研究生基因工程实验课程教学分析与思考

罗 刚，王学杨，王 俊

（江苏科技大学 生物技术学院／江苏省蚕桑生物学与生物技术重点实验室，江苏 镇江 212100）

研究生教育是我国高等教育的重要组成部分，它在培养创新人才和提高创新能力，从而服务经济社会发展、推进国家治理体系和治理能力现代化方面具有重要作用。相比于本科教育，研究生教育在培养目标、层次和模式上都有较大差异。其中，科研能力是研究生教育核心（即创新思维和创新能力的培养）的重要体现。作为提高研究生创新能力的重要手段，实验课程教学是培养学生掌握学科前沿动向和独立完成科学研究的基础，进而在其研究的领域不断进行自主创新。课程实验不仅要求学生学懂、学透理论知识，而且要求其能运用所学理论知识开展科学研究，对于研究生创新能力的培养尤其重要。

基因工程（gene engineering），又称DNA重组技术或基因拼接技术，是指不同生物体的遗传信息（DNA）在体外经过酶切、连接，构成重组DNA分子，然后转入细菌、酵母或细胞等受体细胞中，使外源基因在受体细胞中表达。它是一门以分子生物学、细胞生物学和遗传学等多个学科基本理论为基础的、实操性和系统性很强的前沿学科之一，是生物工程的一个重要组成部分。目前，基因工程与动物学、植物学和微生物学等各学科融合，广泛应用于医药卫生、生物和农业等领域的科学研究中。然而，基因工程实验与分子生物学实验的课程内容有很多地方相似，因此很多高校将基因工程实验部分放在分子生物学实验课程中，不单独开设，或者开设了实验课程，也没有系统地将每个实验连结起来，实验内容的连贯性不强，严重影响实验课程的效果，不利于学生科研逻辑思维的培养。传统的基因工程实验教学体系存在教学方法单一、课时安排不合理和学生积极性不高等问题，已不能满足培养研究生科研能力、创新思维和创新素养的需求。

1 基因工程实验课程教学现状

1.1 课程设计不合理，实验内容的针对性和系统性不强

基因工程实验课程内容与分子生物学或者大分子实验课程有很多地方重复，课程内容之间相互独立，缺乏逻辑性和连续性，课程设计过程中没有充分考虑学生知识背景，实验课程内容针对性和系统性不强。下面以江苏科技大学生物技术学院的研究生基因工程实验课为例进行介绍，此课程属于选修课，与动物细胞培养一起共计32学时，其中综合性实验16学时，占总课时的一半；其中基因工程实验课的课时只有8个学时。选修这门课程的研究生主要是以蚕桑为研究对象，具有畜牧学或生物学相关知识背景，分子生物学理论知识掌握程度和实验操作水平参差不齐。具有畜牧学学科背景的学生，在本科阶段很少接触分子生物学或者基因工程课程实验，也很少有高等院校将这两门课程作为专业核心课程。相对而言，具有生物学学科背景的学生，本科阶段接触或者做过基因工程相关的实验，具有一定的理论知识和实验操作技能。面对不同知识背景的学生，学校应在理论课的基础上有针对性地安排不同的实验课。

此外，基因工程实验课程在核酸的提取、mRNA反转录扩增、荧光定量PCR和DNA克隆测序等内容上与动物大分子实验有重复。相对于大分子实验课程，基因工程实验的系统性更强。以构建载体为例，基因工程实验涉及PCR技术、酶切连接技术、细菌转化技术和DNA测序技术，需要系统地将这些技术应用于DNA的重组。相比较而言，大分子实验课程侧重于单个实验技术，没有很好地将这些技术串联起来，不利于学生构建、完善自身的知识体系。另外课时也不合理，实验课程的课时安排太死板，没有考虑到实验中的等待时间。例如，传统的酶切连接法构建载体，需要1 d的时间完成，细菌生长需要过夜。因此，怎样有针对性地设计课程内容、合理安排实验，对实验教学的效果具有重要影响。

1.2 教学方法单一，学生的主观能动性不足

研究生的实验课程教学，是在本科生实验课程的教学基础上发展而来的。长期以来，实验课程的教学以教师为主导，学生被动进行实验操作，主观能动性差，不利于学生主动构建知识体系。课程的一般模式是教师或者实验技术人员事先将需要的实验材料准备好，在实验开始前用PPT将本节课的实验目的、原理、方法步骤及注意事项展示出来，学生再去实验操作，教学方式比较单一。由于课时的限制，教师为了压缩实验过程中需要等待的时间，一般都会提前准备好每个阶段的样品，学生只要操作实验就行。如在酶切连接的实验中，教师需要提前准备纯化好的目的片段和载体，学生配好PCR体系后直接连接载体，关于PCR扩增结束后目的片段需要如何处理、怎么纯化，学生并没有参与。故在学生的知识体系中，缺乏该部分的知识衔接。在这种教学模式下，大部分学生没有机会系统性思考整个实验过程，缺乏实验设计和分析能力，其不良影响会反映在后续的开题报告和毕业设计上。另外，被动“填鸭式”学习实验技能，不能使学生树立责任感、也没有成就感，不利于学生建立自信心。这种不以学生为主导的授课模式难以培养具有创新思维和创新能力的学生，不利于学生后期从事科研活动。

1.3 评价体系不完善，不能充分激励学生主动学习

课程改革应重视实验课程的考核和评价体系的更新，从而调动学生自主学习的积极性、提高研究生的科研素养和创新意识。传统的实验课程考核是以结果为导向的考核体系，参考的评价材料主要是实验报告。但是，实验报告只能反映整个实验的结果，难以从中了解实验过程中学生的表现情况。此外，教师或者实验人员在准备课程实验时使用统一的实验材料，导致学生做出来的正确结果一致，难以从实验报告中判断学生对实验的理解程度。统一的实验材料也容易使某些学生产生依赖情绪，上课不认真听讲，不注重实验过程，从有些实验报告可以看出修改数据或者抄袭现象。因此，如何建立一套高效的考核评价体系，从而激发学生对基因工程实验课程的兴趣至关重要。

2 基因工程实验课程改进措施

2.1 有针对性地设计课程实验内容，合理规划实验课程进程

研究生基因工程实验课程内容包括核酸的分离纯化、表达载体的构建及测序、实时荧光定量PCR和重组蛋白的表达几个部分。针对课程内容关联性不强的问题，将实验内容分组，适用于不同实验需求的学生选择。将核酸分离纯化和实时荧光定量PCR两部分内容分为一组，适用于后期需要检测样品内基因表达量的学生；另一组为表达载体的构建及测序和蛋白重组表达，适用于后期实验涉及基因重组的学生。学生可以根据自身兴趣爱好或者后期科研需求选择不同的实验组合，设计开放性实验。教师针对不同的实验组合，仅提出实验目的，实验方案的其他部分由学生利用课余时间完成。实验过程中需要配制的试剂、实验步骤及预期结果，学生需要独自查阅相关文献，不懂的地方可以随时咨询教师，教师辅助学生完成整个实验，最后提交实验报告。关于课时少的问题，可以将实验课程安排在周末，增加课堂理论授课时间，实验内容在上理论课时布置给学生，实验课开课前实验室为学生开放，给学生提供实验条件，以充分挖掘学生的创新意识、培养学生的创新能力。这种以学生为主体、教师为辅助的教学模式，能够最大程度地发挥学生的主观能动性，让学生充分参与科研，追踪试验过程，感受实验的艰辛，也体会亲手操作的成就感。开放性实验设计有助于培养学生认真负责的科研态度、团结协作的团队精神，以及开拓创新精神。

为了在短时间内让学生温习理论课知识点，教师一般将实验课安排在理论课之后，以相互穿插的方式进行。这种课程安排方式最大的优势是能够巩固学生的知识，加强记忆。然而在基因工程实验课程的教学过程中，采用穿插教学的方式安排实验课程并不科学。基因工程实验的各环节紧紧相扣，以穿插教学的方式教学容易割裂每个小实验，使学生学到的知识碎片化，不利于完整掌握整个实验。例如，PCR扩增目的基因、载体和目的基因的酶切连接和重组DNA分子转化等实验是相互衔接、承上启下的，根据科研人员在实验室中进行科研工作的进度，大概需要2 d时间。如果以穿插教学的方式安排实验进度，需要将实验各环节分开，不利于实验教学的连贯性及学生对实验课程整体内容的深入理解。此外，实验样品的长期保存不利于后期得到理想的实验结果。针对此问题，应以连续实验的方式，将实验课程安排在周末，根据正常科学研究的工作进度安排实验。例如构建载体时，将酶切纯化实验、连接转化实验和菌液PCR及测序各安排2个学时，都安排在周末。将有联系的实验安排在一起，不仅能够使学生系统性地掌握整个实验的原理和流程，而且有利于学生后期构建自身的知识体系。

2.2 采用多样化实验教学的方式，培养学生创新思维

传统的实验教学中，教师通过PPT讲解实验目的、原理和步骤等内容，学生没有看过具体的操作流程，对实验的原理和步骤理解起来比较抽象，教学效果有限。随着互联网技术的发展及教学理念的更新，出现了翻转课堂、虚拟仿真实验教学等教学理念，以及中国大学慕课（MOOC）等教学资源，给学生的学习提供了更多的平台和选择。在实验课程开始之前，教师提出实验目的，指导学生利用中国大学慕课等教学平台自主学习实验过程，理解实验的原理及基本的实验步骤，撰写实验方案，并在实验开始之前为学生解答难点。此外，还可以通过录制视频的方法，将教学内容以视频的形式展示给学生，让学生对实验课程内容有清晰的理解。例如，构建重组DNA载体的实验，需要学生理解掌握PCR技术、酶切连接及转化等小实验的原理、方法和步骤。教师将整个实验化整为零，指导学生逐个观看视频，并整合小实验，讲述整个实验步骤。实验课程结束后，也可以通过视频复习实验，分析总结实验结果，撰写实验报告。以“授之以渔”的方式，帮助学生构建系统的知识体系，有助于培养学生的科研思维。

2.3 建立过程考核和评价体系，提升学生的综合能力

考核评价体系对激发学生的积极性和实验教学效果的影响至关重要。仅仅通过实验报告和课程小论文两个考核项目评判成绩，忽略实验过程的“结果导向型”考核方式，不利于调动学生的主观能动性。为此，可建立以技能加结果考核相结合的“目标导向型”考核方式，具体包括平时成绩（含实验方案和实验报告）、课堂表现及课程小论文。平时成绩占总成绩的30%，主要考查学生在上课之前是否利用课余时间学习实验相关的知识，实验结束后是否撰写了实验报告。具体要评判实验方案和实验报告的完整性、连贯性和系统性。为了避免实验报告千篇一律，应根据学生分组情况，给予不同的实验材料。例如在蛋白表达实验中，将学生分为两组，第1组克隆的基因是绿色荧光蛋白编码基因，利用荧光显微镜观察绿色荧光信号以判断蛋白是否成功表达；第2组学生表达的是辣根过氧化物酶蛋白，通过观察底物DAB是否发生显色反应来判断重组蛋白是否成功表达。两组实验的材料和检测方法不一样，不仅增加了学生学习的实验技能，而且培养了学生自主设计下游实验的能力，即针对不同的蛋白特性设计不同的检测方案。实验报告主要考查学生对实验结果的分析能力。课堂表现占总成绩的30%，主要考查学生对实验原理、课程内容和操作技能的掌握情况和对设备的规范使用情况，以及实验过程中的团队协作情况。科研小论文占总成绩的40%，主要考查学生查阅和分析文献的能力，以及格式规范程度和逻辑思维能力。以过程加结果的考核评价体系，比以往的结果导向型考核方式，更能激发学生的科研潜力，提高学生的综合素质能力，充分发挥考评体系的导向作用。成绩评价标准见表1。

表1 成绩评价标准Tab.1 Evaluation criteria for academic performance

2.4 实验课程与教师科研相结合，追踪科技前沿

随着生命科学的快速发展，基因工程技术迭代更新迅速，出现了同源重组、Golden Gate等新的载体构建方法和CRISPR／Cas 9基因敲除等新兴技术，为科研活动提供了便利。由于实验材料的成本高，学生在课程实验中很少能够接触到。从事研究生基因工程实验教学的教师承担了一些国家自然科学基金项目，能够追踪最新的基因工程科技前沿。通过实验课程与教师科研相结合的方式，将教师科研所用的部分实验材料用于教学，不仅能够充分发挥这些材料的价值，而且能够避免课程实验结束后材料的浪费；同时帮助学生了解了最新科研技术，对提高学生的兴趣、培养学生科学研究素养具有一定的帮助。例如，最新CRISPR／Cas 9技术已广泛地应用于哺乳动物、细菌和酵母等基因的敲除中。将教师科研的这部分内容作为课程授课的一部分，与PCR及DNA重组技术相结合，作为一组实验供学生选择，增加了学生选择实验的范围，也节省了教师准备实验材料的时间，况且后期有些实验材料还能够回收利用。另外，针对已经学习并掌握了酶切连接法构建载体的学生，教师可以建议他们查阅相关文献资料，采用新方法构建载体（如更加简便的同源重组法），并在实验报告中分析两种方法的优缺点。针对不同知识背景的学生安排不同的实验课程内容，不仅拓展了学生的科研思维，也培养了学生自主学习的能力。

3 结语

随着教学改革的不断探索，如何调动研究生的主观能动性、提高他们对科研的兴趣已成为大部分实验教师的共识。根据研究生专业背景有针对性地制订基因工程实验计划、设计实验课程内容，从教学内容、教学方式和评价体系几个方面改进实验教学，以充分激发学生对科研的兴趣，锻炼实验操作技能，培养系统性分析问题和解决问题的能力，继而提高创新思维和创新能力。教师应在课程实验教学工作中，深入探索和优化基因工程实验课程体系，与时俱进，更新教育观念，不断提高自身的教育教学水平。希望研究生通过基因工程实验课程的训练，能够掌握从事科研实验的方法，为未来独立完成导师的课题奠定扎实的实验技术基础。