生物學自主設計型實驗探索

摘要：指出了分子生物學是生命科學相關學科的主干課程，具有很強的實踐性。同時，學生掌握分子生物學的實驗方法和技術手段，對培養自身科研能力具有重要意義。結合當前高校對于綠色植物葉綠體DNA提取的實驗，從豐富教學方法、更新教學手段、改進考核方式等方面進行了改革與探索。以期提高學生學習質量，強化實驗技能及綜合能力培養，為高校培養高素質創新型人才奠定基礎。

關鍵詞：自主設計;葉綠體DNA提取;分子生物學實驗

中圖分類號：Q71.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2020）03-0229-03

1 引言

實驗教學是高校深化課堂教學內容的重要環節，在培養學生探索和創新精神，提高其實踐能力和科學素養等方面起著舉足輕重的作用川。分子生物學是生命科學及醫學等相關學科領域的重要研究工具，也是當代促進整個生命科學發展的前沿科學，具有理論與實驗結合緊密、動手操作能力強、實驗技術要求高、實驗經費消耗大等特點[2]。作為學生從理論學習到實踐操作和科學研究的重要學習環節，分子生物學實驗起著舉足輕重的作用[3]。

當前在分子生物學實驗教學領域還是采用傳統的教學方式，即課前教師介紹實驗背景知識、實驗目的和要求、實驗原理、操作步驟及注意事項等，學生遵從教師的指導進行實驗操作，獲得實驗數據并完成實驗報告。在整個教學過程中，學生處于相對被動的狀態，缺乏自主學習意識。此外，由于考核方式單一，學生更注重于去完成一份漂亮的實驗報告而不是注重實驗本身，致使其在實驗過程中不愿意多動手，為了追求理想實驗結果而對原始實驗數據進行改動，甚至抄襲實驗報告。學生不能很好地參與實驗，導致課堂氛圍沉悶，嚴重束縛了學生創新能力的培養。

葉綠體是植物進行光合作用和能量轉化的重要細胞器，葉綠體內具有自主遺傳信息，屬于母系遺傳。與核基因相比，葉綠體基因比核基因小，便于克隆與遺傳操作;具有多拷貝，可高效表達目的基因;外源基因可以定點整合，無位置效應和基因沉默現象;母系遺傳使得后代安全性好，可避免基因外漏產生基因污染。此外，葉綠體基因組具有適中的核苷酸置換率，編碼區和非編碼區進化速率不同使其適用于不同分類階元的進化研究。由于葉綠體DNA相對保守的特性及其在生命活動中的重要功能，已被廣泛用于細胞質遺傳、植物系統發育、遺傳多樣性和親緣關系等多方面的研究，而獲得高純度且結構完整的葉綠體DNA是開展相關研究的前提條件。

為提高學生的理解和接受能力，加強學生應用實踐能力的培養，本文以身邊植物葉綠體DNA提取實驗為例，結合本院實驗教學工作的實際情況，針對分子生物學教學模式及考核方式進行改革探索，以期提高學生學習質量，強化實驗技能及綜合能力培養，形成符合地方高校應用型人才培養的分子生物學實驗教學模式。

2 實驗設計

2.1 材料選擇

利用日常生活中常見的綠色植物進行葉綠體DNA的提取。學生可自行查閱資料，選取自己感興趣的植物進行葉綠體DNA的提取。

2.2 方案制定

提取葉綠體DNA有許多方法，學生可提前自主查閱文獻，根據自己選取的植物材料設計相應的實驗流程，提前配制實驗中所需的非常規試劑;然后統一在實驗課堂上進行操作，有不足之處及時調整、修改自己的實驗方案，完成實驗計劃;最后對實驗結果進行處理與分析，并撰寫正式的實驗報告。

3 實驗方法

本實驗要求學生自行選擇的實驗材料，通過文獻的查詢，設計不同的方法例如高鹽一低pH法，蔗糖梯度離心法或密度梯度離心法等獲得葉綠體DNA，然后用瓊脂糖凝膠電泳，檢驗葉綠體DNA的完整性。

學生可根據不同實驗方法的選擇，分為多個小組進行討論交流。

主要儀器：各型號無菌藍蓋瓶若干，無菌100mL離心管，無菌1.5mL離心管，各型號冷凍離心機，超高速冷凍離心機，水浴鍋，搖床，勻漿機或榨汁機等。

4 教學實驗反思

4.1 實驗現狀及存在的問題

由于分子生物學發展較快，其儀器設備更新速度快，價格較為昂貴，相關試劑和耗材成本較高等原因，使得一些地方高校對分子生物學試劑投入不足，實驗儀器和臺數欠缺。學生獨立動手機會少，缺乏真正的鍛煉機會，影響了學生創新能力、綜合素質及實踐能力的培養。

傳統分子生物學實驗課時安排分散，如基因組DNA的提取、瓊脂糖凝膠電泳和PCR擴增等。整個實驗過程內容單一，知識連貫性不夠，加之理論課程偏難，學生遇到問題時不清楚何時運用和怎樣運用這些技術解決實際問題，出現“只知其然，不知其所以然”的現象，嚴重影響了教學效果及教學質量[4]。

考核形式片面，缺乏激勵機制。分子生物學課程開設相對較晚，學生在上課之前很少接觸相關知識，有一種生疏感，加上分子生物學理論知識抽象，學生排斥感明顯，無法引起學生學習興趣[5]。同時，傳統分子生物學實驗教學質量的評判依據主要是學生的實驗報告。多數學生認為交一份漂亮的實驗報告就可以得到較高的分值，致使其在實驗過程中不愿意多動手，為了追求理想實驗結果而對原始實驗數據進行改動，甚至抄襲實驗報告[6]。在這種情況下，教師難以發現學生的真實問題，不利于正確評價學生的學習質量。

4.2 創建獨立的實驗體系

提取葉綠體DNA的方法有許多，學生在查詢文獻時同樣也檢索到了不同的方法。而在一些文獻中，實驗的精確用量及實驗細節是無法展現的，需要學生根據其他類似的實驗，比如DNA的提取來對本實驗進行理解。例如：在高鹽一低pH法和蔗糖梯度離心法中，利用蛋白酶K進行裂解時，需根據實驗材料的不同而有不同的時間，具體可參考裂解液的顏色變化，而并非僅僅是根據

參考文獻中的時間而定。

經過學生自主性試驗比較后發現，高鹽一低pH法的成功率最高。一是因為高鹽一低pH法試劑配制及實驗操作較為簡單，不易出錯。二是其他的實驗方法，例如蔗糖梯度離心法，其密度梯度提取時，常常無法保證將完整的葉綠體與破碎的葉綠體分離，且其DNA得率較低。

除此以外，學生選用了不同的植物時，即使采用相同的方法，得到的DNA含量也會有差異。從此處可以對學生提出實驗改進的要求，學生可通過自行搜索文獻，對實驗的每個步驟進行理解并優化。例如一些植物中富含類黃酮及多糖，可在高鹽一低pH法中將緩沖液的DTT去掉，且調整NaCl的濃度[7]。

學生通過多種實驗方法的比較，增加了學生的實驗探究能力，培養了學習的主動性與自主動手能力。

4.3 構建新的教學模式

自主設計型實驗需要學生先獨立檢索文獻，對文獻中的實驗器材，試劑及方法進行歸納總結，對實驗步驟中的每一步進行理解。在進行實驗時，學生可以將同一種實驗方法但并非同種實驗材料進行比較，也可以將同一種實驗材料而不是同種實驗方法進行比較，驗證其提取效果。通過基礎實驗教學與自主設計型實驗相結合的教學模式，不僅可以有效的提高學生的學習積極性，同樣可以促進學生對基礎實驗相關知識和技能的進一步掌握。

此外，在實驗開展前，教師最好可以對學生自主設計的實驗進行審閱，以保證學生實驗的正確性，同樣還可以充分利用多媒體技術整合資源，豐富實驗教學手段，將內容繁復且抽象的實驗原理及步驟進行講解、演示。在實驗的開展過程中，老師同樣需要對學生進行必要的引導，以免學生產生畏難情緒，保證實驗的成功率。在教師引導下讓學生在實際操作前有整體的思路和預期，在實驗過程中敢于主動實驗、互相討論，達到應用知識解決實際問題為目的，提高學生的綜合能力。

實驗教學是對理論知識的鞏固和驗證，從各個方面評價學生的學習效果，在學生的積極性調動方面起著十分重要的作用。我們希望能夠將實驗課程的考核方式由“實驗結果為主”改為“實驗技能掌握為主”。在考核過程中，以學生實驗操作、參與度、實驗過程記錄、結果等多方面來作為依據，使整個實驗考核真正從注重結果轉向為注重過程，從而強化學生對整個實驗過程的把握度[6]。

5 結語

如今高等院校培養大學本科生的首要目標和任務是培養復合應用型人才，為了實現這個目標，就要加強對學生技能訓練、創新意識培養和開拓精神的鍛煉，從理論到實踐、從所知向能用的飛躍是現階段高等教育人才培養改革的重要環節[9]。

本科教育是提高高等教育質量的最重要基礎，建設世界一流大學，人才培養是本，本科教育是根。通過實驗教學改革在分子生物學實驗課的探索及實踐，充分體現學生的主體地位，在實驗教學各環節中激發學生的學習積極性，在真正意義上增強學生分析問題和解決問題的能力，增強其科研能力和創新能力。完善考核評分標準，加強對學生的管理，全面考核學生的實驗技能水平，提高實驗教學效果[10]。

參考文獻：

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[9]張端鴻.辦好本科教育是大學的根本[N].中國教育報，2018-06-26.

[10]狄建軍，佘集凱，黃風蘭.“分子生物學實驗”研究型教學模式探索[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2019（6）：36～37.

收稿日期：2019-12-11

基金項目：民族高校建設生物科學類一流本科專業的實踐研究項目（編號：JYZD19064）

作者簡介：吳智華（1986-），男，博士，講師，研究方向為遺傳學。