基于整合思维的分子生物学实验教学改革

伦镜盛, 胡 忠, 钟名其, 黄淑芬

(汕头大学 a. 理学院 生物实验教学中心; b. 文学院 整合思维项目组, 广东 汕头 515063)



基于整合思维的分子生物学实验教学改革

伦镜盛a, 胡 忠a, 钟名其a, 黄淑芬b

(汕头大学 a. 理学院 生物实验教学中心; b. 文学院 整合思维项目组, 广东 汕头 515063)

汕头大学从2011年开始推行整合思维教育计划，即从2011级新生开始开设整合思维核心课程，在各学院中挑选合适的课程开展整合思维试点项目，发展和实施基于整合思维的课程，以此逐步建立较为完整的汕头大学整合思维模式框架。论文运用整合思维的方法，从课程设计、教学模式等方面，探索将先进的整合思维理念植入分子生物学实验教学，以探讨整合思维理论对实验教学的借鉴意义。

整合思维； 分子生物学实验； 教学改革

0 引 言

实验教学是高校教学的一个重要组成部分，是培养学生实践能力创造能力的主要手段[1]。实验教学的课程内容、教学模式的设计，对于实验教学的有效性，以及学生思维能力和创新能力的培养至关重要。然而，目前的分子生物学实验主要注重实验技能的传授和动手能力的培养。实验教学中主要以验证性实验为主，教学模式相对单一，即课前教师介绍实验背景知识、实验目的和要求、实验原理、操作步骤及注意事项等，学生遵从教师的指导进行实验操作，获得实验数据并完成实验报告。在整个教学过程中，学生处于相对被动的状态，缺乏自主学习意识。这种教学方式限制了学生的思维发展，扼杀了学生的创造性和积极性，违背了培养学生思辨能力和创新精神的教学目标。有学者提出，建立系统完善的实验教学研究体系和方法，应用教育学管理学等方面的理论知识，科学规范完整的实验教学研究设计，实验教学有效性研究等应为今后实验教学研究的方向[2-3]。

整合思维(Integrative Thinking) 最早由Graham Douglas提出，他将整合思维描述为人的头脑整合直觉、理性和想象的一个过程，并认为整合思维可以用于解决任何一个领域的问题。加拿大多伦多大学罗杰·马丁(Roger Martin)教授在前人的研究此基础上构建出了“整合思维理论”。整合思维是指面对相互冲突甚至对立的模式时不是简单地进行选择，而是能够进行建设性的思考，创造性地解决它们之间的冲突，形成一个既包含已有模式的某些成分但又优于已有模式的新模式。整合思维本质上是一种整体思维和综合解决问题的模式，它集系统性思维(System Thinking)、批判性思维(Critical Thinking)及创造性思维(Creative Thinking)为一体。马丁教授认为，整合思维是一种“思维习惯”，是一种思辨方式和理性思考的态度，任何人都可以有意识地训练自己创造性解决问题的能力[4-5]。目前，整合思维理论作为一种新的思维模式，其理念已被应用在工商管理硕士 (Master of Business Administration, MBA)[6]、会计[7]、人力资源管理[8]等专业的教育教学上，对课程的设计及教学的组织等方面具有重要的指导意义。实验教学是高校教学的一个重要组成部分，因此，本文拟运用整合思维的方法，从课程设计、教学模式等方面，探索将先进的整合思维理念植入分子生物学实验教学过程中，以探讨整合思维理论对实验教学的借鉴意义。

1 基于整合思维的课程设计

分子生物学实验涉及多种实验技术，多个实验项目，复杂而细腻，实践性强。课程改革前，我校的分子生物学实验由12个独立的实验项目组成，实验内容涵盖了分子生物学领域中的主要实验技术，每次完成一个实验项目。然而，在实际的科研工作中，这些实验技术之间并不是孤立的，而是相互关联的。显然这样的课程设计不利于学生对完整实验流程的掌握，不利于学生系统性思维能力的培养。整合思维习惯于把问题作为一个不可分割的整体，从不同立场看待问题，分析出多个方向非线性相关关系，最后做出决策，简单来说就是对事情全面思考[6]。因此，我们利用整合思维连点成线，以 “基因的克隆及其原核表达的研究”为课程内容，将原来单项的实验项目有机地整合为一个完整的综合性实验(见图1)。即根据荧光蛋白基因已知的序列，设计一对特异性引物，以带有荧光蛋白基因的大肠杆菌基因组DNA作为模板，利用PCR技术扩增出荧光蛋白基因。扩增出来的荧光蛋白基因经特定的限制性内切酶消化后，与同样经过限制性内切酶消化的质粒载体(pET-32a)连接，形成重组质粒。将带有外源基因的重组质粒转化入克隆宿主细胞(E.coliDH5α)内。通过PCR验证筛选带有目的基因的阳性克隆，并提取其重组质粒，转化入表达宿主细胞(E.coliBL21 (DE3))，并在IPTG诱导下使外源基因在宿主细胞内表达，其表达产物可通过聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)和蛋白质印迹分析(Western blot)等方法检测。实验流程设计类似于一个完整的科研实验，不但注重单项实验的原理和实验操作，更注重整个实验流程的脉络，强调各实验之间的联系和编排，强调对前后知识的融会贯通。一方面有利于学生对实验内容的理解和掌握，另一方面有利于培养学生发现问题及解决问题的能力。在整个分子生物学实验的实验流程中，琼脂糖凝胶电泳、PCR技术、质粒DNA的提取等实验多次出现，与以往的单项实验相比，实验项目显得“重复”了。但笔者认为，这种实验项目的“重复”恰是实验流程系统性的体现。因为在实际的科研工作中，实验项目虽然相同，但实验目的不尽相同，实验项目的“重复”是再正常不过的事情了，这就需要同学们对实验流程有一个系统的理解和把握。另外，与单项实验相比，“重复”的实验项目使同学们有更多的动手机会。

图1 分子生物学实验流程图

另外，为了使整个实验流程更具系统性，分子生物学实验在教学时间的安排上做出了相应的调整。将原来每周6个学时的实验课程相应地调整为每周36个学时的连续性实验，让学生能在一段相对独立的、干扰较少的时间内进行实验。同时，为了避免这种连续性排课对其他课程的排课造成影响，分子生物学实验的上课时间安排在夏季“小学期”。经过近年的教学实践发现，这种教学时间上的调整的确使实验教学的系统性得到了显著的提升。

注：为配合学分制教学改革，2003年起汕头大学开始实行春、夏、秋三学期制。即除了传统的春季和秋季学期外，在暑假后秋季学期前安排一个为期4周的夏季“小学期”。

2 基于整合思维的教学模式的设计与实施

在教学过程中，整合思维注重学习型组织的观念、应变的观念、创新的观念，引导学生持续地收集新信息，研究新情况解决新问题，去适应不断变化的形势。整合思维采用的是以问题为导向的教学、案例教学、自主式教学、讨论式教学等多样化的教学组织形式和方法[6]。因此，我们不是以单一的“注入式”或“填鸭式”的班级形式，而是采用小组形式的、个别形式的教学组织形式，注重自主学习和讨论式教学等多元化方法，尝试将整合思维的这些理念融合到分子生物学实验教学模式的设计与实施上。

2.1 研究对象的选择

在研究对象的选择上，起初我们结合自身的科研项目，先后以“苦瓜MAP30基因”和“弧菌外膜蛋白基因”作为研究的对象。但经过几年的教学实践发现，学生对这些基因相对比较陌生，因此在教学过程中难以激发学生的兴趣。那究竟什么样的基因一方面为大家熟悉，而另一方面也比较有趣和好玩呢？2008年，下村修(Osamu Shimomura)、马丁·沙尔菲(Marin Chalfie)和钱永健(Roger Y. Tsien)因发现并发展了绿色荧光蛋白(Green Fluorescent Portein, GFP)而获得诺贝尔化学奖。虽然在理论课上不止一次地提到过荧光蛋白，但当我们第一次在课堂上展示荧光蛋白的发光效果时，学生还是惊呼不已，觉得非常有趣。于是，我们决定以绿色荧光蛋白(enhanced Green Fluorescent Portein, eGFP)、黄色荧光蛋白(eYFP)和红色荧光蛋白(DiscosomastriataRed Fluorescent Portein 2, DsRed2)3种“荧光蛋白基因”作为实验对象。荧光蛋白的选择在很大程度上激发了学生的兴趣，在今后的实验中为学生提供不断前进的动力。同时，荧光蛋白的研究历程中充满了许多富有创意的有趣的故事，这也为学生的自主学习与分享提供了良好的素材。

2.2 自主式教学在课前预习中的实施

在整合思维理念中，以学生为中心的教育思想被普遍接受。学生被看作学习的主人，强调发挥学生的积极性和主动性，强调师生之间的相互启发与交流，强调培养学生综合运用知识、创造性地解决问题的能力[6, 10, 13]。在实验课开始前的两周，学生将自主组成2-3人的学习小组。我们根据实验指导书、文献、科技网站等资料，提炼出一系列的预习题目和思考题，引导学生进行预习。学生需要根据给定的题目和思考问题，查阅相关的文献数据，进行课前的学习和讨论，制作PPT，并作口头陈述(图2a)。这是一个自主学习的过程，目的是让学生从机械接受或灌输式的接受学习向自主学习、协作学习转变。在这个过程中，学生往往有一些创意的发挥。例如，一组同学受到《X战警》(X-Men)中的“激光眼”的启发，在介绍荧光蛋白的应用时提出这样一个大胆的设想：既然荧光蛋白可以在灵长类动物中表达，那将来是否可以在人体中表达荧光蛋白，并实现 “荧光”到“激光”的转变，像“激光眼”一样发出激光呢。而事实上，美国研究人员在此前就实现了这一设想。

注： 2011年6月12日在英国《自然·光子学》(Nature Photonics)杂志上报告说，他们首次利用人类细胞制成了生物激光发生器(Single-cell biological lasers)，也就是用活生生的细胞来产生激光。

2.3 建模理念在实验设计中的植入

一般来说，分子生物学实验教学内容偏重验证性实验，传统教学法一般分为三步：介绍教科书中的“模式”、给出案例、学生套用“模式”，即教师讲解实验原理，给出实验指导书上的步骤，学生按部就班的操作，实验过程趋于程序化。整合思维方式应该是引导学生自主对问题进行建模(Modeling)、对问题建模的过程进行思考、老师引入教科书中的“模式”、引导学生对不同“模式”对比思考，尝试通过模式整合建立更优模式[6, 10, 11]。因此，我们将PCR扩增、质粒DNA的酶切、酶连实验、转化实验、重组菌的验证、原核表达产物的分析等实验项目中的实验对照进行了“留空”，以将基于“建模”理念的实验设计的环节融入到教学过程中(见图1)。如在“酶连产物的转化”实验中，我们首先提出“估计转化效率以及消除可能的污染及查明可能的失败原因”这样一个问题，要求学生构建解决此问题的模型。学生首先需要清楚实验的目的，设计出转化实验的阳性对照和阴性对照，并构建出实验所需的实验材料、实验方案和实验步骤等整个模型。然后，教师引入实验指导中的原有的实验对照，引导学生进行对比思考，从而确定最终的实验方案。这个过程中，我们不但允许学生通过建模进行实验设计，而且允许学生有不同的实验进度，允许学生错了重来，从而鼓励学生在实验过程中去思考与创新。

a: 学生作口头陈述(PPT); b: 学生正在进行实验操作; c: 教师引导学生进行讨论; d: 实验室安全防护用具

2.4 个性化教学

整合思维过程注重激发学生自身的主动性和互动性，强调个性化教学，引导学生主动完成发现问题，分析问题，最终解决问题[6, 11-12]。因此，在实验课上，教师除了使用单一的教授形式外，更多地采用以问题为导向的教学，并根据不同团队、不同学生的实验进度，提供差异化的、个性化的指导。例如，在“利用PCR技术扩增功能基因”的实验中，不同的小组所获的实验结果通常不同。有的小组扩增到目的条带，有的小组得不到扩增产物，有的小组出现非特异性扩增。因此，我们通常需要根据不同小组的实际情况，通过交互式的讨论，引导学生质疑和提出问题，对各自的实验结果进行分析，制定下一步的实验方案，并再次进行实验(图2b)。

2.5 对实际问题的模拟解决

目前，我国高等学校本科教育专业设置按学科门类、学科大类(一级学科)和专业(二级学科)三个层次来设置。在实际的科研工作中，许多问题需要多学科相互合作解决。但这种设置人为地割裂了学科间的联系，不利于科学研究的综合化。整合思维重视通过各种途径和方式来增强学生的实际工作能力，整合思维的训练对多学科交叉的研究领域以及复合型人才的培养有着积极的作用[6, 10-13]。因此，我们利用实验过程中的“空档期”，采用讨论式教学，将科研工作和实际生产中的一些问题引入课堂，引导学生进行讨论和思考(图2c)。例如，我们曾提出了“利用分子生物学方法检测水中激素”这样一个问题。同学们通过头脑风暴，先提出“生物传感器”、“荧光蛋白”、“报告基因”等点子，并逐步得出“以荧光蛋白为报告基因构建生物传感器”的想法。教师再进一步以“如何选择载体”、“如何选择启动子”、“原核表达还是真核表达”等问题进行引导，让学生在特定的情景下，对科研工作和实际生产应用中的一些现实问题进行思考和模拟解决，培养其独立思考和开拓创新的能力。

2.6 论文式实验报告的撰写

实验报告是实验教学过程中一个重要的环节，是培养学生综合分析能力的重要手段，是衡量实验教学效果的重要依据。长久以来，实验教学存在重实验操作的训练，轻实验报告撰写的训练这一倾向。实验报告的撰写普遍存在格式不规范、描述口语化、“照抄”现象严重、分析讨论空洞、逻辑性差等问题，甚至将分析讨论写成实验心得体会的学生也是屡见不鲜。针对这些问题，一方面，我们要求学生写论文式的实验报告，即让学生以科研论文的格式和规范撰写实验报告，以此提高学生科学规范语言的运用能力。另一方面，借助“因果建模”等思维工具，引导学生进行批判性的思考[4, 9, 14-17]。引导学生提出问题并进行推理：“这个实验的目的是什么？”、“实验结果符合预期吗？”、“是什么原因导致了实验结果的发生？”、“还有什么方法可以解决这个问题？”等，帮组学生理清专业概念和实验原理，并正确运用专业理论知识对实验结果加以解释，使实验结果的分析讨论既“言之有物”又“言之有理”。另外，由于手写的实验报告工作量大且不便于修改，因此，我们允许学生提交电子版的实验报告。收到实验报告初稿后，教师可以方便地添加批注，作细致的批改。实验报告发还给学生后，学生便可以对实验报告进行修改，然后再上交。经过近年的实践发现，这种教学方法的确使学生的思维能力得到了锻炼，其分析问题和解决问题的能力也得到了提高。

注：因果建模(Causal Modeling)是整合思维者经常使用的工具之一，即整合思维者在研究解决方案时，必需要在头脑中始终保持因果关系连锁结构的全貌。这一思维工具能帮助我们在复杂的系统中将问题的因果和逻辑关系理清，对问题进行清晰的定义，从而能够采取适当的方法解决问题[4]。

3 其他资源的配合

3.1 实验室的开放制度的建立

分子生物学实验室除了承担专业实验课外，还承担各类大学生实验项目，包括“科技立项项目”、“大学生创新创业训练计划项目”、“本科生研究计划(SRP)”等。为使实验室和实验设备在教学和科研中最大限度地发挥作用，实验室开放制度的建立势在必行。因此，如何让实验室在开放模式下安全管理成了重要的课题。借鉴其他高校的实验室管理经验，分子生物学实验室主要采取以下安全管理措施：① 管理制度。汕头大学是全国首家获得ISO9001和ISO14001一体化体系认证的高等学府，在实验室管理、仪器管理、化学品管理、生物安全管理、环境管理等方面都建立有相对较完善的管理制度。② 安全设施。为了营造良好的实验环境，减少学生吸入有害气体，实验室安装有通风橱和排气系统。除了烟感、灭火器等消防装置外，实验室还配备了护目镜、防毒面具、急救箱等安全防护用品(图2d)。③ 门禁系统。实验室安装有“一卡通”门禁系统和监控系统，实行“全天候预约开放”管理制度。在学生首次进入实验室时，实验室管理人员对学生进行实验室管理规程、实验室安全和仪器设备操作规范等培训，培训完成后给学生的门禁卡进行授权，学生即可刷卡进入实验室。学生可以根据各自的实验进度，利用课余时间到实验室做实验。

注：ISO是“国际标准化组织”的英文缩写，ISO9001和ISO14001分别为国际标准化质量管理体系和环境管理体系的代号。

3.2 研究生助教

据了解，国外的高校一般都设有研究生的助教、助研、助管等岗位。助教(Teaching Assistant)在美国大学教育中扮演着十分重要的角色。经过多年的尝试，我们在分子生物学实验的过程中，也逐渐建立起了研究生助教制度。助教通常都是由全日制的优秀研究生兼职担任，主要协助参与以下两项工作：① 实验室管理。助教可以协助老师进行实验室内常用实验药品和耗材的采购，以及仪器设备的日常维护。② 实验指导(图2e)。助教的主要工作是协助老师指导学生进行规范的实验操作，并对非课堂时间到实验室做实验的学生提供一定的指导和帮助。

3.3 多媒体教学的使用

多媒体技术因其生动有趣、信息量大、可以变抽象为形象等诸多优点，被广泛用于分子生物学实验的各个教学环节中。借助多媒体技术，我们将实验原理以形象的图片和生动的Flash动画代替了原来的文字叙述；将实验操作以及PCR仪、凝胶成像系统等仪器的使用说明制作成形象、直观的图片或者教学录像；将预期的实验结果以幻灯片的形式演示，再采用案例式教学，引导学生对实验结果的不同情况进行分析。多媒体技术不仅能说明学生理解、记忆所学的知识，而且能帮助学生建立形象思维，提高其解决问题的能力。

3.4 课外知识的补充

分子生物学技术的发展日新月异，不断涌现出新的技术和实验方法。但由于受到硬件条件、实验成本控制等因素的影响，实验教学一般只能“因地制宜”，大部分新的技术不能马上被使用到实验教学中。为了丰富教学内容，拓宽学生的视野，我们以多媒体教学的方式为学生补充一些课外的知识。例如，在转化实验中，实验指导中使用的是热激转化(Heat-Shock Transformation)，但为了拓展这部分的知识，我们同时也以多媒体的形式展示了电击转化(Electroporation)和电穿孔系统(Gene Pulser XcellTM, Bio-Rad)的使用。在蛋白印迹实验中(Western blot)，除了课堂上使用的半干式转印法(Semi-Dry Transfer)，还为学生介绍了一种最新的目前被称作可以解放双手(Hands-Free)的干式转印系统(iBlot® Dry Blotting System, Life Technologies)和蛋白印迹处理系统(iBindTMWestern Device, Life Technologies)。通过这样的展示，拓宽了学生的视野，使其对这些新的生命科学技术和设备有了更多的了解。虽然不能使用这些新的技术，但学生们对此都感到兴奋不已。

3.5 网络平台的使用

教学不仅限于课堂，网络作为互助式学习和加强师生互动交流的平台，在教学活动中发挥着越来越重要的作用。实验课前，我们将实验指导、参考文献等资料，以及视频、PPT等多媒体数据上传到“校园个人平台(MYSTU)”上，并组织学生下载和进行课前的自主学习。另外，随着智能手机的普及，QQ、微博、微信等通讯工具的应用越来越广泛。实验课前，我们为学生开通了分子生物学实验微信群，老师可以在群里面发布通知、分享热点问题，引导学生对实验结果分析讨论。学生也可以随时提问，并将自己的实验结果发到朋友圈中“晒一晒”(图2f)。

注：校园个人平台(MYSTU)是汕头大学网络中心开发的一个崭新的集合了电子教学管理，日程管理，校内信息通知, 校内信箱和个人管理为一体的校内个人教学平台，同学们和老师们亦可将课堂问题放到讨论平台上一起讨论。

4 结 语

汕头大学围绕“有志、有识、有恒、有为”的育人目标，坚持以学生为本，进行大学管理体制的改革和人才培养模式的创新，独特的办学理念使汕头大学一直走在中国高校改革的前沿，被李岚清同志高度评价为“中国高校改革的试验田”。学校为各专业探索改革教学方法、培养学生的自学能力和创新精神创造了便利的条件。

“授人以鱼，不如授之以渔”，实验教学的目的不仅仅是传授学生专业知识和技能，更重要的是的训练学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。一直以来，我国的实验教学大多属于灌输型的教学模式。学生习惯于借鉴和模仿，而不善于质疑和提出问题，缺乏独立思考和创新的精神。整合思维本质上是一种整体思维和综合解决问题的模式。整合思维作为一种新的理念和思维模式，正被越来越多的人所接受，并运用在高等教育教学工作中。整合思维理念在实验教学中的植入，有助于培养学生的思维能力，促进学生在日后的科研工作和职业活动中运用这些思维模式创新地解决问题。因此，整合思维对高等教育教学尤其是实验教学工作具有重要的指导意义。

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Teaching Reform of Molecular Biology Experiment Based on the Integrative Thinking

LUNJing-shenga,HUZhonga,ZHONGMing-Qia,HUANGShu-fenb

(a. Experimental Teaching Center for Biology, College of Science; b. STU Integrative Thinking, College of Liberal Arts, Shantou University, Shantou 515063, China)

Shantou University has begun to implement the Integrative Thinking Education Program since 2011, and gradually established a framework of integrative thinking for the Shantou University mode. Appropriate courses were chosen from each college as the pilot project to develop the core courses based on the integrative thinking’s concepts. To explore the significance of integrative thinking's concepts on experimental teaching, methods of integrative thinking were applied to the teaching process of molecular biology experiment from the aspects of curriculum design and teaching mode.

integrative thinking; molecular biology experiment; teaching reform

2014-09-12

广东省实验教学示范中心建设项目(2013); 生物技术专业可适应性人才培养模式创新实验区(920-38030337)；2015年度广东省高等教育教学改革推荐项目

伦镜盛(1983-),男，广东佛山人，硕士，实验师，主要从事分子生物学实验教学以及水产养殖动物病原弧菌的检测与防治等方面研究。Tel.: 0754-86502072; E-mail: jslun@stu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2015)08-0173-06