基因工程实验模块化教学改革初探

阮景军,田山君,徐如宏,田恩堂,程剑平

(贵州大学 农学院,贵州 贵阳 550025)

基因工程又称重组DNA技术和分子克隆技术，诞生于20世纪70年代初，掀开了人们按照自己的意愿，在体外进行基因操纵的新篇章。分子生物学以遗传学、细胞生物学、生物化学和微生物学等学科为基础，从分子水平上研究生命现象的本质特征，即通过研究DNA、RNA和蛋白质等生物大分子的结构与功能及其物质代谢与调节规律。基因工程以分子生物学和分子遗传学的基本理论为理论基础，以现代分子生物学和微生物学的先进研究方法为技术手段，将体外构建的重组DNA分子导入受体细胞以此改变原有生物的性状，基因工程已成为当今自然科学领域理论创新最活跃、进展最迅速、发展最具活力的前沿科学[1-2]。基因工程是伴随着分子生物学的产生而诞生的，是一门理论密切联系实践的基础学科，课程所涉及的绝大部分内容都与分子生物学的实验技术息息相关，分子生物学在理论和实践中的发展为基因工程的发展打下了良好的基础，同时，基因工程所展现出的蓬勃盎然生机和巨大的发展潜力反过来推动了分子生物学的迅猛发展，而分子生物学的蓬勃发展进一步助推了基因工程的快速发展[3]。基因工程和分子生物学实验教学环节是生物学和农学相关专业专业基础课的重要组成部分；是学生掌握生物科学的基本技术；是学生分析和解决生物学方面实际问题的能力培养；是学生独立操作能力和科学思维能力提高的最佳途径[4]。因此，如何在实践活动中激发学生的积极性和实验兴趣，怎样去培养学生的实践能力和创新思维，是基因工程和分子生物学实验教学需要不断探索和努力提升的地方。传统的实验教学模式不利于学生学习兴趣提高和学生动手能力的培养，也不利于学生创新精神和科学思维的培养。显然，这已不能适应当今素质教育的要求，因此，基因工程和分子生物学实验教学改革势在必行[5]。

1 基因工程和分子生物学实验教学中存在的问题

基因工程和分子生物学是贵州大学生命科学学院和农学院重要的专业基础课，面向生物科学、生物技术、农学和生物工程4个本科专业开设，同时开设有相应的实验课程。跟其他实验课程相比，由于这两门实验课的综合性和复杂性决定了其本身的教学难度，各个实验项目相对独立，而又相互关联，以及基本实验技术的通用性及学科上的相互交叉性和依赖性，导致某些实验重复开设，实验室重复建设等问题，不利于实验课的系统更新[6]。例如，植物基因组DNA和质粒DNA的提取、DNA的酶切和电泳鉴定、聚合酶链式反应(PCR)扩增目的基因和大肠杆菌感受态细胞的制备及转化等实验内容有时重复开设。传统的教学模式是分两学期开设，实验内容大都是按照教学大纲的要求设定的，不重视各实验内容之间的有机结合性和相互连贯性，各个实验相对孤立，缺乏内在的联系，且验证性实验居多，综合性、研究性实验较少。这种墨守成规的教学模式很难调动学生的实验积极性，更不利于学生创新能力的培养，同时也不利于学生综合素质的提高。实验考核往往只是根据学生平时所交的实验报告得分和最后的期末考试成绩按一定比例计算给出最后成绩，不能全面反映学生的实际动手能力和科研综合素质，更不能全面调动学生实验的积极性和主动性。显然这种旧的实验教学模式已经不能适应新世纪创新人才的需要，改革势在必行。

2 基因工程和分子生物学实验模块化实施内容

贵州大学生物化学与分子生物学教研室根据教学大纲要求，按生物大分子的基本特征，将基因工程和分子生物学的实验内容进行有机融合，以大模块的形式进行有系统地改革(如表1所示)，将所有实验分成3个大模块，每个模块包含若干个独立的实验项目，各个实验项目之间环环相扣，构成一个独立的系统。同时，结合教师的科研课题，增加一些创新性、综合性和设计性实验，以某一具体的生命活动为研究对象，从而激发学生对科学研究的兴趣，提高学生的实际动手能力。将该实验课集中在学期结束前的两周内上完，实验室从早上8∶00到夜晚10∶00向学生开放。学生可以通过网上选课系统进行自由选课。

表1 模块化教学改革的特色

1)第一模块为DNA相关实验模块，共32学时。包括：动物基因组总DNA的提取(4学时)；动物基因组总DNA的检测和浓度测定(4学时)；PCR扩增目的基因(4学时)；目的基因的转移与重组体的检测(8学时)；DNA探针的制备和标记(4学时)；非放射性Southern blotting(8学时)。

2)第二模块为RNA相关实验模块，共20学时。包括：植物总RNA的提取及电泳检测(4学时)；RT-PCR技术(8学时)；Northern blotting(8学时)。

3)第三模块为蛋白质相关实验模块，共16学时。包括：小麦幼苗SOD的提取(4学时)；目的基因在大肠杆菌中的诱导表达(4学时)；基因表达产物的纯化、纯化产物的SDS-PAGE(SDS-聚丙烯凝胶电泳技术)和Western blotting(8学时)。

在给定实验目的和材料的基础上，教师现场演示、巡回指导和回答疑问；学生自己准备实验材料、动手操作和分析实验结果。结合教师的科研课题，每个模块开设1～2个综合性设计实验，学生在老师的指导下独立设计并完成实验。

3 建立科学客观的实验成绩评定方法

客观、公正、科学地评定学生的实验成绩，可以正确引导学生在专业知识、创新能力和科学素质等方面的协调发展；反之，则会极大地挫伤学生实验的积极性和主动性[4,7]。具体的成绩评定分为5个部分：实验记录10%，实验操作20%，实验报告20%，设计性实验20%，期末考试成绩30%。实验报告评分主要根据实验记录是否完整、实验结果是否正确以及讨论是否深入等方面进行评价；对于设计性实验的评价，主要根据学生的设计方案是否切实可行，实验结果是否正确，以及讨论分析的情况等几方面评分；期末整个实验课结束后，教师准备150多个与平时实验相关的题目，学生随机抽取3个题目，当场进行解答和实地操作，教师根据学生回答的正确性、仪器使用的准确性和试剂使用的常识性对测试内容进行综合评分。

4 强化设计性实验，实行开放式实验教学

基因工程和分子生物学是应用生物类和遗传育种相关专业的主干课程，必须以培养学生的开拓创新精神和实践动手能力为核心，重点培养学生各方面全面发展的综合应用能力[8-9]。实验教学的目的是让学生理解实验的设计原理和掌握实验的操作方法，并能对实验结果进行科学的分析，因此实验教学应当强调给学生以尽可能多的独立设计实验的机会。在设计性实验中，要求学生在教师的指导下独立设计实验方案，并作可行性分析。学生自己查阅相关资料并制订实验方案，交给指导教师修改和审核，审核合格之后方可准备实验和开始课题的研究。农学院和生命科学院的学生都可以根据自己本科毕业论文的选题方向，选取自己喜欢的植物作为实验材料，并根据指导教师的科研项目，可以选择克隆、表达某一关键基因，也可以进行DNA分子标记辅助育种和遗传修饰育种等实验。实验室24小时对学生开放，学生自己合理安排时间进行实验。同时要让学生在实验中学会独立思考，熟悉每一步实验背后的原理，学会自己去观察和分析实验现象，找出实验做得不好或失败的深层次原因。实验完毕后，要求参加实验的学生都必须独立写实验报告，实验报告的书写要用简练的语言概括目的与方法、结果与讨论、实验的体会与存在的问题等内容。设计性实验报告的要求，类似于毕业论文的要求，要有参考文献。这样做不仅有利于快速提高学生的实验技能，培养学生的科研兴趣和独立思考习惯，而且有利于启迪学生的创新思维和创新能力，为以后从事科研或工作打下良好的基础[10-11]。

5 实验教学改革的效果及体会

通过学生期中座谈会、学生网上评教、系部领导定期听课和学校教学督导员抽查反馈的情况来看，学生对基因工程实验模块化教学改革非常满意，对系列实验有极高的学习兴趣(如表2所示)。《基因工程与分子生物学实验的模块化教学改革》教学新模式经过3年多的尝试，取得了以下成效：

1)大大激发了学生的实验兴趣，有效地将实验的创造性、趣味性、综合性等要素有机地结合在一起，有利于全面训练和培养学生的创新思维、自主设计能力和实践动手能力；

2)有助于培养学生的独立思考的习惯和综合应用能力；

3)为学生搭建了一个独立思考科学和自主解决实际问题的平台；

4)增强了学生的就业信心，目前有越来越多的学生能够到大型的生物公司和科研院所实习和就业，如三九医药、广州药业、南京金斯瑞生物公司和深圳华大基因研究中心等；

5)锻炼并提高了学生的科研水平，将各个单项实验整合为一个独立的课题，在实验教学中还原出科研的本来面貌，有利于引导学生快速掌握科学研究的方法，激发学生的科研兴趣，真正起到科研启蒙的作用。近3年学院学生的考研率达到40%，考取率达50%，连续几年居全校前列，考取的院校有浙江大学、中山大学、武汉大学和中国科学院等一流的高校和研究院。招收单位普遍反映，学生的动手能力强、基本功扎实、综合素质高。在贵州大学和贵州省举办的生物技术实验技能大赛中，生物科学、生物技术、农学和生物工程专业的学生多次获奖。在每年学校的大学生创新实验项目和STR项目申报中，生物学和农学相关专业的学生在全校创新实验项目中的立项率达到了30%。近3年，已结题并已发表论文11篇(核心期刊8篇，省级期刊3篇)。

表2 改革效果

6 结束语

目前通过建设，学院本科实验教学平台和大学生创新实验平台的布局更加合理、功能更加完善，然而基因工程和分子生物学综合实验教学改革实际上是一个系统工程，仍需不断努力探索和实践，基因工程实验教学的内容和方法也要根据学科发展不断地进行大胆的改革和创新。同时，教师和实验员还应积极锻炼和提升自身的业务水平和科研素质，紧跟学科前进的步伐，不断改善实验条件，促使实验教学向更加科学合理的方向发展，为国家培养出更多优秀的创新型人才[12]。