生物工程专业基因工程与分子生物学实验教学改革初探
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作者:王雪郦 吴远根 王春晓 王修俊 罗小叶
摘 要 基因工程与分子生物学是生物工程专业的必修课，其中实验教学起着举足轻重的作用。笔者分析了当前基因工程与分子生物学实验课程教学中存在的问题，从教学模式、教学内容以及成绩评价体系等方面进行改革，通过新方法、新手段提高了实验教学的水平，激发了学生学习的积极性和自主性。
关键词 生物工程 基因工程与分子生物学 实验 教学改革
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.02.047
On the Reform of Gene Engineering and Molecular Biology
Experiment Teaching in Bioengineering Major
WANG Xueli， WU Yuangen， WANG Chunxiao， WANG Xiujun， LUO Xiaoye
（School of Liquor and Food Engineering， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025）
Abstract Gene engineering and molecular biology are compulsory courses in bioengineering， among which experimental teaching plays an important role. In this paper， the author analyzes the problems existing in the teaching of gene engineering and molecular biology experiment course， and carries out the reform from the teaching mode， teaching content and performance evaluation system. Through the new methods and new means， the level of experiment teaching is improved， and the students' learning polarity and autonomy are stimulated.
Keywords bioengineering; Gene Engineering and Molecular Biology; experiment; teaching reform
0 引言
生物工程專业培养目标是培养具有生物学与工程学基础知识，掌握生物加工过程相关科学原理和技术的专业性人才。随着基因工程技术的发展，分子生物学和基因工程分别被纳入本科教学范畴。分子生物学主要关注生物大分子的结构、功能等内容，从分子水平出发阐释生命活动的规律和过程，[1]而基因工程更多的是关注遗传物质（DNA片段），在中心遗传法则的基础上利用现代分子生物学技术实现DNA的敲除、拼接、重组等过程。[2]因此，上述两门课程不管是内容方面，还是技术手段方面都相互关联，基因工程技术是对分子生物学理论的实践，若将分子生物学和基因工程合并，则有助于学生对相关理论概念的理解和掌握，真正实现理论指导实践，实践验证理论的过程。[3，4]2016年，贵州大学酿酒与食品工程学院新版培养方案中将基因工程与分子生物学两门课合并为一门课——基因工程与分子生物学。在基因工程与分子生物学教学中实验教学的作用不可忽视，通过实验教学可以帮助学生对原本抽象的概念有了感性的认识，也是通过实验帮助学生掌握现代基因工程的技术手段，培养学生的实验技能。[5]然而，相对于其他实验学科而言，基因工程与分子生物学实验不仅实验时间长、费用多，而且大部分实验现象只能在实验结束时才能观察到，导致实验教学质量难以得到保障。
1 基因工程与分子生物学实验教学过程中的不足
近年来，国内许多高校已掀起一场基因工程与分子生物学实验教学改革的热潮，虽取得了一定成果，但因受限于传统教学模式，导致大批学生无法独立完成相关实验，甚至无法理解实验的目的和原理。经系统分析后发现，基因工程与分子生物学实验教学存在以下几点不足：
（1）教学模式较为单一。传统的基因工程与分子生物学实验因受耗材费用高、仪器设备人均台套数较少等影响，导致在实验教学中仍是以教师为中心，学生“照葫芦画瓢”的参照实验指导书完成“规定动作”。该种教学模式不仅不能激发学生的创新意识和自主意识，还极易导致出现一人操作多人围观的现象，尤其在考核形式单一的背景环境下更容易影响学生学习的积极性。
（2）实验项目零散，缺少综合性和设计性实验。据报道，目前生物工程专业基因工程与分子生物学实验教学中已开设的实验项目有：质粒提取，琼脂糖凝胶电泳，感受态细胞制备，PCR 技术、转化子的筛选等。上述实验项目在一定程度上培养了学生常规的基因工程与分子生物学实验技能，但难以在思想上帮助学生们构建成一个相互关联的完整体系。更重要的是，大部分基因工程与分子生物学实验中综合性和设计性实验偏少，无法培养学生的自主学习能力和创新能力，无法从根本上调动学生学习的积极性。
（3）考核形式单一，注重实验过程忽略分析问题、解决问题的能力。大部分实验成绩凭借实验报告完成情况和出勤率，该种考核方式不仅不能反映学生的真实水平，也不利于学生实践能力的培养。实验报告的撰写仅能判断学生对实验步骤和方法的掌握程度，但是学生在实验过程中分析问题和解决问题的能力却无从考证。 2 基因工程与分子生物学实验教学改革与实践
贵州大学酿酒与食品工程学院一直非常重视实践教学在理论教学中的比例，自基因工程与分子生物学课程开设以来，在整体学时缩减的情况下仍保证了一定的实验教学学时。针对上述分析中的不足，笔者以满足知识、能力、素质三个层次的目标为导向，整合原有的实验项目，实验设计遵循从基础技术的培养到综合能力的提升，旨在学生掌握基础实验技能的基础上，根据常规基因工程与分子生物学技术路线构建综合性实验，帮助学生了解当代分子生物学和基因工程实验思路。
2.1 教学方法的多样化
（1）微视频：通过自制微视频中的动画，将枯燥的基因工程与分子生物学的基本概念和原理以及复杂的实验步骤通过声音、图像、动画的形式来展现。
（2）知识大讲堂：每月1次的基因工程与分子生物学大讲堂则是邀请本院教师进入实验室，以讲座的形式从研究背景、关键问题、实验设计和论证、实验过程等环节深入浅出的向本科生展示他们的研究成果，开拓学生的知识视野，及时更新学生的知识体系，提高学生密切关注学术前沿的意识。
（3）教学网络平台，借助学院的虚拟仿真实验室，建立基因工程与分子生物学实验教学网络平台。该平台中提供的虚拟仿真软件可以加强学生对实验操作的熟悉程度，避免实验耗材的浪费，除此之外可以利用此教学平台指导学生将实验中得到的PCR测序结果在NCBI上进行比对并用Mega软件构建进化树，补充完善与基因工程和分子生物学息息相关的生物信息学相关知识。
2.2 教學内容的层次化
改革后的基因工程与分子生物学实验主要有两部分组成，第一部分是基础实验操作的学习，第二部分是提升型的综合性实验。前者是培养学生基因与分子生物学实验操作的基本技术，如：基因组 DNA 的提取、质粒 DNA的提取、DNA 浓度的测定、PCR 基因扩增、琼脂糖凝胶电泳等，后者是利用综合实验，引入项目管理的模式，培养学生形成系统的、完整的实验思路。所谓项目来自于我院教师承担的各类项目，其中涉及国家自然科学基金、国家重大研发项目、贵州省科技支撑计划以及各类产学研项目，如“葡萄酒酿酒酵母基因工程菌的构建”等。在对学生进行基本实验技能培训后，将学生4～5 人分为一组，待学生完成文献查阅—方案制定—讨论交流—方案修订等流程后，让学生自主开展实验过程。综合性实验以教师承担的课题为依托，巧妙地将基因工程与分子生物学实验与项目背景和意义结合起来，实验项目的设计需包含3个目标：第一，帮助学生掌握基础实验操作;第二，引导学生了解基因工程与分子生物学实验常规路线设计;第三，培养学生“项目逻辑思维”，让学生参与到实际的科研工作中，激发学生的学习热情，也培养学生从事科研的兴趣，不再认为基因工程与分子生物学是“摸不着”的高科技，为今后的学习和科研创新工作打下良好和扎实的理论基础。
2.3 成绩评定的多元化
实验成绩的评定不再采用实验报告“一锤定音”的模式，而更多关注学生主观能动部分的收获。如综合性实验过程中实验方案的设计，数据处理的方法，而在基础性实验中则关注学生的实验操作规范性，团队合作能力。本次改革在实验报告的撰写方面也提出了新要求：第一，在实验预习报告中，以问题的形式引导学生进行预习，要求学生完成实验技术路线图的绘制，帮助学生强化实验项目之间的逻辑性，找到影响实验成败的关键技术点，也避免学生出现直接“照抄实验指导书”而不用心理解和掌握实验步骤的情况;第二，在传统实验报告（实验目的、原理、仪器设备、试剂药品，操作步骤、数据记录和处理）的基础上，强调实验结果成败因素的分析。通过实验，绝大多数同学认真的反思实验操作，总结出不少有利于后期实验开展的方法和技巧，如针对PCR体系成分较为复杂的特性，同学们提出了加1个组分在实验技术路线图旁做一个标记的办法，避免出现试剂漏加的现象。再比如，PCR体系中所用到的Taq酶都是热失活的，应该确保其在冰盒中存放，加完迅速放回冰箱中等等。最终学生的实验成绩由基础成绩（50%）、理论考试（20%）、综合性实验（30%）三部分组成，基础成绩中预习成绩占20%、实验操作占20%、实验报告10%，而综合性实验成绩则根据组内方案的设计、组内人员配合度以及实验成果等进行评估。
2.4 实验指导的延续性
自2017年以来，我院已实现本科实验室平台的开放化管理，因此在课程之外，积极鼓励学生从事开放实验的训练，组织学生申报大学生创新创业项目，“SRT”项目等，提高学生的实验技能。在课外实践过程中利用翻转课堂的模式，让学生自选题目，自制实验方案，增强学生对实验项目的兴趣，提升实验积极性，主动性。
3 总结
笔者以培养目标为导向，以承担项目为依托，通过项目式教学、翻转课堂等模式的改革，旨在解决传统基因工程与分子生物学实验教学中存在的问题，帮助学生更好的掌握基因工程与分子生物学的基本原理和概念。通过层次性实验项目的设计，既培养了学生常规实验的操作技能，又帮助学生形成了基因工程与分子生物学系统的实验思路。实验类型由基础向综合转变，实验难度由浅入深，实验参与度由少积多，逐渐引导学生的加入，提升学生的学习热情和积极性。本次教改收到了较好的教学效果，基础技术的培养让学生受益终生，技术路线的学习让学生形成系统实验的意识，教学过程中项目式实验的设计也让学生了解到现阶段基因工程与分子生物学研究的热点和难点，为生物工程应用型人才的培养打下坚实的基础。
【基金项目】贵州大学2016年“本科教学工程”建设项目（JG201642），贵州大学“本科教学工程”建设项目（JG201965），贵州大学2016年高等教育研究项目（Gdgj2016009）
参考文献
[1] 杜婕，徐国强，赵运英，等.分子生物学实验课程的教学改革与实践[J].广东化工，2016.43（05）：194-195.
[2] 李馨，刘吉升，周玉萍，等.生物工程上游技术实验的教学改革与实践[J].实验技术与管理，2019.36（03）：225-228.
[3] 刘建，李甜，孙立志，等.工科院校分子生物学和基因工程整合教学模式初探[J].长春教育学院学报，2011.27（10）：97-98.
[4] 王川，黄丹，魏丕伟，等.生物工程类专业分子生物学教学模式改革[J].农业工程，2019.9（04）：97-99.
[5] 赵运英，徐国强，曹春蕾，等.本科分子生物学课程教学的改革与效果[J].广东化工，42（14）：234-235.
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