分子生物學實驗課程案例教學法應用研究

摘 要 分子生物學實驗課程是分子生物學理論課程的重要補充，對于深化學生對分子生物學基礎理論的理解以及推動相關研究至關重要。傳統的實驗教學模式側重于對實驗基本操作能力的培養，在培養學生的明辨性思維和創新意識方面存在不足。在分子生物學實驗教學實踐中引入科學史相關案例教學法，并采用啟發式教學模式，引導學生積極參與討論，可以有效提高學生的學習興趣，培養學生的明辨性思維和創新意識，也有助于實現課程的思政教育目標。

關鍵詞 分子生物學實驗；案例教學法；科學史；微課；課程思政；虛擬仿真實驗室

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.141

1 分子生物學實驗教學改革概況

分子生物學是當今生物學領域發展最快的學科之一，其研究方法與技術被廣泛應用于生物學的諸多分支學科。分子生物學作為一門實踐性較強的學科，掌握分子生物學實驗技術的基本原理、主要操作步驟、實驗結果分析，了解這些實驗技術在相關研究中的實際應用，對于真正掌握分子生物學基本理論以及開展分子生物學后續研究至關重要。

不同高校由于辦學條件相差較大，分子生物學實驗在項目安排和內容設置上也會有較大的差異。隨著教育信息技術的快速發展，線上線下混合式教學模式的應用日趨廣泛。以中國大學MOOC平臺為例，其“分子生物實驗”模塊上線了北京師范大學、廈門大學的國家精品課和中山大學、中南大學、蘭州大學的相關課程，課程內容包括理論講解、操作視頻、拓展學習和單元測試等，可以使學習者較好地掌握相關實驗的基本操作技能。教師也可以借助優勢的共享課資源，構建更為靈活的課程學習與評價模式。

除此之外，虛擬仿真實驗平臺的應用也成為分子生物學實驗的重要補充。在國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上，浙江大學的“模式植物擬南芥CRISPR/Cas9基因編輯”、青海大學的“抗逆基因的分離克隆與表達分析”、吉林大學的“古生物骨骼痕量DNA提取”、云南大學的“基于DNA分子技術重建植物的進化歷史”等虛擬仿真實驗均可模擬實現真實實驗中較難完成的實驗過程。一些較為簡單的虛擬實驗操作系統也可用于實驗的預習或復習，幫助學生鞏固基礎知識和實驗技能[1]。隨著虛擬現實技術的逐步成熟和平臺共享機制的日益完善，虛擬仿真實驗有望在分子生物學實驗教學中發揮更為積極的作用。

2 微課與案例教學法

傳統的分子生物學實驗教學模式主要側重于對實驗基本操作能力的培養，但是“滿堂灌”的教學模式很難激發學生的學習興趣。如果只是要求學生按照課本的步驟進行操作，學生知其然不知其所以然，既無法提高實驗技能，也無法加深對實驗的理解。如果對教學模式進行改革，采取“微課—翻轉課堂”模式，則可以有效提高學生的學習主動性，幫助他們切實提高實驗技能[2]。

在分子生物學實驗的微課設計方面，除了實驗的基本原理和操作之外，也可以適當添加一些科學史內容。在分子生物學發展過程中，出現過許多意味深長的科學事件，對于本學科的發展產生了深遠的影響。但是在課堂教學中，出于學時數的限制，教師往往只是簡單地介紹結論，而無法深入介紹結論的由來，導致學生對相關機制的掌握過于膚淺，不利于學生思維能力的培養[3]。

案例教學法（Case Based Learning，CBL）是一種以案例為基礎的教學方法，通過在教學過程中引入相關案例，引導學生對案例進行思考、分析與討論，培養學生從現象中提煉問題、全方位分析問題和有效解決問題的綜合能力[4]。案例教學法起初多被用于法學教學，后逐漸應用于其他學科。

在分子生物學實驗中，PCR擴增、感受態細胞的制備、質粒的酶切、外源DNA片段的連接等環節均耗時較長，等待時間較多。教師可將科學史上的經典研究案例加以總結提煉并設計為微課，引導學生積極討論，對于學生明辨性思維和創新意識的培養都有很大的幫助。

3 課程思政實踐

課程思政是近年來高校課程教學改革的重要方向之一，是將德育貫穿課堂教學過程，在傳授專業知識的同時，以潤物無聲的方式提升學生的思想政治素養。在具體教學實踐中，由于分子生物學內容較為抽象難懂，學習難度較大，如果思政元素的融入過于生硬，容易造成片面說教的刻板印象，不利于增強教學效果。課程思政不同于思政課程之處在于，不是每一個專業知識點都適合做融入點，需要教師仔細思考、精心挑選，才能引起學生的情感

共鳴[5]。

在此情況下，有些學校采取更為靈活的教學方式。例如：贛南醫學院將課程思政顯性教育與隱性教育相結合，構建起靈活的第二課堂與競賽體系，采用課程思政微課視頻大賽、生物化學歌曲大賽等形式，鼓勵學生自主發掘課程中的思政元素，培養學生的家國情懷與科研精神等[5]。在理論課教學過程中也可以借助科學史上的相關案例，更好地實現課程思政內容的融入，在調動學生學習興趣的同時，也有助于思政教育目標的實現。

4 教學案例設計與實踐

4.1 綠色熒光蛋白的發現及表達模式的解析

4.1.1 教學案例

綠色熒光蛋白（green fluorescent protein， GFP）是在水母中發現的一種蛋白質，在藍色波長范圍的光線激發下會發出綠色的熒光。通過分子生物學技術，綠色熒光蛋白基因可以與其他蛋白融合，使細胞中不可見的蛋白變得可見，進而可以精確觀測蛋白質的活動。綠色熒光蛋白的發現及其相關研究斬獲了2008年諾貝爾化學獎，參與其中的科學家的探索之旅堪稱科學史上的一段傳奇佳話。

4.1.2 教學設計

綠色熒光蛋白的發現及其后的研究歷時數十年，其中經歷了分子生物學技術的興起和高速發展時期。對于相關重要技術的原理和步驟的單純講解往往較為枯燥，但是結合實際應用就會讓學生更好地理解其中的科學性和實用性，從而掌握實驗設計的巧妙之處。通過描述案例中問題產生的具體過程，使學生對科研過程中可能遇到的問題產生直觀印象；其后可通過小組討論的方式，讓學生更好地思考解決問題的種種方案及其利弊。在整個教學過程中，讓學生帶著問題學習，可以取得更好的教學效果。

4.1.3 課程思政

1）提倡不畏艱難、勇于創新的科研精神。在綠色熒光蛋白研究的早期階段，研究人員需要從水母中分離獲取純化后的熒光蛋白。由于水母中熒光蛋白含量極低，純化過程的工作量極大且結果無法預期，來自日本的學者下村修通過12年的不懈努力，終于純化出GFP的結晶。而想要進一步研究GFP的發光機理，預計還需要消耗100毫克的GFP。但是下村修每年夏天打撈的4萬多只水母中只能純化出20毫克的GFP。于是他又通過連續五年的積累，直到1979年才初步鑒定了GFP的熒光生色團。下村修的研究過程生動地體現了不畏艱難、勇于創新的科研精神，可以讓學生真切感受到科學研究的嚴謹性、踏實性、規范性，有助于培養學生熱愛科學、追求真理、探索創造的科學精神。

2）理解科學研究的競爭性和實效性。在綠色熒光蛋白的研究過程中，當研究者普瑞舍克隆出GFP的cDNA并將之導入大腸桿菌中表達時，并沒有能在顯微鏡下觀察到熒光。導致實驗失敗的原因可能是什么呢？普瑞舍最終放棄繼續研究的理論依據是什么？而后續查爾菲實驗室又是通過什么技術使得大腸桿菌發出了熒光呢？通過引導學生進行相關的討論，可以讓學生更好地理解科學研究的競爭性和實效性，在此過程中培養學生的辯證思維能力。

3）樹立正確的人生觀和價值觀。因為綠色熒光蛋白作為研究工具的重要性，2008年諾貝爾化學獎被授予下村修、查爾菲和錢永健三人。還有一位重要的研究人員普瑞舍，他在克隆出綠色熒光蛋白的基因之后因申請不到更多的經費而放棄了后續研究，由于諾貝爾獎的人數限制而未能獲獎。現今的科學研究已經越來越像一項系統工程，任何突破都是很多人為之努力的結果。綠色熒光蛋白的研究過程中也有許多普通研究者貢獻了自己的努力和智慧，他們同樣是在為人類的科技殿堂添磚加瓦，同樣值得敬仰和學習。

4.2 基因編輯技術的發展

4.2.1 教學案例

基因編輯技術是現今最重要的生物技術之一，已經被廣泛應用于各種生物的基因功能檢測和遺傳改良。其中，CRISPR-Cas9技術可以通過識別和精確地切割DNA序列來編輯基因，從而實現基因片段的精確編輯、添加或刪除，具有成本低、操作簡便、快捷高效等優點，為生命科學領域帶來巨大變革。2020年諾貝爾化學獎被授予對CRISPR-Cas9的發展和應用作出重要貢獻的卡彭蒂耶和杜德納兩位科學家。

4.2.2 教學設計

幾千年來，人類一直在嘗試對生物性狀進行定向改良，包括目的性狀的定向選擇、雜交、定向誘變、倍性育種、轉基因等。通過自主查找資料和小組討論的方式，學生可以對這些方法的優缺點有較為明確的認知。通過對轉基因黃河鯉魚和基因編輯嬰兒事件的討論，學生可以加深對于學術規范與學術倫理的認識。

4.2.3 課程思政

1）嘗試多角度考慮問題，培養辯證思維能力。2023年12月25日，農業農村部發布公告，10個轉基因大豆品種和37個轉基因玉米品種獲得生產經營許可證，這意味著從2024年開始，轉基因大豆和玉米可以在我國商業化種植。分子生物學技術的發展大大加快了農作物的選育過程。1991年，朱作言院士團隊將草魚的生長激素基因導入黃河鯉魚基因組，開發出擁有完全自主知識產權的轉基因鯉魚，在同等養殖條件下可以縮短一半的養殖周期，大大降低養殖成本。但是，轉基因生物體的安全性一直是備受爭議的話題之一。作為遺傳修飾生物體，轉基因鯉魚的上市需要經過漫長的試驗和審批過程，才能進入環境釋放階段；通過這一關后，還需要進行生產性養殖試驗才能拿到安全證書，其后還需要申請品種認定才能上市。2012年，美國批準轉基因大西洋鮭魚上市，但是我國的轉基因鯉魚至今還沒有上市。通過這一事例，可以引導學生展開討論，嘗試從資源、環境、市場等角度考慮問題，從生物安全與糧食安全等不同方面進行轉基因生物體的利弊分析。

2）了解學術規范，遵守科學道德和學術倫理。2018年11月，南方科技大學的賀建奎團隊宣布，兩名基因被編輯過、能夠對艾滋病免疫的女嬰露露和娜娜在中國出生。世界首例基因編輯嬰兒的誕生迅速成為輿論焦點并引發公眾的廣泛關注，最終，賀建奎被判處有期徒刑三年，并處罰金人民幣300萬元。通過引導學生對此事件進行討論，可以幫助學生樹立正確的職業道德觀，使學生牢記以創新性科研工作推動社會發展和人類進步的同時，必須遵守科學道德和學術倫理規范以及相關國際規則。在實驗課程結束之后也可增設主題為“基因編輯之我見”的課后作業并通過學生互評，篩選學生喜愛的小文章發布到雨課堂班級群，并以此作為成績考核加分項[6]。

5 結束語

在分子生物學實驗教學過程中，通過經典案例的講述與分析，既可以讓學生更好地理解實驗原理，也可以讓學生看到問題提出、探索與解決的全過程，有效提高學生分析問題、解決問題的能力。思政元素的融入不僅可以使理論知識變得更加有吸引力，激發學生的學習興趣，也可以幫助學生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，從而達到增強學生綜合素質的目的[7]。在整個教學過程中，教學團隊需要密切配合，每一位教師都要深入挖掘相關的教學案例，將鮮活的事例與課程內容緊密結合，提高課程教學的學術思維水平；也要通過合適的教學手段調動學生的學習積極性，創造和諧的教學氛圍，達到教學相長的效果。

6 參考文獻

[1] 李佩珍，應俊，金晶，等.分子生物學虛擬仿真實驗教學模式的探索[J].實驗技術與管理，2019，36（11）：99-100，104.

[2] 王來，趙海鵬，董薇，等.基于“微課—翻轉課堂”的

分子生物學實驗教學改革初探[J].大學教育，2018（6）：

84-86.

[3] 邢萬金.乳糖操縱子模型的建立與教學中若干問題的解

析[J].遺傳，2019，41（6）：548-563.

[4] 陳鳳嬌，胡兆麗，徐浩，等.以案例為載體融入課程思

政在醫學生物化學與分子生物學教學中的應用探究[J].

衛生職業教育，2022，40（18）：105-107.

[5] 羅曉婷，許春鵑，洪蘆燕，等.生物化學與分子生物學

“四融入四結合”課程思政教學體系的構建與應用[J].生命的化學，2021，41（10）：2307-2314.

[6] 皮永蕊，唐永政，段晨陽，等.海洋環境化學綜合實驗

課程改革與實踐[J].廣州化工，2022，50（13）：185-189，

205.

[7] 張連江，劉東旭，陳曉霞，等.分子生物學實驗技術課

程思政教育資源挖掘與實施[J].黑龍江科學，2022，

13（9）：155-157，161.

*項目來源：山東省本科教學改革研究項目“海洋強國戰略背景下海洋科學‘專業思政’體系融入專業教育全過程育人模式的研究與實踐”（No.M2021124）；煙臺大學教學改革研究項目“《分子生物學》整體課程設計創新與教學初探”（No.jyxm2022006）。

作者簡介：柳瑩，講師。