基因工程实验启发式教学的探索与实践

董平 杜亚楠 王富龙 鞠磊 孟祥红

摘 要：为加强专业实验课程在学生综合实践能力和专业素养提升中的支撑作用，针对基因工程学科前沿性强、研究对象抽象的特点，在本科《基因工程实验》课中展开启发式教学的探索和实践。在课程设计、课堂打造、授课形式、考核模式、课后延伸各个环节采用具有“启发性、开放式、趣味性”特征的教学改革和创新，包括“层进式”实验内容、“开放式”课堂、“生动化”教学资源、“三位一体式”实验课程考察方式、国际化授课、与课外科研活动对接、热点科学问题引入等。从多角度、多层面切实提升学生科学思维、综合实践和创新能力，在实际教学中获得师生认可。

关键词：基因工程；实验课程；启发式教学；本科

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）01-0062-03

Abstract： The specialized experimental course is the supporter to enhance students' comprehensive practice ability and professional attainment. Genetic engineering is a frontier discipline who has abstract study objects. Based on these features， this paper explores the application and practice of heuristic education in course of gene engineering experiment. Heuristic， open and interesting teaching reform and innovation adopted in curriculum design， lecture form， assessment mode and after-class extension are discussed in this paper. The teaching reform and innovation includes clearly arranged experimental content， open classroom， vivified teaching resources， trinity course examining method， internationalization teaching， teaching and scientific integration， popular scientific topic lead-in and other respects. The aim of this paper is to improve students' scientific thinking， comprehensive practice and innovative ability from various perspectives and levels so as to earn approbation of teachers and students.

Keywords： genetic engineering； experimental course； heuristic method of teaching； undergraduate course

随着国家对人才素质要求的提高和教育理念的发展，启发式教学作为一种科学、先进的方式在多学科、各层次人才的培养中获得推广和应用[1-3]。啟发式教学“以学生为主体、教师为主导”，教师的主要任务是唤起学生的积极思维和主动学习，引导学生发现问题、思考问题、解决问题，学生在整个学习过程中始终兴趣十足，处于一种对知识的追求状态，学习特别强调理解、运用、发挥、创造，学生在其中能够有效的提高独立分析问题和解决问题的能力[3，4]。新形势下，“基础扎实、能力突出、素质综合、主动创新”成为对各个高校对人才培养的普遍共识[5]，因此，启发式教学成为复合型人才培养应该进行的教学改革有益尝试。特别是对学生参与度高、综合实践性强的实验课程，启发式教学将有更大的发挥空间并产生更为显著的效果。

《基因工程实验》在引导学生巩固和深化基础知识理解的基础上，向学生传授DNA重组涉及的各项技术、方法，使学生形成基因工程系统操作的概念。基因工程诞生于上世纪70年代，是当今生物科学研究诸领域中最具有生命力、最引人注目的前沿学科之一[6]，广泛应用于医学、药学、农业、食品、农业、生物、军事等各个领域，是生物技术、生物工程等专业的主干专业课程[7，8]。基于基因工程学科前沿性强、发展迅速、知识更新快、技术设备先进、研究对象抽象等显著特征，如何使学生系统掌握相关关键技术，如何将书本上的抽象知识活现在实验中，如何使学生切实融汇各理论和实践知识点，并真正能够在实际科研和工作中活学活用，如何使实验课程紧随学科发展的前沿，使学生感知“基因”科学的魅力和潜力，成为我们在教学中一直努力探索和不断改进的方向。经过多年的探索，梳理教学思路，改进和多样化教学方式，逐渐形成了一些针对基因工程实验课的启发式教学的实践和经验，在实际运用中获得师生的认可。

一、精心课程设计，引导学生形成系统科学思维

基因工程是一门逻辑性、系统性较强的前沿学科，涵盖“切、接、转、检、增”几个紧密联系的典型过程，切实提高学生的综合实践能力、使其形成科学思维和系统操作概念是课程的基本目标，因此一直以来我们着力于系统、科学的“启发式”课程内容设计。

（一）对接相关课程

深入理解先导和后续相关课程设置，努力做到课程间的相互补充和配合，在课程中穿插其它相关课程的知识点，如“核酸结构与其表征方式的关系”、“核酸与其它生物分子电泳比较”等，使学生融会贯通，深化理论知识的理解，以此支持实践技能和发现问题、解决问题能力的提高。

（二）“层进式”课程内容

设置“层层推进、环环相扣”的实验内容，以某一特征基因的重组全过程为主线，涵盖感受态细胞制备、DNA重组→转化、阳性克隆筛选→浓度、纯度测定→酶切→产物PAGE电泳检测→PCR扩增→RT-PCR定量→Agarose电泳检测，典型的32学时课程内容设置如图1所示。学生在整个学习过程中能够循序渐进的掌握各项关键技能，并且综合思考，自觉的掌握基因工程系统实验过程。

（三）启发式思考题

结合课程内容设计启发性强的思考题，如“转化后如去掉大肠杆菌在37oC的复苏过程将会发生何种现象”、“结合不同核酸分子结构分析紫外分光光度法测定其浓度时系数不同的原因”等，引发了学生课后的更深层次的思考，促进了学生独立思考和自主学习能力的提高。

（四）追踪学科前沿

密切追踪基因工程发展前沿，注重教师的专业知识持续提高，并将科研与教学进行结合，每年调整更新实验课程内容，避免实验课程与学科发展脱节。采用应用性和前沿性强的技术和实验材料，如引入广泛使用的专门针对PCR扩增产物的T载体、使用实际中更多使用的Nanodrop作为核酸浓度和纯度测定的先进仪器，使学生亲身接触课程前沿，切实掌握先进的新技术。

二、打造“开放式”课堂，凸显学生在教学中的主体地位，提高学生自主持续学习能力

从课程效果和安全的角度实验课程需要学生更高的参与度和专注力，因此，遵循“启发式”教学的特点和优势，我们尝试打造“开放式”课堂，以此拉近教与学的关系，使学生真正成为学习的主人，从而自觉提高自身综合实践素质和自主学习能力。

采取有效措施，为“开放式”课堂作保障。采用小班授课，每次上课人数<20人，每组实验人数1-2人，保证教师对所有学生的关注覆盖，每个学生的学习效果不打折扣；完善实验卡片、预习资料等，在其中为每个实验小组有条理的列出材料、仪器、试剂、耗材等信息，为学生独立开展实验提供支持。

着力于课堂的“开放性”，主张实验课堂“手脑齐动，想到说到”，鼓励学生参与授课讨论，学习过程中随时提问、质疑、讨论，使老师及时了解学生学习效果或纠正错误，打造热烈、高效的课堂学习气氛，形成人人都是课堂主人的良好氛围，成为学生们一致推崇的课堂形式。

以课外学习延伸教学课堂，丰富“开放式”课堂的形式和内涵。鼓励学生将课外延伸学习带入课堂，如部分学生在参与本科生研究发展项目（SRDP）、科学竞赛等课外科研活动中遇到的问题，查阅文献遇到的新技术新发现等皆被鼓励带入课堂，在实验间隙与老师和同学进行讨论。这种做法延伸了课堂学习到实际科研中，增强了学生的实际学习效果。

三、丰富授课形式，穿插趣味化细节，激发学生学习热情和求知欲

实验课程往往具有操作时间长的特点，学生容易产生疲倦，影响课堂学习效果。因此，我们采用多种授课形式、着力于细微环节的设计，提升学生的学习兴趣，激发学生的求知欲。

（一）“生动化”教学资源

制作简洁明快的ppt，不忽视实验课程的“讲解”，注重讲解的易懂和生动。务必使学生在操作前明确理解原理、各试剂作用、各步骤如此操作的原因等。学生“理解了”自然操作起来有的放矢，边做边思考，最大化的吸收课程内容。

制作生动的教学视频，提升演示和学习效果。基因工程中涉及一些有一定技术难度的操作，而且实验的器械往往很小，如果仅仅在实验室中为学生演示，学生容易看不清楚，学习的效果差、效率低。因此，我们针对每一个实验制作了关键操作的教学视频，配以字幕、讲解，不仅提升了学生的学习效果，而且视频的播放更容易引起学生的兴趣，在学生中反响强烈。

（二）“趣味化”教学环节

穿插实验竞赛、互问互答、操作接龙等教学环节，活跃课堂气氛。如在碱法提取重组质粒环节进行质粒纯度和浓度竞赛，果然，同学们在实验过程中积极性倍增，学习更加用心，操作过程人人主动，为了保证自己的测定结果无误，甚至反复进行测试，在此过程中实验要点自动被同学们铭记于心。

四、创新实验课程考核模式，检验学习效果，深化学生对实验操作的理解

创新的设置“课程总结回顾→知识实际应用→随机考核”的“三位一体式”实验课程考察方式。其中“课程总结回顾”每组总结课程的一部分，总结形式任选（操作演示、ppt、板书等），题目以抽签模式选定；“实际应用”环节将实验课内容与某一热点基因工程问题（转基因食品等）相联系，学生进行问题的提出和解决方案的设计；“随机考核”由老师、其他同学针对前两部分的讲解和操作提出1-2个有针对性的问题，受试组进行口头或操作解答。通过该综合考核，一方面可以较为系统全面的考察学生的学习效果，为教学评价和以后的改进提供依据，另一方面以实际热点问题为依托，对学生发现问题、解决问题的能力进行进一步的深化。

五、授人以渔，在课程中展现学科魅力，培养学生持续学习能力

实验课程往往与学生未来工作相关性高，在引导学生加深专业理解、感染专业魅力方面有不可替代的优势，同时，基因工程实验具有持续发展势头迅猛、技术更新快的突出特点，因此，教学中要注重培养学生追踪学科前沿发展和持续学习的能力。

首先，注重实验思想的传授，而非孤立实验技术的学习，使学生触类旁通，能够在未来的学习、研究和工作中运用今日所学，延伸到更深远的未来。

其次，注重教学与国际接轨。作为前沿性学科，基因工程相关文献和交流很多以英文形式呈现，在课堂中我们特别加入英文教学小视频，课后布置学生查阅英文学习材料（如内切酶的英文使用说明书），切实提高学生国际交流能力。学生普遍认同这种专业外语的学习方式，有的同学在期终考试的“课程总结回顾”中甚至主动要求使用英文。

另外，与教学内容结合，展现“基因”魅力。如在实验中将DNA与计算机类比，计算机仅用0和1两个字符即可实现强大的功能，而DNA具有4个字符（AGCT），学生瞬间感受到了“基因”功能的强大，感染于基因工程学科的强大魅力，对学科深入探索的欲望倍增。

同时，通过热点争议问题，引发学生从专业角度在未来持续的学习和思考。如“转基因食品”，这既是目前街头巷尾热议的话题，也是典型的基因工程科学问题。在期末促成学生从专业角度审视这个问题，引导学生在未来的学习、工作、生活中具备从专业角度对其进行持续关注和思考的能力，树立不盲从、不瞎猜、科学解决问题的正确态度。

六、结束语

我们对《基因工程实验》进行了一些启发式教学的有益尝试，收获了来自专家、教师和学生的多方认可，获得我校本科教育教学研究项目支持，在本科教学评估中获得优秀等级，是当年唯一获得优秀的实验课程。

然而，在持续的教学改革中我们也发现仍有一些问题需要认真思考，进一步完善。如学生参加课外科研活动的情况不同，造成学生实验水平参差不齐，如何更好地满足各个层面学生学习的要求，需采用有一定区分度的改革措施；目前一次课程的时间较长（4课时），容易让学生疲劳，如何合理划分实验内容，尽量将一次实验压缩至2-3课时，需要在今后进一步改进。

参考文献：

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[4]尤娟.启发式教学在食品专业创新性实验教学中的应用-以“创意鱼豆腐的制备及品质评价”为例[J].科技文汇，2016，20：55-56.

[5]王严淞.论我国一流大学本科人才培养目标[J].中国高教研究， 2016，8：13-19.

[6]裔传灯，周勇，张昌泉，等.基因工程实验教学的改革与实践[J]. 科教导刊，2015，3：103-104.

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