地方應用型本科院校基因工程實驗教學改革探索

高兆建 張娜 周金偉 范曉博 張傳麗

摘要 基因工程是生物工程專業一門重要的實踐性很強的專業課程。為了改進基因工程實驗教學質量、促進學生綜合能力的培養，根據基因工程實驗教學的特點，結合該課程的實際教學情況，分析了基因工程課程教學中存在的問題，并從教學內容及形式等方面進行一些教學改革探索。通過幾年的教學改革和總結創新，充分改善了基因工程實驗教學效果，調動了學生的實驗積極性，提高了學生的綜合素質和科研能力。

關鍵詞 基因工程;實踐教學;教學改革

中圖分類號 S-01文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2021）07-0280-03

Abstract Genetic engineering is an important practical course in biological engineering specialty. In order to improve the experimental teaching quality of genetic engineering and promote the cultivation of students comprehensive ability， according to the experimental teaching characteristics of genetic engineering， combining with the actual teaching situations of this course， the existing problems in the teaching of genetic engineering course were analyzed， some teaching reforms were carried out from the aspects of the content and teaching forms.Through several years of teaching reform and summary innovation， the experimental teaching effect of genetic engineering has been fully improved， the enthusiasm of students to experiments has been aroused， and the comprehensive quality and scientific research ability of students have been enhanced.

Key words Genetic engineering;Experimental teaching;Teaching reform

作者簡介 高兆建（1976—），男，山東沂南人，副教授，博士，從事食品生物技術研究。

基因工程又稱DNA重組技術，是以分子生物學為理論基礎的一門實踐性很強的學科[1]。基因工程對人類探索生命本質，促進生物技術飛速發展起著不可估量的作用，它是目前自然科學領域中生命力最強、發展速度和發展潛力最大的創新技術之一[2]。目前，基因工程正以空前的勢頭迅速發展，在工業、農業、醫療衛生領域具有廣闊的應用前景，已發展成為現代生物工程技術的核心[3]。目前，全國各大高校生物科學、生物工程和生物技術等生物類相關專業均開設了基因工程理論以及相關實驗。基因工程實驗可以促進學生更好地掌握基因工程理論知識，培養學生的學習興趣。基因工程實驗教學質量對于培養綜合素質高的優秀專業人才有著至關重要的作用。

傳統的基因工程實驗教學體系存在課時安排不合理、教學方法陳舊、學生上課無熱情、考核體系無實效等問題，已不能滿足培養學生動手能力、創新能力的要求[4]。因此，新的國際形勢下迫切需要實驗教學改革，以激發學生的學習興趣，培養學生的科學思維、創新能力和實踐能力，從而推動基因工程實驗教學水平的快速提高。筆者根據多年的基因工程實驗教學實踐，改革了實驗教學模式，優化了考核體系，探索了新的教學方法并將最新的科研成果引入到實驗教學中，建立了以創新型人才培養為目標的基因工程實驗教學體系，充分激發了學生的學習熱情，調動了學生的學習積極性，提高了教學質量，培養具備創新能力和解決實際專業問題能力的高素質優秀人才。

1 基因工程實驗教學中存在的問題

1.1 實驗項目多，課時安排不充足

基因工程是一門邏輯性很強的學科，理論和數據均來自實驗，大學生具備熟練的專業技術操作技能是工科院校本科教育的典型特征。原基因工程實驗課時安排是16學時，在這么短的學時內要完成細菌基因組提取、目的基因克隆、質粒載體制備等6個實驗項目，這勢必造成實驗的試劑配制、菌體培養等過程以及某些實驗步驟由教師代學生完成，無法保證學生全程親自開展實驗。實驗過程中，學生忙于記錄實驗結果和實驗現象，缺乏充分的時間對結果進行討論與分析。另外，因為實驗不是全程由學生完成，對實驗中出現的問題學生無法全面分析原因，因此導致學生的動手操練不充分，實驗操作生疏，創新能力不足，不具備獨立完成創新性、設計性實驗項目的能力。

1.2 實驗項目彼此獨立，實驗體系缺乏系統性

傳統基因工程實驗內容以驗證性實驗居多，例如細菌基因組的分離純化、瓊脂糖凝膠電泳、PCR擴增基因等[4]。雖然開設的實驗項目較多，但各項目之間相互獨立，缺乏知識的連續性和邏輯性，學生難以把握基因工程實驗過程與結果整體聯系[5-6]。這種教學形式難以培養大學生的系統觀念，也不能培養學生利用已學理論和實驗知識自由設計實驗方案解決專業中的實際問題。

1.3 實驗教學方法落后，學生主觀能動性差

長期以來，實驗課的教學模式主要是實驗技術人員事先將試驗需要的試劑配制好并與其他所需的實驗用具等一起擺放到實驗臺上。實驗課開始時，教師針對實驗目的、實驗原理、實驗步驟、試劑配制、實驗注意問題等方面進行講解，然后學生按照實驗步驟按部就班地操作。這種教學模式中占主導地位的是教師，而學生則只能在教師的要求下被動接受實驗和理論知識，沒有機會去思考問題、解決問題。實驗過程學生缺乏對實驗的設計，也缺乏分析和思考的過程，其不良影響反映在后續基因工程實驗實踐中，包括畢業設計的實踐過程中，學生很難獨立完成研究項目，分析能力較差，表明這種不以學生為主導的授課模式在培養學生的創新實踐能力的過程中存在嚴重弊端。

1.4 考核評價片面化，缺乏激勵性

具備檢查、督促作用的高效考核體系不僅能使學生重視實驗，而且能增強學生知識的探索積極性、學習主動性，從而在學生動手能力和創新能力方面得到了顯著提高[7]。傳統的實驗課考核以實驗報告為主要參考，這種單一的考核評價方式難免使學生養成“唯結果至上”的錯誤認識，實驗課過程中不認真聽講，不積極參與實驗操作，過程只是走馬觀花。課下不積極思考，甚至為了得到理想的實驗結果，修改數據或抄襲其他同學實驗報告，導致上交的實驗報告千篇一律，實驗報告不能準確反映學生在實驗過程中對實驗技能的掌握程度，甚至不認真做實驗而實驗報告寫得好的同學比認真做的同學成績高，這樣會影響學生的學習積極性。

2 基因工程實驗教學改革措施

2.1 以學生為主體，開放設計性實驗

基因工程的實驗操作過程復雜，無法在短時間內完成各個操作模塊[8]。在基因工程實驗課堂教學基本內容的基礎上，開設開放性設計實驗。安排學生在實驗周或者將實驗內容安排在周末。教師對設計性實驗只提出實驗目的，而沒有明確給予學生試劑配制方法、實驗步驟、預期結果等詳細信息。學生需要獨自思考，查閱文獻資料，設計實驗方案。整個實驗過程均以學生為主體，教師輔助性提出建議，讓學生充分體會到科研的整個過程情況。開放性設計實驗可以使學生將整個分割的實驗內容聯系起來，實驗模塊環環相扣，同學們更容易把握課程的內在邏輯性。開放設計實驗能夠充分調動學生的積極性，培養學生認真負責、仔細認真的科研態度以及友好協作的團隊精神，顯著提高了學生的綜合實踐能力和開拓創新的科研精神[9]。

2.2 多媒體輔助教學，開發利用網絡資源

傳統的實驗教學中，教師通過PPT簡單講解實驗目的、實驗原理、實驗步驟等，學生非常被動地按照實驗步驟一步一步操作，整個過程學生沒有思考，僅是任務性地完成實驗操作。為此，徐州工程學院教務處積極開展網絡實驗平臺項目的建設，基因工程實驗教學團隊的教師積極參與項目申報和平臺建設，例如PCR克隆基因、堿裂解法提取質粒、瓊脂糖凝膠電泳等，教師事先將錄制好的教學視頻放到學校官網實驗教學平臺上，學生可以隨時自由觀看學習。與傳統教科書相比，仿真實驗、視頻教學更加生動形象，學生隨時可以使用手機觀看視頻，方便學生提前預覽并在實驗課后再次學習，顯著提高了學生的學習興趣[10]。另外，教師指導鼓勵學生運用超星學習通和中國大學MOOC（慕課）自主學習，并且在每一章節后布置課后作業，網上檢查學生的學習情況。這些改革與應用顯著提高了學生的學習主動性，解決了上課時間不充分的問題，增加了學習興趣，強化了對實驗原理的理解。

2.3 調動學生積極性，優化實驗評價體系

考核評價體系對實驗教學效果的影響至關重要。優秀的評價方式能夠調動學生的學習積極性，激發對科學知識的探知能動性，從而提高實驗教學效果。為此，建立以技能考核為主線，與結果考核相結合的全過程考核方式，具體包含平時成績、實驗報告、操作綜合評價、科研小論文、考試成績等多元化的考核項目。平時成績占總成績的20%，主要考查課堂表現、實驗規范性等;實驗報告占總成績的20%，要求學生除了能詳細記錄實驗結果外，還要對結果進行分析并展開討論;操作綜合評價主要考查學生實驗操作技能的掌握情況以及重要儀器設備的熟練使用程度;實驗考試占總成績的30%，主要以開卷形式進行，考查學生解決實際問題的能力;科研小論文占總成績的30%，因為整個實驗體系的設計具有連貫性、系統性，所有實驗結束后要求學生撰寫一篇完整的科研小論文，從中學生可以學習文獻的查閱、實驗數據的分析處理方法，學會論文的撰寫方法，為以后從事科研創新奠定基礎。與以往的單純實驗報告考查學生實驗成績相比，這種評價機制更為全面、科學，更能提高學生的科研能力，充分發揮實驗教學考核體系的導向和激勵作用，使學生的綜合素質得到全面提升。

2.4 課內實驗課外補，實驗教學與教師科研項目相結合

徐州工程學院食品與生物工程學院具備良好的科研研究平臺，從事基因工程教學的教師承擔了一些國家自然科學基金、省自然科學基金、省科技計劃項目等一系列縱向課題，對研究領域的一些前沿熱點問題有比較深入的研究。他們將研究課題的國內外研究最新進展情況、研究思路、發展趨勢等介紹給學生，拓寬學生的視野，激發學生對基因工程的學習興趣，并將科學研究中比較成熟的一些分支項目引入基因工程實驗教學中。例如，徐州工程學院教師國家自然基金項目“土壤污染有機磷農藥降解菌多樣性及其分子生態效應研究”中的一個子課題“有機磷農藥降解酶基因的克隆表達”應用到學生基因工程實驗教學中。學生通過親自體驗一個特定降解酶基因的克隆表達過程，深刻體會基因工程實驗課程，并能充分鍛煉基因工程實驗的基本操作技術和培養邏輯思維能力。基因工程實驗課題項目設計如圖1所示。整個實驗內容包括以下方面：①從有機磷降解細菌中提取總基因組;②設計降解酶基因的特異性引物;③PCR技術擴增特定酶基因，電泳及酶切鑒定;④鑒定后的PCR產物同克隆載體pGM-T載體連接;⑤大腸桿菌感受態細胞的制備;⑥重組質粒的熱激轉化;⑦陽性克隆的藍白斑篩選;⑧重組質粒的酶切、PCR鑒定、測序鑒定;⑨表達重組載體的質粒構建;⑩陽性重組表達載體的轉化與篩選;B11重組菌株誘導表達及表達產物SDS-PAGE電泳檢測、活性檢測。整個綜合性大實驗過程將基因工程實驗中各個驗證性實驗項目緊密串聯起來，前后連貫、密切銜接。整體實驗過程包括基因工程的基本實驗技術，如引物設計、基因組提取、凝膠電泳、質粒提取、PCR擴增基因、酶切鑒定、DNA回收、連接、轉化、篩選等10多種基本基因操作技術。實驗項目開展過程中，多種基本技術（如PCR、酶切、提質粒、電泳等）學生需要反復操作，基本技能得到充分鍛煉。由此可見，科研項目與實驗教學相結合的實驗教學模式是對傳統實驗教學的有力補充，對于提高學生的動手操作技能、培養學生專業問題的解決能力、培養科研思維和創造性實驗思維是非常必要的，也為學生未來從事重大科研項目打下了堅實基礎。

3 結語

基因工程是生命科學領域發展速度最迅速的新興學科，是高等學校生命科學相關專業一門十分重要的課程，其對應的實驗課程具有同等重要的地位。激發學生的學習興趣，培

養學生的創新思維，充分鍛煉其動手操作技能，最大限度地

發揮教育教學效果，是需要不斷改革創新和積極探索的方向。充分掌握基因工程實驗的基本原理、熟練操作基因工程基本實驗技術、

靈活應用基因工程技術方法來解決生命科學問題，這些在生命科學相關領域研究中起著至關重要的作用。通過以上教學改革，該課程教學激發了學生的學習興趣，增強了他們開展科學研究的能力。在今后的實驗教學工作中，將繼續積極探索和優化基因工程實驗課程體系，更新教育觀念，創新實驗教學方法，不斷提高教學水平。通過基因工程實驗課程的學習，學生更容易快速理解和掌握基因工程的基本原理，奠定了未來獨立完成生命科學大型課題的實踐技能基礎，使他們實現基因工程理論知識轉化為實踐技能。

參考文獻

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