基于OBE理念的基因工程载体情境教学探索

摘要：基因工程载体是现代生物技术的重要工具，合理选择和使用载体对于基因操作的成功至关重要。本文探讨了一种基于OBE理念的基因工程载体情景教学方法，通过理论学习与情景模拟相结合，提高学生对载体的理解和应用能力，并融入思政教育，培养学生的社会责任感和科学道德意识。本文分析了传统基因工程教学的弊端，然后详细介绍了情景教学法的实施过程和效果评估，最后探讨了载体技术的发展趋势及其在教学中的应用。

关键词：OBE理念；基因工程载体；情境教学

为了响应国家对建设高水平大学的倡导，并推动粤港澳大湾区生物产业的蓬勃发展，我校正在积极实施课程体系的更新。“基因工程”作为生物技术专业的核心课程，我们依据成果导向教育（OutcomebasedEducation，OBE）的原则，对其课程教学进行必要的调整。OBE理念即以学习成果为导向的教育，强调学生在学习过程中的实际能力和知识掌握情况，而不是单纯的课堂时间或教学内容的覆盖［1］。OBE方法要求课程设计更加目标导向，确保教学活动和评估与这些目标紧密关联，促进学生中心学习，强调通过实际操作和问题解决来促进学生的实践能力和批判性思维能力的培养［2］。

基因工程技术的发展为生命科学研究带来了革命性的变化，基因工程载体作为基因操作的核心工具，承担着将外源基因引入宿主细胞并实现表达的任务。然而，传统的基因工程教学方法往往侧重于理论知识的传授，忽视了学生实际应用能力的培养。本文旨在通过情景教学法，将理论学习与实际应用结合，提高学生的综合素质，并通过融入思政教育，培养其科学道德和社会责任感。

一、基因工程教学亟待解决的问题［3］

（1）新型载体发展迅速：基因工程载体的发展日新月异，涌现了诸多新型载体。这些新载体不仅扩展了基因操作的技术手段，还极大地推动了基因治疗、基因编辑和生物医药等领域的进步，例如CRISPR/Cas系统载体和纳米载体等。

（2）实践能力提升：传统教学方法主要依赖于课堂讲授和教材学习，导致学生对载体的认识停留在概念层面，缺乏实际操作经验。在教学改革中，应着重培养学生解决实际问题的实践能力。

（3）学习兴趣激发：基因工程理论内容抽象枯燥，学生难以长时间保持学习兴趣。如果缺乏互动和实际应用，学生对基因工程载体的学习动力会不足，这是教学上的难点，也是教学改革需要突破的地方。

（4）创新能力培养：在传统被动接受知识的教学模式下，学生缺乏自主思考和创新能力的培养。教学应转变为主动模式，培养学生的自主创新能力，这也是新时代教育的趋势。

（5）思政教育［4］：如果科学技术与社会伦理、法律法规的关系未能得到充分重视，学生可能缺乏科学道德和社会责任感的培养，容易在实际工作中忽视伦理和法律问题。因此，思政教育在基因工程教学中也是不可忽视的重要环节。

二、基因工程载体的发展

基因工程载体的发展经历了从简单到复杂，从实验室工具到临床应用的过程。常见的基因工程载体包括［5］：T克隆载体，用于快速克隆和分析PCR扩增产物，特别适合基因序列的快速获取；穿梭载体，可以在不同类型的宿主（如大肠杆菌和酵母）之间传递，适用于跨物种的基因操作；慢病毒载体，可将外源基因稳定整合到宿主细胞基因组中，常用于基因治疗和长期研究；腺病毒载体，具有高效的瞬时表达能力，但不整合入宿主基因组，适用于短期基因表达研究；人工染色体，包括酵母人工染色体（YACs）和细菌人工染色体（BACs），用于携带和操作大段DNA序列，在基因组研究和基因治疗中有重要应用。

随着基因工程技术的不断发展，新的载体类型不断涌现，如CRISPR/Cas系统载体、纳米载体等［67］，为基因操作提供了更多选择和更高效的工具。纳米技术的应用为基因传递提供了新的可能，纳米载体，如脂质纳米颗粒、金纳米颗粒和量子点，因其尺寸小且表面可修饰的特性，能够有效地穿越细胞膜，提高基因递送的效率和特异性。纳米载体不仅在基因治疗中有应用，还在药物传递和成像领域展现出广泛的应用前景。

CRISPR/Cas系统作为一种革命性的基因编辑工具，因其高效、精确且成本相对较低的特点，在基因工程中得到了广泛应用。CRISPR/Cas载体通常包含Cas蛋白和导向RNA（gRNA），能够指导Cas蛋白切割特定的DNA序列。该系统不仅用于基因敲除、敲入，还能进行基因修饰和功能研究，是现代基因编辑研究中的重要工具。

三、基于情景教学法的教学设计

情景教学法通过模拟真实的实验和应用情境，使学生在实际操作中理解和掌握基因工程载体的选择和应用，提高其综合素质。具体教学设计如下：

（1）学习通平台预习：学生通过学习通平台学习基因工程载体的基本概念和分类，完成在线测验，确保对基础知识的理解。

（2）思政教育材料：提供基因工程伦理和法律法规相关材料，结合实际案例，增强学生的伦理和法律意识。

（3）情境设置：教师设计多个实验情境，要求学生根据具体的实验需求选择合适的载体。情境包括：

情境一：快速克隆和分析一个未知基因片段。

情境二：在大肠杆菌和酵母之间转移一个基因，研究其在不同宿主中的功能。

情境三：将一个治疗性基因转入患者细胞中用于基因治疗。

情境四：进行一种稳定长期的高效基因表达实验。

情境五：进行大规模基因组片段的克隆和功能分析。

情境六：进行基因编辑实验。

四、课堂活动

小组讨论：学生分组讨论各自负责的情境，决定使用哪种载体，并准备简短的汇报，解释选择理由。在讨论过程中，教师引导学生思考科学研究的社会影响和伦理问题。情景模拟操作：学生在教师指导下进行情景模拟操作，实际体验载体选择和使用的过程。

汇报与讨论：每个小组依次汇报其选择的载体及理由，教师引导全班讨论，分析各组选择的合理性，补充遗漏的知识点，纠正错误的认识。同时，结合实际案例，讨论基因工程的社会影响、法律法规和伦理问题。

例如，在情景一中，学生选择了T克隆载体。学生阐述T克隆载体的使用简化了DNA片段的插入步骤，不需要对DNA片段进行酶切和修饰，直接利用PCR产物的A尾与载体的T尾互补配对即可。由于PCR产物的3'端通常带有A尾，可以直接与载体的T尾连接，省去了额外的处理步骤，提高了克隆效率。T克隆载体适用于各种PCR扩增的DNA片段，不受限制性内切酶识别序列的限制，几乎可以克隆任何PCR产物。许多T克隆载体含有蓝白筛选系统，通过选择带有lacZ基因的E.coli菌株，插入片段后lacZ基因被破坏，能够通过蓝白斑筛选法快速筛选出阳性克隆。T克隆载体不仅可以用于简单的克隆实验，还可以用于序列测定、表达载体构建等多种应用，具有广泛的应用前景。综上所述，T克隆载体因其简便、高效、通用性强以及易于筛选等优点，在基因克隆实验中得到了广泛应用。

在情景二中，学生选择了穿梭载体。穿梭载体可以在原核（如大肠杆菌）和真核（如酵母、昆虫细胞或哺乳动物细胞）宿主中稳定存在，便于在不同宿主间转移和操作。穿梭载体可以高效地进行DNA克隆和扩增，在真核系统中，能够实现目标基因的高效表达。此外，穿梭载体通常带有原核和真核系统各自的选择标记基因（如抗生素抗性基因和营养缺陷型标记），便于在不同宿主中进行筛选和选择。另外，穿梭载体可以携带多种功能元件（如启动子、增强子、标签序列等），适应不同实验需求。由于穿梭载体能够在原核宿主中快速扩增，减少了在真核宿主中直接扩增DNA的成本和时间。穿梭载体设计通常考虑了在不同宿主中的稳定性，确保在不同环境下能够稳定复制和维持，广泛应用于基因克隆、基因表达、基因功能研究、蛋白质表达与纯化、基因治疗研究等多种领域。

在情景三中，学生选择了腺病毒载体。学生分析了腺病毒载体和慢病毒载体的优缺点，阐述其作为病毒载体，具有感染的高效性，操作便捷。然而腺病毒载体一般不会随意插入受体细胞基因组DNA，不会给受体细胞带来潜在的威胁，这是慢病毒载体不具备的优点。也有部分学生选择了纳米载体，其携带基因穿过细胞膜，显著提高基因递送的效率，在基因治疗和药物传递中有广泛的应用。

在情景四中，学生选择的是慢病毒载体，它可以携带外源基因进入细胞，促进外源基因整合到基因组染色体上稳定遗传，是进行基因功能科学研究的好帮手。

在情景五中，学生选择了酵母人工染色体，并阐述了酵母人工染色体的基本元件及其在基因组克隆和功能分析中的作用。

在情景六中，学生展示了CRISPR/Cas系统的优缺点，并阐述了其原理和操作的基本步骤。

总结与反馈：教师总结不同载体的适用范围和选择原则，解答学生的问题。学生填写反馈表，评估本次课堂设计的效果，并提出改进建议。教师进一步强调科学研究的伦理责任和社会影响，培养学生的科学道德和社会责任感。

五、教学设计的创新点和效果评估

通过模拟实验环境，让学生在实际操作中学习载体的选择和应用。在课程中，学生有真实的科研决策情境，如选择合适的克隆载体、病毒载体等。这种模拟环境不仅帮助学生掌握理论知识，还提升了他们解决实际问题的能力和批判性思维，增强了他们对基因工程技术应用的理解和技能，这种实践导向的学习方式大大提高了学生的学习兴趣和参与度。

将基因工程载体教学与思政教育融合，通过讨论基因编辑的伦理、法律和社会影响，引导学生深入理解科学技术的社会责任。结合案例研究和跨学科视角，培养学生的伦理意识和批判性思维，增强学生的社会责任感和公共沟通能力，这些都是培养他们全面发展的关键环节，这样的教学模式有助于学生形成正确的价值观和人文关怀。

将基因工程载体的学习结合线上线下教学模式，可以通过在线课程提供理论知识和互动式模拟实验，通过线下课堂进行深入讨论和实践操作。线上平台的使用有助于提高学生的自主学习能力，增强学习的灵活性和便捷性。线下课程则通过讨论和现场讲解，加深学生对复杂概念的理解和实际技能的掌握。这种混合式学习模式不仅提升了教学效果，也促进了学生的全面发展。

从多角度开展教学改革效果评估，包括知识掌握度、学生反馈、教师反馈、实际应用能力等。通过课前测验和课后测试比较学生的知识掌握情况，评估情景教学法的有效性。收集学生的课堂反馈，评估他们对情景教学法的接受度和参与度，以及在思政教育方面的收获（下图）。收集教师的反馈，了解课堂互动性和教学效果的提升情况。通过跟踪学生在后续实验课程中的表现，检验其载体选择和应用能力的提升。

基因工程情境教学法学生评价图

通过实施上述教学改革，学生在基因工程载体的理解和应用方面取得了显著进步。课前和课后的测试结果显示，学生对载体基本概念和分类的掌握度明显提高。在实际情境中选择合适载体的能力也有所增强。课堂讨论中，学生能够积极参与，表达自己的见解，并通过讨论互相学习和纠正错误。

学生反馈显示，情境教学法提高了他们的学习兴趣和动手能力。他们认为这种教学方式不仅帮助他们更好地理解理论知识，还增强了实际应用的信心。教师反馈也表明，这种教学设计提高了课堂的互动性和教学效果。

此外，思政教育的融入显著提升了学生的社会责任感和科学道德意识。他们更加清晰地认识到科学研究不仅是技术问题，更是关系到社会和伦理的重要领域。通过讨论实际案例，学生在科研过程中更加注重伦理和法律问题，体现了较高的道德素养。

结语

本论文基于OBE理念探讨了基因工程载体情景教学法的探索，通过理论学习与情景模拟相结合，并融入思政教育，提高了学生对基因工程载体的理解和应用能力，同时增强了社会责任感和科学道德意识。实践证明，这种教学设计不仅增强了学生的理论知识，更培养了他们解决实际问题的能力，为培养德才兼备的高素质科研人才打下了坚实基础。

参考文献：

［1］翁春跃，王远山.基于OBE的翻转课堂教学模式在基因工程课程中的应用［J］.高校生物学教学研究（电子版），2021，11（2）：1620.

［2］吴丽双.CBE&OBE理念下基因工程技术课程教学改革与实践［J］.科教导刊，2022（20）：125127.

［3］吴丹，史嘉翊，宋旭东，等.基于创新型人才培养的基因工程课程教学实践与思考［J］.牡丹江医学院学报，2022，43（01）：166167+165.

［4］魏炜，韦东耀，魏赛楠.学生视角下高校实施课程思政现状调查及路径研究［J］.才智，2024（23）：4548.

［5］刘祥林，聂刘旺.《高等师范院校新世纪教材·基因工程》［M］.北京：科学出版社，2022.

［6］GILBERTL，LARSONM，MORSUTL，etal.CRISPRmediatedmodularRNAguidedregulationoftranscriptionineukaryotes［J］.Cell，2013，154（2）：442451.

［7］刘艳红，陈丽青，张欣彤，等.基于纳米药物递送载体的肿瘤免疫调控策略研究进展［J］.中国药科大学学报，2023，54（1）：514.

基金：广州市质量工程精准医疗人才培养专项，广州医科大学一般类教改项目（PX28201082）

作者简介：戴婷（1986—），女，汉族，湖南娄底人，博士，副教授，主要从事“基因工程”及“分子生物学”的教学工作，研究方向为肿瘤复发转移的关键基因及其分子机制。

*通讯作者：欧阳永长（1978—），男，汉族，湖南娄底人，博士，教授，广州医科大学生物技术系主任，主要从事“基因工程”及“蛋白质与酶工程”等课程的教学工作。