基于创新能力培养的“分子生物学”课程建设与教学改革

许崇波，包英华，刘博婷

（韶关学院 英东生物与农业学院，广东 韶关 512005）

分子生物学是研究核酸和蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，由分子生物学引发的现代生物技术直接关系到医药、食品、农牧、化工、环保、能源等传统产品的改造和新产品的形成，而且在生命科学领域里应用越来越广泛，在国民经济诸多领域中显示出强大的生命力和实用性［1-3］.分子生物学是从分子水平上对生命复杂现象的认识和操作，理论性强，实验条件高，给实际的教学工作带来一些难以克服的困难，同时“分子生物学”也是生物类专业的核心基础课程之一，该课程质量的高低直接关系到学生的专业素质和创新能力的培养［4-5］.因此，必须加强“分子生物学”课程建设和教学改革的探索，构建适合创新能力培养的课程体系，改革教学模式和方法，通过授课内容与其他课程的交叉融合，培养学生的自主学习能力，激发学生的创新潜能，提高课程的整体教学水平，才能实现学校确定的“创业型、创新型、应用型”人才培养目标［6-8］.

1 课程建设目标

“分子生物学”课程建设与教学改革的主要目标是探索以培养创新能力为重点的遗传信息中心法则和基因表达调控、分子生物学研究方法原理、分子生物学实验的“三模块”教学体系；开展教学方法、教学手段、课程资源、考核方式等方面的教学改革与研究，培养学生的自主学习能力；学生在掌握分子生物学理论知识和实验操作技能基础上，重点学会运用所学的理论知识提高分析问题和解决问题的能力；具备开展分子生物学科学研究的基本素质和获取学科前沿知识的能力［8-10］.因此，在“分子生物学”教学设计、组织形式和具体实施中，既要注重课程的经典性、科学性、研究性和先进性，又要注重将理论教学、实验教学和创新能力培养有机地结合起来，提高课程建设的整体水平，进而实现“分子生物学”课程的建设目标［11-12］.

2 构建适合培养创新能力的教学体系

分子生物学是生物科学领域发展最快的学科之一，不断有新的知识点补充到课堂教学中，为了让学生能够及时了解和掌握这些新知识，必须坚持把科研成果引入到课堂教学中［8，12］.同时，构建以培养创新能力为重点的遗传信息中心法则和基因表达调控、分子生物学研究方法原理、分子生物学实验“三模块”教学体系.

2.1 优化教学内容，构建适合培养创新能力的理论教学体系

分子生物学是研究核酸和蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，其课程教学内容多、知识点分散，部分内容抽象难懂，且教材各有侧重和内容前后连贯性与系统性相对较差［12-14］.为此，需构建以培养创新能力为重点的遗传信息中心法则和基因表达调控、分子生物学研究方法原理为主线的理论教学体系，共48学时，其中遗传信息中心法则（24学时），基因表达调控（12学时），分子生物学研究方法原理（12学时）.笔者在理论讲授既注重分子生物学的实际应用案例，又注重分子生物学的学科前沿进展，使课程教学内容更加丰富，不再是空洞乏味的填鸭式教学，从而唤起学生学习的兴趣和探索未知领域的欲望［8，12］.

在讲授时，把“开放（ON）—关闭（OFF）”贯穿于基因表达调控教学内容的始终.比如大肠杆菌乳糖操纵子在培养基中没有添加葡萄糖和乳糖，或者培养基中只添加葡萄糖或者同时添加葡萄糖和乳糖时，乳糖操纵子的3个结构基因lacZ、lacY、lacA均不表达，即基因处于“OFF”状态；然而在培养基中只添加乳糖时，乳糖操纵子的3个结构基因才表达，即基因处于“ON”状态.在真核生物的某一发育阶段，一些基因处于“ON”状态，另外一些基因处于“OFF”状态；而到了下一个发育阶段，其中某些基因由原来的“ON”状态转变为“OFF”状态，而另外一些基因则由原来的“OFF”状态转变为“ON”状态［15-16］.换句话讲，基因组上的结构是否能够表达相应蛋白质，不是由结构基因本身决定的，而由其调控基因决定的.另外，在完成“分子生物学”理论课教学的基础上，还要注重与后续课程如基因工程的衔接.分子生物学是基因工程技术的理论基础，比如PCR技术是在体外模拟细胞内DNA复制的过程，原核生物基因表达载体的构建就是充分利用了RNA转录、蛋白质翻译、乳糖操纵子学说等理论知识.学生只有掌握这些分子生物学知识，才能更好地掌握基因工程的相关知识.

2.2 坚持教学与科研的有机融合，构建适合培养创新能力的实践教学体系

为了更好地培养学生分子生物学实验操作技能和综合分析能力，开设了必做实验项目（32学时），同时把取得的科研成果转化为学生综合实验项目，为此设计并开设综合实验“溶酶菌基因的克隆、表达与活性检测”（64学时）.本实验从鸡输卵管中提取总RNA、mRNA纯化、RT-PCR扩增溶酶菌基因、溶酶菌基因和表达载体pET-32a的酶切及其连接、感受细胞的制备及重组质粒的转化、重组子筛选与鉴定以及表达产物纯化、溶酶菌重组蛋白的活性检测等方面入手，帮助学生掌握分子生物学基本的实验方法和技能，在此基础上对分子生物学的研究方法有一个整体的认识和把握，提高学生分析和解决问题的综合能力［8，12］.

2.3 鼓励学生参与科研活动，培养学生的创新能力

为了培养学生的创新能力，鼓励对分子生物学研究感兴趣和拟开展分子生物学方面本科毕业论文的学生申请大学生创新训练计划项目.学生通过掌握的分子生物学方面的理论知识和研究方法，对某个科学问题进行研究设计和实验操作，对分子生物学的应用有了更加直观和深入了解，培养了学生创新精神和创新能力，提高了学生实际操作能力和解决实际问题的能力，也为部分学生毕业后从事分子生物学相关产品的研发工作奠定了坚实基础［8，12］.课程任课教师均从事与分子生物学有关的科研工作，课程负责人主要从事基因工程与微生物分子生物学研究，具体涉及到病原微生物多价基因工程亚单位疫苗研究、病原微生物致病因子功能域基因表达及其生物学功能和分子结构研究等，先后主持国家级、省部市级科研项目18项、横向课题4项，其中获省市级科学成果奖5项.近4年来，由课程组教师指导，部分本科生申请并获资助的国家级、省级和校级大学生创新训练计划项目28项，共有130余学生参加，如“A型产气荚膜梭菌磷脂酶C（PLC）Asp-56定点突变及plc基因表达与特性鉴定”、“副猪嗜血杆菌分离株的耐药性及耐药基因分析”、“猪丹毒丝菌SpaA基因的敲除及其致病作用的初步研究”、“猪丹毒丝菌表面抗原蛋白A的克隆表达及免疫原性研究”、“猪丹毒杆菌SpaA 基因的克隆、序列分析及结构预测”等.另外，为了让学生能够及时了解分子生物学方面的近年来的研究进展情况，在部置课后作业时，一方面让参加创新训练计划项目的学生查阅与大创项目相关文献资料，撰写文献综述.另一方面让没有申请大创项目的学生查阅近5年分子生物学方面的文献资料，了解分子生物学的最新研究进展，追踪前沿知识，培养学生查阅参考文献、阅读文献资料、获取新知识的能力.

3 改进教学方法，构建“四结合”教学模式，提高教学效果

教学模式和方法是实现教学目标的有效手段之一，为此构建了传统板书结合现代媒体、教师传授结合小组讨论、理论教学结合实践教学、基础知识结合学科前沿的“四结合”教学模式，同时采用了内容比较式教学、研究讨论式教学、课程总结式教学等方法，特别是开展学生对分子生物学重点内容——中心法则内容进行总结和以专题形式进行的研究式和小组讨论式教学，注重学生自主学习能力的培养，取得了良好的教学效果［8，12］.

3.1 内容比较式教学

“分子生物学”的理论教学内容主要包括原核生物和真核生物的遗传信息中心法则和基因表达调控、分子生物学研究方法原理，因此充分利用纵向比较和横向比较法进行课堂教学.对原核生物和真核生物在DNA复制、RNA转录、蛋白质翻译各个环节需要的酶、蛋白因子和基因表达调控机制等内容进行纵向比较法教学，然而在基因组结构特点、聚合酶种类、启动子结构、遗传信息传递过程、基因表达载体的构建等方面开展原核生物和真核生物横向比较教学，特别是重点介绍原核生物和真核生物这些内容的异同点［10-11］.比如在讲授原核生物操纵子时采用纵向比较法，重点强调乳糖操纵子是负控诱导系统，色氨酸操纵子是负控阻遏系统，半乳糖操纵子是双启动子系统，阿拉伯糖操纵子是双调节蛋白系统（调节蛋白AraC既可以是正调节蛋白，也可以是负调节蛋白），便于学生在掌握4个操纵子的结构组成与调控机制基础上，更好地掌握他们之间的不同点.又比如在讲授蛋白质翻译过程时采用横向比较法，强调原核生物和真核生物在蛋白质翻译模板mRNA、合成场所-核糖体、翻译的起始、翻译的延长、翻译的终止等方面的异同点，一方面有利于理解和掌握蛋白质翻译的知识点、原核生物和真核生物之间的区别，另一方面为后续的原核生物和真核生物基因表达载体构建提供理论基础.

3.2 研究讨论式教学

研究讨论式教学主要是强调科研促教学，把科研思维与科研思路融入课堂教学、科研实验结果与科研结论融入课堂教学、科研研究成果和科学研究经验融入课堂教学.课程负责人主持了多项国家和省部级科研项目，获得了多项科研成果，掌握了大量的实验数据和实验结果图片，通过把科研成果和分子生物学重大科学事件、科研经历和科研经验以及科研项目引入到课堂，或者结合分子生物学学科前沿，为学生做学术讲座和进展类讲座，拓宽学生的视野，加深学生对分子生物学前沿知识的了解［8，12］.同时准备一些分子生物学方面的讨论题，组织学生针对这些问题开展思考和讨论，发表自己的观点，这样有利于学生对基础知识的理解和拓展.既可以让学生体会到分子生物学理论与实际应用结合非常紧密，又可以让学生体会到分子生物学研究并非高不可攀，只要通过刻苦学习和自身努力，都能大有作为，增强了学生的自信心.比如在讲授乳糖操纵子一节时，除了介绍教材中乳糖操纵子结构与调控机制外，重点补充乳糖操纵子在诱导型原核生物基因表达构建中的应用，把主持完成并获国家授权发明专利的“大肠杆菌K88-K99-ST1-LTB四价基因工程疫苗的研究”引入到课堂教学，该成果的主要内容之一就是把大肠杆菌K88-K99-ST1-LTB抗原基因克隆在诱导型大肠杆菌pET-28a表达载体上，得到了高效表达大肠杆菌K88-K99-ST1-LTB抗原蛋白的重组菌株，并在此基础成功研制出大肠杆菌K88-K99-ST1-LTB四价基因工程疫苗.

3.3 课程总结式教学

在每次课程教学结束后，要求每位学生以知识结构图法、思维导图法、鱼骨图法、树枝图法、技术路线图法等把需要掌握的重点内容和知识点，进行整理、归纳总结，撰写2份课程总结，一份是以遗传信息中心法则和基因表达调控为主线，另一份是以分子生物学研究方法原理为主线.学生在撰写课程总结时都能认真思考，根据分子生物学知识点的前后连贯性，按照自己思路和理解，完成课程总结［8，12］.比如，部分学生在撰写遗传信息中心法则和基因表达调控课程总结时，按照教材章节内容，把原核生物和真核生物方面的内容分别进行总结.也有学生采用比较法进行总结，在撰写分子生物学研究方法原理总结时，不是按章节进行总结，而是按照DNA、RNA、蛋白质研究方法分别进行总结.总之，通过“分子生物学”课程总结，学生不仅能够系统地掌握该课程的重点内容和知识点，也起到了和培养学生总结归纳的能力和再学习目的.

4 加强课程资源建设，提高课程建设水平

课程资源建设包括项目较多，本课程资源侧重于教学课件制作、网络课程建设、电子备课教案建设、教学视频和动画收集、参考书籍购置与收集、学术经典文献及学术期刊目录收集、分子生物学互联网网址收集、分子生物学产品目录收集等.课程组先后收集了69个分子生物学动画，主要涉及DNA复制、端粒酶、DNA错配修复、RNA转录、核酶、蛋白质翻译、乳糖操纵子、干扰RNA等.同时建设了电子备课教案和分子生物学课程网站，购买了28本《分子生物学》参考教材，为学生提供相关参考书籍和学术期刊目录近100种，以及30余家分子生物学互联网.特别是在制作教学课件时，注重课件质量，尽量少用文字，多采用图片，甚至把课件内容也制成动画模式，让内容活起来.如蛋白质翻译延长过程包括进位、成肽、转位，每个环节都是有先后顺序的，比如进位包括延长因子EF-Tu和EF-Ts二聚体中的EF-Tu结合GTP后，该二聚体分开，然后EF-Tu—GTP再与氨基酰tRNA结合，按照与mRNA模板上碱基互补配对原则，进入核糖体A位，最后GTP水解，EF-Tu和EF-Ts重新形成二聚体，进入下一个循环.这样制作出来的课件比较生动，而且能够非常清晰地描述进位过程的先后顺序，便于学生的理解与记忆.

5 改革考核方式，综合评价学习效果

课程考核的重点是考察学生对基因工程基础知识的理解和运用理论解决实际问题的能力，因此科学地设计课考核方式和内容，才能给出每位学生的综合成绩［8，12］.课程的总评成绩包括两部分：一是平时成绩占30%，包括平时作业、课件制作与课堂小组讨论、课程总结；二是期末试卷成绩占70%，加大期末试卷综合分析题和设计题比例，考查学生运用所学理论知识，进行综合分析问题和解决问题的能力［8，12］.比如期末试卷中出现的分析题和设计题：①设计一个研究未知基因功能的实验方案.②设计一个实验证明某基因存在选择性剪切.③设计一个实验证明某基因存在内含子.另外，建设了10套期末试卷，并附参考答案和评分标准，题型包括名词解释、选择题、填空题、判断题、简答题、论述题、分析题和设计题等，这10套试卷覆盖了95%左右分子生物学教学大纲知识点，而且该10套试卷完全不重复，符合了学校教务处规定的A、B卷重复率为0，上、下年级试卷重复率低于10%的要求，同时期末考试试卷由学院教务员随机抽取，不再由任课教师命题，实现了教考分离的目的.

6 教学改革成效分析

“分子生物学”教学改革首先在生物实验班（生物技术专业）和生物工程专业4个年级436名学生进行，学生期末考试平均成绩在76～82分，2016—2019届毕业生考取生物化学与分子生物学硕士研究生共26名.436名学生的问卷调查结果显示，分子生物学课程在教学内容设计、教学方法与教学手段、理论联系实际应用、教师科研素质、课堂教学效果等方面，学生满意度均达到90%以上，学生评教综合得分4年来均为优秀.而同期4个年级的生物技术专业（生物技术制药方向）318名学生的期末考试平均成绩低5～8分，同期毕业生考取生物化学与分子生物学硕士研究生只有9名.另外，近4年来课程组教师指导本科生申请并获资助的国家级、省级和校级大学生创新训练计划项目28项，共有130余学生参加，其中获“挑战杯”大赛二、三等奖6项，学生参与发表论文6篇.

总之，“分子生物学”课程组坚持教学与科研的有机融合，构建了适合培养创新能力的教学体系，鼓励学生参与科研活动，培养学生的创新能力.采用了比较式教学、研究讨论式教学、课程总结式教学等方法，激发学生学习兴趣，调动学生学习主动性，重点培养学生综合素质和创新能力，提高了“分子生物学”课程建设的整体水平［12］.但是课程建设与教学改革还处于探索和实践阶段，今后必须加大课程建设与教学改革力度，才能实现学院提出的“应用型、创新型、创业型”人才培养目标，满足生物工程专业和生物技术专业高素质应用型人才培养需求［12］.