生物工程综合性实验教学改革探索*

◆赵 乐 郑晓珂 马利刚 武慧敏

生物工程综合性实验教学改革探索*

◆赵 乐 郑晓珂 马利刚 武慧敏

从生物工程实验教学大纲的制定、综合性大实验的设置、集中时间安排实验环节、改革实验成绩评定办法、引入先进工程设备等方面入手，对生物工程专业综合性实验教学进行改革和探索，取得良好的教学效果。

生物工程；综合性实验；教学改革

1 前言

生物工程是一门新兴的综合性应用学科，是以生物学的理论和技术为基础，结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，定向地改造生物或其功能，创造出具有超远缘性状的新物种，再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能的新兴技术，包括发酵工程、酶与蛋白质工程、细胞工程、基因工程四大工程。生物工程理论和技术突飞猛进地发展，在农业、食品、医药、化工、环境等行业的应用也越来越广泛。

生物工程也是一门实验性和应用性很强的学科，以培养应用型人才为主，要求学生除了掌握基础的生物工程实验方法外，还要具有整体实验的综合安排能力［1］。实验教学环节不仅是培养学生综合素质的重要方面，也是培养学生动手能力和创新能力的重要环节，在实验中加深学生对理论知识的认识和理解。目前，许多高校生物工程专业实验大多是依附于各门理论课，而且实验内容相对分散，以验证性实验为主，学生在教师的指导下按照规定内容完成实验，处在被动学习地位，抑制了学习的积极性和主动性，影响生物工程专业实验的教学效果［2］。因此，笔者对河南中医药大学药学院生物工程专业学生（2013级）的生物工程综合实验课程进行了一些改革和探索。

2 开展生物工程综合性大实验

制定生物工程实验课程教学大纲 根据本专业人才培养定位和实验开展情况，参考兄弟院校生物工程专业实验的开展项目内容，组织教师制定了详细的实验大纲，通过了教务处组织的实验项目论证，同时组织学科教师编写了《生物工程专业实验》教材。制定教学大纲遵循的原则包括：减少重复性实验，体现专业实验的整体性、连贯性；减少验证性、演示性实验，多开设设计性、综合性实验。

在课程安排上，生物工程实验开设在大三第二学期。在前5个学期，学生已经学习过生物工程基础课和专业课，包括细胞生物学、生物化学、工业微生物、分子生物学、基因工程、细胞工程和蛋白质工程等课程，所以在实验项目设置上，避免开设与细胞生物学、分子生物学、基因工程等课程重复的实验，注重综合性实验的连续性。最终确定的生物工程实验教学大纲包括10个小的实验单元：1）碱裂解法小量制备质粒DNA；2）DNA琼脂糖凝胶电泳；3）聚合酶链式反应（PCR）；4）DNA的限制性酶切及纯化；5）质粒载体与外源DNA片段的链接；6）连接产物转化大肠杆菌；7）抗生素平板筛选重组转化子；8）原核表达载体的诱导表达和检测；9）大肠杆菌发酵培养及表达产物的纯化；10）纯化蛋白的细胞学活性检测。

开展综合性实验 在传统的实验教学中，以验证性实验为主，学生只要根据实验教材，按教师制定好的实验步骤，利用实验教师已经准备好的实验试剂和实验器材，在教师的指导下即可完成。这种机械式完成实验的方式，实验教学效果很差，无法引起学生的兴趣，更加难以培养学生的动手能力和操作能力。在这种情况下，制定生物工程综合性大实验。如“丹参病程相关蛋白的原核表达及纯化”，实验设计依托学科教师的科研课题“丹参病程相关蛋白基因SmPR10的克隆及功能研究”，通过对丹参病程相关蛋白（Pathogenesis-Related Protein，PR Protein）为研究对象，通过SmPR10蛋白在大肠杆菌中的原核表达、纯化以及活性检测进行实验，深入了解生物工程表达异源蛋白的原理，掌握生物工程的实验操作，巩固和检验已学的理论知识，为毕业论文和走向工作岗位打下基础。

该实验综合了分子生物学、基因工程、蛋白质工程、发酵工程、生物分离技术和生物反应器的基本知识，要求学生通过病程相关蛋白的制备了解生物工程的相关基本操作，掌握DNA重组、载体构建、微生物菌种保存与培养、目标蛋白的分离提取等专业实验技能。在综合性实验过程中，培养学生的科学思维， 提高学生综合运用所学知识解决实验中遇到的实际问题的能力。

在实验操作过程中，允许学生的实验结果不尽如人意甚至失败，但是一定要注重强调学生对自己实验过程中所得结果进行分析和解释［3］，找出实验问题所在，然后修订实验方案，进行下一步实验。综合性实验有利于拓宽学生思路，培养学生整体安排实验的能力，打破过去传统的实验教学方法，改变在传统实验教学过程中由教师领着学生走的现象。

集中时间安排实验环节 因为生物实验周期长，同时生物工程综合性大实验对实验的连续性要求较高，将学校安排的每周4个实验学时改为4个学时为一个实验单元，每次完成综合性大实验的一个实验项目，而且集中在每天下午开设实验课，体现了综合性大实验的连贯性、完整性和科学性。

改革实验成绩评定办法 以往的实验课成绩完全由形成性成绩构成，主要有考勤、提问、实验报告和最终测试3部分组成。实验报告在最终实验成绩中所占比重较大。有些学生在实验过程中不认真做实验，最后为了写出好的实验报告，就会出现编撰数据甚至抄袭其他学生实验报告的不良行为。

为了体现以学生为中心的教学理念，调动学生实验的积极性，计划在以往实验课成绩评定的基础上建立新的实验成绩评定办法。平时成绩除了考勤、提问外，还重点考核学生对实验资料的收集和对实验文献的查阅情况，以及实验数据的记录、团队合作能力、实验中的操作规范、独立思考能力等。同时引入学生自评、互评和科研小论文的书写，通过每次实验结束时的总结讨论和学生自评、互评，使学生参与到实验结果和实验问题的分析与讨论，加强学生和教师之间的交流，整个生物工程综合性大实验完成后，要求学生以学术论文的形式写作科研小论文。

科研小论文的写作要求完全按照正规学术论文的写作要求。正文之前部分包括题目、作者、作者单位、摘要、关键词（3～5个）；正文部分包括前言、实验方法、结果与分析、讨论4部分，要求层次分明；标题层次不得多于3层，采用1、1.1、1.1.1方式。前言部分包括研究背景、国内外研究进展和实验意义。结果与分析是对实验过程中所记录的实验数据和实验现象进行科学的处理，客观地对实验结果进行分析和描述。讨论部分则是对整个实验的分析讨论，如果得到预期的实验结果，对实验过程中的关键步骤进行分析；如果没有获得预期的实验结果，则要分析实验过程中失败的原因，找出问题所在。科研小论文最后要求列出参考文献（不得少于3篇）。

通过科研小论文的写作，锻炼学生写作科学论文的能力，为最终毕业论文的写作奠定基础。

引入先进工程设备 在以往生物工程实验室中，发酵实验都是在摇床上用不同规格的三角瓶来完成，与实际工厂生产过程相差较大。为了培养合格的应用型的生物工程专业人才，购置了6台10 L小型全自动生物发酵罐、1台30 L种子罐和1台300 L的全自动生物发酵罐，可以开展从小试到中试的发酵实验，使得发酵工程实验中的啤酒发酵实验和红霉素发酵实验如同在缩小的工厂进行，整个发酵过程的参数一目了然，使学生了解生物发酵的全过程，掌握发酵接种技术以及发酵过程中温度和pH控制、氧气的供应、添加补料、发酵液的后处理等生产工艺，学习到现代发酵车间的先进生产技术。

在生物工程综合性大实验开展过程中，采用先进的实验技术培养学生。如在质粒DNA提取过程中，采用试剂盒提取质粒DNA，这是国内外分子生物学实验室的主流方法（而不采用配制试剂、最后酚氯仿抽提的方法提取质粒DNA），同时给学生讲解质粒提取的原理。在PCR实验单元，采用进口的Takara所产的DNA Taq酶和dNTP试剂，让学生手动加入每样试剂，同时讲解每样试剂的作用，复习PCR的实验原理。

3 结语

通过开设生物工程综合性实验，不但巩固了学生以往所学的理论知识，也培养了学生动手操作的能力，给予学生在一个综合性实验中整理安排实验的训练，为学生走向工作岗位打下坚实的基础。生物工程专业实验教学的改革还需更多的探索和实践，改革实验课程的教学方法和教学内容，培养学生动手操作的能力、发现问题和解决问题的能力，最终培养出合格的应用型生物工程专业人才［4］。

新的生物工程综合性实验对教师也提出更高的要求，所以教师也要不断学习新知识、新技术，提高自身的知识水平和业务能力，保证实验改革的顺利进行。生物工程综合性实验改革的探索虽然取得一定的效果，但还有许多不完善的地方和需要解决的问题，如整个实验体系的设计中工科部分所占比例相对较弱，主要受限于学校、学院和学科的特点，这一部分还需要进一步加强和改进。■

［1］肖连冬.生物工程综合性专业实验的教学改革与实践［J］.广东化工，2009，36（8）∶311-317.

［2］刘胜贵，付明，张俭.生物工程大实验教学模式探索［J］.实验技术与管理，2007，24（2）∶126-128.

［3］钟方旭，代江红，江贤君，等.《生物工程实验》教学改革体会［J］.高等教育与学术研究，2006（2）∶205-206.

［4］徐立新，陈玉香，钱延春.生物工程实验教学改革的探索［J］.微生物学通报，2013，40（9）∶1710-1714.

G642.0

B

1671-489X（2016）10-0130-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.130

*项目来源：2014年河南省高等教育教学改革研究项目“基于中药学专业《生物化学》课程教学设计的研究”（基金编号：2014SJGLX231）。

作者：赵乐，河南中医药大学药学院讲师，研究方向为药用植物分子生物学；郑晓珂，河南中医药大学药学院生物化学与分子生物学学科主任、教授，研究方向为中药活性成分及作用机理研究；马利刚、武慧敏，河南中医药大学药学院（450046）。