代謝工程與合成生物學教學改革探索

周春燕 汪城墻

(山東農(nóng)業(yè)大學 山東 泰安 271018)

0 引言

代謝工程與合成生物學是山東農(nóng)業(yè)大學生命科學學院開設(shè)的一門生物與醫(yī)藥類專業(yè)課，是基于基因工程、分子生物學等基礎(chǔ)課程后開設(shè)的課程。隨著DNA重組技術(shù)的發(fā)展，基因工程應(yīng)運而生，隨后延伸出了代謝工程以及合成生物學[1]。代謝工程聚焦細胞代謝途徑與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與優(yōu)化，實現(xiàn)目標產(chǎn)物的生物合成與應(yīng)用；而合成生物學聚焦生命元件的人工設(shè)計與改造，偏重基礎(chǔ)理論研究；兩學科有交叉也有不同[2]。代謝工程與合成生物學課程主要以專題的形式，講授兩個交叉學科領(lǐng)域的發(fā)展、重要研究領(lǐng)域和最新進展，幫助學生開拓科研視野并培養(yǎng)科研思維。該課程具有較強的時效性和應(yīng)用性，也蘊含著豐富的思政元素，常規(guī)的教學模式需要進一步改革優(yōu)化。基于代謝工程與合成生物學的發(fā)展特點和多年教學實踐，該課程應(yīng)推進重塑講課模式、挖掘科研和思政案例、開啟“案例+探究式+線上線下”混合式教學模式等多種教學改革，通過多種途徑強化教學效果。

1 重塑講課模式

常規(guī)的課堂教學模式是將代謝工程和合成生物學兩學科分開教學，缺乏連貫性，使學生不易理解兩個學科的融合發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢。代謝工程與合成生物學課程應(yīng)重塑講課模式，將代謝工程和合成生物學兩學科緊密結(jié)合，授課時應(yīng)整合介紹兩學科發(fā)展歷程和重要知識點。代謝工程和合成生物學均基于基因工程發(fā)展而來，存在承上啟下的連續(xù)性，在介紹三個學科先后發(fā)展歷程中，要讓學生理解學科整體發(fā)展規(guī)律。授課時應(yīng)整合介紹代謝工程和合成生物學領(lǐng)域的技術(shù)方法、研究進展和應(yīng)用案例，突出技術(shù)方法的革新以及突破性成果。代謝工程和合成生物學領(lǐng)域的研究技術(shù)具有互通性，前者偏重研究自然界固有基因元件，而后者會引入人工合成和創(chuàng)造的基因模塊。代謝工程和合成生物學兩學科相互滲透、緊密相連，發(fā)展迅猛，尤其是有著“第三次生物技術(shù)革命”之稱的合成生物學，在科學探索和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面取得了突出成績；比如青蒿素的微生物合成與應(yīng)用[3]，是代謝工程和合成生物學兩個學科領(lǐng)域的共同標志性成果。

2 案例教學模式改革

案例教學法最早由古希臘哲學家蘇格拉底提出，又稱為“蘇格拉底式教學法”[4]，將抽象的理論知識和形象的實際問題相結(jié)合，有效激發(fā)學生學習的積極性，提高學生理解、分析和解決問題的綜合能力。案例教學的精髓不在于讓學生去認同和理解某種既定的觀點，重要的是讓學生用批判性的思維尋找解決問題的切入點[5]。

2.1科研案例教學改革

代謝工程與合成生物學課程的科研案例教學改革，擬建設(shè)一套集特色與創(chuàng)新于一體的科研案例庫。科研案例庫引用國內(nèi)外經(jīng)典案例教學思想，引入代謝工程與合成生物學領(lǐng)域特有的里程碑式的研究成果，從特殊背景介紹開始，系統(tǒng)介紹案例內(nèi)容，增加學生的帶入感，變被動為主動。同時，該案例庫的建設(shè)亦應(yīng)結(jié)合山東農(nóng)業(yè)大學相關(guān)研究領(lǐng)域與農(nóng)林類特色。通過本課程科研案例庫的系統(tǒng)學習，可讓學生逐步理解代謝工程與合成生物學相關(guān)領(lǐng)域的研究方法并尋找契合點，深入把握科研內(nèi)涵，為日后開展科研工作打下基礎(chǔ)。擬建設(shè)5個具有重要應(yīng)用前景的科研案例：農(nóng)業(yè)微生物肥料菌種的基因組工程改造與替代傳統(tǒng)工藝的新發(fā)酵工藝研制；用于農(nóng)藥殘留監(jiān)測的微生物傳感器構(gòu)建及應(yīng)用；利用合成生物學技術(shù)構(gòu)建細胞工廠，以及構(gòu)建多酶分子機器來生產(chǎn)藥物的關(guān)鍵因素和典型案例；新型生物燃料的合成與應(yīng)用技術(shù)；基因治療及應(yīng)用倫理問題探究。

2.2思政案例教學改革

高校課程思政建設(shè)是將高校各類專業(yè)課程與思政理論有機結(jié)合而達到協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建教育教學全過程中的新型育人格局形式。高校課程思政建設(shè)的全面推動，是我國在教育過程中落實“立德樹人”根本任務(wù)的一項重要戰(zhàn)略舉措[6]。2020年5月印發(fā)的《高等學校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中明確指出，要把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進高校課程思政建設(shè)，達到提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的[7]。結(jié)合國家的教育方針政策，高校教師應(yīng)在教學過程中樹立課程思政育人的理念，將傳授學生專業(yè)知識與塑造學生思想道德品質(zhì)有機融合。國內(nèi)不同高校的“課程思政”教學建設(shè)各具特色，具體實施過程中也取得了初步成效[8]。代謝工程與合成生物學研究領(lǐng)域因涉及生物安全、生物倫理、生態(tài)文明等層面問題，課程思政建設(shè)尤為重要，需要在授課時對學生進行思想道德和生物倫理教育，引導(dǎo)學生對生命意義的思考，以確保生物與醫(yī)藥類專業(yè)人才能夠樹立正確的生命價值觀和科研事業(yè)觀，對生物與醫(yī)藥學科的長遠發(fā)展具有重要意義。

代謝工程與合成生物學是生物學重要的前沿學科，但尚未有豐富成型的思政案例。建立一套代謝工程與合成生物學領(lǐng)域的專業(yè)和思政相融合的應(yīng)用性教學案例，需梳理代謝工程與合成生物學課程所蘊含的思政教育元素，實現(xiàn)思政教育與專業(yè)知識體系教育的有機統(tǒng)一。基于山東農(nóng)業(yè)大學代謝工程與合成生物學課程中介紹的基本理論知識、研究進展與應(yīng)用等教學內(nèi)容，本文提出可在授課時結(jié)合教學內(nèi)容引入的5個緊密關(guān)聯(lián)的思政案例：科技創(chuàng)新是民族不斷前進的靈魂；民族科研自信的典范——屠呦呦；不忘初心牢記使命，樹立為全人類服務(wù)的思想意識；以國家目標和戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，瞄準科技前沿；合成生物學技術(shù)風險決策與科研人員的道德選擇。課程思政案例要緊跟時代，課程思政教育也要追求創(chuàng)新，思政案例授課結(jié)束后應(yīng)及時評價與反思，做到精益求精。可通過調(diào)查問卷、師生座談等形式收集參與思政教學的學生們的想法，并邀請思政專業(yè)教授對教學過程中開展的思政教學環(huán)節(jié)進行評估，從思政內(nèi)容、教學形式、教師能力等方面對課程思政教學的實施做出總體評價與分析，以期不斷完善課程思政教學體系。

3 “案例+探究式+線上線下”混合式教學模式探索

探究式教學法是以學生為主體，教師在學習過程中給出一些事例和問題，引導(dǎo)學生通過閱讀、思考和討論等途徑自主學習，掌握認識和解決問題的方法和步驟，研究客觀事物的屬性，并推導(dǎo)出相應(yīng)結(jié)論[9]。代謝工程與合成生物學學科發(fā)展快速而課堂講授學時有限，課上未涉及到的有關(guān)內(nèi)容，可形成相關(guān)案例，通過探究式教學模式引導(dǎo)學生查閱有關(guān)論文資料并進行線上討論與考核，推進“案例+探究式+線上線下”混合式教學模式改革。

3.1“案例+探究式+線上線下”混合式教學實施方案

代謝工程與合成生物學課程的科研案例以及思政案例的教學應(yīng)以學生為主體，采用線上線下混合式教學模式開展，獲得一手實踐報告與經(jīng)驗。計劃將學生分成5個大組，每組分別選擇一個科研案例和思政案例，學生也可自主選擇新的案例。學生以小組形式查閱資料，開展探究式學習，每小組將學習成果形成一份10-20分鐘的PPT以及一份1000字以上的案例總結(jié)報告，發(fā)送給授課教師審閱。授課時，選擇4學時進行線上案例教學和考核，每小組推選1-2名學生結(jié)合現(xiàn)代化的多媒體手段進行講解，師生互動討論，充分調(diào)動學生積極性，使科研和思政案例達到感同身受式的教學效果。此教學模式可充分調(diào)動學生的積極性、主動性和參與度。

線上教學策略與質(zhì)量保障：課前的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和溝通十分必要。網(wǎng)絡(luò)授課要保證網(wǎng)絡(luò)暢通，需要優(yōu)質(zhì)的教學平臺、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)和良好的硬件。騰訊課堂、雨課堂、微助教等平臺會針對每門課程提供課堂簽到、課堂測試與討論等多種互動功能，課堂形式豐富。不同平臺的優(yōu)缺點不同，教師可同時開啟2個平臺，緩解網(wǎng)絡(luò)卡頓造成的學習障礙。線上課堂要強化互動并監(jiān)控學生的學習進度。為了保證學生及時跟進學習過程，教師要進行簽到和提問，并且鼓勵學生隨時留言溝通。課下要加強測驗與總結(jié)。可通過平臺發(fā)布作業(yè)并設(shè)置自動完成評閱，提高考核效率。

3.2線上考核模式改革

課程最后的結(jié)課考試也可采用網(wǎng)絡(luò)開卷或閉卷的方式來進行考核。網(wǎng)絡(luò)考核要做到盡可能地真實反應(yīng)學生的學習成效，避免抄襲等現(xiàn)象的發(fā)生。微助教等平臺具有課堂資源庫，里面具有組卷功能，可設(shè)立試題庫，然后選擇隨機出題，保證每位學生的答卷不同，選擇題等答案的編排順序不同，可最大限度避免抄襲的嫌疑。另外，也可嘗試采用騰訊會議等平臺進行網(wǎng)絡(luò)考試視頻監(jiān)控，教師將試題發(fā)給學生，在規(guī)定時間內(nèi)作答。另外，網(wǎng)絡(luò)考試試題應(yīng)以應(yīng)用型題目為主，題量要大，要最大限度的避免學生私下抄襲的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

代謝工程與合成生物學領(lǐng)域的研究，旨在改造現(xiàn)有的生命體為人類造福，具有很強的時效性和應(yīng)用性。開展代謝工程與合成生物學的科研與思政案例教學、探究式教學、線上線下混合式教學模式改革，可充分調(diào)動學生的學習積極性和探究欲；可激發(fā)學生科研潛力；可挖掘該課程中所蘊含的思政教育元素和所承載的思想政治教育功能；對深化生物與醫(yī)藥類專業(yè)學生培養(yǎng)模式改革并提高學生培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。本文探索的科研和思政案例教學模式和“案例+探究式+線上線下”混合式教學模式可推廣到高校其他生物類專業(yè)的教學過程，并對高校其他專業(yè)課程的教學改革也有一定借鑒意義。