微课教学设计：以“从碱基到人造生命大规模DNA的从头合成”为例——

王冬梅, 洪 泂

(中国科学技术大学 生命科学学院, 合肥 230026)

百年树人，教育为本。在“双一流建设”和 专业课程建设“双万计划”的背景下，如何引导学生在学习现有知识基础上深思熟虑、心领神会、学以致用，从而成为“知而有识、学而善用”的优秀人才，是大学课程教学理念的核心思想。

精研教学教法，深刻领会教学内容，充分运用信息化技术服务于教学，从而达到提升教学效果的目的。随着网络化、信息化教学理念的兴起，微课作为一种新型的教学模式受到广泛的关注。微课又名微型课程，是指为使学习者自主学习获得最佳效果，经过精心的信息化教学设计，以流媒体形式展示的围绕某个知识点或教学环节开展的简短、完整的教学活动[1]。微课作为一种短小精悍、主题明确的知识传播手段，将传统教学和信息化教学融合在一起，成为传统课堂教学的必要和有益的补充，可以帮助学生更好地理解和掌握知识。这里，我们以“从碱基到人造生命——大规模DNA的从头合成”为例，介绍了微课的教学设计方案及微课制作的一些心得体会。

教学形式要服务于教学内容，微课的制作同样如此。适合用于微课制作的教学内容要求立意新颖、主题明确、内容编排符合认知逻辑、过程主线清晰、重点突出，知识体系相对完整，具有视频教学案例的特点。设计微课时要求充分发挥多媒体的优势，要求教学过程形象生动，富有启发性和趣味性等特点。

合成生物学是21世纪初出现的一门新兴交叉学科，包括“认识生命”“改造生命”和“制造生命”三个大的方面，被称为“将改变世界的科技之一”。中国科学技术大学生命科学学院很早就把这门学科引入到课程体系中来，我们的合成生物学课程内容既是学科发展的介绍，又涉及众多新技术新思路，但由于课时限制，教师不容易讲清楚，学生也不容易消化理解，教学效果不是很好。如果把比较核心的知识点提炼出来做成微课，以点及面，就可以为学生学习整个课程提供一个助力和把手。大规模、高通量DNA的合成技术直接孕育了诸如人工合成具有感染能力的病毒、人造生命体、人工合成的酵母基因组、DNA信息存储技术等举世瞩目的重大的研究成果，其主题突出，DNA合成过程主线清晰，知识点相对完整，可以制作成一个比较有特点的视频教学案例，非常适合用于微课的教学，因此我们选取了“大规模DNA的从头合成”作为微课题材，希望通过介绍大规模DNA的从头合成的相关知识，激发学生对学科领域的新进展进行调研追踪的兴趣和热情，并转化为学习的动力，学以致用。

1 微课设计方案

微课设计方案与传统教学的设计方案相同，都包含教学目标、教学内容、重点难点分析、具体教学过程、教学总结等组成部分，都是一个完整的教学活动。设计微课时更要充分体现其微型课堂优点，即“短”“小”“精”“悍”。本微课课程设计的初衷是希望以此微课为载体，向学生展示一个重大的科学研究目标是如何通过拆分成一个个小的研究目标从而分步实现的，拉进学生与学科领域顶级成就之间的距离，使学生在吸收前人知识的基础上深思熟虑，转化成自己的学识和能力，从而增强学生勇攀科学高峰的信心和决心。

1.1 教学目标

1)掌握大规模DNA从头合成的主要流程及各阶段所涉及的技术方法；2)希望通过对大规模DNA从头合成的学习及课后阅读相关高水平文献，提高阅读文献及分析问题的能力。

1.2 教学内容

1)大规模DNA从头合成方面的发展历程、重要性及应用；2)大规模DNA的从头合成的主要原理、流程及所使用的技术方法。

1.3 对教学中重点难点的分析

本课程教学的重点是讲明大规模DNA的从头合成是分阶段的，不同合成阶段对应不同的技术方法。使学生理解大规模DNA的从头合成并非是简单的DNA片段的叠加延长，不同长度的DNA合成策略也不相同，中间还涉及对合成中出现错误的DNA的纠错和去除。此外，对DNA合成及组装所涉及的各种技术方法细节过程的理解是教学中的难点，由于新技术、新方法内容的纷繁复杂，受教学时间限制，除课堂上教师提纲挈领地讲解外，还需要学生在课下认真阅读有关文献报道从而达到学以致用。

1.4 教学切入点

任何知识都不是孤立存在的，与现实生活有着千丝万缕的联系，自然科学领域中的重大科技进展更容易引发学生的学习兴趣，是很好的切入点。我们从人工合成病毒基因组及其潜在重大生物安全问题、人造生命体的基因组合成及DNA亿千兆字节的数据信息存储容量等重大研究报道入手，把现实生活中发生的引人瞩目的大事件与抽象的DNA大规模合成联系起来，引起学生对DNA合成方面知识的求知欲，激发同学们探索生命体奥秘的热情。

1.5 教学的具体过程

1)概念引入。首先明确了大规模DNA的从头合成属于合成生物学学科领域，对合成生物学这一新兴学科做了简要介绍，明确了大规模DNA合成在学科领域中所处的地位。

2)问题引入。结合近几年来合成生物学学科范围内有关方面几项轰动性研究成果，引入为什么需要大规模合成DNA以及大规模DNA是如何从头合成的问题，激发同学们对本领域研究的学习兴趣。

3)问题延伸。基因组的编写是近年来生命科学领域研究的热点。通过回顾合成生物学相关方面的重要发展历程引发学生们对大规模DNA从头合成的兴趣及求知欲，然后介绍基因组规模的DNA是如何以碱基为材料开始寡核苷酸的化学合成，然后是寡核苷酸到DNA短片段的组装，全基因或多基因片段DNA的组装，最终实现基因组的组装。合成中间过程还涉及对DNA合成中的错误进行去除，以保证最终的基因组DNA的正确性。选择代表性的技术进行图示说明以帮助学生准确理解，并列出每种方法技术的优缺点。

大规模DNA从头合成过程如图1所示。具体来说，大规模DNA从头合成时，长片段DNA要被分成很多短的寡核苷酸进行合成，因此在进行寡核苷酸的化学合成之前，首先要借助Genedesign，TmPrime或DNAWorks等软件设计寡核苷酸序列，一般寡核苷酸序列长度不超过200个碱基对(base pair, bp)；其次化学法合成寡核苷酸，以4种核苷酸为原料，从头合成寡核苷酸。目前常用的仍然是常规DNA合成方法，但是随着芯片原位寡核苷酸合成技术的发展，采用基于芯片的DNA高并行合成技术，可以同时合成多种寡核苷酸，合成的规模大、成本低，将成为寡核苷酸合成的发展方向；随后是从寡核苷酸到1 kb左右的DNA短片段的组装，一般常用聚合酶循环组装法和连接酶链式反应法来完成；然后进行全基因或多基因片段DNA的组装，一般采用限制酶酶切位点组装法、位点特异性重组法、基于重叠序列的拼接法等方法，组装的DNA长度可达到几百Kb。当DNA目标长度达到0.5 Mb以上时，体外(invitro)重组技术已经难以进行DNA的拼接，这时需要用到细胞内的同源重组。通过“转化介导的重组技术”也就是TAR技术，将大片段DNA与载体一起转化酵母细胞，利用宿主自身的重组系统把两端带有同源序列的片段通过重组的方法连接起来，拼接成完整的基因组；最后，把完整的基因组DNA移植到不含细胞核的空细胞中，完成人工生命的构建，这个过程中要注意对移植DNA的修饰，以避免宿主对外源DNA的降解。而对于更大的基因组的合成，例如酵母基因组DNA的合成时，无法一次合成完整的基因组，通常采用逐步替换的方法，将酵母中的基因组DNA逐步替换成合成的DNA。

图1 大规模DNA从头合成过程示意图

4)课程总结。总结本节课主要内容，再次回顾大规模DNA从头合成的主要过程，即从4种核苷酸开始，随着DNA序列长度不断增加，从几十个核苷酸到兆级碱基对长度的序列以至全基因组的逐步合成组装的过程，以此增强学生的理解记忆，并给出延伸性课后思考题，最后列出参考资料。

2 教学总结及特色分析

本课程以大规模DNA的从头合成为主线，对各个阶段所涉及的技术方法进行了较为全面的介绍。通过本课程的学习，学生应掌握大规模DNA从头合成的主要过程，了解不同合成阶段所涉及的不同的技术方法，明确大规模DNA的合成在合成生物学学科发展中所占的重要地位。在实际工作中，能够针对每一种DNA合成的技术方法的优缺点，正确选择合适的方法，合理设计基因的合成方案，学以致用。

本微课在设计上以学科领域的轰动性研究成果为切入点，从而引发学生对教学内容的关注和学习兴趣。教学内容反映了学科的前沿性和时代性，抓住了人造生命体、人工合成的酵母基因组、DNA信息存储技术等重大研究成果背后的核心技术，通过大规模、高通量DNA合成技术的介绍，拉近了与这些举世瞩目的重大研究成果的距离，主线清晰，重点突出，与课堂教学相结合，使学生更易于理解掌握课程的教学内容。教学形式形象生动，富有启发性及趣味性，本课程内容中技术方法在具体细节上具有一定的难度，能引起学生深入探究和进行个性化学习的愿望。

3 教学效果及评价

微课教学效果最根本的衡量标准是学生的学习效果[2]。而对学习效果的评价重点在于学生是否能做到对知识内容的掌握、运用及举一反三。本微课内容属于本科专业选修课合成生物学课程，在课程讲授中，我们将微课视频和课堂讲授相结合，从课前学习开始，再通过课程内容的介绍，为学生引入学科前沿进展，最后引导学生课后进行知识拓展。微课注重其融入课堂教学的便利性、有效性和可行性，本微课侧重于个性化学习和教学辅助，相应的学习评价包括自主学习、信息处理、团队合作和解决问题等几个方面，在评分体系中适当提高创新思维在评分中的比值。

具体来说，在相应的教学内容“最小细胞、最基本基因组的合成”开始前两到三天，通过班级QQ群发布微课视频，并要求学生在开课前回复学习收获及一个最感兴趣或最关心的问题。这种模式不仅可以提高教学效率，也能很好地培养学生自主学习的能力[3]。课程讲授结束后，要求学生两人一组结成讨论小组，以本节课所介绍的知识为基础进行拓展，查找文献，合理推理论证、尝试回答在上课前所提出的问题，并需要相关的研究文献作为支持，一星期后完成调研报告并提交，作为本节课程的评价指标之一。

从学生的课前回复中可以看出，微课中提到的以大规模DNA合成为基础的各项重大科技进展，确实是最吸引学生的地方。学习收获是比较清晰地掌握了大规模DNA合成的主要过程，同时打开了“神秘的”科技成果的“面纱”，切身体会到科技高峰并非那么的高不可攀。学生们所关注的问题集中在几个方面：比如最小基因组究竟有多大，合成一个细胞最少需要多少基因，程序化设计生命的可行性及生物安全等。

学生们在课后的调研报告中充分反映了各自的观点及不同的思考，比如对程序化设计生命的评价方面，有的同学认为现阶段生物这个领域还不适合让工程化设计来领导整个实验；有的认为在一个仍有相当大的未知部分的生物系统中，理想化的设计需要一定的运气；有的则认为在复杂的生命体系中以工程化的设计，获得特定的生物器件或人工生命系统，不可能一直依靠实验测试，而需要依靠大量的数据进行分析，建模，利用计算机处理数据，这样最后配以适当的实验即可快速达到目的；还有的同学课前觉得建立一个人工细胞没有什么意义，但通过学习和课后思考，又有了新的想法，认为人工细胞在能源、医疗、环境等方面有着巨大的应用潜力，立志要在此领域做出一定的贡献等。

激活学生的思维能力，最大限度地挖掘学生的学习潜力[4]，这也是高质量教学效果的最佳体现。本微课教学实践与课堂教学活动相结合实施两年多来，引导学生用发展的眼光思考问题，诱导启发学生的创新思维，激发了学生的学习积极性和科研热情[5]，深受同学们的普遍欢迎。本微课还获得2018年全国高校生命科学类微课比赛二等奖，获得了专家评委们的肯定和好评。

微课不仅可以作为一个课程独立完成某一教学目标，还可以作为一种教学资源应用于常规教学的各个环节，同时具有资源和课程的双重属性[6]。目前在我们学院，一系列微课的录制正在陆续进行中，微课资源管理平台也在建设中，在有助于学生更好地掌握和理解教学内容的同时，也促进教师们提高信息化教学的水平，以期更好地服务于教学。

4 微课制作心得体会

一节好的微课首先要选择一个好的题材，然后通过对教学内容及学生的分析，明确教学目标，制定教学策略。然后就是课件的准备及拍摄脚本的制作过程，需要教师凝聚智慧，优化提炼教学内容，对知识的讲授层层递进，精美的PPT设计及配合教学内容的展现手法，包括动画的表现形式等，都需要教师的高度扎实的专业背景知识加以支撑。随后就需要专业的拍摄团队进行微课视频的录制和后期制作剪辑等，教师要全程参与到后期制作中来，充分沟通与合作，包括教师的讲课风采，内容的讲述和画面的匹配以及背景音乐的烘托等诸多要素，才能使微课真正体现出教学的意图、实现教学的目标。总之，一节好的微课视频，不仅仅能将知识传播，更应该能带给人一种美的享受。

微课是针对某个知识点或教学环节而展开的教学活动，这个特点决定了它不可能替代传统的课堂教学。微课教学模式是对传统课堂教学的时间和空间的延伸，既增加了学生学习知识的渠道，又是对课堂教学的补充和促进。所以，我们要立足传统课堂教学，科学引入新的教学方法，汲取微课教学模式的优势，使线上线下教学模式在教学实践中有机融合在一起，达到相得益彰的教学效果。