研究生分子生物学实验技术教学的思考与实践

刘 琦，王述森，高锦兰，罗 阳

中国医科大学基础医学院医学基因组学教研室 教育部医学细胞生物学重点实验室， 沈阳 110122

分子生物学是一门从分子水平研究生命现象、生命本质及其规律的科学，是现代生命科学中最具活力的带头学科之一，现已广泛渗透到生命科学、基础科学及临床医学等多个领域。掌握分子生物学的基本理论和基本技能已成为当前生命科学对医学人才发展的需求。分子生物学实验技术是分子生物学的重要组成部分，对基本技术的理解和运用有助于相关理论知识的理解和对各种技术的充分组合应用，有利于研究生创新意识、动手能力及科研能力的培养[1-3]。中国医科大学从2000年开始每年面向研究生，尤其是临床各专业研究生开设《分子生物学基本技术》选修课，在教学逐步积累、探索及调整过程中积累了一些经验，现从教学内容、教学方法、考核方式等方面摸索出的一些观点和体会加以总结，以期为提高医学院校分子生物学教学质量及培养素质型人才提供有益参考。

1 教学内容的设置及调整

1.1 教学安排与调整

众所周知，分子生物学的许多理论知识都渗透到实验操作的每一个细节中，而分子生物学的重要性在于其应用性。因此，仅限于理论课，学生很难全面地对所讲授的技术方法及原理进行理解和掌握，教学过程变得枯燥乏味，深奥难懂。因此，我们在最初设置课程时即强调了实验教学的重要性，在40学时的教学时间中，8学时为理论课教学，介绍分子生物学前沿发展动态及前沿技术，同时介绍包括基因重组技术、分子杂交技术等在内的分子生物学技术方法理论知识；32学时为实验教学，以学生亲自动手实验为主、教师示教为辅的方法进行教学，基本的操作内容包括DNA及RNA的提取、聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)、反转录PCR(reverse transcript PCR,RT-PCR)、Western印记杂交、Southern印记杂交等实验(如表1所示)。此外，在教学的空闲时间介绍重组技术、PCR—限制性片段长度多态性及定量PCR等技术的相关要点。在边操作边教学的过程中教授学生了解实验过程的步骤、重点难点以及注意事项，纠正学生操作过程中的不规范之处，从而达到使学生能够知其然并知其所以然的目的，实现教学过程中理论与实践相结合的系统性、完整性和连续性。

表1 分子生物学基本技术实验授课主要内容

分子生物学技术的发展日新月异，新理论、新方法、新设备层出不穷[3]。因此，分子生物学技术课程的教学内容在把握前沿进展的情况下，如何让学生认识到各种技术方法的内在联系并系统性地加以应用显得尤为重要。为了使学生更好地理解各种技术方法及其内在的衔接，我们将课程的主要内容均设置为综合性实验(如表1所示)，每周安排16学时的连续授课，从而使教学内容能够更好地进行衔接。如我们安排学生从人外周血中提取基因组DNA，随后以自己提取的基因组DNA作为模板立即进行PCR反应，扩增结束后以自己的扩增产物及所提取的基因组DNA进行琼脂糖凝胶电泳的检测。通过以上连续的教学过程，使学生在一天的时间内对包括核酸提取步骤及注意事项等技术方法形成系统的认识和掌握。随后，根据琼脂糖凝胶电泳结果，我们挑选学生获得的较好的实验样品在下一次的实验中进行连接、转化等基因重组技术实验，或作为Southern印迹杂交的后续实验样品，从而完整地反映各个技术之间的内在联系，实验内容变成一系列前后关联的有机整体，培养了学生的科学素养和创新思维能力，及他们对科学研究的兴趣。

在2000年课程初设阶段，对于大多数的研究生来说分子生物学技术还是陌生的，学生对于包括PCR等分子生物学基本技术充满了好奇。因此，课堂上对于基本理论的讲解及其应用作为了课堂教学重点，只有很好地让学生理解了上述重点，才会使其掌握相关技术的精髓。由于分子生物学技术的普及与研究工作的普遍需要，目前进入研究生阶段的学生对分子生物学的基本技术普遍具有了一定的了解，个别博士学生甚至达到比较精通的水平。因此，现阶段的教学工作中，对基本理论及基本过程的讲解已经不能满足学生的需要，教学重点内容须调整到对实验条件的优化及技术应用深层次的挖掘。同时，我们与时俱进地加入了部分新技术、新方法的介绍，如利用教研室设备优势，开展包括激光纤维捕获切割及变性高效液相色谱等在内的基因突变检测技术及荧光素酶报告基因检测系统等，受到学生的普遍好评。

另外，为了促进学生更快地进入到科研工作中来，我们在每学年教学中加入了科研设计内容介绍，对科研设计书写的格式、内容及注意事项等进行系统讲授，并要求学生根据自己的专业及研究方向独立完成一份科研设计，同时将学生的科研设计纳入考核的总成绩，以期引发学生形成一定的科研思维，并对自己的课题进行全面深入的思考。

1.2 生物信息学与分子生物学的结合

目前，生物信息学发展迅速，对生物软件的了解及熟练应用可以为学生科研设计及完成插上自由的翅膀，起到事半功倍的效果。因此，利用实验间隙，我们向学生介绍了一些分子生物学常用软件，如在介绍PCR技术及条件优化内容时，让学生利用互联网学习基因序列的查找、利用引物设计软件对目的基因进行引物设计、同源性对比及分析等。此外，在数据库的介绍中，美国国立生物技术信息中心(national center for biotechnology information，NCBI)存贮了大量的生物基因组数据，并提供大量的文献可供查询。蛋白质专家数据库(expert protein analysis system,Expasy)是由瑞士生物信息学研究所维护并提供从序列到结构及双向电泳等蛋白质相关服务，并提供生物学功能预测。在实验教学过程中，教授学生了解并使用这些专业网站，鼓励学生多利用这些网站资源开展自己的实验分析，获取自己感兴趣的资料，从而提高了学生及时掌握各种最新信息的能力[4-6]，为学生独立开展科研工作奠定基础。

2 教学方式的选择

2.1 实验理论与实验操作穿插式进行

我们在教学过程中选取实验理论—实验操作—再实验理论的模式，逐步加深学生对实验技术的理解。首先，教师讲解实验技术理论内容使学生对相关技术有整体性认识，随后进行实验步骤的介绍，对实验步骤的每一步加以详尽的说明。学生操作过程中，在离心、PCR扩增等时间里，我们向学生介绍各种技术的操作技巧，和学生共同讨论关键步骤，如提取DNA时有机相与水相在进行分相操作时如何尽可能多的获得含有DNA的水相，而减小含有蛋白质的有机相的吸入等；或者介绍各种技术的优化原则，如PCR技术中，复性温度与延伸时间的优化，及PCR循环数的设置等。实验理论与实验操作穿插式教学方式能够达到循序渐进的效果，增强了学生在实验过程中发现问题、解决问题的能力和责任心，从而更好地吸收主讲教师所教授的教学内容。

我们的课程面向研究生进行，因此教学过程中创新思维的培养显得尤为重要。因此，在教学过程中灵活运用了讨论式、发现式、案例式等多种教学方法，以引导学生自主学习与思考[6]，如介绍载体构建时对选择怎样的酶切位点插入目的基因进行班级集体讨论。我们在教学过程中鼓励学生提出问题、独立思考问题，教师与学生互动，共同参与到教学中来，在等时时间中我们可以针对学生此前学习工作中遇到的理论问题、实验技术问题及实验设计问题等加以讨论和解答。此外，在每次综合实验课程结束后与学生共同进行总结，引导学生对实验结果进行评价，如琼脂糖凝胶电泳中对基因组DNA及RNA完整性的鉴定，基因组DNA污染的RT-PCR结果评价等。在讨论中总结实验成功的经验，或分析实验中出现的问题，找出失败的原因并提出改进实验的建议和意见，从而使学生进一步明确重点操作步骤的技巧及意义。

2.2 小班授课

课程设置为20人一个小班，并分为5个实验组，由一名主讲教师和一名实验技术教师负责相关实验理论知识的传授及实验操作的指导，每个学生动手操作自己的系列实验。小班授课虽然限制了选课人数，但坚持小班实验教学，让每个学生都能独立完成实验操作，提高了学生的学习兴趣和实际工作能力，有利于主讲教师及时了解学生对所学知识的接受情况并与学生进行及时互动。同时，教师在对学生操作的巡视中有机会对出现的问题加以纠正，并有利于在集体讨论问题的过程中调动学生的情绪，使其主动参与到讨论之中，起到有的放矢的效果。

3 考核方法

为了充分体现实验技术课程的特点，我们在课程结束时的考试环节中安排了理论与实验相结合的考试模式，理论内容占总成绩的50%，实验操作考试占总成绩的20%。在实验考试部分，我们对课程中所介绍的、应用性强的重点步骤加以考核，进一步巩固课上所授知识重点，也考核了学生对知识的灵活运用程度和解决实际问题的能力。此外，我们在教学过程中安排分子生物学技术在科研设计中应用的相关教学内容，考核环节中安排学生完成一份与该专业相关的应用分子生物学技术方法完成的科研设计，占总成绩的30%，为研究生开题等科研训练奠定基础。实践证明，该种考核体系有效唤起了学生的学习兴趣，减轻了学生的负担，深受学生的喜爱，同时又体现了考教一体的教学理念，是教学相长的有益尝试[2-3]。

4 师资队伍建设

我们在授课过程中注重师资队伍的选择与培养，课程主讲教师均获得了生物学专业理学博士学位，且均具有承担国家级科研项目的经历。依托于自身科研工作经历，教师将查阅文献和研究过程中得到的新理念、新理论、新方法和研究成果反映到教学中，缩短了教材内容和分子生物学发展之间的差距。同时，这些活跃在科研战线上的年轻教师与学生年龄相差较小，能够实现与学生间的良好沟通以及有效解答学生提出的技术方法及其应用、科研设计及标书撰写等方面的问题，从而很好地调节了课堂氛围，使学生轻松愉快地进行学习[7]。

实验课程由主管技师带领二年级以上的硕士研究生共同完成助教工作。研究生担任助教工作，可以提高自身的实践能力，有助于增强研究生的创新能力及分析问题和解决问题的能力。同时，在教学过程中，我们注重规范化的岗前培训，对研究生助教采用帮教形式，研究生参与教学准备及预实验全部过程，同时坚持研究生参加集体备课等教学过程。以上措施既保证了研究生作为师资成员的素质与水平，又能使研究生在教学准备过程中加深对实验的理解及理论系统性的贯通，起到一举两得的作用。

经过上述教学方式方法的调整和改进，学生在课程结束之际都由衷地认为，系统地学习分子生物学，尤其是实验操作过程中的规范化、细节化的学习非常必要，可以加深对理论知识的理解，并培养基本的科研思维和科研习惯。同时，上述教学内容的设置与教学方式的选择使我们的课程获得了选课学生的普遍欢迎与喜爱，被学生评价为“内容丰富，安排合理，授课方式易于理解，随时沟通，是一门实用的选修课”，并被学校评为研究生精品课程。

随着人类基因组计划的结束及后基因组时代大幕的拉开，越来越多的实验数据及生命现象显示着生命自身及其调控过程的奇妙，也越来越强烈地呼唤人们揭开生命调控的密码。在高等医学院校的研究生教学课程中，作为认识生命主要手段之一的学科，分子生物学实验课程的开设具有强烈的迫切性和广泛的需求性。通过上述教学措施，我们在提高学生学习积极性、实践操作能力、解决实际问题的综合应用能力及创新能力等方面均收到了良好的教学效果，受到学生的普遍欢迎，具有较强的可操作性和实践性。