試論以基因發(fā)現(xiàn)歷程為主線的綜合生物實驗教學改革

劉文廣　鮑永利　王克慧　鄢然　劉文宇　丁曉玲　龐澤龍

摘要：生命科學的實驗教學是增強學生感性認識、促進學生有效學習、培養(yǎng)學生實踐能力的重要手段，是幫助學生養(yǎng)成創(chuàng)新意識、培養(yǎng)未來高素質(zhì)科技人才的重要環(huán)節(jié)。本文提出了“以基因發(fā)現(xiàn)歷程為主線的”綜合生物實驗教學改革的理念，認為可以圍繞某一個特定基因來部分地整合多門生命科學二級學科的實驗課程。希望這一理念能夠幫助高校探索出一套更加系統(tǒng)而完整的生命科學實驗教學體系。

關(guān)鍵詞：基因發(fā)現(xiàn)；主線；實驗課程；綜合教學改革；生命科學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）50-0084-03

一、前言

生命科學本身是一門實驗性科學，開設(shè)實驗課是使學生增強感性認識、有效學習知識的重要教學手段，也是將學生培養(yǎng)成未來科技與教育人才的重要教學環(huán)節(jié)。如何提高學生的學習興趣，幫助學生更加有效地學習知識，使其自覺地形成較為全面、系統(tǒng)、綜合的科研思維意識，以及使學生領(lǐng)會如何探討一個完整的生命科學問題，是教師面臨的一項挑戰(zhàn)。我國《中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》提出，“堅持以人為本、全面實施素質(zhì)教育是教育改革發(fā)展的戰(zhàn)略主題”，要“著力提高學生的學習能力、實踐能力、創(chuàng)新能力”，并“倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學，幫助學生學會學習，激發(fā)學生的好奇心，培養(yǎng)學生的興趣愛好”。針對這一要求，我們在理論上探討了“以基因發(fā)現(xiàn)歷程為主線的”綜合實驗教學改革，希望在多門生物學二級學科的實驗課程中，在各自原有教學大綱基礎(chǔ)上，適當調(diào)整一些教學內(nèi)容，使這些內(nèi)容能夠統(tǒng)一地圍繞一個特定基因，讓學生了解和學習該基因的發(fā)現(xiàn)及其功能分析的背景知識、來龍去脈和實驗技能，幫助學生融會貫通地學習理論知識，從而寓探索一個完整科學問題的意識于教學之中，并期待這種方式有利于培養(yǎng)具備全面了解、系統(tǒng)思考、綜合設(shè)計和未來創(chuàng)新能力的人才。

二、生物實驗教學的現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段我國高校生物實驗課程的設(shè)置，是以二級學科為中心，各門課程之間相對獨立，缺乏必要的交流和聯(lián)系。多數(shù)學生在修完各門課程之后，因很少有機會綜合地應(yīng)用各科知識，很難將各個學科有機聯(lián)系在一起，所以對眾多課程缺乏相應(yīng)的梳理和整合，學生的知識結(jié)構(gòu)略顯扁平化和分散化（圖1）。我國傳統(tǒng)教育觀念重視理論教學，輕視實驗教學[1]。這種觀念影響到了生物實驗的教材內(nèi)容和課堂教學方式?，F(xiàn)今我國高校生物實驗教學大多采用基礎(chǔ)性、驗證性和演示性實驗教材。教材內(nèi)容相當固定，在各二級學科的實驗課程之間，彼此缺乏有效的過渡和銜接，甚至個別實驗內(nèi)容出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象[2，3]。在實驗課堂上，教師一般會用一部分時間針對某一實驗的原理、步驟、注意事項、結(jié)果分析和討論等內(nèi)容進行具體講解和說明，然后學生按照教材給出的實驗流程演示一遍[2，4]。在這樣的實驗教學實踐中，教師無法充分地啟發(fā)學生探索一個完整科學問題的意識，學生一般處于被動接受的地位，其主觀能動性未得到很好的發(fā)揮，其學習興趣未被充分地激發(fā)出來[4]。我們發(fā)現(xiàn)，目前的探索焦點主要針對于某一門二級學科課程的綜合性實驗設(shè)計，力圖將同一門課程內(nèi)的實驗進行整合，從而形成較為完整的實驗教學體系，以此訓(xùn)練學生全面、系統(tǒng)、綜合的科研思維能力[5，6]。總的來說，這些探索都沒有考慮到將多門課程融合在一起，尚未構(gòu)思出一套更加系統(tǒng)而完整的實驗教學體系，缺乏探索一個完整科學問題的意識。綜上所述，我們認為，目前的生物實驗教學在適應(yīng)高素質(zhì)科技人才培養(yǎng)上尚有待提高的地方，教師有必要認識到學生在今后獨立從事科技工作時，其科研思維的局限性會制約其發(fā)展。

三、綜合生物實驗教學改革的理論基礎(chǔ)

據(jù)觀察，當代生命科學研究基本上是以基因為中心進行的，圍繞基因的高水平研究又是多以基因的發(fā)現(xiàn)歷程為主線展開的。所謂基因發(fā)現(xiàn)歷程的概念，我們可以通過隨后的舉例來粗略說明。首先，根據(jù)遺傳病家系調(diào)查或者臨床診斷數(shù)據(jù)等資料，采用經(jīng)典遺傳學的定位分析方法和先進的基因組測序方法，發(fā)現(xiàn)和確定突變的候選基因；采用生物信息學的方法，分析候選基因的結(jié)構(gòu)，預(yù)測其功能；采用分子生物學的方法，克隆候選基因的完整基因組結(jié)構(gòu)片段或者全長編碼cDNA片段，并選用分子克隆、基因敲除、沉默、編輯或者轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，改變候選基因在細胞或個體中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)或表達狀態(tài)；采用細胞生物學和組織解剖學的方法，分別觀察候選基因的突變或表達改變所引起的細胞和個體生命活動的異常；采用細胞生物學的方法，確定候選基因表達的組織特異性及其蛋白表達產(chǎn)物在細胞內(nèi)的定位；采用分子生物學和生物化學的方法，分別分析候選基因的表達調(diào)控機制及其蛋白表達產(chǎn)物的作用機制；最后，在總結(jié)基因的功能和致病機理基礎(chǔ)上，展望甚至嘗試基因治療等應(yīng)用。這個例子清楚地說明，基因發(fā)現(xiàn)是一個系統(tǒng)而完整的、涉及多個生命科學二級學科的科學問題（圖1）。

正是因為基因發(fā)現(xiàn)歷程涵蓋著一個完整的生命科學問題，并且可以將生命科學的很多二級學科聯(lián)系在一起，所以我們在理論上提出了“以基因發(fā)現(xiàn)歷程為主線的”綜合實驗教學新方式。這一方式可以在保持原有教學大綱不變的情況下，在多門生物學二級學科的實驗課程中適當調(diào)整一些教學內(nèi)容，使這些內(nèi)容共同圍繞一個特定基因，讓學生了解和學習該基因的發(fā)現(xiàn)及其功能分析的背景知識、來龍去脈和實驗技能。這些內(nèi)容將體現(xiàn)出更強的綜合性、更深更廣的探究性、更濃的趣味性，并且能夠寓探索一個完整科學問題的意識于本科教學之中。在一個完整科學問題意識的指引下，學生的視野將得到開闊，學生的知識結(jié)構(gòu)將得到改善（圖1）。

基因發(fā)現(xiàn)歷程是一個系統(tǒng)而完整的、涉及多個生命科學二級學科的問題，以基因發(fā)現(xiàn)歷程為主線的綜合生物實驗教學改革可以改善學生的知識結(jié)構(gòu)。

四、綜合生物實驗教學改革方案的理論探討

1.課程改革的構(gòu)思。在基本保持原有實驗課程教學大綱不變的情況下，首先確定一種基因，并沿著該基因的發(fā)現(xiàn)歷程這一主線，選擇多門可能相互聯(lián)系的實驗課程，適當調(diào)整其中的一些教學內(nèi)容，使這些內(nèi)容均圍繞這個基因展開。結(jié)合專門從事過轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)科學研究的經(jīng)歷，我們理論上初步構(gòu)思了“以基因發(fā)現(xiàn)歷程為主線的”綜合實驗教學大綱（表1）。這個大綱僅僅是為了說明問題而擬就的，供讀者參考。這個大綱表明，相關(guān)教師可以將遺傳學實驗、分子生物學實驗和細胞生物學實驗等課程聯(lián)系在一起，可以共同選取轉(zhuǎn)錄因子X基因，并針對該基因，各自適當調(diào)整相關(guān)教材內(nèi)容。在課堂上，每位相關(guān)教師要較好地說明所教內(nèi)容與本課程的其他內(nèi)容或者其他課程內(nèi)容的前后關(guān)聯(lián)，使學生能夠一直帶著同樣的一個科學問題，在不同的實驗課程中，饒有興趣地學習。

本表為示例而已，僅供參考。各學?？山Y(jié)合自身特色，嘗試著將多門不同的二級學科統(tǒng)一起來。各學校不必苛求按照基因發(fā)現(xiàn)歷程這一主線設(shè)計綜合實驗課程體系，只要以一個共同基因為中心，盡可能將多門相關(guān)二級學科的實驗課程聯(lián)系在一起，亦可達到本文中教學改革的目的。

綜合生物實驗教學改革的效果評價。我們曾經(jīng)就本文和22位東北師范大學2015級本科生開展了理論研討活動。大家一致認為，本文能夠提醒自己要培養(yǎng)探討一個完整科學問題的意識，并普遍感覺，“以基因發(fā)現(xiàn)歷程為主線的”綜合實驗教學改革有助于初步培養(yǎng)自己全面、系統(tǒng)、綜合的科研思維意識。接下來，我們擬提出調(diào)查問卷，使之作為綜合教學改革效果的評價辦法。從教師層面了解，在所有相關(guān)實驗課程結(jié)束后，通過一次實驗課考試或者一份綜合實驗報告，是否看到學生在思考問題的時候變得更加全面、系統(tǒng)和綜合。從學生層面了解，同以前相比，是否提高了實驗課的學習興趣；是否能夠領(lǐng)悟到全面、系統(tǒng)、綜合地思考一個科學問題的重要性；同以前相比，是否更加喜歡科學研究。

五、結(jié)語

本文分析了生物實驗教學的現(xiàn)狀，探討了綜合生物實驗教學改革的理論基礎(chǔ)，明確了實驗教學改革的目的，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)思了“以基因發(fā)現(xiàn)歷程為主線的”綜合實驗教學大綱及其效果的評價辦法。我們期望本文有助于高校探索出一套整合多門二級學科的、更加系統(tǒng)和綜合的生物實驗教學課程體系。這一體系能夠寓探索一個完整科學問題的思想于其中，從而進一步提高學生的學習興趣和融會貫通的學習能力，增強其全面、系統(tǒng)、綜合的科研思維意識。

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Abstract：Experimental education in biology is an important means for students to enhance their perceptual knowledge，to promote their effective learning，and to foster their practice ability，and it is also an important link to help students in development of the innovation consciousness so as to get them prepared as talents in science and technology in the future. In this article，an idea on the integrative reform of experimental courses in biology based on a gene discovery main thread is provided，deeming that a particular gene could be used to partially integrate several courses into a multidisciplinary one. This idea incorporates a sense of complete exploration of a scientific issue in the course.This idea is also expected to help universities find out a more systematic and integrated set of experimental courses in life sciences.

Key words：gene discovery；main thread；experimental courses；integrative teaching reform；biology