究型实验教学、开放式实验教学平台构建、综合性实验教学实践等一系列实验教学改革[14-16]。在生物技术本科实验教学中以社会需求为导向，积极推进生物技术专业实验教学改革的不断深入，充分发挥实验教学在高端人才培养过程中的重要作用。分子生物学延伸课堂的实验教学实践，优化与拓展原实验教学内容，教学师资队伍的创新，注重实践教学，发挥学院优势资源，构筑学院开放型实验教学大平台等改革措施，是我院在生物技术专业人才培养机制探索的又一次尝试，积累了一定的教学经验，课程的开展进一步提升了实验教学改革的力度，使学生能更快地适应生物技术产业快速发展所面临的挑战，也对培养未来生物技术专业研究领域技术型和科研型人才发挥了积极作用。