“雙一流”背景下地方高校基因工程實踐教學改革探索

周維成，魏得良，姚飛虹，劉奕禎，鄧 斌

(湘南學院 化學生物與環(huán)境工程學院，湖南 郴州 423000)

基因工程的快速發(fā)展對生命科學和生物技術(shù)的興起起著巨大的推動作用，其研究技術(shù)與方法已經(jīng)滲透到現(xiàn)代生命科學的各個領(lǐng)域，成為生命科學的一門核心技術(shù)[1]。作為生物技術(shù)專業(yè)的核心主干課程之一，基因工程實驗課具有非常重要的意義，如何根據(jù)課程特點培養(yǎng)學生自主學習能力并提高創(chuàng)新思維的教學方法值得每一個教育者思考。不僅如此，基因工程實驗教學質(zhì)量的提高也是基因工程教學的重要環(huán)節(jié)[2]。因此如何利用基因工程實驗教學提高學生學習興趣，加強學生的感性認識，以及幫助學生更好理解和掌握基因工程理論成為實踐教學改革的熱點問題。

何燕等為了完善基因工程實驗教學方法，對實驗教學課程安排、實驗內(nèi)容、教學形式等進行了改革，建立合理的實驗成績評估體系，調(diào)動學生實驗學習興趣，提高學生實驗動手能力，取得良好實驗教學效果[3]。文義凱等針對植物基因工程傳統(tǒng)實踐教學中存在的主要問題，通過整合實驗教學資源、優(yōu)化實驗教學內(nèi)容以及建立全新的教學模式和考核制度，將科研融入實踐教學體系中去，同樣取得了顯著的教學效果[4]。不僅如此，邢萬金、呂立堂分別在實踐教學中，利用綜合性實驗代替分散性實驗，吸收本科生參加科研課題[5-6]。張英等通過對更新實驗教學設(shè)備、轉(zhuǎn)變實驗教學理念、改革實驗考核方法。使得基因工程實驗課的教學形式得到極大豐富[7]。為了使學生及時跟蹤學科前沿，任世英等提出選取合理雙語教材，通過多媒體、網(wǎng)絡(luò)平臺延伸以及討論式教學等方法改進教學方法，采用綜合考核的辦法進行成績評定[8]。許崇波等通過構(gòu)建基礎(chǔ)綜合實驗-校內(nèi)專業(yè)實習-研究創(chuàng)新實驗“三層次”實踐教學體系，對實踐教學的環(huán)節(jié)與內(nèi)容、組織與實施、考核等進行改革[9]。在實驗課程安排方面，段永波等針對基因工程實驗課程難以獲得較好教學效果的問題，利用報告基因、啟動子和目的基因為切入點，成功實現(xiàn)了報告基因在真核細胞中的表達[10]。

然而，湘南學院作為一所新建的地方高校，無論是資源還是平臺都不具有優(yōu)勢，這種情況下如何利用自身及地方特色，因地制宜地開展相應(yīng)的實驗教學改革，提高基因工程實踐教學質(zhì)量和增強課程特色是地方高校基因工程教育工作者應(yīng)該思考的問題。不僅如此，有效的實踐課程改革，對構(gòu)建一個相對完整的、科學合理的實踐教學體系，對“雙一流”建設(shè)及其自身長遠的發(fā)展都具有重要意義。

1 基因工程實踐教學改革對策

1.1 實驗安排與理論教學緊密聯(lián)系

由于基因工程的內(nèi)容非常廣泛、深奧，許多內(nèi)容涉及生命科學前言，過多的講解理論基礎(chǔ)對學生而言不僅枯燥無味也很難理解。目前我院基因工程課時總計32學時，其中實驗課占總課程課時的一半，因此對實驗課內(nèi)容的設(shè)置及實驗安排的要求很高，這需要我們增加實驗內(nèi)容，合理安排實驗項目。因此我們緊密圍繞基因工程理論所提出的“切、接、轉(zhuǎn)、增、檢”開設(shè)16學時的實驗課程，完整的包括了理論教學所涉及的重要知識點。為此我們開設(shè)了酶切制備DNA片段、感受態(tài)細胞的制備、目的基因片段和載體片段的回收與連接、重組載體轉(zhuǎn)化感受態(tài)細胞以及鑒定四個實驗。不僅如此在實驗課安排上，摒棄了之前的集中教學的方式，通過理論與是實踐相結(jié)合的方式，實踐課貫穿整個理論課程。同時，我們改變了實驗課程和理論課程授教師不一致的現(xiàn)象。安排同一個老師講授，這有助于教師根據(jù)理論課的進度合理安排實驗教學。使學生在做實驗前，對實驗的相關(guān)知識有所了解，充分掌握實驗原理，以達到更好的實驗教學效果。

1.2 結(jié)合實驗條件設(shè)計實驗方案

一個完整的基因工程流程一般包括目的基因的獲得、載體的制備、重組體的制備、目的基因的轉(zhuǎn)化、基因的表達、基因工程產(chǎn)品的分離提純等過程。在基因工程研究中，在很大程度上，研究者要完成的是一個完整的流程，但是在實際教學中，很多基因工程實驗室不具備完成整套流程的實驗條件。因此，我們將一個完整的實驗體系拆分成若干個小的實驗項目，以方便進行教學。基因工程發(fā)展日新月異，新知識新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，導致基因工程實驗指導教材很多，但合適本科生教學的很少。為此，我們努力收集了最新的教材和資料，結(jié)合我院實際情況編寫了實驗講義。例如在重組載體轉(zhuǎn)化感受態(tài)細胞以及鑒定這一實驗中，我們改變了目的基因與載體的雙酶切方法，采用相對簡單的TA克隆技術(shù)，讓實驗過程進行一定的簡化，實驗結(jié)果更容易展現(xiàn)。同時，實驗將以知識體系編排教學過程，對一些無法開展的實驗，我們采用課外思考題的形式給予展現(xiàn)。通過這樣的方式彌補部分教材知識老化，內(nèi)容陳舊的不足，同時在我們自己編寫的講義中突出介紹了各實驗的原理，并且著重列出每個實驗在實際操作中需要注意的事項，不僅可以加深學生對課程內(nèi)容的認識和理解，而且可以作為理論教學的輔助資料。

1.3 注重實驗基礎(chǔ)技能訓練

實驗技能訓練是培養(yǎng)學生動手能力的關(guān)鍵，直接影響著學生以后的科研能力[11]。基因工程實驗是生物專業(yè)過程中難度最大的實驗課之一。基因工程實驗幾乎所有的變化都是分子水平的，實驗結(jié)果肉眼很難觀察。像我們開設(shè)的酶切制備DNA片段、感受態(tài)細胞的制備等實驗，我們只有通過最終的轉(zhuǎn)化實驗才能觀察到實驗現(xiàn)象。同時，基因工程實驗的步驟多，連續(xù)性強，實驗的周期都很長。如果前期實驗出現(xiàn)失誤，后面的實驗就無法開展。另外，基因工程實驗所研究的物質(zhì)含量極微，都是毫克、微克數(shù)量級，加量或配錯有出入，會對實驗結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此，我們把基因工程實驗安排在分子生物學實驗后開展，有了分子生物學實驗作為基礎(chǔ)，學生對無菌操作、微量操作和高速離心等有了一定了解。另外將實驗預習報告納入實驗考核成績的一部分，要求學生在實驗前充分理解實驗的原理，并了解實驗需要注意的有關(guān)事項。實驗過程中實行小組負責制，讓實驗操作準確的學生任組長，在實驗過程中嚴格要求每個組員操作，狠抓標準化實驗操作。最后，基因工程實驗考核成績根據(jù)學生預習報告，實驗結(jié)果、實驗報告和實驗操作表現(xiàn)四個方面。

1.4 學生參與科研活動，培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力

提高學生參與科研活動的熱情，促進創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。目前湘南學院設(shè)有“開放實驗室項目”、“大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項目”等。這給學生自主創(chuàng)新、自主研究提供了新的途徑，另外通過這些項目的鍛煉，學生在實驗設(shè)計、文獻閱讀及論文寫作方面有較大提高。讓學生在自主實驗中會更加深入掌握基因工程實驗原理和基本技術(shù)理論，促進其科學思維能力的發(fā)展。如結(jié)合當?shù)靥厣珜W生申請了“剁辣椒中微生物的分離鑒定”這一研究課題，利用基因文庫的方法對剁辣椒中微生物進行鑒定分析。整個實驗過程同學們自己配制試劑、準備實驗材料，在老師的指導下，全過程獨立完成實驗操作，從中領(lǐng)會基因工程實驗的操作要點和注意事項，避免以往實驗中大部分準備工作由實驗老師完成的弊端，確保在今后的科研中能獨立運用。同時，學生們在實驗過程中一絲不茍地做好原始結(jié)果記錄，對實驗中出現(xiàn)的問題加以分析，真正的讓學生在實驗

中思考，在實驗中進步。

1.5 利用虛擬教學手段，拓展強化理論知識

基因工程實驗教學存在很多受實驗儀器、藥劑的限制不能開設(shè)的實驗內(nèi)容，可以通過虛擬演示和操作讓學生對知識有系統(tǒng)全面的了解。例如，實踐教學過程中可以利用分子生物學軟件對目的基因進行分析，設(shè)計 PCR 的上、下游引物，相應(yīng) Tm 值的計算，目的基因酶切的模擬，在線序列比對等大大提升了學生的參與感，提高學習興趣。計算機的虛擬模擬化操作對條件欠缺的地方高校本科生實驗課堂具有重要的作用，非常值得我們?nèi)ラ_發(fā)和探索。為此，我們學校設(shè)有VR教學實驗室，目前我們也正在著手基因工程VR系列實驗的開發(fā)及應(yīng)用。

2 總結(jié)

基因工程學是生命科學領(lǐng)域中一門實驗性和應(yīng)用性很強的學科，如何向?qū)W生講授基因工程實驗技術(shù)原理，訓練其熟練掌握基因工程實驗技術(shù)和操作規(guī)范是基因工程課程的首要任務(wù)。筆者對基因工程課程實驗課教學的改革進行了初步探索，通多對以上傳統(tǒng)實驗教學的改進，強調(diào)學生能力的培養(yǎng)，努力提高學生的學習興趣、促進學生實際實驗過程中的參與度，真正的將高素質(zhì)復合型人才作為“雙一流”建設(shè)背景下的首要目標。