高校《基因工程》课程建设与教学改革

孙地，刘聪，朱静榕，刘佳文，刘伟杰

（江苏师范大学 生命科学学院，江苏 徐州）

一 引言

基因工程是一项将来源于某种生物的目的基因通过基因载体运送到另一种生物的活性细胞中，使之无性繁殖并行使其正常功能，从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术[1]。该技术兴起于20世纪70年代，随着近年来的迅猛发展，基因工程不仅在生物科研中广泛应用，而且在工业、农业、医疗卫生行业等多个国民经济的关键部门中发挥了重要的作用。因此，许多高等院校都在生物科学、生物制药和生物技术专业本科生教学体系中开设了基因工程课程，作为专业进阶课程。基因工程课程以生物化学、遗传学和分子生物学等作为先导课程，根据遗传信息传递和表达的“中心法则”，围绕目标基因的获取、重组载体的构建、重组转化子转入受体细胞，正确重组子的筛选与鉴定和目标基因在受体细胞中异源表达等内容展开。

传统基因工程课程教学过程中，讲授重点在于基因工程操作中使用的技术和基因工程的应用，考核方式多以卷面考试的形式为主[2,3]。然而这种教学方式存在着相当的弊端：1. 课程内容更新较慢，与本学科在当今社会的高速发展严重脱节；2. 教学过程多为教师讲授教学大纲规定的内容，缺乏与学生的互动和学生的自学；3. 基因工程中所涉及技术的讲解不够深入，过于抽象，使得本科生难于理解和记忆；4. 课程讲授容易和生产生活实际脱节，导致学生学习兴趣不高。以上是基因工程课程教学中的常见问题，针对这些问题，本文提出以下课程改革方案。

二 改革方案

（一） 结合学科前沿发展，充实教学内容

目前的基因工程课程中，授课教师除选用某一专业教材外，往往向学生指定若干参考书目。这些参考书目虽然能够对教学内容的扩充起到一定的作用，但是由于书籍（特别是教材类书籍）的刊印发行时间较长，使得学科最新发展情况难以被充实到教学内容中去。例如，目前大部分基因工程课程教学过程中，对于“重组载体的构建”的方法介绍仍为传统的“使用能够产生相同粘性末端或平末端的限制性内切酶切割外源基因片段和载体，回收核酸片段后，通过DNA连接酶的作用，将载体和片段连接构建重组载体，转化到感受态细胞中”的方式。但实际上，科研工作中已经大量引入了将具有长度为几十个乃至十几个碱基的相同末端的线性化载体与外源基因片段，通过同源重组的方式一步法构建重组载体的手段。该技术已经非常成熟，在市面上已有大量的相关产品和成熟的试剂盒，并广泛应用于科研实践中。这些基因工程前沿技术的发展对于加快科研进程、提高工作效率有着极大的帮助，已经成为现代基因工程操作的重要手段。然而该方案却少见于各类基因工程教科书中，导致学生在学习过程中产生了知识的盲点，使得教学过程和科研实践产生了脱节。因此教师应当在备课过程中广泛阅读相关文献，特别是反映了基因工程学科发展最前沿的科技文献，结合教学大纲，适当扩充教学内容[4]。在讲授主干课程内容的同时，对新的技术方法和基因工程的应用进展进行介绍。如果教师能够在备课时广泛阅读文献资料，及时补充新的知识点，将大大弥补教科书内容更新较慢的缺点。同时，将前沿知识引入到课堂教学过程中，还有助于促进学生对基因工程技术和发展的理解。这对于未来选择进入实验室进行科研工作的学生来说，可以大大缩短适应科研工作的时间，促进他们使用更加新颖高效的实验技术，推动科研工作的快速进行。

除能够弥补教科书知识更新慢的缺点外，引入前沿科学发展还有助于增加学生的新鲜感，特别是给基因工程实验课程带来了更多选择。笔者曾对多所学校的《基因工程实验》教学大纲进行比较研究，发现其内容大同小异，与《分子生物学实验》的内容相似度极高。由于分子生物学是基因工程的先导课程，因此学生和教师在相关课程中往往面临反复操作相同实验的尴尬境地。如果能利用新的基因工程技术来充实课堂，则可增强学生的新鲜感，提高其学习的体验感。例如，学生在分子生物学实验中学习了传统的“酶切-连接”法构建重组载体后，如果能在基因工程课程中学习同源重组法构建载体的方法，教师就可以在基因工程实验中安排相关的实验课程，并组织学生探讨比较不同方法构建重组载体的相同与不同之处，有助于推动学生进行思考，加深印象。

（二） 推动研讨式学习，提升教学体验

针对以往基因工程课程中讲授式教学占比过多，学生自学比例偏低的问题，教师可结合教学大纲，设置若干课题供学生分组研讨，以小组报告的形式汇报研讨结果[5]。在课题选取上，针对本科生知识基础相对薄弱，科研经验较为缺乏的客观事实，应当选取小而精的题材，便于学生查阅文献自主学习和分组讨论互助互学。例如，在课堂授课过程中讲授基因编辑技术时，可以设置课题，令学生查阅文献，分组讨论，阐述常见的基因编辑技术手段，如同源重组、CRISPR/Cas、RNAi、Cre-LoxP、TALEN、ZFN等方法的技术原理、操作过程、适用范围、优势劣势等。每个组仅对某一种技术进行深入研讨，最后由教师进行总结升华。教师也可以采用“翻转课堂”的教育手段，安排学生进行10-20分钟的微课讲授，简单明了地完成某个知识点的介绍[6]。笔者曾就“重组转化子的筛选与鉴定”为题，安排学生分组进行翻转课堂讲授，发现学生的学习积极性和学习效果普遍有所提高，对几种容易混淆的筛选鉴定办法之间的相似与差别之处有了清晰的认识。通过以上的研讨式学习，学生能够充分接触到学科前沿知识，开展文献的查询与阅读，展开小组内部和小组之间的讨论，从而有效地提升学习的参与感和体验感，加深对知识点的理解和记忆。此外，还可以提升学生的文献阅读能力和制作PPT、电子课件进行阐述讲解的水平。但是，采用研讨式教学时，考核手段和教学时间应予以相应的调整[7,8]。考核时应适当增加分组研讨成绩在总成绩中的权重，以激发学生参加讨论，做好报告的积极性；考核过程中应考核组内所有成员对于该课题的掌握情况，避免小组内某一个或某几个成员承担了绝大部分工作量，而其它成员无所事事的现象。教学时间上，应预留足够的准备时间（应提前一至两周安排选题），确保学生可以进行充分的准备工作，同时还应当安排合适的场地和多媒体设备，便于学生进行汇报[9]。

（三） 利用多媒体技术，加深记忆理解

基因工程课程的重点是各种实验技术。相比专业基础课，如分子生物学和遗传学的实验技术，基因工程课程中涉及到的技术更加复杂。如果仅介绍某一技术的作用原理和应用情况，学生学习时往往浮于表面，一知半解。例如在“核酸杂交与基因芯片”一节中，教师介绍基因芯片的原理和应用时，如果只用语言、文字，甚至是辅助以静态图片的教学手段，都难以使学生快速了解常见基因芯片的特点和细节特征。而当教师深入讲解这些实验技术时，由于基因工程技术往往步骤繁琐，因此需要深入了解每一步骤的目的和作用。单纯讲授难以帮助学生建立直观印象，从而导致学生难以深入理解和记忆。结果导致学生在传统基因工程课程教学时，对实验技术方法知其然而不知其所以然；或者只能对实验步骤死记硬背，一旦在实验课或自身科研实践中出现问题时缺乏解决能力。为解决学生难以理解和记忆基因工程技术的问题，可以引入多媒体技术，通过预先录制好的实验视频，从实验准备、实验步骤、结果分析、常见问题等角度进行系统性的学习。教师在教学时可以在实验过程的关键位置上进行深入讲解，阐述某一操作的原理和原因，以加深学生的认知[8,10,11]。另外，由于基因工程范围广阔，因此许多教师对全部的技术也不能做到完全掌握。但现在网络上高质量的基因工程教学视频内容非常丰富，涵盖了这一学科的各个方面，足以弥补教师自身的缺点。在备课过程中提前学习相关视频也是教师对自己不熟悉的领域加强认知的有效方法。除此之外，由于电脑和智能手机在学生群体中非常普及，因此教师可以安排学生在课后进行实验视频的学习，甚至自己录制视频和相关课程内容，上传到视频网站上与学生互动，大幅拓展教学空间和时间。笔者在课程教学过程中，在讲解完知识要点后，一般都会用视频进行辅助教学，并且在实验要点处暂停，结合视频中的操作情况，对相关知识要点进行详细讲解。通过这种方法进行教学，学生对基因工程技术的掌握情况有明显提高。

（四） 结合生活热点，提升学习兴趣

基因工程是一门与生产生活密切相关的学科，但在教学过程中，这门学科与生产生活实际的联系往往流于表面。教学过程中的例子往往集中于绪论阶段，而在课程的主干内容中例子较少，举例也大多与科研工作相关，因此导致学生因存在疏离感、陌生感而缺乏兴趣和学习的动力。为了提升学生的学习兴趣，激发学习热情，教师应当从生活热点中积极挖掘切入点，建立生活与学习的联系[4]。例如，在2020年爆发的新型冠状病毒肺炎疫情中，早期诊断、疫苗和药物开发中均有大量基因工程的用武之地。在诊断过程中，基于实时荧光定量PCR技术的检测试剂盒能够对患者进行快速诊断，因此可以在讲解实时荧光定量PCR技术的教学中引入这一案例，以激发学生的学习热情和兴趣；在疫苗开发过程中，传统的灭活疫苗和减毒活疫苗需要经过分离病毒-灭活（弱化）病毒-制备疫苗的流程，导致其耗时较长，难以满足快速遏制疫情的需要。因此教师可以结合相关领域研究进展，向学生们介绍腺病毒载体疫苗、重组亚单位疫苗、DNA疫苗和RNA疫苗的原理、制造方法和优点等。在向学生介绍康复期血浆疗法时，可以介绍如何通过基因工程技术生产特异性重组抗体。通过将这些教学内容与生活热点相联系，可以大幅提高学生的学习热情和积极性。如结合前文提到的研讨式学习和多媒体学习等手段，以小专题形式开展学习讨论，能够大幅提高学生的学习参与度，提高学生的学习信心。笔者曾结合对抗疫情过程中的相关基因工程技术，借助线上教学手段，进行了一次“基因工程在对抗新型冠状病毒肺炎疫情中的应用”的专题课程，从新型冠状病毒的生理活动特点、现有的针对病毒的药物作用机制、基因工程手段在生产疫苗、抗体和检测病毒中的应用等方面进行了专题报告。该专题课程得到了学生的积极反馈，学生们普遍表示通过这一堂专题课程，让自己更加清晰地认识到了基因工程的重要作用，提升了学习的动力和信心。

三 结语

基因工程是现代生物科学技术中的一个重要分支，在科研工作和生产生活应用中均扮演了重要的角色。通过对课程进行优化和改革，不断输入该学科最新研究的新鲜血液，采用多种手段从不同维度上优化教学方式，提升学生在课堂上的参与度和沉浸感，揭示基因工程与日常生活的紧密联系，将有助于帮助学生了解和掌握这一学科的最新进展、深入了解和掌握知识要点、提升学习热情和学习动力,为学生未来开展科研工作提供便利，为培养时代需要的复合型人才奠定基础。