生物工程綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索*

◆趙 樂(lè) 鄭曉珂 馬利剛 武慧敏

生物工程綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索*

◆趙 樂(lè) 鄭曉珂 馬利剛 武慧敏

從生物工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的制定、綜合性大實(shí)驗(yàn)的設(shè)置、集中時(shí)間安排實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、改革實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定辦法、引入先進(jìn)工程設(shè)備等方面入手，對(duì)生物工程專(zhuān)業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革和探索，取得良好的教學(xué)效果。

生物工程；綜合性實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革

1 前言

生物工程是一門(mén)新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科，是以生物學(xué)的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化工、機(jī)械、電子計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代工程技術(shù)，充分運(yùn)用分子生物學(xué)的最新成就，定向地改造生物或其功能，創(chuàng)造出具有超遠(yuǎn)緣性狀的新物種，再通過(guò)合適的生物反應(yīng)器對(duì)這類(lèi)“工程菌”或“工程細(xì)胞株”進(jìn)行大規(guī)模的培養(yǎng)，以生產(chǎn)大量有用代謝產(chǎn)物或發(fā)揮它們獨(dú)特生理功能的新興技術(shù)，包括發(fā)酵工程、酶與蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程、基因工程四大工程。生物工程理論和技術(shù)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)境等行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

生物工程也是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性和應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主，要求學(xué)生除了掌握基礎(chǔ)的生物工程實(shí)驗(yàn)方法外，還要具有整體實(shí)驗(yàn)的綜合安排能力［1］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)不僅是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的重要方面，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)中加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。目前，許多高校生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)大多是依附于各門(mén)理論課，而且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)分散，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下按照規(guī)定內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)，處在被動(dòng)學(xué)習(xí)地位，抑制了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，影響生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果［2］。因此，筆者對(duì)河南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院生物工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生（2013級(jí)）的生物工程綜合實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了一些改革和探索。

2 開(kāi)展生物工程綜合性大實(shí)驗(yàn)

制定生物工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱 根據(jù)本專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)定位和實(shí)驗(yàn)開(kāi)展情況，參考兄弟院校生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展項(xiàng)目?jī)?nèi)容，組織教師制定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)大綱，通過(guò)了教務(wù)處組織的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目論證，同時(shí)組織學(xué)科教師編寫(xiě)了《生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)》教材。制定教學(xué)大綱遵循的原則包括：減少重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的整體性、連貫性；減少驗(yàn)證性、演示性實(shí)驗(yàn)，多開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)。

在課程安排上，生物工程實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)在大三第二學(xué)期。在前5個(gè)學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)生物工程基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課，包括細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)、工業(yè)微生物、分子生物學(xué)、基因工程、細(xì)胞工程和蛋白質(zhì)工程等課程，所以在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置上，避免開(kāi)設(shè)與細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程等課程重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，注重綜合性實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性。最終確定的生物工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱包括10個(gè)小的實(shí)驗(yàn)單元：1）堿裂解法小量制備質(zhì)粒DNA；2）DNA瓊脂糖凝膠電泳；3）聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）；4）DNA的限制性酶切及純化；5）質(zhì)粒載體與外源DNA片段的鏈接；6）連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化大腸桿菌；7）抗生素平板篩選重組轉(zhuǎn)化子；8）原核表達(dá)載體的誘導(dǎo)表達(dá)和檢測(cè)；9）大腸桿菌發(fā)酵培養(yǎng)及表達(dá)產(chǎn)物的純化；10）純化蛋白的細(xì)胞學(xué)活性檢測(cè)。

開(kāi)展綜合性實(shí)驗(yàn) 在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生只要根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材，按教師制定好的實(shí)驗(yàn)步驟，利用實(shí)驗(yàn)教師已經(jīng)準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)試劑和實(shí)驗(yàn)器材，在教師的指導(dǎo)下即可完成。這種機(jī)械式完成實(shí)驗(yàn)的方式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果很差，無(wú)法引起學(xué)生的興趣，更加難以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和操作能力。在這種情況下，制定生物工程綜合性大實(shí)驗(yàn)。如“丹參病程相關(guān)蛋白的原核表達(dá)及純化”，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)依托學(xué)科教師的科研課題“丹參病程相關(guān)蛋白基因SmPR10的克隆及功能研究”，通過(guò)對(duì)丹參病程相關(guān)蛋白（Pathogenesis-Related Protein，PR Protein）為研究對(duì)象，通過(guò)SmPR10蛋白在大腸桿菌中的原核表達(dá)、純化以及活性檢測(cè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，深入了解生物工程表達(dá)異源蛋白的原理，掌握生物工程的實(shí)驗(yàn)操作，鞏固和檢驗(yàn)已學(xué)的理論知識(shí)，為畢業(yè)論文和走向工作崗位打下基礎(chǔ)。

該實(shí)驗(yàn)綜合了分子生物學(xué)、基因工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程、生物分離技術(shù)和生物反應(yīng)器的基本知識(shí)，要求學(xué)生通過(guò)病程相關(guān)蛋白的制備了解生物工程的相關(guān)基本操作，掌握DNA重組、載體構(gòu)建、微生物菌種保存與培養(yǎng)、目標(biāo)蛋白的分離提取等專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)技能。在綜合性實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維， 提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)驗(yàn)中遇到的實(shí)際問(wèn)題的能力。

在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，允許學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡如人意甚至失敗，但是一定要注重強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)自己實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所得結(jié)果進(jìn)行分析和解釋?zhuān)?］，找出實(shí)驗(yàn)問(wèn)題所在，然后修訂實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)有利于拓寬學(xué)生思路，培養(yǎng)學(xué)生整體安排實(shí)驗(yàn)的能力，打破過(guò)去傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，改變?cè)趥鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中由教師領(lǐng)著學(xué)生走的現(xiàn)象。

集中時(shí)間安排實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié) 因?yàn)樯飳?shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，同時(shí)生物工程綜合性大實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性要求較高，將學(xué)校安排的每周4個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)改為4個(gè)學(xué)時(shí)為一個(gè)實(shí)驗(yàn)單元，每次完成綜合性大實(shí)驗(yàn)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且集中在每天下午開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課，體現(xiàn)了綜合性大實(shí)驗(yàn)的連貫性、完整性和科學(xué)性。

改革實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定辦法 以往的實(shí)驗(yàn)課成績(jī)完全由形成性成績(jī)構(gòu)成，主要有考勤、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和最終測(cè)試3部分組成。實(shí)驗(yàn)報(bào)告在最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)中所占比重較大。有些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)，最后為了寫(xiě)出好的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，就會(huì)出現(xiàn)編撰數(shù)據(jù)甚至抄襲其他學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的不良行為。

為了體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，計(jì)劃在以往實(shí)驗(yàn)課成績(jī)?cè)u(píng)定的基礎(chǔ)上建立新的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定辦法。平時(shí)成績(jī)除了考勤、提問(wèn)外，還重點(diǎn)考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)資料的收集和對(duì)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)的查閱情況，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、團(tuán)隊(duì)合作能力、實(shí)驗(yàn)中的操作規(guī)范、獨(dú)立思考能力等。同時(shí)引入學(xué)生自評(píng)、互評(píng)和科研小論文的書(shū)寫(xiě)，通過(guò)每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的總結(jié)討論和學(xué)生自評(píng)、互評(píng)，使學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的分析與討論，加強(qiáng)學(xué)生和教師之間的交流，整個(gè)生物工程綜合性大實(shí)驗(yàn)完成后，要求學(xué)生以學(xué)術(shù)論文的形式寫(xiě)作科研小論文。

科研小論文的寫(xiě)作要求完全按照正規(guī)學(xué)術(shù)論文的寫(xiě)作要求。正文之前部分包括題目、作者、作者單位、摘要、關(guān)鍵詞（3～5個(gè)）；正文部分包括前言、實(shí)驗(yàn)方法、結(jié)果與分析、討論4部分，要求層次分明；標(biāo)題層次不得多于3層，采用1、1.1、1.1.1方式。前言部分包括研究背景、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和實(shí)驗(yàn)意義。結(jié)果與分析是對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的處理，客觀地對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和描述。討論部分則是對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析討論，如果得到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟進(jìn)行分析；如果沒(méi)有獲得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，則要分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中失敗的原因，找出問(wèn)題所在。科研小論文最后要求列出參考文獻(xiàn)（不得少于3篇）。

通過(guò)科研小論文的寫(xiě)作，鍛煉學(xué)生寫(xiě)作科學(xué)論文的能力，為最終畢業(yè)論文的寫(xiě)作奠定基礎(chǔ)。

引入先進(jìn)工程設(shè)備 在以往生物工程實(shí)驗(yàn)室中，發(fā)酵實(shí)驗(yàn)都是在搖床上用不同規(guī)格的三角瓶來(lái)完成，與實(shí)際工廠生產(chǎn)過(guò)程相差較大。為了培養(yǎng)合格的應(yīng)用型的生物工程專(zhuān)業(yè)人才，購(gòu)置了6臺(tái)10 L小型全自動(dòng)生物發(fā)酵罐、1臺(tái)30 L種子罐和1臺(tái)300 L的全自動(dòng)生物發(fā)酵罐，可以開(kāi)展從小試到中試的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，使得發(fā)酵工程實(shí)驗(yàn)中的啤酒發(fā)酵實(shí)驗(yàn)和紅霉素發(fā)酵實(shí)驗(yàn)如同在縮小的工廠進(jìn)行，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)一目了然，使學(xué)生了解生物發(fā)酵的全過(guò)程，掌握發(fā)酵接種技術(shù)以及發(fā)酵過(guò)程中溫度和pH控制、氧氣的供應(yīng)、添加補(bǔ)料、發(fā)酵液的后處理等生產(chǎn)工藝，學(xué)習(xí)到現(xiàn)代發(fā)酵車(chē)間的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)。

在生物工程綜合性大實(shí)驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生。如在質(zhì)粒DNA提取過(guò)程中，采用試劑盒提取質(zhì)粒DNA，這是國(guó)內(nèi)外分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的主流方法（而不采用配制試劑、最后酚氯仿抽提的方法提取質(zhì)粒DNA），同時(shí)給學(xué)生講解質(zhì)粒提取的原理。在PCR實(shí)驗(yàn)單元，采用進(jìn)口的Takara所產(chǎn)的DNA Taq酶和dNTP試劑，讓學(xué)生手動(dòng)加入每樣試劑，同時(shí)講解每樣試劑的作用，復(fù)習(xí)PCR的實(shí)驗(yàn)原理。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)設(shè)生物工程綜合性實(shí)驗(yàn)，不但鞏固了學(xué)生以往所學(xué)的理論知識(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手操作的能力，給予學(xué)生在一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)中整理安排實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，為學(xué)生走向工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。生物工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革還需更多的探索和實(shí)踐，改革實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作的能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，最終培養(yǎng)出合格的應(yīng)用型生物工程專(zhuān)業(yè)人才［4］。

新的生物工程綜合性實(shí)驗(yàn)對(duì)教師也提出更高的要求，所以教師也要不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)，提高自身的知識(shí)水平和業(yè)務(wù)能力，保證實(shí)驗(yàn)改革的順利進(jìn)行。生物工程綜合性實(shí)驗(yàn)改革的探索雖然取得一定的效果，但還有許多不完善的地方和需要解決的問(wèn)題，如整個(gè)實(shí)驗(yàn)體系的設(shè)計(jì)中工科部分所占比例相對(duì)較弱，主要受限于學(xué)校、學(xué)院和學(xué)科的特點(diǎn)，這一部分還需要進(jìn)一步加強(qiáng)和改進(jìn)。■

［1］肖連冬.生物工程綜合性專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.廣東化工，2009，36（8）∶311-317.

［2］劉勝貴，付明，張儉.生物工程大實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（2）∶126-128.

［3］鐘方旭，代江紅，江賢君，等.《生物工程實(shí)驗(yàn)》教學(xué)改革體會(huì)［J］.高等教育與學(xué)術(shù)研究，2006（2）∶205-206.

［4］徐立新，陳玉香，錢(qián)延春.生物工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索［J］.微生物學(xué)通報(bào)，2013，40（9）∶1710-1714.

G642.0

B

1671-489X（2016）10-0130-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.130

*項(xiàng)目來(lái)源：2014年河南省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于中藥學(xué)專(zhuān)業(yè)《生物化學(xué)》課程教學(xué)設(shè)計(jì)的研究”（基金編號(hào)：2014SJGLX231）。

作者：趙樂(lè)，河南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院講師，研究方向?yàn)樗幱弥参锓肿由飳W(xué)；鄭曉珂，河南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)科主任、教授，研究方向?yàn)橹兴幓钚猿煞旨白饔脵C(jī)理研究；馬利剛、武慧敏，河南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院（450046）。