《原核生物系统学》中“原核生物的分子分型及其实际应用”一节的教学设计

刘洋

(北京科技大学 化学与生物工程学院， 北京， 100083)

1 课程概述

《原核生物系统学》课程是针对高等院校生物及相关专业三年级学生开设的本科专业选修课程，是在《微生物学》先修课程基础上，以原核生物系统学，即现代原核生物分类学为题，系统介绍原核生物及对其分离、描述、鉴定、分类、命名和菌种保藏等内容[1-2]，并系统介绍相关技术方法与经典研究案例，其内容中涉及理论知识、经典案例、常规技术与相关规则条例等方面。通过该门课程的学习，使学生能够系统地学习和认识各种原核生物资源种类、特征及其生物学功能[3]，把握当今以原核生物为代表的现代微生物科学前沿的最新发展动态，了解原核生物在解决人类社会生存与发展所面临的一系列重大问题中所发挥的关键作用，有利于激发学生学习的积极性和创造性，并为后续有关专业课程的学习和从事相关科学研究工作奠定知识基础。

“原核生物的分子分型及其实际应用”一节是《原核生物系统学》课程体系中的重要组成部分和最能够体现理论联系实际的教学板块，本节教学内容包括4个部分：(1)原核生物分子分型的基本概念；(2)原核生物分子分型的应用领域；(3)原核生物分子分型的技术体系；(4)原核生物分子分型的“金标准”—脉冲场凝胶电泳技术。通过本节的学习，学生不仅能够掌握原核生物分子分型的基本概念及其技术优势，而且通过了解其在日常生产与生活中的具体实践应用情况，有助于提升学生利用课程所学知识分析问题与解决问题的能力，为今后进行深入的学习研究与工作实践奠定基础。

2 教学目标

2.1 在理论知识方面

要求掌握原核生物分子分型的基本概念，了解原核生物分子分型的特点与技术优势。

2.2 在引申的知识方面

在实际案例分析与理解的基础上，更深入认识原核生物分子分型的应用领域与实际价值，以及相关技术的准确把握与合理选择，更清晰的认识课堂所学知识与实践应用之间的相互关联性。

2.3 在提升能力方面

引导学生利用本节所学知识联想并提出原核生物分子分型在日常生产与生活中可以被应用的诸多领域，培养与提高学生利用课堂所学的理论知识分析和解决实际复杂问题的能力。

3 教学重点与难点

3.1 教学重点

对原核生物分子分型概念及其应用的解读与阐述。针对该教学重点采用相应的教学方法为在系统相关理论与概念的基础上，通过有针对性地提问，启发学生独立思考与联想推理，帮助学生正确理解原核生物分子分型概念、特点与优势及其应用领域。

3.2 教学难点

原核生物分子分型技术体系所涉及的内容较多且抽象，实验技术相对复杂。针对该教学难点采用相应的教学方法：辅助“形象化类比举例”与“实际案例分析”手段，帮助学生掌握理解原核生物分子分型技术体系中所涉及的关键技术。

4 学生特点分析与相应的教学策略

4.1 专业基础知识

相对丰富但缺乏系统性。通过大一和大二微生物学和微生物学实验课程的学习，生物专业大三年级的学生已具有相对丰富的基础知识与相对完整的微生物学知识结构，掌握了必要的实验技术，但其知识体系中，大部分是概念性的认知和理论性的理解。若不加以引导，不与现实生活与实践相联系，学生在课堂中积极性往往不够高，学习兴趣也难以有效激发，感觉自己已经学过这些概念和理论知识了，而无法在课堂集中注意力，这样会漏听许多核心概念，课后仍然无法将零散的知识点贯穿并整理成系统化的认知。对此，在教学过程中应注重对理论知识的梳理与系统化归纳，强调教师“引路人”的作用，利用可以遵循的逻辑线索讲零散的知识点贯穿起来，构建生物学基础知识的整个体系。同时，在传授知识的过程中从“广”和“深”两方面入手，所谓“广”就是在课时允许的情况下尽可能为学生提供广博的知识，搭建一个尽可能完善的知识体系框架；“深”就是针对教学中的重点和难点问题进行深入讲授，保障和提升学生对重点与难点知识的认识掌握和理解到位的程度。

4.2 认知特点

主动学习和创新性思维能力有待进一步提高。虽然经过两年的大学学习，学生在主动学习与创新性思维能力等方面得到了一定的锻炼与提升，但是此阶段，学生们往往还是只满足于特定教材的知识掌握，习惯于被动接受，而主动探索知识和创新的能力相对不足。大学阶段，课堂讲授学时较基础教育阶段明显减少，自主学习空间加大，如若不注重培养学生主动学习的能力，就会阻碍学生创造性思维的激发，不利于学生创新能力的培养。对此，在本节的教学实践中积极采用启发式和互动式教学，改变单纯的灌输式教学，利用上课时间和学生进行充分交流，对学生进行必要的引导和熏陶。通过启发式提问、小组讨论、集体讨论等多种形式，调动学生参与课堂教学的积极性，启发学生自己寻找解决问题的路径。同时，在课程结束前提出相关前沿问题，引导学生利用课下时间思考并主动查询文献资料。

5 教学模块设计与时长分配

各教学模块设计及其形影教学时长分配如图1所示。

6 教学过程

课堂教学过程教学内容如表1所示。

7 教学反思

通过对学生课后作业情况进行分析后发现，通过本节学习，90%以上学生能够全面阐述原核生物分子分型的实际用途与意义，能够绘制条理清晰、内容合理的PFGE技术路线图，基本达成本节教学的知识目标。约40%的学生小组在制定“中小型酸奶企业关于益生菌专利菌株知识产权保护的分子分型技术方案”这项作业中，呈现的方案欠缺合理性，没有考虑到企业的规模和基础设施等问题。针对课后效果反馈情况，在今后的单元教学设计中应继续加强学生的能力培养，关注科学与社会的联系，加大情景教学的投入，加快发展学生利用所学知识解决实际问题的能力。

图1 课堂教学流程

表1 教学环节及具体教学内容

续表1

教学步骤教学内容教学设计表达方式2.原核生物分子分型主要用于下面3个主要方面。 以实际案例列举与解析的方式进行阐释,并引入下面原核生物分子分型技术体系的介绍内容。 板书强调:鉴别、溯源、确权4.概述原核生物分子分型的技术体系四、原核生物分子分型的技术体系● “核心骨干”— PFGE (用于常见致病细菌分型)● “岗位能手”— RP (用于细菌分型)● “小干将”— RAPD (用于细菌分型)● “老同志”— RFLP (用于广谱分型)● “小伙计”— Rep PCR(用于细菌分型)● “替补队员”— MLST (用于广谱分型)● “退休人员”—AFLP (用于细菌分型)分子分型技术的选择要“因‘情’制宜”! 系统展示技术体系所涉及的若干技术种类,并根据技术特点和目前使用现状,采用拟人比喻的方式针对各项技术进行对应概述。 设问:面对这些技术我们如何合理高效的选择与应用?引入分型技术的选择要“因‘情’制宜”主题。 板书强调:因“情”制宜 设问:哪项技术是原核生物分子分型技术体系中的“金标准”?由此设问引出脉冲场凝胶电泳技术(PFGE)及其应用内容。5.介绍脉冲场凝胶电泳技术(PFGE)五、原核生物分子分型的“金标准”———脉冲场凝胶电泳技术(pulsed field gel electrophoresis,PFGE)1.PFGE仪器组成脉冲场电泳槽、脉冲电源、流速控制仪、冷却器2.PFGE技术原理●根据DNA分子弹性弛豫时间与DNA分子大小有关的特性,交替采用两个垂直方向的不均匀电场,使DNA分子在凝胶中不断改变方向,从而使DNA按分子大小分开。●在每次电场方向改变时,DNA分子就要有一定的时间松弛,改变形状和迁移方向。只有当DNA分子达到一定构型后,才能继续前进。DNA分子净移动方向与加样线垂直,使样品中各组分沿同一泳道形成各自的区带。3.PFGE技术操作流程 结合讲述,采用教学小短片呈现仪器组成。由于技术原理的复杂性,结合PPT,板书手绘原理图,并引入类比比喻方式讲解电泳过程,帮助学生理解与记忆。板书绘图:细菌DNA的酶切与PFGE电泳利用类比比喻方式阐释细菌DNA酶切生成的大片段和小片段在PFGE电泳中迁移率差异产生的原因。结合讲述,采用小动画视频呈现实验过程,帮助学生理解与记忆。板书强调:包埋、裂解、酶切、电泳、染色、分析

续表1

教学步骤教学内容教学设计表达方式6.课上分组讨论,归纳生物膜结构要点,进行总结六、教师总结:解决教学重点、突破教学难点,使学生进一步领悟科学过程和科学方法。1.原核生物分子分型的基本概念:利用分子生物学技术,针对若干同“种”原核生物,区分与鉴别出相同或不同的个体(菌株)的方式。2.原核生物分子分型的特点与技术优势:稳定性好、适用范围广、分辨率高。3.原核生物分子分型可以用于专利菌株知识产权确权、企业产品污染菌溯源及传染病致病菌鉴别与溯源等诸多领域。4.原核生物分子分型的技术体系包括PFGE、RP、RAPD、RFLP、Rep PCR、MLST和AFLP等技术方法。5.脉冲场凝胶电泳技术(PFGE)是原核生物分子分型的“金标准”,其操作流程主要包括包埋、裂解、酶切、电泳、染色、分析等技术环节。以讨论小组的形式开展课堂讨论与交流。注重提高学生归纳总结能力。讨论题设置:(1)本课程中所介绍的几种分子分型技术各自的特点及应用范围和领域有哪些?(2)分子分型技术能在生产与生活中的应用价值体现在哪些方面?(3)PFGE分子分型技术主要包括哪些操作步骤?其中你认为哪个步骤对分型结果的得出最为关键?(4)目前PFGE分子分型技术的哪些步骤可以进一步改进或简化?7.提出设问,引导学生课下思考。布置作业,课外阅读推荐七、提出问题,布置作业(1)讨论与阐述原核生物分子分型的实际用途与意义。(2)根据本节所讲内容,绘制PFGE的技术路线图。(3)请以小组为单位讨论并制定针对中小型酸奶企业关于益生菌专利菌株知识产权保护的分子分型技术方案,并论证其可行性。在课程结束前,提出相关前沿问题,引导学生利用课下时间思考,查找资料。推荐书籍:《原核生物系统学》

8 教学效果

专业课程教学的改进与提升是一个不断探索与实践的过程，既要“传承经典、强化知识基础”，又要“与时俱进、不断创新模式”，本节课程的改进之处体现在以下几个方面：

(1)导入内容“贴地气”，提高学生的学习兴趣。在本节教学的导入部分，通过与社会生产生活息息相关的情景与现象的切入，利用图形、动画、视频等多媒体手段，给学生带来合理的视觉冲击和心灵感悟，抓住学生的兴趣点，展开理论教学，同时提高学生主动学习的兴趣。

(2)当好学生“引路人”，教学过程擅用启发式和互动式教学。课堂教学是一个师生互动的过程，不单单是教师教学生学，而是通过教师启发、诱导，主要依靠学习者自身的主动意识来实现教学目标。在本节教学过程中融入大量的实践案例，并紧密围绕所讲授的各个知识点均设计了有针对性的教学互动内容，并在课后思考题中设置让学生“学以致用”的题目，可有效启发学生独立思考，并与学生共同分析问题，得出结论并构建知识体系架构，实现课堂教学效果有效提升，并更好地引导和帮助学生掌握与理解本节知识要点[4]。

(3)“因地制宜”，教学手段尽量多元。本节教学主要以多媒体教学手段为主，并注重理论知识的更新，适当增加教学信息量。讲解的纲要和重点概念设有板书，同时注意利用丰富的动画和视频资料，直观、形象、立体的展示知识要点，加深学生对理论知识及其应用方式的理解，并且通过教学手段的不断切换，让学生在课堂上始终保持“兴奋性”，从而可大大提高课堂学习效率。

(4)“教研融合”，积极构建完备的“课后实践”体系。在本节课后，可以开放相关的专业研究试验平台，面向学生提供包括实验室参观与交流、提供相关实验技术培训以及设置本领域开放式研究课题等形式多样的“课后实践”体系，供学生们在课外自愿、自主选择，这不仅是对课堂教学的良好补充，给予学生们“学以致用”的科研实践场所，有效的储备和挖掘科研后备人才，而且能够充分利用高校优质的科技资源积极的服务课堂教学提供必要的渠道，为课程教学提供源源不断的研究案例与素材[5]。