基于本科生綜合能力培養的“分子生物學實驗”教學改革

［摘 要］ 近些年分子生物學技術發展非常迅速，因此高等學校的“分子生物學實驗”課程應隨著時代的發展進行與時俱進的改革。通過從整體連貫性設計實驗課程內容、引入課程思政元素、引導學生體會分子生物學實驗細節化操作、探索多種教學模式和實踐教學效果評價體系等多個方面開展教學改革探索，引導本科生掌握分子生物學研究的新進展，幫助學生建立整體性、連貫性的科研思維，培養本科生綜合科研能力，滿足復合型生物學人才的培養要求。

［關鍵詞］ 分子生物學實驗；課程改革；思政元素；綜合能力培養

［基金項目］ 2023年度國家自然科學基金項目“第二信使cAMP和c-di-GMP響應碳源信號交叉調控腐敗希瓦氏菌生物被膜起始吸附的分子機制”（32370583）；2018年度江蘇師范大學博士學位教師科研項目“腐敗希瓦氏菌形成生物被膜的關鍵功能基因鑒定”（18XLRX034）

［作者簡介］ 劉 聰（1983—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，江蘇師范大學生命科學學院副教授，主要從事微生物分子生物學研究；劉偉杰（1982—），男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，江蘇師范大學生命科學學院教授（通信作者），主要從事微生物分子生物學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）06-0069-04 ［收稿日期］ 2024-10-22

“分子生物學實驗”課程是生物學相關專業的核心專業基礎課程［1-2］，是一門獨立的實驗課程，同時將“微生物學”“細胞生物學”“生物化學”和“遺傳學”等多個課程的知識點串聯在一起［3-4］。“分子生物學實驗”課是將其理論課內容實踐化的重要培養環節，對于培養本科生學習主動性、理論聯系實際和創新能力尤為重要［5］。

“分子生物學實驗”課程主要涉及基因組的提取、瓊脂糖凝膠電泳檢測、PCR體外擴增目的基因、質粒提取、酶切連接轉化、感受態細胞制備和基因表達產物鑒定等［3，6］，所涉及的知識點很多，因此“分子生物學實驗”課能綜合提高本科生的專業技能。然而目前高校的“分子生物學實驗”課程在教學過程中存在一些常見問題，主要體現在：（1）隨著分子生物學實驗技術的快速發展，新的分子生物學實驗技術，如Crisper基因編輯等新技術不斷涌現，但很多高校的“分子生物學實驗”課程教學內容還停留在傳統的基礎實驗操作階段，缺乏開放性和創新性實驗，跟不上前沿分子生物學技術的發展步伐，影響了學生綜合能力的培養和提高。（2）部分高校的“分子生物學實驗”課程在教學過程中，多是注重實驗原理的講解，而缺乏引導學生對細節性實驗操作的觀察和體會，也缺乏引導學生對實驗現象和失敗實驗結果的獨立思考，導致學生在實驗課上缺乏學習的主動性。（3）“分子生物學實驗”課程設置的實驗內容彼此之間的連貫性不強，在教學過程中，教師更加偏重對每個獨立實驗原理和實驗操作技術的講解，忽略了多個實驗之間的內在聯系，使得分子生物學實驗缺乏整體性，存在碎片化問題，嚴重影響了本科生的綜合科研能力和邏輯思維能力的培養。因此，迫切需要對“分子生物學實驗”課開展教育教學改革［7-9］。

本文基于對本科生綜合科研能力培養的需求，從以下幾個方面展開討論：（1）在課程內容設置上，提出應更加重視課程設置的連續性和整體性。（2）在分子生物學實驗中多是微量操作，這些精細操作的注意程度會直接影響實驗結果的好壞，因此需要引導學生理解分子生物學實驗的精細化操作。（3）探索將課程思政元素融入“分子生物學實驗”教學過程中，提高本科生的專業水平和思想道德素養。（4）探索構建多樣化的教學模式，充分調動本科生的主觀能動性。（5）建立多元化的教學效果評價體系，從而提高本科生科研思維的獨立性、連貫性和創新性，培養生物學本科生的綜合科研能力和思想道德素質。

一、整體連貫性地設計“分子生物學實驗”課程內容，增加綜合性和開放性大實驗

以連續性、整體性的方式設置課程進度，本文結合課程特點提出以下教學安排：動物細胞中基因組DNA的分離純化（4學時）；動物細胞中RNA的提取（4學時）；核酸的瓊脂糖凝膠電泳檢測（3學時）；PCR擴增外源目的基因（4學時）；瓊脂糖凝膠切膠回收DNA樣品（3學時）；大腸桿菌感受態細胞制備（4學時）；DNA樣品酶切連接和連接產物的轉化（4學時）；重組DNA克隆子的篩選和鑒定（4學時）；質粒DNA的提取和酶切鑒定（3學時）；質粒DNA的酶切鑒定（3學時）；聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測重組蛋白的表達（6學時）。最后，建議增加細菌中目的基因的基因編輯作為綜合開放性大實驗（12學時），共計54學時，幫助學生綜合掌握分子生物學實驗的全局知識點。

二、以微量操作和低溫操作實驗作為案例引導學生體會分子生物學實驗的細節問題

在分子生物學實驗中，存在很多細節性實驗操作，與化學實驗和物理學實驗相比，分子生物學實驗的操作很多都達到微量級別，實驗結果失敗后很難查找到具體原因，這主要是因為本科生初接觸分子生物學實驗時沒有領會到這門課程的細節性問題。例如，在PCR擴增實驗、DNA酶切和連接實驗、連接產物轉化等實驗中往往加入的酶制劑量都是微升級別，甚至小于1微升。如果本科生不能足夠注意微量操作的細節很容易失敗，而且教師也很難幫助學生分析實驗失敗的具體原因。

在教學過程中，我們主要以移液器移取痕量酶制劑為例，幫助學生體會和理解分子生物學實驗的微量操作。移液器在移取液體時主要是靠槍體內外的壓力差實現的，首先槍頭插入被移取的液體時不能插入過深，否則由于液面的壓力差會導致微量移取液體的準確性下降，更為重要的是由于槍尖插入過深，酶制劑中含有甘油，酶制劑會黏附在槍頭的外側，黏附的體積都已經明顯大于所要移取酶制劑的痕量體積，所以應該教學生在移取微量酶制劑時，要讓學生體會槍尖剛剛接觸酶制劑表面吸取比較準確。當移液器將所取到的酶制劑加入PCR體系、酶切體系或者連接體系中時，同樣需要注意痕量操作。首先槍尖也不能插入太深，否則由于壓力差會影響槍尖內酶制劑的準確排出，如果不能順利加入反應體系中將直接導致實驗失敗。所以，應該教學生在加入新體系前，將槍尖的液體提前排出，由于酶制劑體積非常小，可以看到類似小米粒狀的液滴，而且不會從槍尖上掉落下來，然后將酶制劑液滴接觸新體系的液面，由于酶制劑中有甘油，可以清楚地看到兩個液體接觸時發生的相變現象，能幫助學生判斷痕量酶制劑是否成功加入，在分析實驗結果時及時排除這個痕量操作問題。

在利用移液槍移取微量DNA或者RNA樣品與微量上樣緩沖液混合后點樣到瓊脂糖凝膠中時，學生會經常發現在混合過程中會產生大量的小氣泡，在加入瓊脂糖凝膠孔時，由于氣泡比重較低，會快速飄起，帶動DNA樣品從孔內逃逸出來，出現一系列問題，影響實驗結果。因此，我們可以借助這個學生發現的痕量操作小問題指導學生，這些小氣泡的形成主要是因為混勻過程中，槍尖沒有接觸到液滴的底部，混勻時吸入液體時，液體界面會下降，而槍尖沒有及時跟進移動，導致液體界面脫離槍尖，有氣體進入槍尖，反復混勻時就會產生大量的氣泡影響電泳效果。這時應該將槍尖觸及液體底部，可以顯著降低氣泡的產生，從而提高實驗效果。

通過以上兩個常見的實驗細節問題，將移液槍的痕量操作注意事項讓學生掌握，幫助學生體會分子生物學的細節性操作問題，提高學生的專業操作技能。

三、挖掘“分子生物學實驗”課程的思政元素，培養本科生的科研創新精神

思政教育是實現立德樹人教育目標的重要方法［10］，對于提高本科生的綜合實驗技能，提升學生的專業水平和思想道德素養都具有很好的促進作用［1，11］。根據“分子生物學實驗”課的教學內容挖掘有以下幾個方面的思政元素：課程開始前開展的實驗室安全意識培訓，以人與社會和自然和諧發展的思政元素，提高生物學本科生的實驗室安全和實驗樣品處理規范，保護自然環境等意識；在從動物樣品中提取基因組時培養本科生愛護動物、尊重實驗動物生存權益的意識，讓學生了解實驗動物在人類生物科學發展史上做出的貢獻；借助PCR技術和痕量操作技術引導學生認識科學研究的嚴謹性，遵守學術道德規范；以基因克隆技術和基因編輯技術為案例幫助本科生樹立正確的人生觀和價值觀。通過以上課程思政元素的融入，實現思想政治教育和專業素質教育的有機結合，從而達到提高本科生綜合科學素養的培養目標［12］。

四、構建多樣化的教學模式，充分調動生物學本科生學習的主觀能動性

實踐互動式“課前預習—課堂實踐—課后復習”的教學模式［13］。在實驗課前，會要求學生完成對實驗的預習，根據課堂理論知識了解每個實驗的原理和操作注意事項，提出所發現的實驗問題，并撰寫預習報告；在課堂中，教師在講解實驗原理和操作步驟過程中，以問題導向型探究式教學模式為主體，引導學生發現問題、思考問題和解決問題的能力，培養學生的獨立思考能力和創新能力［14］；課后會要求學生如實撰寫實驗報告，重視實驗結果的客觀性，鼓勵學生充分討論在實驗過程中發現的問題和操作要領，分析實驗失敗的原因和改進空間等。

五、建立多元化的教學效果評價體系

目前高校實驗課多是驗證性實驗，而開放性實驗和創新性實驗所占比例不高。在實驗課進行過程中，經常會出現意想不到的實驗結果，甚至實驗失敗的現象，尤其是對于分子生物學實驗來講，微量操作很難發現實驗失敗的具體原因，因此以實驗結果的好壞評價教學效果并不理想。應更加重視以全過程性考核和試卷考核相結合的方式開展教學效果評價［15］。

對于全過程性評價，主要考查學生課前預習報告所提出的問題，通過課前提問了解學生掌握整體實驗的情況。在實驗過程中的評價，主要通過考查出勤，發現問題、思考問題和解決實驗難點的能力，平時設置一些教師總結以往學生經常遇到的實驗失敗問題，展開討論，分析可能失敗的原因。同時對于實驗結束后，實驗報告也是重要的全過程評價環節。這里主要考查學生撰寫實驗報告的認真程度，實驗結果的影響因素很多，比如實驗材料好壞、儀器設備因素等都會影響實驗結果，因此不能單通過評價實驗結果的好壞來評價教學效果，應該更加全面綜合地展開評價，建議主要以實驗報告的完整性，分析實驗失敗原因的翔實程度，對于能夠提出改進方案和策略的討論給予成績傾斜。此外，在實驗報告評價環節應該更加重視培養學生的學術道德規范，嚴禁盜用他人實驗結果等學術不端行為，引導學生尊重客觀事實。對于驗證性實驗，往往遇到失敗的實驗，在分析實驗失敗的過程中所學到的知識記憶會更加深刻，所以學生應正視實驗結果的客觀性。

對于期末試卷考核，主要考查學生對實驗原理、實驗現象和常見失敗問題的分析能力，同時應更加重視綜合運用多個實驗技術解決實際實驗問題的能力和靈活設計新實驗的能力。學生學業成績由三部分成績構成：全過程性考核占比60%、期中考試成績考核占比10%、期末考試成績占比30%的權重綜合計算出學生的總成績。為確保考核的公平公正性，在全過程性考核過程中應設置明確的賦分標準和足夠的區分度，具體主要包括出勤情況（10%）、課堂提問討論的參與情況（30%）、課堂實驗現象分析和提出解決問題的能力（30%）、課堂實驗創新設計和動手實踐情況（30%）。每項成績考核過程均以紙質表格的形式記錄備查，并允許學生查詢最終成績，調動學生參與課堂互動討論和創新實踐的積極性，提高學生綜合運用所學實驗技能的動力。

結語

近些年，分子生物學實驗技術發展迅猛，新技術日新月異。“分子生物學”及其實驗課作為“基因工程”“生物化學”“分子遺傳學”“微生物學”和“細胞生物學”等課程的基礎課程，應緊跟時代發展步伐，這對于提高生物學本科生的綜合專業技能，為學生未來從事相關科研工作打下堅實基礎具有重要的教育意義，而且對于推動我國高校生物相關專業綜合復合型人才的培養具有重要意義。

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Education Reform of Molecular Biology Experiment Based on Comprehensive Ability Cultivation for Undergraduate Students

LIU Cong， SUN Di， LIU Jia-wen， LIU Wei-jie

（School of Life Science， Jiangsu Normal University， Xuzhou， Jiangsu 221116， China）

Abstract： Molecular biology technology has developed rapidly in recent years， with new technologies and methods constantly emerging. Therefore， the molecular biology experimental courses in higher education institutions should be reformed to keep up with the times. This article explores education reform from multiple aspects， such as designing experimental course content with overall coherence， introducing ideological and political elements into the course， guiding students to understand the trace operation of molecular biology experiments， exploring various teaching modes and effectiveness teaching evaluation systems， in order to guide undergraduate students to grasp the latest research progress in molecular biology， help students establish research thinking with overall coherence， cultivate undergraduate students’ comprehensive scientific research abilities， and meet the requirements of cultivating compound biological talents.

Key words： Molecular Biology Experiments; curriculum reform; ideological and political elements; comprehensive ability cultivation