Problem-based learning模块式试验在分子生物学实验教学中的实践

周 波，徐启江

(东北林业大学 生命科学学院, 哈尔滨 150040)

分子生物学现已成为21世纪许多新兴交叉学科的研究工具[1-2]。在我国高校生命科学学院和生物系中，分子生物学理论及实验课程成了学生的必修课。分子生物学教学实践证明，实验教学有利于学生理解和掌握分子生物学的相关知识，有利于提高学生动手能力和掌握实验操作技能。虽然在目前大数据背景下，慕课、微课已将课堂翻转[3-4]，但分子生物学实验课程仍然需要传统的实验室课堂教学。因为分子生物学实验教学过程中所使用的材料往往涉及DNA和蛋白质，这些生物分子无法通过肉眼直观感受，学生只有通过动手操作，才有可能充分认识并掌握这些分子的特性并获得相应的实验技能。在提升本科学生能力为主的课程教学改革背景下，本科实验教学学时逐年精简，而学习内容却随着生物技术的发展逐年增多，所以在有限的学时内靠传统教学完成本科阶段的实验具有一定的困难。因此，如何合理设置实验教学的内容，对教学方法进行有效的改革，重点培养学生的创新思维、实践能力、良好的实验习惯和学习兴趣，使学生既体会到生命微观世界之奇妙，又认识到分子生物学实验在研究中的重要作用，让学生在自主试验获得知识的同时，得到实验技能的全面训练是摆在教师面前的重要任务。笔者在十多年本科分子生物学实验教学基础上，逐步将基本技术实验融入大的模块式试验中[5]，采用problem-based learning(PBL)教学模式[6-7]引导鼓励学生利用网络信息资源，以小组为单位进行试验设计、明确分工、团队合作，共同完成试验任务。我们通过对这种实验教学方式的实施，取得了初步的经验和显著的成效。

分子生物学是一门建立在试验基础上的理论与技术并重的学科。为满足学生就业和课题科学研究的需要，培养生命科学各专业技术人才，东北林业大学生命科学学院将分子生物学及现代分子生物学大实验作为各专业学生的专业基础课，而且将分子生物学实验作为一门独立的必修课，在一个学年内先后完成分子生物学和分子生物学实验两门课程。

1 分子生物学实验课程教学现状

在分子生物学的教学实践中，普遍遇到的问题是理论教学抽象，难以理解，而且与实践有很大的差距，学生所学的理论难以同步进行实验验证。特别是在实验教学中，很多都是一些重复性的实验，学生所做的、看到的只是实验现象和结果的既定重复，发现不了实际科研过程中可能遇到的问题。因此，很多本科生步入研究生行列后，理论知识掌握得很好，但是在实践过程中，科研分析能力、动手能力却很差；不能独立思考和有效开展课题研究，仍然处于被迫接受型的状态，导师安排一点，就做一点，没有自己对课题的想法和规划。

在分子生物学实验教学过程中，教学质量和效果参差不齐。我们通过调查非本校生源研究生在本科期间做过的分子生物学实验，发现他们有的只是提取DNA、进行凝胶电泳实验；有的只做基因克隆；有的甚至由于经费限制只是观摩实验。新的课程教学改革也明确提出，要在实验教学实践中构筑以能力培养为主线的实验教学新体系，提高教学质量，培养创新人才。但事实上，很多学生往往在课堂上学到的、得到的只是“鱼”，而缺乏“渔”的能力。

课堂及实验教学方法不当，无法调动学生的积极性，学生的参与度不高。教学工作包括教与学，二者相辅相成，从教的方面看，教师都能按照教学大纲讲授课程内容，可是这种教的效果千差万别，这与学生主动学的程度也有关，如何激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，是教学效果好坏的关键。

针对分子生物学实验教学的现状，我们在分子生物学实验教学中采用PBL教学模式，将基本的实验融入实用性强、学生感兴趣的研究性课题中，努力在实验教学过程中营造一种让学生充分发挥想象和潜能的氛围，在整个实验教学实施过程中贯穿以学生为主体、教师为主导的教学思想，培养和锻炼学生的独立思考、分析问题和设计实验解决问题的能力，努力提高实验教学质量。

2 PBL模块式试验在分子生物学实验教学中的应用

PBL是基于问题的学习，主要以学生为中心采用学习小组的方式自主学习；学习过程中以问题为导向引导学生学习，教师仅起组织者和解惑者的作用[8-9]。PBL模块式试验是培养学生综合素质的一个新思路，是学生得到创新能力和科学综合研究能力培养，受到创新思维启发和引导的一种好方式[10]。在PBL模块式试验中，学生要完成试验，必然要进行资料的查阅、试验方案的设计，运用试验模块进行组合以及动手实施试验方案，并写出论文式的实验报告。在这些过程中，学生的科研思维和能力自然而然地就得到了培养。

PBL模块式试验教学的目的更注重学生学习兴趣、创新思维、动手能力、分析和解决问题能力的培养。当然，就模块试验本身来说，它是一个或几个基础实验的组合，而我们在分子生物学实验课中根据学生水平和能力给定课题任务，让学生根据自己的兴趣选择研究问题，提出研究内容，组合生物信息学模块、基因克隆模块、载体构建模块、蛋白质表达模块、分子杂交模块等设计合理的研究方案，进行试验，全方位地培养学生试验研究的能力，充分调动学生参与实验课程和课题研究的主动性和积极性。

首先从生物信息学模块学习如何从GenBank中检索目的基因序列，序列的同源性比对，开放读码框的分析以及氨基酸序列的分析、亚细胞定位分析、结构预测以及同源引物设计和文献查询等。然后根据学生的兴趣(选择发育过程、代谢途径、胁迫相关的基因)分成不同研究小组(5人/组，30人/教学班)，要求学生从水稻、拟南芥或者其他易于获得的植物材料中克隆出完整的编码基因并进行组织特异性表达和原核蛋白表达相关的实验设计。整个试验涉及的内容包括：生物信息学模块(序列查询、引物设计)；基因克隆模块(核酸提取、核酸电泳、PCR扩增反应、载体连接、感受态细胞的制备及转化、质粒DNA提取、序列测定)；载体构建模块(质粒的酶切、基因重组、阳性克隆筛选)；分子杂交模块(探针合成、RNA的提取、Northern杂交)；蛋白质表达模块(蛋白诱导表达、PAGE凝胶电泳、考马斯亮蓝染色等)。就实验内容来看，整个实验过程围绕课题研究展开，涵盖了实验课的所有实验内容。学生通过完整的实验训练，一方面能培养科学研究的基本素质，掌握完整的科研思维以及具体的实验技术和方法，为今后准备在生物领域就业和科学研究发展的学生奠定良好的分子生物学实验技能基础；另一方面，由于课题的趣味性、实验的完整性和连贯性，可以调动学生的积极性，培养学生的求知欲，因为每个学生都希望通过自己的努力和试验，得到理想的结果。

在以前的教学过程中，我们发现单纯的重复性实验，如为学生准备好所需的药品、试剂、材料、程序、步骤，学生只需按照实验步骤操作，就像组装工人一样，机械地执行着操作步骤。结果几乎都一样，没有遇到任何麻烦和失败，这样学生几乎不思考，没有思考问题，根本得不到有效的训练。我们将PBL模块式试验引入分子生物学实验教学，只给定实验目的和目标，让学生在学习了基本的实验原理后，结合所掌握的分子生物学知识，自主查资料和设计方案，通过比较方法的优劣，选定合适的方法，确定相关的步骤，进行操作。教师只是为学生提供所需的相关试剂和仪器使用方法，确定试验方向，强调学生所选步骤的关键操作，解答相关的疑问。根据研究内容按基因克隆、特异性表达、原核蛋白表达3个节点进行问题集中讲解和控制实验节奏，其他关于实验方案的制定和实施及结果检测完全由学生自主在56学时的课堂上完成相关的内容。

PBL模块式试验是为了让学生掌握试验的目的以及在课题中的作用，根据课题研究需要，将各个独立的实验组合成整体研究方案，逐渐形成一种完整的科学思维，提高科研素质和研究能力。在分子生物学实验教学中，由于一些实验的原理较为复杂，涉及的实验技术背景知识较多，在分子生物学理论课中无法详细讲述。因此，教师对实验相关理论知识的讲解和阐述是必不可少的。在试验过程中，学生一定会有很多问题，他们的求知欲也被调动起来，会主动查阅和学习相关的知识内容，老师要抓住这个时机，及时补充讲透这些实验理论，学生理解后会积极思考并想通过试验验证，这样就把零散单调的实验课内容融入到完整有趣的课题研究中了。

3 PBL模块式试验教学的思考(问题与对策)

学生手生、眼生，由于学生基本是第一次接触分子生物学相关的试验，很多仪器、试剂没见过，老师要对相关仪器的使用做详细的介绍，要检验配制的试剂是否正确，所用的器皿及实验用具是否符合实验要求。

实验学时不够。由于实验课时远远超出课程规定课时，同时有些实验是连续性的，要求学生要连续几天做下去才行，在排课的时候应将课排在下午或者晚上，甚至利用周六、周日的时间来进行。

教学费用不足。分子试验的试剂、药品、耗材费用较大，这就要求学生试验过程中要节省每一个枪头、每一副手套、避免药品试剂的浪费。一些试验结果如果能作为课题研究的一部分，可以利用课题的费用购买试剂进行相关的研究。

有的学生参与积极性不够，实验让同学代劳。虽然我们强调要求每位学生最后都要有自己的实验结果，包括实验过程中的中间检测环节和结果，但是不可避免地会有不感兴趣的同学参与积极性低，这就要求教师采用多元化的考核方式[11]，如根据课堂实验表现、实验报告结果分析、期末试验设计考试等方式，多个层面进行考核，防止高分低能学生出现。

4 结束语

PBL模块式试验教学与分子生物学理论教学是相互依赖、相互促进的教学形式，是生命科学各专业学生掌握和运用知识、提高生物研究技能的重要方式，也是培养学生创新能力、实践能力与提高科研素质的必要途径。PBL模块式试验教学，需要为学生创造试验设计和发挥自主性的平台，而不是依赖教师手把手地进行。模块式试验教学在内容上对不同的学科可以有不同形式，但模式上完全是可以相互借鉴的。