微生物遗传育种学教学策略创新

张显 饶志明 徐美娟 杨套伟 李华钟 段作营 陈献忠

摘  要：为进一步提高微生物遗传育种学课程教学质量，激发学生的专业兴趣，文章从模块化教学方法、创新教学模式、多元化授课形式等方面探討了该课程教学改革的必要性，阐述了对微生物遗传育种学课程融入思想政治教育的思考，讨论了如何为国家与社会培养出综合素质全面和具有创新能力以及国际化视野的综合型人才，为相关本科专业的教学改革实践与应用提供借鉴。

关键词：微生物遗传育种学;教学改革;发酵工程

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）36-0030-04

Abstract： To further improve the course teaching quality of Microbial Genetics and Breeding to undergraduate students， this paper discussed the necessity of teaching innovation of this course from the aspects of modular teaching methods， innovative teaching modes and diversified teaching forms， and proposed thoughts on integrating curriculum into ideological and political education. This paper focuses on how to cultivate talents with comprehensive quality， innovative ability and international vision， and provides reference for the curriculum innovation practice and application of undergraduate majors.

Keywords： Microbial Genetics and Breeding; teaching reform; fermentation engineering

随着当今生物科技的快速发展，微生物作为细胞工厂生产可替代能源已成为必然趋势，高产菌株的选育及生产工艺的优化显得尤为重要。通过微生物遗传育种的应用，改变传统的资源利用模式，利用技术创新实现环境友好型产业模式的转变，将为工业生活提供更好的技术支持和资源保障。课程主要面向“轻工、发酵、食品”等行业，培养具有国际视野的、高素质创新创业人才。课程不仅注重培养学生的人身安全、环境安全、科学伦理等方面的意识，还注重培养学生分工合作、团队协作的精神，同时还培养学生身负祖国工业生物技术领域发展的使命感和时代责任感的情怀。

一、微生物遗传育种学教学中广泛存在的问题

（一）以教材为主的理论学习跟不上知识更新的速度

21世纪是生命科学快速发展的时期，组学技术、基因组编辑技术、人工智能解析蛋白生命体等高新技术的快速发展，导致原有的只针对书本知识的教学方式已无法应对如今技术演变的速度[1]。以教师为主，学生在规定动作下学习的教学模式也将无法满足目前行业创新发展形式下对人才积极性、主动性和创造性的培养要求[2]。随着学科前沿技术的推陈出新，微生物遗传育种学需要统筹新兴育种技术在本课程中的呈现度，使学生充分掌握理论课中所学微生物育种学基础理论知识，提高学生科研创新能力和科学素养。

（二）照本宣科导致对知识运用不够灵活

目前微生物遗传育种学课程中的理论知识和基础性实验的学习内容较为固定，教材更新速度较慢，在实验的创造性和微生物代谢机理的初步思考方面还有一定的局限。教材中目前采用的实验素材较为固定，且大部分学校开展系统性微生物遗传育种大实验的条件保障力不足。固定式的按照既定步骤进行实验会导致学生对实验的思考不充分，并且无法格物致知，进一步导致学生对知识的运用以及对实验的理解出现偏差，不利于对学生创新能力的培养。

（三）单一教学模式导致学生积极性不高

目前多数本科课程都采用课堂授课的传统教学模式，这种单一的教学形式无法满足学生对知识的多样性需求，难以充分调动学生对知识接纳的积极性以及对新知识的思考。在课程安排过程中如何用多种方法来丰富课程内容、来强化课程呈现度，进一步调动学生对相关知识学习的积极性并自主深化其对课程知识的理解，拓宽学生的学科视野，是目前微生物遗传育种学教学过程中亟待解决的问题。

二、微生物遗传育种学课程突破

（一）深度融入思想政治教育

深度挖掘微生物遗传育种学课程思想政治教育资源，避免片面强调育才功能而忽视其教育功能的不足，构建自然科学课程和思想政治理论课下的“立德”根本任务，引入思想政治教育手段引导学生树立乐观进取的人生观、明辨是非的世界观和积极向上的价值观，进而在提升自然科学知识的同时，深度融入思想政治教育。在为学生讲述现代学科前沿研究成果的同时，将国际科技趋势的演变和国际形势的变化联系到一起，宣扬我国科技工作者顽强拼搏的奋斗精神[3]，培养学生正确的人生观和世界观，增强学生为国家贡献的内在动力。

（二）创新授课形式，深化教学改革

传统的微生物遗传育种教学中以教师讲授、学生聆听为主的教学模式已经无法满足发酵工程学科对人才的培养要求，这种模式容易使学生在学习过程中产生疲态、较被动的感觉，影响教学效果和课堂氛围[4]。如何引导学生变被动学习为主动实践，激发学生的创新积极性，培养工业生物技术领域高素质、创新人才的形势迫切且意义深远。在微生物遗传育种学的教学过程中，可以采用模块化教学方式将课程分为三大模块。第一模块结合学校教学硬件，通过数字媒体以及VR仿真课堂教学等，将微生物遗传育种学课程基础知识和实验过程以不同于简单讲述的方法呈递给学生。第二模块是以学生为主导的主题研讨。学生根据兴趣自主选择研讨方向将国际前沿的微生物遗传育种学进展，以分小组主题汇报的形式进行汇报并进行全班研讨，在开拓学生科技视野的同时，锻炼了学生汇报演讲时的组织、应变、讲述能力。第三模块是分组进行实验方案研讨，实验教学是实践性教学的一种组织形式。学生利用本校的硬件实验条件，由教师给定实验主题以及实验目的，学生自行制定实验方案与计划，在老师辅助监督下，有组织地开展实验方案研讨与论证，通过提问、交流和讨论，提高知识与发展能力，强化以学生为中心的自主学习过程，学生可以在独立检索文献和总结梳理知识点的同时培养积极的学习习惯。

（三）以实验教学促理论教学

浓厚的兴趣是深刻理解课程知识的前提，学生通过实验复现传统微生物遗传育种学现象，不仅能帮助其深刻理解实验中涉及的生物学原理和技术，来更好地掌握课程知识，还能较好地激发其对所学课程的求知欲[5]。因此必须引导学生主动实践的意识，增强学生主动思考的能力，通过实验教学将实验过程中的思考和体会与课堂中学习到的理论知识相呼应，在深刻体会探索相关生物学原理的过程中，将实验方案设计与具体方法的选择有机统一，激发学生主动学习的内驱力[6]。在微生物遗传育种学课程的教学开展过程中，还要充分利用所在学校的学科平台资源[7]，开展理论授课与实验授课相结合的教学模式，在接受课堂理论知识的系统学习后，去实验过程中探讨如何将其进行应用，开发学生独立思考、发现问题、解决问题以及灵活运用课堂知识的能力。

（四）注重课程交叉，提高学生知识综合运用能力

在微生物遗传育种学传统课程教学策略不断进行改革的时代背景下，不断吸收开发新知识、新方法、新思路，及时更新教学内容，及时将本课程与其他课程相互交叉或重复的内容进行重构优化。例如，微生物遗传育种学课程部分内容与生物化学、分子生物学、微生物学等课程高度交叉融合，因此本课程在其他课程内容相关原理和现象基础上，要更加注重育种策略的设计，充分体现实用性、前沿性和新颖性，增强学生融会贯通多种课程知识的能力[8]。

（五）紧跟学科前沿，引入新技术新突破

后疫情时代是生命科学的新纪元，近些年来发展出的大批高新技术已被逐渐应用并随着研究的深入被不断改进，相关技术缺陷也被一一攻克。在此科技发展的速度背景下，微生物遗传育种学教材中采用的实验素材已逐渐不能满足教学需要。例如：紫外线诱变大肠杆菌筛选耐药突变株的这一课程实验，紫外诱变技术结合抗生素筛选等基础遗传育种学技术已无法很好契合当今社会发展对工业微生物菌株开发的要求。因此，需要紧跟学科前沿，在微生物遗传育种的课程中，引入新技术突破。以相关知识发现为例，将学生引入更高层次的知识殿堂，引导学生自主学习诺贝尔奖等知识发现的过程及其相关原理，并将相关知识点结合到微生物遗传育种学课程中，带领学生把握科技进步方向，普及前沿科技的技术要点。

本文以生命科学前沿技术如何改变传统微生物育种方式举例如下：

CRISPR/Cas基因编辑技术一诞生就被视为21世纪最为重要的生物发现之一。经典的CRISPR/Cas系统来源于细菌防御系统，该系统由一个用于精确靶向的单引导RNA（SgRNA）和一个用于DNA结合和核酸酶活性的Cas蛋白组成。依赖于CRISPR/Cas系统的高精度[9]，除了原有的核酸酶活性外，还开发了多种功能，如基因组碱基编辑、基因敲除和激活、染色质成像系统等。这些扩展展示了CRISPR/Cas系统的灵活性，并且由于其稳定高效，CRISPR/Cas技术已经成为基因组编辑的强大工具，在生命科学的各个领域都展现出广阔的应用前景，促进了基础生物学、生物医学和农业研究的发展，也为疾病的临床治疗提供了新策略。基因组编辑技术的进步使基础和应用生物学研究发生了革命性的变化[10]。

标志着人工智能与生物学科的交叉产物AlphaFold于2021年诞生，AlphaFold可以周期性的以原子精度预测蛋白质结构[11]。在技术上，AlphaFold利用多序列对齐，进行深度学习算法的设计，还结合了关于蛋白质结构的物理和生物学知识提升效果。具体来看，AlphaFold网络由两个主要部分组成[12]，首先，网络的主干通过一个称为Evoformer的新神经网络块的重复层来处理输入，产生一个Nseq×Nres阵列（Nseq：序列数，Nres：残差数），它表示一个处理过的MSA和一个表示剩余对的Nres×Nres阵列。Evoformer块包含许多新颖的基于注意力和非基于注意力的成分，它的关键创新是与MSA交换信息的新机制，并能直接推理空间和进化关系的配对表征。网络的主干之后是结构模块（Structure Module），該模块以蛋白质的每个残基的旋转和平移的形式引入了显式的3-D结构。这些表征在微不足道的状态下初始化，所有旋转设置为同一性（identity），所有位置设置为原点，但能够快速开发和完善具有精确原子细节的高度准确的蛋白质结构[13]。

又例如2017年诺贝尔化学奖授予发明了冷冻电镜技术的三位科学家，以奖励其对探明生物分子高分辨率结构的贡献。2018年诺贝尔化学奖授予了三位科学家，弗朗西斯·阿诺德获奖的理由是他首次进行了酶的定向进化。这些通过解析和改变蛋白质结构，获得具有目的催化能力的蛋白质有着广泛的应用领域。另一位获奖者乔治·史密斯发明了一种被称为“噬菌体展示”（phage display）的技术[14]：这让能感染细菌的病毒可以用来进化新的蛋白质。而格雷戈里·温特爵士则利用噬菌体展示技术生产了新的药物[15]。如今，噬菌体技术可产生抗体，用以中和毒素，对抗自身免疫性疾病以及治疗转移性癌症等[16]。通过与学生剖析讲述前沿科技，可极大地丰富学生专业视野，消除了学生对前言技术望而却步的距离感，进一步激发学生们对生命科学领域知识进行探索的愿望。

（六）强化实践能力，以赛促学

微生物遗传育种学就是在微生物学、分子生物学等学科的基础上，将科技手段切实运用在实践中，随着课外实践活动的进行，学生对基础知识的掌握将会越发娴熟，对微生物遗传育种的认识也会越发深刻。微生物遗传育种教学应基于施教单位已有实验条件，鼓励学生积极组队参加中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、国际遗传工程机器竞赛（iGEM）、全国大学生生命科学竞赛、生命科学创新创业大赛、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛等国内外生命科学领域相关科学竞赛，展现学生专业风采，以赛促学，以学促行，促进学生对知识的消化吸收，强化实践能力。鼓励学生主动走进实验室，参与教师的课题研究，让学生在实践的过程中，对微生物遗传育种有更切身的理解。

三、结束语

微生物遗传育种学作为一门理论与实践相结合的应用类课程，应尽可能地激发学生的潜能，培养符合国家需求且具有国际视野的高素质创新型人才，以推动科技的进步与时代的发展[17]。紧随国际前沿发展的教学内容，改进更科学有效的教学模式，深化课程建设内涵，提高学生自主思考、自主学习和实践动手的能力，以理论课教学为基石，通过丰富的教学形式为学生多元化、创造性学习先进微生物育种策略并应用到今后的科研工作中奠定坚实的基础。高校要紧跟21新世纪科技发展的步伐，适应社会多元发展的需要，通过自主讨论，设计实验教学，让学生把课堂所学的理论知识和学过的实验技能更灵活有机地结合起来。同时推进国际、校际间的合作，共享优质教学资源，共同使微生物遗传育种学教学水平得到全面进步[18]。

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