階段式分子生物學實驗教學新模式的探索

周強 易浪波

摘要：本文在分析分子生物學實驗教學的現實困難的基礎上，構建了階段式實驗教學新模式，將整個實驗教學分為認知、訓練、應用三階段，并詳細介紹了每個階段的實驗內容、培養要求、考核辦法、實施要點等。該教學模式為分子生物學實驗教學的改革提供參考。

關鍵詞：分子生物學；實驗教學；階段式教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0279-02

分子生物學是在生物分子水平上研究生命現象的科學，主要研究核酸、蛋白質等的結構、功能、調控等，其已成為生命科學領域的基礎學科和重要研究技術。主要涉及生物學、藥學、基礎醫學、作物學等15個一級學科和生物科學、生物工程、農學等40余個專業，又與生物化學、生物信息學、遺傳學、基因工程等近百門課程相關。在高等教育中，分子生物學是一門非常重要的基礎課或專業課程，也是理論與實驗結合非常緊密的課程。實驗課程不僅能幫助學生理解分子生物學抽象的原理知識，還能訓練學生掌握分子生物學的實驗技術，培養實踐能力和創新精神。

一、目前分子生物學實驗教學中存在的主要困難

1.教學課時數量較少。分子生物學實驗過程步驟多、耗時較長，一次課程通常需3小時以上。比如完成PCR實驗教學和操作至少需要4小時。而目前，絕大部分高校的實驗課時在32-64學時，僅能開設10-15個實驗項目，這只能滿足分子生物學的基礎實驗教學。學生也僅能按照實驗指導完成一次操作過程，缺少必要的獨立實驗操作練習。

2.教學內容不夠深入。大部分高校的實驗課程僅開設了一些基礎性實驗內容，這與分子生物學研究技術的快速發展現狀是極不相符的[1]。有的實驗還采用比較費時費力的老技術，近些年新的研究技術也沒有補充進課堂。

3.考核體系較簡單。目前的考核主要是從出勤、課程預習、實驗報告和期末考查來評價學生的實驗課程成績，難以真實反映學生對實驗的掌握能力[1]。考核內容較簡單，激勵措施缺失，促進學生主動學習的動力不足。

二、階段式分子生物學實驗教學模式的內涵

針對實驗教學中的困難，我們建立了一種新的分子生物學實驗教學模式。其特點是將整個實驗教學分為認知、訓練和應用三個階段。實驗內容從經典實驗、探究實驗、科研實驗逐步加深。對實驗能力的要求從理解、掌握、運用逐步提高。考核包括實驗報告、課程論文、理論考核、結果匯報、技能考察等多項內容，考核評價體系更加科學、全面。該教學模式能夠根據學生的興趣和需求，進行差異化教學，促進學生主動學習，提高實驗教學效果。

第一階段為認知階段，主要在課堂學時內完成。實驗內容主要包括兩部分。主體實驗內容是DNA、RNA的提取、瓊脂糖核酸電泳、目標基因的PCR擴增、SDS-PAGE電泳檢測等常規的分子生物學實驗，重在理論的講解和操作要點的指導。讓學生能夠理解實驗方法和實驗操作的原理及要求，初步完成整個實驗流程。輔助實驗內容為虛擬實驗，主要是針對因設備要求高、實驗難度大等暫時沒有條件開設的實驗，比如基因編輯、單克隆抗體制備等。通過虛擬實驗，可以開拓學生的視野。第一階段的考核以實驗報告和針對實驗理論和操作要點進行課堂問答（或理論考試）為主[2]，可占課程期末總成績的30%-40%。

第二階段為訓練階段，主要在課堂學時之外，在指導教師的指導下，在開放實驗室進行探究實驗。2-3名學生組成實驗小組，在6-10大類的選修實驗中，自選2-3個不同類型的實驗項目，利用課余時間自主查找資料、設計實驗方案、開展實驗研究、分析數據結果，最后在課堂上進行匯報。通過課外的自主實驗練習，使得學生能夠掌握基礎的分子生物實驗技術，也初步了解科學研究的過程。這些實驗項目應與分子生物學的應用密切，包括利用16SDNA鑒定微生物的種類、克隆生物中的特定基因、檢測目標基因在RNA水平表達的變化等多個大類實驗項目。在大類項目下，學生可以選擇或設計具體的實驗內容。比如鑒定微生物的種類，可以鑒定酸奶、臘肉、土壤等多種樣品中的微生物。這類實驗根據學校的特色或學生的專業有針對性的設置，難度不高，工作量適中，操作性強，成功率較高。其綜合了多種分子生物學的研究技術，學生練習充分，對學生實驗能力的鍛煉有較好的效果。該階段的考核由實驗進展和技能考核兩部分組成。實驗進展可占總成績的20%-30%，主要考核項目實施的工作量、實驗進展和結果等。技能考核可占總成績的20%-30%，主要是隨機抽取1-2項實驗操作進行考察。

第三階段為應用階段，主要是在課堂教學之外，學生根據自己的興趣選擇科研導師。在導師的指導下，選擇合適的科研課題進行科研訓練。該類項目工作量較大，具有一定的創新和難度。要求學生能夠綜合應用分子生物學技術針對具體的科學問題展開研究。比如對植物某一基因的功能進行研究，可能涉及核酸的提取檢測、PCR擴增、載體構建、轉基因操作、蛋白質印跡檢測等多項研究手段，有效的提高了學生的科研素養和創新能力。對于該階段的考核有不同的形式。一種形式是實驗項目能夠在一個學期內完成的，可以作為課程論文考核。根據學生的表現和實驗進展情況，由導師給予評價，成績計入課程期末總成績，所占成績比例為20%-30%。另一種形式是將其作為創新學分或畢業論文。通過有關考核程序，單獨給予學分。

三、階段式分子生物學實驗教學模式的實施要點

1.第一階段的教學中，首先，要精煉實驗內容，重視各實驗項目中的系統性。在有限的實驗課堂教學中，選擇講授的實驗基本能夠覆蓋分子生物學的基礎技術，體現分子生物研究中的共性技術。就目前的現狀而言，大部分高校以分子克隆為主體，蛋白質相關實驗為輔。所以，對分子克隆的主要操作環節必須講解到位，關鍵實驗技術必須指導到位。可以以一個具體基因的克隆過程作為教學內容，按照真實的實驗次序開設實驗，確保實驗的系統性和邏輯性。也相當于帶領學生參與完成了一次真實的科學研究，使學生對科研有了更加直觀的認識。這一階段切忌把實驗項目開設得多而全和高精尖。對于不能在該階段完成的實驗項目，可以安排在第二階段的訓練中。其次，教學形式要豐富。目前的教學中，多是教師講授實驗原理、目的、試劑、步驟等，然后學生在規定時間完成實驗操作，形式單一，學生較為被動。在教學可以引進虛擬實驗室、微課慕課、翻轉式教學、討論式教學等先進的教學技術和理念，充分調動學生學習的積極性。比如，課前通過預習、視頻學習和虛擬實驗室練習，使得學生初步了解試驗內容和操作過程，在真實實驗課堂中，就會得心應手，各種操作忙而不亂，提高了課堂效率和學習效果。

2.第二階段的教學中，首先，如何保障實驗室的開放運行是關鍵。該階段的實驗時間多在課堂、甚至工作時間之外，這就需要從經費、制度、人員多方面進行配合。經費由課程承擔，實驗耗材需充分計劃，納入課程預算；在儀器的使用、實驗室的安全管理等方面要建立嚴格的制度，如進入實驗室的學生需進行儀器操作培訓和實驗室安全學習考試。同時，對于實驗室管理人員和指導教師應按照實驗室開放的周期和指導項目計算加班工作量。其次，指導老師的隊伍要加強。該階段的實驗涉及分子生物學的各個研究領域，內容較多，差異較大，僅1-2位實驗教師難以承擔指導工作。所以，必須將相關的博士、教授等納入實驗教師隊伍，組建6-10人以上的教學團隊。根據各人的研究專長，指導學生自主開展實驗。在指導過程中，強調學生的中心地位，多以探討式、啟發式的形式進行輔導，以提高學生分析、解決問題的能力。

3.第三階段的教學中，保障、考核和激勵體系是重點。在該階段，實驗經費主要依靠科研導師的課題和學生申請大學生科研項目支持。實驗場所主要是導師的科研實驗室和學院平臺的開放實驗室。其中，導師的支持更為重要。所以，可以實施本科生導師制，鼓勵、支持教師利用課題資源指導本科生的學習。考核分為導師考核和項目檢查進行。導師考核由導師根據其日常工作表現給予評價。而項目檢查是由專家組對項目進行開題報告、中期進展和結果答辯。對于考核不合格的，不予計學分。激勵主要通過舉行、參加各種競賽，對獲獎學生進行表彰，并在評優評先、獎學金評定等方面予以加分。

參考文獻：

[1]張賀翠，楊昆，劉文清，等.分子生物學實驗教改中存在的問題及對策研究[J].安徽農業科學，2015，（4）：391-392.

[2]高利臣，肖璐，馮濤.分子生物學實驗教學改革的幾點思考[J].實驗室研究與探索，2010，29（4）：104-107.