“雙一流”背景下分子生物學開放性實驗模式探究

吳順，蔡燕

（中南林業(yè)科技大學生命科學與技術(shù)學院，湖南長沙 410018）

2015年，國務院印發(fā)的《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設(shè)總體方案》，要求加強創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，大力推進個性化培養(yǎng)，全面提升學生的綜合素質(zhì)、國際視野、科學精神和創(chuàng)業(yè)意識、創(chuàng)造能力。在此基礎(chǔ)上，教育部辦公廳于2019年正式印發(fā)了《關(guān)于實施一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬計劃”的通知》，提出從2019-2021年，利用3年的時間建設(shè)10 000 個左右國家級一流本科專業(yè)點和10 000 個左右省級一流本科專業(yè)點。我校林學、生物技術(shù)專業(yè)和生物工程專業(yè)分別于2019年和2020年被批準為湖南省一流專業(yè)建設(shè)點，2021年被認定為湖南省生物科學領(lǐng)域基礎(chǔ)學科拔尖人才培養(yǎng)基地。因此，如何根據(jù)國家、地方經(jīng)濟和社會的發(fā)展需要，尤其是一流本科專業(yè)培養(yǎng)目標對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的要求，對生物學科類專業(yè)的課程體系和教學內(nèi)容進行改革，建立“以學為本，以學生發(fā)展為中心”的人才培養(yǎng)模式，是當前生物學科類專業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵。

分子生物學是研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征及其重要性、規(guī)律性和相互關(guān)系的科學，即從分子水平上闡述蛋白質(zhì)與核酸、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間相互作用關(guān)系及基因表達調(diào)控機理等，其基本理論和實驗技術(shù)已滲透到植物學、動物學、微生物學等許多學科領(lǐng)域，也是當前較為活躍的生物學研究領(lǐng)域之一[1]。作為高等農(nóng)林院校生物學相關(guān)專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，分子生物學實踐性很強，因此，如何開設(shè)好其實驗課程顯得更加重要。通過分子生物學實驗課程的學習，學生可以加深對分子生物學理論知識的理解，具備較強的實驗操作能力，并能運用所學知識分析和解決相關(guān)實際問題[2]。21世紀要求學生能夠利用分子生物學的理論和技術(shù)來分析解答生物學領(lǐng)域所遇到的各類問題，這也是一個生物科學工作者的必備素質(zhì)。開放性實驗一般是根據(jù)課程的特點，由學生與教師協(xié)商選定實驗項目，設(shè)計并實施相關(guān)實驗方案，實驗以教師為引導，學生為主體，這對調(diào)動學生的學習興趣和培養(yǎng)學生對問題的自主觀察和思考能力具有重要意義[3-4]。因此，筆者對分子生物學的開放性實驗模式進行了探討，經(jīng)過幾年的教學實踐，分子生物學實驗教學質(zhì)量和本科生的實踐創(chuàng)新能力得到了較大提高，教學效果良好。

1 分子生物學實驗教學的現(xiàn)狀

就我校而言，目前開設(shè)分子生物學實驗的有生物技術(shù)、生物工程、林學和生物科學4 個專業(yè)，在各專業(yè)培養(yǎng)目標中明確提出，需要培養(yǎng)出不僅理論基礎(chǔ)扎實，同時具有較強問題分析和解決能力的應用型技術(shù)人才。然而，分子生物學自從成為獨立學科以來，無論是理論層面還是技術(shù)層面都得到了迅速發(fā)展，但學校開設(shè)的分子生物學實驗還是以驗證為主的基礎(chǔ)實驗項目，教師按照實驗教材上的目的、原理、步驟等一步步向?qū)W生詳細講授，學生沒有參與感。從學生的實際操作過程來看，所需的實驗材料與試劑耗材等都是由實驗室提前準備，學生進入實驗室后只是按照實驗教材上的標準步驟完成相關(guān)操作，得到實驗結(jié)果，最終書寫實驗報告。這種教學過程都是以班為教學單位，無法滿足不同層次水平學生對教學的需求，不僅降低了學生對課程學習的積極性和主動性，而且無形之中缺少了對學生試錯能力的培養(yǎng)。

同時，在這種教學方式下，學生在實驗過程中基本不會遇到大的問題，只需機械性完成操作即可，不利于培養(yǎng)他們對問題的思考和分析能力，從而無法體驗到實驗過程的樂趣。由于對實驗的參與感不強，部分學生甚至認為實驗課價值不大，做實驗的態(tài)度不積極。對于實驗室而言，由于實驗課都是集中實施，導致上課時儀器設(shè)備數(shù)量不足，而其余時間設(shè)備卻處于閑置狀態(tài)。因此，改革當前分子生物學實驗的教學方式，使學生從被動學習向主動學習進行轉(zhuǎn)變，已經(jīng)勢在必行。

2 分子生物學開放性實驗模式的構(gòu)建

開放性實驗的模式改變了實驗教學中教師和學生的主輔地位，凸顯了學生在實驗中的主體性[5]，但并不是不需要教師的指導，選題、實施、監(jiān)督、評價都需要教師參與指導，而且還需要教師具有更高的知識水平和較強的教學組織能力。因此，針對我校分子生物學實驗實施過程中的不足，結(jié)合分子生物學實驗課程的特點，我們確定了以夯實學生基礎(chǔ)和技能、發(fā)掘?qū)W生創(chuàng)新潛能、培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標的教學體系。

2.1 分子生物學開放性實驗項目的選擇

開放性實驗的主體組成是綜合性實驗和設(shè)計性實驗，綜合性實驗有利于學生基本實驗技能的培養(yǎng)和提高，而設(shè)計性實驗則有利于進一步提高學生綜合實驗技能，加強學生獨立思考能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)[6]。因此，結(jié)合分子生物學課程的特點，我們開設(shè)了植物DNA 和RNA 提取、鑒定及已知基因PCR 擴增的綜合性實驗，以及植物功能基因的重組及在真核細胞中表達的設(shè)計性實驗。

綜合性實驗按照常規(guī)實驗模式進行，由學生根據(jù)個人喜好自主選擇實驗材料，統(tǒng)一在課內(nèi)由教師現(xiàn)場指導，自主完成相關(guān)實驗操作。通過這一教學過程，學生既掌握了分子生物學的基本實驗技能，也初步具有進行實驗項目設(shè)計和實施的能力。在設(shè)計性實驗階段，我們要求學生根據(jù)實驗目標，以實驗室非常成熟的植物基因功能研究技術(shù)為主線，對克隆的幾個植物基因構(gòu)建融合基因，并進行真核細胞表達。這一實驗設(shè)計過程基本涵蓋了植物基因功能研究的全部技術(shù)流程，有利于學生對整個分子生物學實驗技術(shù)體系的融會貫通，也可以通過這個自主學習過程，實現(xiàn)學生從被動學習向主動學習、協(xié)作學習的轉(zhuǎn)變，極大地提高學生的科研和創(chuàng)新能力。

當然，在實驗實施過程中，學生也會碰到各種不同的突發(fā)問題，這就需要教師提前針對可能出現(xiàn)的情況，做好相應的預案，如準備某些實驗中間產(chǎn)物或某些替代技術(shù)方案，以使學生在自己無法獨立完成的情況下繼續(xù)進行下一步實驗。

2.2 分子生物學開放性實驗的教學實踐

分子生物學開放性實驗教學主要是結(jié)合各專業(yè)教師的科研實驗成果，學生根據(jù)自身的興趣分成若干個小組，每小組5-10 人，然后根據(jù)自身的學習情況和課程任務制定實驗計劃，充分調(diào)動了學生的主觀能動性和團結(jié)協(xié)作能力，為學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題提供良好的鍛煉空間。實驗的開放主要分為定時開放、全天開放和預約開放三種形式，大大提高了實驗室資源的利用效率，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新實踐能力。

由于教師的時間有限以及實驗室課程開設(shè)的時間檔期影響，教師需要提前明確分子生物學實驗基本操作、注意事項以及儀器使用規(guī)范等。教師安排好開放的實驗項目或?qū)W生自主選擇基礎(chǔ)實驗項目，學生按規(guī)定時間進入實驗室，由教師進行講授和指導。當然，這種定時開放方式與傳統(tǒng)教學方式還是存在一定區(qū)別的，由于它注重學生的自主性，更有利于調(diào)動學生的積極性。此外，由于學生人數(shù)較多，難以同時滿足所有學生對基礎(chǔ)實驗的需要，對此，實驗室資源采取全天開放模式，加強對學生基本操作技能的訓練。對于部分學生計劃的某些實驗項目要用到的大型儀器設(shè)備（如熒光定量PCR 儀、高速冷凍離心機、梯度PCR 儀等），由于實驗室設(shè)備不足、考慮儀器的常規(guī)維護以及管理人員的時間安排等因素，我們采取預約開放模式，滿足部分學生對分子生物學項目進行深入研究的需求。

通過開放性的分子生物學實驗教學實踐，既完成了分子生物學實驗教學任務，也實現(xiàn)了充分挖掘?qū)W生學習潛力和實施分層次培養(yǎng)的目標，取得了良好的教學效果。

2.3 分子生物學開放性實驗的考核評價

我校分子生物學實驗課程成績與理論課程成績一樣單獨設(shè)置，獨立計算學分，但實驗課程更注重操作技能和分析解決問題的能力，其考核過程和方式應該明顯有別于理論課程。

在分子生物學實驗課程中，改變了往常以實驗報告和上課表現(xiàn)作為成績評定依據(jù)的作法，而更注重對學生進行全過程考核，評價分為學生自評、互評以及師評三部分。待學生完成全部實驗后，教師將全體學生組織在一起，對本次課程進行集體考核評價。首先由學生小組選派代表對本次實驗項目的總體思路和實驗情況進行介紹、總結(jié)和打分；然后由全體學生對每一小組的實驗項目進行分析和質(zhì)疑，發(fā)表各自見解；最后，教師根據(jù)學生的自評和互評情況進行點評，對于學生取得的成績給予鼓勵性評價，并指出不足和提出合理建議。評價成績最終依據(jù)包括分子生物學理論知識（20%）、實際操作技能（30%）、對結(jié)果的分析與建議（30%）以及實驗態(tài)度（20%）。

3 分子生物學開放性實驗模式的實施效果

分子生物學作為我校生物學和林學相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)學科，其實驗教學是學生理解分子生物學基本理論知識和掌握基本操作技術(shù)的最佳途徑。因此，只有不斷更新實驗內(nèi)容和改進實驗方法，才能讓學生更快地適應分子生物學的快速發(fā)展和學科發(fā)展的需要。由于分子生物學的實踐性較強，我們采用開放性實驗教學方式，較好地鍛煉了學生獨立操作和獨立思考的能力，學生學習積極性較高，創(chuàng)新思維和實踐能力得到了較大提高。通過多年的教學探討和實踐以及對生物工程、林學和生物技術(shù)專業(yè)的學生進行訪談調(diào)查得知，95.7%的學生認為相較于其他實驗課程，分子生物學開放性實驗模式更能激發(fā)他們的學習積極性和主動性，思維能力和動手能力得到了較大提高，對理論知識的理解也有了進一步的提升。

3.1 學生的實驗參與度明顯提升

實行開放性實驗模式后，學生都會按小組從實驗準備開始認真完成相關(guān)實驗步驟。如在“植物RNA 提取與鑒定實驗”中，我們要求學生小組預先寫出實施流程，提前自己動手配制提取液、電泳緩沖液等試劑，并按要求完成相關(guān)操作。就實施效果來看，大部分學生都積極參與了整個實驗的準備過程，通過相互之間的提醒，能順利完成任務。

3.2 學生的問題分析能力和團結(jié)協(xié)作精神明顯提高

分子生物學開放性實驗模式強調(diào)學生小組內(nèi)的配合以及小組間的協(xié)調(diào)，更需要任課教師的全程耐心輔導，這不僅有利于鍛煉學生的團隊合作精神，也有利于拉近教師和學生的距離，加強師生的交流溝通，生生互動和師生互動的效應明顯，達到了互學互促、共同提高的學習目的。

對于實驗中碰到的問題，學生經(jīng)常會一起查閱相關(guān)文獻資料并討論，比如植物DNA 的定量問題，對于出現(xiàn)的不理想的結(jié)果，學生會聚集在一起從提取過程、純化方法等可能出現(xiàn)失誤的地方進行分析，尋找原因。同時，對于其他小組出現(xiàn)的問題，盡管實驗內(nèi)容可能不同，但學生間也會相互討論并提出可能的解決方案。通過這門課程的學習，同學間的關(guān)系更加融洽，對實驗的相關(guān)原理和技能有了更進一步的理解和掌握，也極大地提高了學生分析問題和解決問題的能力。

3.3 學生的實驗報告質(zhì)量和實驗成績明顯改善

實驗報告的撰寫是實驗課的重要一環(huán)，既是學生實驗最終成績的重要依據(jù)，也是鍛煉學生動手能力和論文寫作能力的重要方面。大部分學生都能在教師的指導下，對自己設(shè)計的實驗內(nèi)容和碰到的相關(guān)情況進行較深入的分析和討論，也提出了某些獨到見解。例如，在已知基因的PCR 擴增實驗中，某些學生自己嘗試設(shè)計引物對其他植物進行了擴增，同時對PCR 擴增出現(xiàn)的結(jié)果進行詳細分析，并對今后的實驗提出解決方案。這些都反映出學生對實驗課的重視程度明顯提高，創(chuàng)新思維能力也有了較大提升。

總之，與傳統(tǒng)的實驗教學方法相比，分子生物學的開放性實驗教學具有靈活自由和獨特高效的特點，這為我校乃至其他高等院校的相關(guān)實驗課程教學提供了新的實踐方式，也為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)找到了一條新的路徑。

盡管對分子生物學開放式實驗教學所做的積極探索和實踐已經(jīng)取得了一定的成效，但還存在需要進一步完善的地方，如這種教學方式在增加學生自由度的同時，會大大增加實驗室教師和管理人員的工作量，學校需要出臺相關(guān)配套措施，支持和鼓勵相關(guān)人員的工作。此外，分子生物學開放性實驗模式是由學生自主設(shè)計實驗方案，這對教師的知識儲備和實驗技能提出了更高的要求，教師需要結(jié)合自己的科研開發(fā)出更多創(chuàng)新性實驗，以滿足學生的需求。總之，實行分子生物學實驗的開放模式工作量大且十分復雜細致，在實踐過程會可能出現(xiàn)各種難以預料的情況，因此，我們需要積極探索問題和總結(jié)經(jīng)驗教訓，達到預定的教學目標。在后續(xù)的實踐過程中，我們將在這些方面進行深入探討，以提高分子生物學實驗的教學水平，培養(yǎng)適應社會需求的創(chuàng)新型專業(yè)人才。