綜合實驗課在生物工程專業課程體系的探索與實踐

摘要：西安交通大學生物工程專業的課程體系中包括主干課程、專業基礎課和專業課，與之相對應的實驗課程傳統上主要是課內實驗。為了打破課內實驗的界限，最大程度提高學生綜合實驗能力，我們在2010版培養方案中嘗試設立了細胞綜合實驗、基因綜合實驗、分離綜合實驗和發酵綜合實驗。通過三年探索，得到本專業同學的認可和積極參與，取得了較好的效果。

關鍵詞：課程體系；課內實驗；綜合實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）31-0223-02

生命科學是一門實踐性很強的科學，每一個科學的結論都是建立在科學實驗的基礎上。我們在生物工程專業的教學實踐中，為了加強對實踐環節的培養，提高學生的動手能力和綜合運用專業知識的能力，設計了綜合實驗這一實踐環節。通過三年探索，得到本專業同學的認可和積極參與，取得了較好的效果。

一、西安交通大學生物工程專業的課程體系

西安交通大學生物工程專業的培養方案規定，本專業培養掌握生命科學基礎知識和生物工程基本理論，具備較強的計算機應用能力和較高外語水平，能夠在生物工程、生物化工、生物制藥等相關學科領域從事研究開發、工程設計、系統分析、生產技術管理等方面工作的德、智、體全面發展的高級專門人才。為了使該培養方案得到實施，相應的課程體系組成為：主干課程：普通生物學、有機化學、生物化學、微生物學、細胞生物學、遺傳學、分子生物學、生物技術等。專業基礎課：生物化學、微生物學、細胞生物學、遺傳學、分子生物學等。專業課：基因工程、酶工程、細胞工程、生物發酵工程、生化反應工程，生物分離工程、生物制藥工程等。根據生物工程專業的課程體系，我們設想打破課程實驗的界限，通過綜合實驗使專業基礎課和專業課的學習內容融會貫通，這也是生物工程專業課程彼此之間的相互滲透和有機聯系所需要的。如下圖所示，生物化學、細胞生物學、遺傳學、微生物學分別構成對生物分離工程、細胞工程、基因工程和生物發酵工程的有力支撐（盡管也有交叉）。通過綜合實驗，可使這些專業基礎課與專業課達到有機的結合與統一。

二、綜合實驗的內容設計

西安交通大學生物工程專業綜合實驗的內容包括：細胞綜合實驗、基因綜合實驗、分離綜合實驗和發酵綜合實驗。

1.細胞綜合實驗——動/植物細胞培養。依據細胞綜合開放實驗課程的特點，要求學生通過實驗掌握動/植物細胞培養的基本實驗技能，提高對細胞生物學中細胞周期、細胞凋亡等知識的理解，提高綜合分析技能。課程具體內容分為植物細胞、動物細胞綜合開放實驗兩大部分，植物細胞培養方面以愈傷組織的培養等為例；動物細胞綜合實驗主要以淋巴細胞或癌細胞等為實驗對象，掌握細胞傳代方法和細胞系的維持；細胞的凍存和細胞復蘇的方法；了解細胞培養的純化方法或選取某種致癌劑研究分析其對細胞培養的影響，學生科任選其中一大類進行實驗研究。（1）實驗項目名稱：愈傷組織的培養。實驗目的：掌握組織培養用培養基的制備方法，實驗材料消毒和愈傷組織的培養。教學基本要求：按照不同的需求設計培養基的配方，掌握制備母液以及對培養基進行滅菌的方法；掌握根據不同實驗材料進行設計和實施消毒的方法；掌握獲取愈傷組織的方法。實驗內容提要：整體實驗分為如下幾個步驟：設計培養基→制備各種母液→制備培養基→獲取材料→愈傷組織培養。（2）實驗項目名稱：動物細胞的培養。實驗目的：掌握動物細胞的培養方法（貼壁細胞培養）。教學基本要求：掌握細胞傳代方法和細胞系的維持；掌握細胞的凍存和細胞復蘇的方法；了解細胞培養的純化方法。實驗內容提要：整體實驗分為如下幾個步驟：獲得細胞株系→培養室和超凈臺消毒→細胞復蘇→細胞傳代培養→培養細胞的純化（部分細胞凍存）、活細胞觀察、細胞生長狀況觀察、細胞活力檢測、蛋白質表達檢測。（3）實驗成績的考核與評定辦法。實驗方案設計能力（30%）：考查學生查閱資料能力和綜合運用所學知識能力。以第一次實驗方案具體細致可操作性強，且有理論依據者為優。資料歸總能力（10％）：資料查閱之后，要求寫出一篇2000~3000字以內的綜述報告。參照科技論文格式與要求衡量其能力給定成績。綜合實驗答辯（30％）：考查實驗思路、實驗報告的邏輯性與合理性、實驗中解決實際困難與問題能力、遇到新實驗現象的分析能力與對知識的綜合運用能力，同時在答辯中考查各小組成員的交流溝通能力和邏輯思維能力。平時觀察到的實驗操作能力和認真重視態度印象（30％）：這部分成績靠平時對學生的觀察提問而得，包括實驗習慣、姿勢、操作技巧、打掃臺面和個人衛生，對實驗的興趣或熱衷程度等。

2.基因綜合實驗——人腫瘤壞死因子α的原核表達。人腫瘤壞死因子α（hTNF-α）是由激活的單核巨噬細胞產生的多功能細胞因子。它參與機體免疫網絡調節，在機體的抗感染、抗腫瘤、抗病毒等過程中發揮重要作用。因此具有很強的研究與應用價值。前6周為準備階段，在老師指導下查閱相關文獻，設計實驗，書寫實驗方案，經過老師的三次修改，提出一個成熟的實驗方案。最后兩周時間，同學們按照最終的實驗方案實施，完成實驗論文，進行答辯。具體實驗方案如下。pBR322/hTNF-α及pBV221表達載體質粒提取→以pBR322/hTNF-α為模板PCR擴增hTNF-αcDNA片段→雙酶切PCR產物及pBV221表達載體→低熔點瓊脂糖回收酶切片段→hTNF-α與pBV221表達載體連接→轉化感受態大腸桿菌，涂布培養皿→克隆，提取質粒，PCR，雙酶切鑒定（以及測序）→保存并挑選陽性克隆菌，30℃培養，42℃誘導表達→SDS－PAGE鑒定hTNF-α蛋白表達狀況→提取、純化包涵體，包涵體的變性，復性及純化→hTNF-α生物活性檢測。經過基因綜合實驗“人腫瘤壞死因子α原核表達系統的建立”的訓練后，同學們體會頗深，首先通過對人腫瘤壞死因子α基因（hTNF-α）的亞克隆，構建基于溫度敏感表達質粒的hTNF-α原核表達載體，大腸桿菌感受態細胞的制備，質粒轉化，誘導工程菌表達目的蛋白，以及SDS－PAGE檢驗蛋白表達等一整套過程，使學生掌握DNA重組技術的基本操作，對本科階段學過的生物學知識有整體的認識，為今后的進一步學習實踐打下基礎；其次，整個實驗的過程，都是在老師指導下由學生獨立完成，這為以后的研究工作順利開展奠定了基礎；最后，作為老師也感覺受益匪淺，通過和學生共同學習，共同解決所遇到的難題，為我們不斷地提高教學工作提供依據。

3.分離綜合實驗——大豆脲酶的分離提取。（1）方案制定：指導實驗教師根據學生的已學課程內容，制定符合學生實際情況的實驗規劃，通過指導教師間的交流和討論，初步確定出大體的實驗目標、內容，并從方案的可行性和可操作性等方面進行論證，同時列出可能用到的試劑、儀器設備等，進行預先的準備工作。（2）教學過程：在整個過程中，始終貫穿了“學生為主、教師輔之”的思路，并針對不同的個體或小組，進行有針對性的指導。具體過程如下：指導教師提前一個月將題目向學生公布，要求學生自行查閱資料、自行設計實驗方案，并于兩星期后提交實驗方案第一稿；上交后的實驗方案經指導教師修改后，返還學生再次優化，在實驗前共進行三輪次的修改；在兩周（10個工作日）內完成設計方案，并詳細記錄實驗數據，撰寫實驗報告；整個過程中學生的查閱科技文獻、實驗方案的設計能力和實驗操作能力得到了顯著的提高。（3）實驗方案：大豆破碎→水、緩沖液、有機溶劑提取→制備大豆脲酶粗提液→凝膠色譜、離子交換色譜分離純化→脲酶分子量測定、酶動力學參數測定、外部條件（溫度、pH）對酶活性的影響、抑制劑對酶活性的影響、酶的固定化及參數測定。（4）學生出勤、實驗情況考核：在實驗期間，幾乎所有的學生都能按時到達實驗室，有些學生還主動提出利用晚上的時間進行實驗，總體出勤情況良好；在實驗過程中，多數學生認真實驗，并努力思考實驗中遇到的問題和困難，主動與指導教師進行討論，總體上學生的動手能力、綜合實驗能力得到了提高。（5）實驗結果的考核：實驗結果的考核方式采用答辯形式，學生和指導教師可共同對被答辯人進行考核和評價，最終結合考勤和平時實驗情況進行綜合評價。⑥調查問卷：每次綜合實驗完成后，給每位同學發放針對課程內容、過程等方面的調查問卷，通過對問卷的分析，改進、提高實驗內容，增強教學效果。

4.發酵綜合實驗——果酒發酵。實驗目的：（1）培養學生自行查閱資料、設計實驗、實施實驗計劃和分析問題、解決實際問題能力，初步實踐科研活動程序，建立科研概念；（2）認識和學會操作發酵罐；（3）體驗果酒發酵工藝的全程；（4）研究不同條件對發酵的果酒口味的影響。

教學基本要求：學生要能自行查閱相關資料、設計實驗、遇到問題能分析并提出解決方案；能夠把果酒發酵工藝流程完成并對所作結果進行分析。實驗內容提要：（1）查閱資料：通過查閱果酒發酵方面的資料設計出自己要進行啤酒發酵的初步發酵工藝流程。通過這一過程，使學生對果酒發酵方面的知識了解并綜合運用這些知識設計出自己要進行的果酒發酵工藝流程，提高學生總結知識、設計工藝流程能力。（2）形成實驗方案：以答辯形式匯報查閱資料情況和收獲，初步設計的實驗方案及其理論依據，參考文獻出處等，和指導教師一起探討所設計實驗方案的可行性。同時寫出資料查閱的綜述報告。最后獲得實驗方案的通過。（3）實施實驗方案：統籌安排實驗內容和時間，學習高效工作方式，為最主要的動手環節，鍛煉學生獨立動手和實驗操作能力。實驗結果呈現方式要求生動活潑形象化，學習借用科技手段表現自己實驗結果。（4）結果匯報：寫出論文格式的科技論文，并以答辯形式匯報實驗結果，要求學生學會以多媒體手段匯報成果的能力，鍛煉學生與人交流表達能力和有效呈現科研成果的能力。

三、綜合實驗的體會

1.通過綜合實驗，增強了學生的實驗興趣，激發了學生的求知欲望和探索精神，在一定程度上提高了學生的實驗動手能力，查閱資料能力，數據處理能力，以及發現問題、提出問題和解決問題的能力，初步培養了學生的創新能力。

2.在實驗中不但鞏固了學生所學知識，拓展了知識范圍，而且培養了學生與他人合作完成實驗的能力和交流能力，初步養成了學生的合作精神。

3.通過綜合實驗的實施和不斷的改進，大大增強了專業的工程氣息和特色。通過調查問卷統計同樣發現，大部分學生認為開設綜合實驗非常必要，自己在過程中受益匪淺，并希望有更多這樣的工程實踐機會，進一步提高自己的工程能力。