代谢工程与合成生物学教学改革探索

周春燕 汪城墙

(山东农业大学 山东 泰安 271018)

0 引言

代谢工程与合成生物学是山东农业大学生命科学学院开设的一门生物与医药类专业课，是基于基因工程、分子生物学等基础课程后开设的课程。随着DNA重组技术的发展，基因工程应运而生，随后延伸出了代谢工程以及合成生物学[1]。代谢工程聚焦细胞代谢途径与调控网络的设计与优化，实现目标产物的生物合成与应用；而合成生物学聚焦生命元件的人工设计与改造，偏重基础理论研究；两学科有交叉也有不同[2]。代谢工程与合成生物学课程主要以专题的形式，讲授两个交叉学科领域的发展、重要研究领域和最新进展，帮助学生开拓科研视野并培养科研思维。该课程具有较强的时效性和应用性，也蕴含着丰富的思政元素，常规的教学模式需要进一步改革优化。基于代谢工程与合成生物学的发展特点和多年教学实践，该课程应推进重塑讲课模式、挖掘科研和思政案例、开启“案例+探究式+线上线下”混合式教学模式等多种教学改革，通过多种途径强化教学效果。

1 重塑讲课模式

常规的课堂教学模式是将代谢工程和合成生物学两学科分开教学，缺乏连贯性，使学生不易理解两个学科的融合发展历程以及发展趋势。代谢工程与合成生物学课程应重塑讲课模式，将代谢工程和合成生物学两学科紧密结合，授课时应整合介绍两学科发展历程和重要知识点。代谢工程和合成生物学均基于基因工程发展而来，存在承上启下的连续性，在介绍三个学科先后发展历程中，要让学生理解学科整体发展规律。授课时应整合介绍代谢工程和合成生物学领域的技术方法、研究进展和应用案例，突出技术方法的革新以及突破性成果。代谢工程和合成生物学领域的研究技术具有互通性，前者偏重研究自然界固有基因元件，而后者会引入人工合成和创造的基因模块。代谢工程和合成生物学两学科相互渗透、紧密相连，发展迅猛，尤其是有着“第三次生物技术革命”之称的合成生物学，在科学探索和产业应用方面取得了突出成绩；比如青蒿素的微生物合成与应用[3]，是代谢工程和合成生物学两个学科领域的共同标志性成果。

2 案例教学模式改革

案例教学法最早由古希腊哲学家苏格拉底提出，又称为“苏格拉底式教学法”[4]，将抽象的理论知识和形象的实际问题相结合，有效激发学生学习的积极性，提高学生理解、分析和解决问题的综合能力。案例教学的精髓不在于让学生去认同和理解某种既定的观点，重要的是让学生用批判性的思维寻找解决问题的切入点[5]。

2.1科研案例教学改革

代谢工程与合成生物学课程的科研案例教学改革，拟建设一套集特色与创新于一体的科研案例库。科研案例库引用国内外经典案例教学思想，引入代谢工程与合成生物学领域特有的里程碑式的研究成果，从特殊背景介绍开始，系统介绍案例内容，增加学生的带入感，变被动为主动。同时，该案例库的建设亦应结合山东农业大学相关研究领域与农林类特色。通过本课程科研案例库的系统学习，可让学生逐步理解代谢工程与合成生物学相关领域的研究方法并寻找契合点，深入把握科研内涵，为日后开展科研工作打下基础。拟建设5个具有重要应用前景的科研案例：农业微生物肥料菌种的基因组工程改造与替代传统工艺的新发酵工艺研制；用于农药残留监测的微生物传感器构建及应用；利用合成生物学技术构建细胞工厂，以及构建多酶分子机器来生产药物的关键因素和典型案例；新型生物燃料的合成与应用技术；基因治疗及应用伦理问题探究。

2.2思政案例教学改革

高校课程思政建设是将高校各类专业课程与思政理论有机结合而达到协同效应，构建教育教学全过程中的新型育人格局形式。高校课程思政建设的全面推动，是我国在教育过程中落实“立德树人”根本任务的一项重要战略举措[6]。2020年5月印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》中明确指出，要把思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设，达到提高高校人才培养质量的目的[7]。结合国家的教育方针政策，高校教师应在教学过程中树立课程思政育人的理念，将传授学生专业知识与塑造学生思想道德品质有机融合。国内不同高校的“课程思政”教学建设各具特色，具体实施过程中也取得了初步成效[8]。代谢工程与合成生物学研究领域因涉及生物安全、生物伦理、生态文明等层面问题，课程思政建设尤为重要，需要在授课时对学生进行思想道德和生物伦理教育，引导学生对生命意义的思考，以确保生物与医药类专业人才能够树立正确的生命价值观和科研事业观，对生物与医药学科的长远发展具有重要意义。

代谢工程与合成生物学是生物学重要的前沿学科，但尚未有丰富成型的思政案例。建立一套代谢工程与合成生物学领域的专业和思政相融合的应用性教学案例，需梳理代谢工程与合成生物学课程所蕴含的思政教育元素，实现思政教育与专业知识体系教育的有机统一。基于山东农业大学代谢工程与合成生物学课程中介绍的基本理论知识、研究进展与应用等教学内容，本文提出可在授课时结合教学内容引入的5个紧密关联的思政案例：科技创新是民族不断前进的灵魂；民族科研自信的典范——屠呦呦；不忘初心牢记使命，树立为全人类服务的思想意识；以国家目标和战略需求为导向，瞄准科技前沿；合成生物学技术风险决策与科研人员的道德选择。课程思政案例要紧跟时代，课程思政教育也要追求创新，思政案例授课结束后应及时评价与反思，做到精益求精。可通过调查问卷、师生座谈等形式收集参与思政教学的学生们的想法，并邀请思政专业教授对教学过程中开展的思政教学环节进行评估，从思政内容、教学形式、教师能力等方面对课程思政教学的实施做出总体评价与分析，以期不断完善课程思政教学体系。

3 “案例+探究式+线上线下”混合式教学模式探索

探究式教学法是以学生为主体，教师在学习过程中给出一些事例和问题，引导学生通过阅读、思考和讨论等途径自主学习，掌握认识和解决问题的方法和步骤，研究客观事物的属性，并推导出相应结论[9]。代谢工程与合成生物学学科发展快速而课堂讲授学时有限，课上未涉及到的有关内容，可形成相关案例，通过探究式教学模式引导学生查阅有关论文资料并进行线上讨论与考核，推进“案例+探究式+线上线下”混合式教学模式改革。

3.1“案例+探究式+线上线下”混合式教学实施方案

代谢工程与合成生物学课程的科研案例以及思政案例的教学应以学生为主体，采用线上线下混合式教学模式开展，获得一手实践报告与经验。计划将学生分成5个大组，每组分别选择一个科研案例和思政案例，学生也可自主选择新的案例。学生以小组形式查阅资料，开展探究式学习，每小组将学习成果形成一份10-20分钟的PPT以及一份1000字以上的案例总结报告，发送给授课教师审阅。授课时，选择4学时进行线上案例教学和考核，每小组推选1-2名学生结合现代化的多媒体手段进行讲解，师生互动讨论，充分调动学生积极性，使科研和思政案例达到感同身受式的教学效果。此教学模式可充分调动学生的积极性、主动性和参与度。

线上教学策略与质量保障：课前的网络调试和沟通十分必要。网络授课要保证网络畅通，需要优质的教学平台、稳定的网络和良好的硬件。腾讯课堂、雨课堂、微助教等平台会针对每门课程提供课堂签到、课堂测试与讨论等多种互动功能，课堂形式丰富。不同平台的优缺点不同，教师可同时开启2个平台，缓解网络卡顿造成的学习障碍。线上课堂要强化互动并监控学生的学习进度。为了保证学生及时跟进学习过程，教师要进行签到和提问，并且鼓励学生随时留言沟通。课下要加强测验与总结。可通过平台发布作业并设置自动完成评阅，提高考核效率。

3.2线上考核模式改革

课程最后的结课考试也可采用网络开卷或闭卷的方式来进行考核。网络考核要做到尽可能地真实反应学生的学习成效，避免抄袭等现象的发生。微助教等平台具有课堂资源库，里面具有组卷功能，可设立试题库，然后选择随机出题，保证每位学生的答卷不同，选择题等答案的编排顺序不同，可最大限度避免抄袭的嫌疑。另外，也可尝试采用腾讯会议等平台进行网络考试视频监控，教师将试题发给学生，在规定时间内作答。另外，网络考试试题应以应用型题目为主，题量要大，要最大限度的避免学生私下抄袭的现象。

4 结语

代谢工程与合成生物学领域的研究，旨在改造现有的生命体为人类造福，具有很强的时效性和应用性。开展代谢工程与合成生物学的科研与思政案例教学、探究式教学、线上线下混合式教学模式改革，可充分调动学生的学习积极性和探究欲；可激发学生科研潜力；可挖掘该课程中所蕴含的思政教育元素和所承载的思想政治教育功能；对深化生物与医药类专业学生培养模式改革并提高学生培养质量具有重要意义。本文探索的科研和思政案例教学模式和“案例+探究式+线上线下”混合式教学模式可推广到高校其他生物类专业的教学过程，并对高校其他专业课程的教学改革也有一定借鉴意义。