分子生物學(xué)實驗課程建設(shè)與教學(xué)改革探索*

張穎 王鋰韞 李衛(wèi)錦

嶺南師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廣東湛江 524048

0 引言

分子生物學(xué)是以研究核酸等生物大分子的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，并揭示其重要性和規(guī)律性的科學(xué)，是人類從分子水平上真正揭示生物奧秘、探索生命本質(zhì)的基礎(chǔ)學(xué)科[1]。在生命科學(xué)迅猛發(fā)展的今天，分子生物學(xué)成為生物學(xué)相關(guān)專業(yè)的核心課程，其知識體系、技術(shù)原理和實驗方法已經(jīng)滲透生物學(xué)科相關(guān)的各個領(lǐng)域[2]，成為生命科學(xué)最具有影響力的課程之一。筆者所在的嶺南師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，生物科學(xué)、生物技術(shù)和海洋資源與技術(shù)三個專業(yè)均開設(shè)了該門課程。在生物類課程的學(xué)習(xí)中進行實驗是不可或缺的，通過實驗課程的學(xué)習(xí)可以加速學(xué)生對新知識的理解和掌握，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)生物知識的積極性，有助于提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的同時鍛煉學(xué)生的思維能力、創(chuàng)造能力，因此，分子生物學(xué)實驗是分子生物學(xué)課程的重要組成部分。分子生物學(xué)實驗技術(shù)在醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、動物學(xué)、植物學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，主要涵蓋生物大分子的提取與純化和研究方法，包括基因的克隆，原核、真核表達載體的構(gòu)建、目的基因的表達以及表達結(jié)果的定性定量分析等[3]。嶺南師范學(xué)院分子生物學(xué)實驗課程的授課內(nèi)容主要是分子生物學(xué)基礎(chǔ)實驗的了解及掌握；隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，一些新型的分子生物學(xué)技術(shù)也滲透在課堂中。由于學(xué)生工作和繼續(xù)深造的需求，該實驗課程的教學(xué)研究和改革一直受到生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院師生的重視。

嶺南師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院分子生物學(xué)實驗室始建于2000 年。自實驗室建成后學(xué)院一直開設(shè)分子生物學(xué)實驗這門課程，并以教學(xué)團隊的形式開展該門課程的教學(xué)。教學(xué)團隊長期以教授為課程帶頭人，團隊成員的學(xué)歷均為碩士及以上，形成了較為穩(wěn)定的教學(xué)隊伍。教學(xué)團隊一直致力于改善分子生物學(xué)實驗教學(xué)的教學(xué)條件，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)的分子生物學(xué)方面的人才。專業(yè)的分子生物學(xué)教學(xué)實驗室、準備室和藥品室等基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)已基本配備齊全，無菌操作區(qū)和高污染區(qū)分區(qū)嚴格，為分子生物學(xué)實驗課程的基礎(chǔ)實驗課的開設(shè)提供了穩(wěn)定有力的保障，但通過長期的教學(xué)實踐也發(fā)現(xiàn)了當前實驗課程教學(xué)存在一些不足之處。

1 分子生物實驗課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題

1.1 學(xué)習(xí)片段化，操作碎片化

分子生物學(xué)實驗課程由于受到學(xué)分的限制，課堂教學(xué)課時數(shù)不足以保證綜合實驗的教學(xué)時長，為了完成教學(xué)計劃，一些實驗課程的設(shè)計僅僅為了湊學(xué)時，不能讓學(xué)生有比較系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。另外，分子生物學(xué)實驗存在操作時間長，操作要求高，部分藥品毒性大的特點，為保證學(xué)生的人身安全和實驗的成功率，不得已將關(guān)鍵藥品的配制、實驗耗材的前期處理，甚至部分重要的實驗步驟交由實驗教師完成，學(xué)生在實驗操作過程中的部分比較簡單，致使學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)操作過程中對整個實驗一知半解，學(xué)習(xí)內(nèi)容片段化，操作碎片化，不能很好地做到將理論應(yīng)用于實踐，更談不上探索新知。

1.2 教學(xué)模式老舊，偏離教學(xué)目標

目前常用的教學(xué)模式是預(yù)先確定實驗內(nèi)容，然后在PPT 課件或者教室黑板上將實驗?zāi)康摹⒉僮鞑襟E和思考題列出的模式[4]。這種模式的優(yōu)勢是操作步驟清晰、實驗?zāi)康慕Y(jié)果明確和課堂秩序良好穩(wěn)定。但也存在如下一些缺點。

1.2.1 學(xué)生課堂表現(xiàn)主觀能動性差

針對教學(xué)內(nèi)容師生互動較少，課堂以教師為中心，沒有很好地激發(fā)學(xué)生的興趣和探索欲望，使學(xué)生關(guān)注的問題是“本次實驗需要花費多長時間”，而不是“應(yīng)如何操作才能將實驗完成得更好”。大部分學(xué)生都是跟隨教師的思維模式來完成實驗學(xué)習(xí)，缺少自主思考，常見的學(xué)生問題表現(xiàn)為“下一步該加什么？”“下一步藥品加多少量？”而不是“為什么加這個藥品，它的作用是什么？”“加這個量的原因是什么？”學(xué)生的實驗結(jié)果出現(xiàn)差異時，只會問教師為什么操作步驟一樣會出現(xiàn)不一樣的結(jié)果，而沒有自主思考哪個步驟出現(xiàn)問題或者出現(xiàn)這些問題可能有哪些原因，也沒有將每次實驗之間聯(lián)系起來去討論分析，長此以往會導(dǎo)致學(xué)生缺乏主觀能動性，易產(chǎn)生依賴性思維，不利于學(xué)生自主思考能力的提升[5]。

1.2.2 傳統(tǒng)教學(xué)不具備可重復(fù)性

分子生物學(xué)實驗課程比較抽象，不能具體到實物，這就要求學(xué)生要有比較高的理解能力，傳統(tǒng)教學(xué)就是把知識講一遍，不能達到大部分學(xué)生都掌握實驗方法、理解實驗內(nèi)容的目的。

1.2.3 實驗設(shè)備的操作問題

由于實驗條件的限制，大型儀器不可能做到每個學(xué)生都能操作，致使部分學(xué)生對大型儀器很陌生，甚至有少部分學(xué)生都不知道自己在實驗過程中用過哪些實驗儀器，于是會出現(xiàn)后期在做科研實驗和畢業(yè)論文實驗時不會操作或者錯誤操作儀器的情況。

1.2.4 實驗設(shè)備的使用與管理問題

分子生物學(xué)實驗室是完成實驗教學(xué)的重要場所，要求配置先進完備的實驗儀器和設(shè)備。同時這些儀器和設(shè)備的使用需要使用人員接受一定程度的基礎(chǔ)訓(xùn)練才能保證儀器被正確操作，否則會容易損壞儀器，甚至可能會威脅實驗員的人身安全和造成財產(chǎn)損失。部分學(xué)校為降低安全隱患和減少實驗過程對儀器的損耗不得已只能通過實驗教師操作演示的方式完成教學(xué)，使學(xué)生動手操作機會更是少之又少，這與教學(xué)目標相矛盾，學(xué)生的動手能力、思維能力、創(chuàng)造能力和團隊合作能力都沒有得到鍛煉，從而達不到開設(shè)實驗課程的目的。

1.2.5 在疫情防控背景下，分子生物學(xué)實驗課程的教學(xué)遇到了新挑戰(zhàn)

疫情防控期間，學(xué)校課堂教學(xué)由線下被迫轉(zhuǎn)戰(zhàn)線上教學(xué)。這種突發(fā)的轉(zhuǎn)變對于實驗課程來講無疑是猝不及防的，因為整個實驗操作會受到多方面因素的影響，比如實驗材料、實驗儀器的使用、實驗場所的分散以及實驗操作時長等，無法在短時間內(nèi)達到與理論課相近的線上教學(xué)效果，造成實驗課程與理論課程進度不匹配的局面。線下教學(xué)存在的問題還沒有得到解決，新的挑戰(zhàn)又出現(xiàn)，以上這些問題促使筆者所在學(xué)校抓住機遇，堅定了加快對分子生物學(xué)實驗線上課程建設(shè)的決心。

2 分子生物學(xué)實驗課程線上教學(xué)資源的建設(shè)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”進行高校課程改革是研究熱點，近年來移動端教學(xué)和虛擬演播教學(xué)在高校實驗教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛[6]。MOOC 精品課堂、學(xué)習(xí)通、釘釘直播課堂、騰訊、手機在線等應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)方式在各大高校應(yīng)運而生并取得顯著成效[7]，教師普遍認可借助“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺進行生物學(xué)實驗課程的必要性與應(yīng)用價值[8]。2019 年筆者所在學(xué)校立項校級教學(xué)改革課題對分子生物學(xué)實驗在線教學(xué)資源進行建設(shè)，整合分子生物學(xué)實驗教學(xué)團隊對實驗課程的理論知識、儀器介紹、實驗操作流程等內(nèi)容進行了課程錄制，并于2021 年7 月完成第一次錄制。2020—2021 年學(xué)校進一步推進該課程的建設(shè)，完善了線上課程介紹、課程大綱、課程教案、課件建設(shè)、教學(xué)視頻、試題建設(shè)等內(nèi)容并在好大學(xué)在線CNMOOC 平臺開通了分子生物學(xué)實驗在線課程（https://www.cnmooc.org/school/course），2021 年9 月好大學(xué)在線上開始試用，試用效果反應(yīng)良好。2021 年12 月，課程教學(xué)組對實驗操作部分進行了視頻錄制，操作內(nèi)容分為植物基因組DNA 的提取，目的基因的PCR（聚合酶鏈式反應(yīng)）擴增，瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA，質(zhì)粒DNA的提取與測定，植物總RNA 的提取、鑒定與反轉(zhuǎn)錄，切膠回收及連接和感受態(tài)細胞制備及質(zhì)粒DNA 的轉(zhuǎn)化等模塊，共20 個小視頻，完善后上傳至線上平臺。2022 年該分子生物學(xué)實驗在線課程獲批“粵港澳大灣區(qū)在線課程聯(lián)盟”平臺在線課程。從2021 年起在生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物科學(xué)、生物技術(shù)和海洋資源開發(fā)技術(shù)三個專業(yè)開展該實驗課程的線上線下融合教學(xué)改革新模式。

3 分子生物學(xué)實驗課程線上線下融合教學(xué)改革新模式的實施

針對分子生物學(xué)實驗的課程內(nèi)容進行線上線下融合教學(xué)的改革是一種新的嘗試，獲得了初步成效。

1）對學(xué)生的評價打破了僅由出勤和實驗報告組成的較為單一的考核方式，增加了課前預(yù)習(xí)、課堂參與表現(xiàn)評價和課后復(fù)習(xí)總結(jié)等內(nèi)容。在課堂表現(xiàn)與課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)增加了學(xué)生間小組內(nèi)評、小組互評和班內(nèi)互評的內(nèi)容，增加了學(xué)生的參與度，在評價過程中加強對實驗課程相關(guān)知識的理解和認識。

2）對本校分子生物學(xué)實驗室的大型儀器設(shè)備進行操作使用的錄制，可以讓學(xué)生對每個儀器設(shè)備有針對性地進行課前預(yù)習(xí)：提前了解儀器的特點以及在使用中的注意事項。課中學(xué)習(xí)：有一定的了解后進行操作感受實際用途，加深對儀器的了解。課后復(fù)習(xí)：由于這些儀器不經(jīng)常使用，可以結(jié)合視頻標準化的操作步驟反復(fù)練習(xí)達到熟練掌握的程度。同時這些操作視頻在學(xué)生畢業(yè)論文實驗操作過程中起到了重要作用，減少了實驗儀器管理成本，也保證了學(xué)生自身的安全。

3）對小型易耗品如移液器、制膠板、微型離心機等的操作視頻能讓學(xué)生對一些關(guān)鍵操作環(huán)節(jié)達到細節(jié)可視化和可查化。由于實驗課程人數(shù)受到實驗經(jīng)費和生師比例高的影響不可能實現(xiàn)對學(xué)生“一比一”的演示教學(xué)，只要存在“一對多”的情況就會產(chǎn)生學(xué)生“靠后”的現(xiàn)象，以往教學(xué)中不可避免地存在學(xué)生在上完實驗課后對所使用的儀器、耗材的操作仍無法掌握的現(xiàn)象。在移液器正確使用視頻上線后，與以往相比，移液器損壞率降低至原來的20%；在加樣過程中藥品的損耗率降低至原來的20%左右。這對減少分子實驗課程的教學(xué)成本起到一定作用。

4）綜合性實驗操作跨時長，一般院校無法排出集中的2 ～3 天的上課時間讓學(xué)生一一完成對應(yīng)的實驗操作。部分實驗內(nèi)容只能由實驗教師幫助完成，這極大地影響了學(xué)生對綜合性實驗的邏輯性和聯(lián)系性的理解。綜合性實驗操作視頻不受操作地點、操作時長的影響，學(xué)生可以一遍一遍地、隨時隨地重復(fù)整個實驗的操作流程，解決了以往實驗課程中的教學(xué)盲區(qū)問題。

5）實驗操作更加規(guī)范化，由于分子生物學(xué)實驗用到一些毒性比較大的藥品，如植物DNA 的提取用到的氯仿、CTAB，瓊脂糖凝膠電泳中的EB，RNA提取中用到的Trizol、DEPC 等試劑，學(xué)生不理解試劑的毒理性，在實驗操作過程中不注意防護，線上課程會把這部分內(nèi)容標注成重點展示給學(xué)生，學(xué)生通過線上課程的觀看可以更好地了解實驗試劑的性質(zhì)，更好地做好防護。當然，分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展為課程教學(xué)提出了更高的要求，最新實驗設(shè)備的使用，新的實驗技術(shù)都應(yīng)該逐漸走入課程，筆者所在學(xué)校也會根據(jù)時代要求不斷更新和完善分子生物學(xué)實驗線上課程，更好地輔助線下教學(xué)。

4 結(jié)束語

依靠分子生物學(xué)實驗線上教學(xué)資源的建設(shè)，嶺南師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實現(xiàn)了線下線上融合教學(xué)改革新模式的實施，提高了分子生物學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量和效率，同時服務(wù)了對分子生物學(xué)實驗感興趣的高質(zhì)量學(xué)生的人才培養(yǎng)。隨著課程資源的進一步完善和提升將會形成真正開放的社會共享資源。