模塊化教學在本科生動物分子生物學實驗課程中的應用

摘 要 分子生物學實驗是生命科學相關專業的核心課程。由于學時有限，授課不集中，以及實驗資源短缺等各種原因，造成傳統的分子生物學實驗授課方式多以分散的單獨的驗證性實驗為主，使得分子生物學實驗缺乏完整性以及連貫性。筆者從事多年本科生動物分子生物學實驗教學，發現在分子生物學實驗課程中實施模塊化教學可以更好地培養學生的獨立思考和嚴謹的科學態度。

關鍵詞 分子生物學實驗 模塊化教學 本科生

中圖分類號：G424?????????????????????????????????文獻標識碼：A??DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.039

Abstract Molecular biology experiment is the core course of life science-related majors. However， due to various reasons such as limited course hours， decentralized class schedule， and limited of experimental resources， the traditional teaching model of molecular biology experiments is mostly conducted with distributed experiments， which makes molecular biology experiments lack coherence. We have been engaged in the teaching of animal molecular biology experiments for undergraduates for many years. We found that the implementation of module teaching in molecular biology experiments can better cultivate students' independent thinking and rigorous scientific attitude.

Keywords molecular biology experiment; module teaching; undergraduates

分子生物學實驗作為分子生物學理論課程的實踐性課程，是整個生物學課程體系中重要的組成部分。同時分子生物學相關實驗技術早已滲透到生命科學相關的其他領域，包括分子遺傳學、分子細胞生物學和生物化學等。分子生物學作為生命科學領域中最為活躍的一門學科，新技術新方法不斷涌現，比如從上個世紀70年代發展起來的DNA重組技術、本世紀初的RNAi技術到當前研究異常火爆的CRISPR技術。就目前的本科生分子生物學實驗課來說，還存在一些問題，比如課程內容安排忽略了分子生物學各實驗之間的有機聯系，多數安排的實驗都是獨立的分散的驗證性實驗，針對這個問題，筆者認為可以開展模塊化教學使得分子生物學實驗教學內容更為完整和連貫，培養學生獨立分析問題的能力，進而培養學生更為嚴謹的科研精神，為今后的科研生涯打下堅實的基礎。

1分子生物學實驗課程模塊化設計

分子生物學實驗技術涉及內容較多，從核酸提取、PCR技術到組學以及生物信息學分析等。但目前最為常用最為基本的分子生物學實驗技術仍然是針對DNA、RNA以及蛋白質的基本操作技術。同時，在目前的分子生物學研究中涉及基因功能研究往往是在體外培養的細胞中進行的。基于此，我們將分子生物學的實驗技術分為三大模塊內容（圖1）：第一模塊為基因表達調控。由于目前涉及到基因功能研究往往都會檢測一個或多個基因的表達情況。所以分子生物學研究中的基因表達檢測是最常用也是最為常規的分子生物學技術。通過分子生物學理論課的學習，學生已經了解中心法則的內容，基因表達包含兩個步驟，轉錄和翻譯，涉及到mRNA和蛋白質，所以基因的表達情況一般需要從mRNA水平或者蛋白水平進行檢測。mRNA水平檢測又可以分為以下六個實驗，一共16學時。包括：總RNA提取（4學時）、RNA濃度測定與純度評估（1學時），RNA瓊脂糖凝膠電泳與完整性評估（3學時）、cDNA合成（3學時）、引物設計（1學時）、qPCR（4學時）。對于一般院校來說，由于本科生實驗課的安排都是4學時一次實驗課，所以整個mRNA水平檢測基因的表達實驗可以分四次實驗完成。另外，基因表達水平也可以從蛋白水平進行檢測，此實驗又可以分為三個小實驗：蛋白質提取、蛋白濃度測定和western blot技術。每個小實驗分別安排4學時，一共12學時完成。第二大模塊為DNA克隆。本實驗包括DNA提取、PCR、DNA片段回收與純化、感受態細胞制備、連接與轉化、克隆篩選、質粒提取、酶切鑒定等八個實驗，每個實驗的平均安排4個學時，一共32學時。通過本模塊內容的學習，學生可以掌握基本的重組DNA技術，為以后的科研工作奠定良好基礎。第三模塊內容為細胞培養，細胞培養也是在基因功能研究中常用的一種技術，本模塊內容可分為以下幾個實驗，一共16個學時：培養基配制（2學時）、無菌培養操作規范（2學時）、細胞復蘇（4學時）、細胞傳代（4學時）、細胞凍存（4學時）。由于細胞培養對無菌操作環境的高要求，加大了教師的授課難度，加上本科生的班級和學生較多，所以在本科生分子生物學實驗中實施難度較大，但在有硬件條件支持的院校可以加大學生的分組人數的基礎上，選擇性的實施教學，多數學生可以觀摩教學，這樣也可以加深學生對細胞培養的認識和了解。

2模塊教學在分子生物學實驗課程中的優勢

對分子生物學實驗進行模塊化教學具有明顯的優勢。首先，三個分子生物學實驗模塊都是根據實驗目的不同進行歸類，每一個模塊又分為多個獨立的小實驗，各個獨立的小實驗又環環相扣，簡單來說，就是前一個實驗的實驗結果又是后一個實驗的實驗材料。這樣可以更好的讓學生了解整個實驗的目的以及各個獨立的小實驗在整個大實驗中的地位與作用，從而可以更好的促進學生更系統的掌握分子生物學實驗技能與原理。

其次，通過模塊化教學可以更好地培養學生嚴謹的科學精神。例如在進行總RNA提取實驗這一小節授課時，我們會重點強調RNA易降解以及無RNA酶環境對RNA提取成功的重要性，所以會要求學生在實驗操作過程中全程戴口罩和手套，并且盡量減少交談。還有實驗中用到的槍頭和離心管都是無RNA酶的。另一個在實驗過程中需要提醒學生特別注意的是在加過氯仿震蕩離心后，一定要吸取上清液，不要吸到中間的白色的中間層，因為里面含有DNA。學生完成RNA提取實驗后，通過瓊脂糖凝膠電泳實驗檢測RNA的完整性（圖2）。第五組第二個樣品沒有條帶，本組有的學生認為是沒有提取出來，有的學生認為是漏了點樣。針對這個問題，讓學生重新將同個樣品進行瓊脂凝膠電泳后，發現可以觀察到清晰的RNA條帶，因此學生都一致認為，在實驗操作過程中，一定要集中精力，小心謹慎，不能馬虎大意，既浪費時間又浪費精力。第五組實驗的第一個樣品可以清晰的觀察到有DNA污染，學生都一致認為是在吸取上清液的過程中由于貪多，可能吸到了中間的白色層，從而造成了DNA污染。因此通過實對驗結果的分析，引導引導學生主動地去從上一次的實驗中尋找原因。如果學生認為有不同的原因，可以通過重做實驗來進行確認，最終的目的是讓學生認識到每一次的實驗的每一個步驟都非常的關鍵，在做實驗過程中必須專心、細致，切不可心不在焉。不然就會造成實驗沒有結果或結果達不到要求沒法進行下一步實驗。從而把人為的因素對實驗的影響降到最低。

由于分子生物學微觀實驗的不確定性，所以在模塊化教學實施過程中，經常會遇到一些問題，教師在其中一個實驗不成功的情況下，應該做好應急預案，比如在DNA克隆大實驗中，制備感受態細胞不成功或者轉化效率不高，會影響后續的一系列實驗，對于這種情況，授課教師可以在連接轉化實驗中增加對照組，對照組利用已經經過驗證的感受態或者商業化感受態細胞，從而確保后面的實驗順利進行。

3提升分子生物學實驗模塊化教學效果的措施

本科生選修的課程眾多，傳統的課程一次都是2個或3個學時，而分子生物學實驗耗時較長。目前大多數院校都是以4個學時為一個單位安排一次實驗課，這樣安排課時的弊端就是不利于學生形成串聯性的知識記憶，學生在進行下一個實驗的時候已經對上一個實驗課的內容慢慢淡忘了，讓學生再從上一個實驗中尋找問題顯然較難。所以對于模塊化教學的最佳的課時安排是集中時間授課，比如可以在學生上完理論課的后，也就是學期的最后一到兩周集中安排分子生物學實驗課。如果總課時為32學時，這樣一周的時間就可以完成整個實驗課程。這樣可以保證模塊化教學的效果，提高綜合實驗能力。

目前針對本科生分子生物學實驗的另一個問題就是投入經費不足。由于分子生物學實驗中所用的試劑耗材是一筆不小的開支，而各個院校在課程投入經費上都有一定的限制，加上本科生班級和人數較多，目前所做的只能對學生進行分組，一般一組3-4人，這樣就會造成一部分學生不能實際操作，阻礙了對學生動手能力的培養。同時本科教學中心的硬件設施有限，也極大地限制了分子生物學實驗教學的效率與效果。因此建議院校加大對本科實驗教學的投入，提升實驗教學效果。

4建立科學的課程考核方法

科學公正的課程成績評定方法可以引導學生知識、能力和素質協調發展，否則，很容易挫傷學生的學習積極性。課程成績評分分為兩部分，分別為平時成績和考試成績。平時成績和考試成績分別占60%和40%。其中平時成績包括四個部分，包括課堂提問10%，出勤10%。實驗操作20%，實驗報告60%。其中實驗操作分是教師在學生進行實驗時，根據學生的實驗積極性，對待實驗的態度以及實驗的操作的仔細程度進行打分。另外，在科學研究中，實驗數據記錄是否完整與規范牽涉到結果發表的是否準確與科研誠信問題，所以撰寫規范的實驗報告是實驗性課程重要的培養目標之一，因此實驗報告應是平時成績重點考察部分，主要根據實驗數據記錄是否完整，實驗結果分析是否準確和深入進行打分。整個實驗課程結束后，教師準備一定數量的覆蓋整個實驗內容的試題。學生逐個進行考核。首先學生隨機抽取試題，進行口頭解答，然后進入實驗操作環節，教師根據學生的回答內容是否準確，實驗操作是否正確以及對儀器是否愛護等內容進行綜合評價打分，作為考試成績。

5結語

通過實踐發現，實施模塊化教學可以提升學生對分子生物學理論及實驗技術的整體認識和理解，培養學生獨立思考能力和嚴謹的科學態度。然而分子生物學實驗教學改革是一個長期的過程，模塊化教學的內容、方法以及考核評價等都需要不斷完善。同時教師和實驗員也應該不斷地提升和更新自身的知識水平與結構，從而根據各自院校的實際情況進行模塊化教學，保證教學效果。

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