生物工程綜合性實驗教學改革探索*

◆趙 樂 鄭曉珂 馬利剛 武慧敏

生物工程綜合性實驗教學改革探索*

◆趙 樂 鄭曉珂 馬利剛 武慧敏

從生物工程實驗教學大綱的制定、綜合性大實驗的設置、集中時間安排實驗環節、改革實驗成績評定辦法、引入先進工程設備等方面入手，對生物工程專業綜合性實驗教學進行改革和探索，取得良好的教學效果。

生物工程；綜合性實驗；教學改革

1 前言

生物工程是一門新興的綜合性應用學科，是以生物學的理論和技術為基礎，結合化工、機械、電子計算機等現代工程技術，充分運用分子生物學的最新成就，定向地改造生物或其功能，創造出具有超遠緣性狀的新物種，再通過合適的生物反應器對這類“工程菌”或“工程細胞株”進行大規模的培養，以生產大量有用代謝產物或發揮它們獨特生理功能的新興技術，包括發酵工程、酶與蛋白質工程、細胞工程、基因工程四大工程。生物工程理論和技術突飛猛進地發展，在農業、食品、醫藥、化工、環境等行業的應用也越來越廣泛。

生物工程也是一門實驗性和應用性很強的學科，以培養應用型人才為主，要求學生除了掌握基礎的生物工程實驗方法外，還要具有整體實驗的綜合安排能力［1］。實驗教學環節不僅是培養學生綜合素質的重要方面，也是培養學生動手能力和創新能力的重要環節，在實驗中加深學生對理論知識的認識和理解。目前，許多高校生物工程專業實驗大多是依附于各門理論課，而且實驗內容相對分散，以驗證性實驗為主，學生在教師的指導下按照規定內容完成實驗，處在被動學習地位，抑制了學習的積極性和主動性，影響生物工程專業實驗的教學效果［2］。因此，筆者對河南中醫藥大學藥學院生物工程專業學生（2013級）的生物工程綜合實驗課程進行了一些改革和探索。

2 開展生物工程綜合性大實驗

制定生物工程實驗課程教學大綱 根據本專業人才培養定位和實驗開展情況，參考兄弟院校生物工程專業實驗的開展項目內容，組織教師制定了詳細的實驗大綱，通過了教務處組織的實驗項目論證，同時組織學科教師編寫了《生物工程專業實驗》教材。制定教學大綱遵循的原則包括：減少重復性實驗，體現專業實驗的整體性、連貫性；減少驗證性、演示性實驗，多開設設計性、綜合性實驗。

在課程安排上，生物工程實驗開設在大三第二學期。在前5個學期，學生已經學習過生物工程基礎課和專業課，包括細胞生物學、生物化學、工業微生物、分子生物學、基因工程、細胞工程和蛋白質工程等課程，所以在實驗項目設置上，避免開設與細胞生物學、分子生物學、基因工程等課程重復的實驗，注重綜合性實驗的連續性。最終確定的生物工程實驗教學大綱包括10個小的實驗單元：1）堿裂解法小量制備質粒DNA；2）DNA瓊脂糖凝膠電泳；3）聚合酶鏈式反應（PCR）；4）DNA的限制性酶切及純化；5）質粒載體與外源DNA片段的鏈接；6）連接產物轉化大腸桿菌；7）抗生素平板篩選重組轉化子；8）原核表達載體的誘導表達和檢測；9）大腸桿菌發酵培養及表達產物的純化；10）純化蛋白的細胞學活性檢測。

開展綜合性實驗 在傳統的實驗教學中，以驗證性實驗為主，學生只要根據實驗教材，按教師制定好的實驗步驟，利用實驗教師已經準備好的實驗試劑和實驗器材，在教師的指導下即可完成。這種機械式完成實驗的方式，實驗教學效果很差，無法引起學生的興趣，更加難以培養學生的動手能力和操作能力。在這種情況下，制定生物工程綜合性大實驗。如“丹參病程相關蛋白的原核表達及純化”，實驗設計依托學科教師的科研課題“丹參病程相關蛋白基因SmPR10的克隆及功能研究”，通過對丹參病程相關蛋白（Pathogenesis-Related Protein，PR Protein）為研究對象，通過SmPR10蛋白在大腸桿菌中的原核表達、純化以及活性檢測進行實驗，深入了解生物工程表達異源蛋白的原理，掌握生物工程的實驗操作，鞏固和檢驗已學的理論知識，為畢業論文和走向工作崗位打下基礎。

該實驗綜合了分子生物學、基因工程、蛋白質工程、發酵工程、生物分離技術和生物反應器的基本知識，要求學生通過病程相關蛋白的制備了解生物工程的相關基本操作，掌握DNA重組、載體構建、微生物菌種保存與培養、目標蛋白的分離提取等專業實驗技能。在綜合性實驗過程中，培養學生的科學思維， 提高學生綜合運用所學知識解決實驗中遇到的實際問題的能力。

在實驗操作過程中，允許學生的實驗結果不盡如人意甚至失敗，但是一定要注重強調學生對自己實驗過程中所得結果進行分析和解釋［3］，找出實驗問題所在，然后修訂實驗方案，進行下一步實驗。綜合性實驗有利于拓寬學生思路，培養學生整體安排實驗的能力，打破過去傳統的實驗教學方法，改變在傳統實驗教學過程中由教師領著學生走的現象。

集中時間安排實驗環節 因為生物實驗周期長，同時生物工程綜合性大實驗對實驗的連續性要求較高，將學校安排的每周4個實驗學時改為4個學時為一個實驗單元，每次完成綜合性大實驗的一個實驗項目，而且集中在每天下午開設實驗課，體現了綜合性大實驗的連貫性、完整性和科學性。

改革實驗成績評定辦法 以往的實驗課成績完全由形成性成績構成，主要有考勤、提問、實驗報告和最終測試3部分組成。實驗報告在最終實驗成績中所占比重較大。有些學生在實驗過程中不認真做實驗，最后為了寫出好的實驗報告，就會出現編撰數據甚至抄襲其他學生實驗報告的不良行為。

為了體現以學生為中心的教學理念，調動學生實驗的積極性，計劃在以往實驗課成績評定的基礎上建立新的實驗成績評定辦法。平時成績除了考勤、提問外，還重點考核學生對實驗資料的收集和對實驗文獻的查閱情況，以及實驗數據的記錄、團隊合作能力、實驗中的操作規范、獨立思考能力等。同時引入學生自評、互評和科研小論文的書寫，通過每次實驗結束時的總結討論和學生自評、互評，使學生參與到實驗結果和實驗問題的分析與討論，加強學生和教師之間的交流，整個生物工程綜合性大實驗完成后，要求學生以學術論文的形式寫作科研小論文。

科研小論文的寫作要求完全按照正規學術論文的寫作要求。正文之前部分包括題目、作者、作者單位、摘要、關鍵詞（3～5個）；正文部分包括前言、實驗方法、結果與分析、討論4部分，要求層次分明；標題層次不得多于3層，采用1、1.1、1.1.1方式。前言部分包括研究背景、國內外研究進展和實驗意義。結果與分析是對實驗過程中所記錄的實驗數據和實驗現象進行科學的處理，客觀地對實驗結果進行分析和描述。討論部分則是對整個實驗的分析討論，如果得到預期的實驗結果，對實驗過程中的關鍵步驟進行分析；如果沒有獲得預期的實驗結果，則要分析實驗過程中失敗的原因，找出問題所在。科研小論文最后要求列出參考文獻（不得少于3篇）。

通過科研小論文的寫作，鍛煉學生寫作科學論文的能力，為最終畢業論文的寫作奠定基礎。

引入先進工程設備 在以往生物工程實驗室中，發酵實驗都是在搖床上用不同規格的三角瓶來完成，與實際工廠生產過程相差較大。為了培養合格的應用型的生物工程專業人才，購置了6臺10 L小型全自動生物發酵罐、1臺30 L種子罐和1臺300 L的全自動生物發酵罐，可以開展從小試到中試的發酵實驗，使得發酵工程實驗中的啤酒發酵實驗和紅霉素發酵實驗如同在縮小的工廠進行，整個發酵過程的參數一目了然，使學生了解生物發酵的全過程，掌握發酵接種技術以及發酵過程中溫度和pH控制、氧氣的供應、添加補料、發酵液的后處理等生產工藝，學習到現代發酵車間的先進生產技術。

在生物工程綜合性大實驗開展過程中，采用先進的實驗技術培養學生。如在質粒DNA提取過程中，采用試劑盒提取質粒DNA，這是國內外分子生物學實驗室的主流方法（而不采用配制試劑、最后酚氯仿抽提的方法提取質粒DNA），同時給學生講解質粒提取的原理。在PCR實驗單元，采用進口的Takara所產的DNA Taq酶和dNTP試劑，讓學生手動加入每樣試劑，同時講解每樣試劑的作用，復習PCR的實驗原理。

3 結語

通過開設生物工程綜合性實驗，不但鞏固了學生以往所學的理論知識，也培養了學生動手操作的能力，給予學生在一個綜合性實驗中整理安排實驗的訓練，為學生走向工作崗位打下堅實的基礎。生物工程專業實驗教學的改革還需更多的探索和實踐，改革實驗課程的教學方法和教學內容，培養學生動手操作的能力、發現問題和解決問題的能力，最終培養出合格的應用型生物工程專業人才［4］。

新的生物工程綜合性實驗對教師也提出更高的要求，所以教師也要不斷學習新知識、新技術，提高自身的知識水平和業務能力，保證實驗改革的順利進行。生物工程綜合性實驗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題，如整個實驗體系的設計中工科部分所占比例相對較弱，主要受限于學校、學院和學科的特點，這一部分還需要進一步加強和改進。■

［1］肖連冬.生物工程綜合性專業實驗的教學改革與實踐［J］.廣東化工，2009，36（8）∶311-317.

［2］劉勝貴，付明，張儉.生物工程大實驗教學模式探索［J］.實驗技術與管理，2007，24（2）∶126-128.

［3］鐘方旭，代江紅，江賢君，等.《生物工程實驗》教學改革體會［J］.高等教育與學術研究，2006（2）∶205-206.

［4］徐立新，陳玉香，錢延春.生物工程實驗教學改革的探索［J］.微生物學通報，2013，40（9）∶1710-1714.

G642.0

B

1671-489X（2016）10-0130-02

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

*項目來源：2014年河南省高等教育教學改革研究項目“基于中藥學專業《生物化學》課程教學設計的研究”（基金編號：2014SJGLX231）。

作者：趙樂，河南中醫藥大學藥學院講師，研究方向為藥用植物分子生物學；鄭曉珂，河南中醫藥大學藥學院生物化學與分子生物學學科主任、教授，研究方向為中藥活性成分及作用機理研究；馬利剛、武慧敏，河南中醫藥大學藥學院（450046）。