生物学自主设计型实验探索

摘要：指出了分子生物学是生命科学相关学科的主干课程，具有很强的实践性。同时，学生掌握分子生物学的实验方法和技术手段，对培养自身科研能力具有重要意义。结合当前高校对于绿色植物叶绿体DNA提取的实验，从丰富教学方法、更新教学手段、改进考核方式等方面进行了改革与探索。以期提高学生学习质量，强化实验技能及综合能力培养，为高校培养高素质创新型人才奠定基础。

关键词：自主设计;叶绿体DNA提取;分子生物学实验

中图分类号：Q71.2 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）03-0229-03

1 引言

实验教学是高校深化课堂教学内容的重要环节，在培养学生探索和创新精神，提高其实践能力和科学素养等方面起着举足轻重的作用川。分子生物学是生命科学及医学等相关学科领域的重要研究工具，也是当代促进整个生命科学发展的前沿科学，具有理论与实验结合紧密、动手操作能力强、实验技术要求高、实验经费消耗大等特点[2]。作为学生从理论学习到实践操作和科学研究的重要学习环节，分子生物学实验起着举足轻重的作用[3]。

当前在分子生物学实验教学领域还是采用传统的教学方式，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。此外，由于考核方式单一，学生更注重于去完成一份漂亮的实验报告而不是注重实验本身，致使其在实验过程中不愿意多动手，为了追求理想实验结果而对原始实验数据进行改动，甚至抄袭实验报告。学生不能很好地参与实验，导致课堂氛围沉闷，严重束缚了学生创新能力的培养。

叶绿体是植物进行光合作用和能量转化的重要细胞器，叶绿体内具有自主遗传信息，属于母系遗传。与核基因相比，叶绿体基因比核基因小，便于克隆与遗传操作;具有多拷贝，可高效表达目的基因;外源基因可以定点整合，无位置效应和基因沉默现象;母系遗传使得后代安全性好，可避免基因外漏产生基因污染。此外，叶绿体基因组具有适中的核苷酸置换率，编码区和非编码区进化速率不同使其适用于不同分类阶元的进化研究。由于叶绿体DNA相对保守的特性及其在生命活动中的重要功能，已被广泛用于细胞质遗传、植物系统发育、遗传多样性和亲缘关系等多方面的研究，而获得高纯度且结构完整的叶绿体DNA是开展相关研究的前提条件。

为提高学生的理解和接受能力，加强学生应用实践能力的培养，本文以身边植物叶绿体DNA提取实验为例，结合本院实验教学工作的实际情况，针对分子生物学教学模式及考核方式进行改革探索，以期提高学生学习质量，强化实验技能及综合能力培养，形成符合地方高校应用型人才培养的分子生物学实验教学模式。

2 实验设计

2.1 材料选择

利用日常生活中常见的绿色植物进行叶绿体DNA的提取。学生可自行查阅资料，选取自己感兴趣的植物进行叶绿体DNA的提取。

2.2 方案制定

提取叶绿体DNA有许多方法，学生可提前自主查阅文献，根据自己选取的植物材料设计相应的实验流程，提前配制实验中所需的非常规试剂;然后统一在实验课堂上进行操作，有不足之处及时调整、修改自己的实验方案，完成实验计划;最后对实验结果进行处理与分析，并撰写正式的实验报告。

3 实验方法

本实验要求学生自行选择的实验材料，通过文献的查询，设计不同的方法例如高盐一低pH法，蔗糖梯度离心法或密度梯度離心法等获得叶绿体DNA，然后用琼脂糖凝胶电泳，检验叶绿体DNA的完整性。

学生可根据不同实验方法的选择，分为多个小组进行讨论交流。

主要仪器：各型号无菌蓝盖瓶若干，无菌100mL离心管，无菌1.5mL离心管，各型号冷冻离心机，超高速冷冻离心机，水浴锅，摇床，匀浆机或榨汁机等。

4 教学实验反思

4.1 实验现状及存在的问题

由于分子生物学发展较快，其仪器设备更新速度快，价格较为昂贵，相关试剂和耗材成本较高等原因，使得一些地方高校对分子生物学试剂投入不足，实验仪器和台数欠缺。学生独立动手机会少，缺乏真正的锻炼机会，影响了学生创新能力、综合素质及实践能力的培养。

传统分子生物学实验课时安排分散，如基因组DNA的提取、琼脂糖凝胶电泳和PCR扩增等。整个实验过程内容单一，知识连贯性不够，加之理论课程偏难，学生遇到问题时不清楚何时运用和怎样运用这些技术解决实际问题，出现“只知其然，不知其所以然”的现象，严重影响了教学效果及教学质量[4]。

考核形式片面，缺乏激励机制。分子生物学课程开设相对较晚，学生在上课之前很少接触相关知识，有一种生疏感，加上分子生物学理论知识抽象，学生排斥感明显，无法引起学生学习兴趣[5]。同时，传统分子生物学实验教学质量的评判依据主要是学生的实验报告。多数学生认为交一份漂亮的实验报告就可以得到较高的分值，致使其在实验过程中不愿意多动手，为了追求理想实验结果而对原始实验数据进行改动，甚至抄袭实验报告[6]。在这种情况下，教师难以发现学生的真实问题，不利于正确评价学生的学习质量。

4.2 创建独立的实验体系

提取叶绿体DNA的方法有许多，学生在查询文献时同样也检索到了不同的方法。而在一些文献中，实验的精确用量及实验细节是无法展现的，需要学生根据其他类似的实验，比如DNA的提取来对本实验进行理解。例如：在高盐一低pH法和蔗糖梯度离心法中，利用蛋白酶K进行裂解时，需根据实验材料的不同而有不同的时间，具体可参考裂解液的颜色变化，而并非仅仅是根据

参考文献中的时间而定。

经过学生自主性试验比较后发现，高盐一低pH法的成功率最高。一是因为高盐一低pH法试剂配制及实验操作较为简单，不易出错。二是其他的实验方法，例如蔗糖梯度离心法，其密度梯度提取时，常常无法保证将完整的叶绿体与破碎的叶绿体分离，且其DNA得率较低。

除此以外，学生选用了不同的植物时，即使采用相同的方法，得到的DNA含量也会有差异。从此处可以对学生提出实验改进的要求，学生可通过自行搜索文献，对实验的每个步骤进行理解并优化。例如一些植物中富含类黄酮及多糖，可在高盐一低pH法中将缓冲液的DTT去掉，且调整NaCl的浓度[7]。

学生通过多种实验方法的比较，增加了学生的实验探究能力，培养了学习的主动性与自主动手能力。

4.3 构建新的教学模式

自主设计型实验需要学生先独立检索文献，对文献中的实验器材，试剂及方法进行归纳总结，对实验步骤中的每一步进行理解。在进行实验时，学生可以将同一种实验方法但并非同种实验材料进行比较，也可以将同一种实验材料而不是同种实验方法进行比较，验证其提取效果。通过基础实验教学与自主设计型实验相结合的教学模式，不仅可以有效的提高学生的学习积极性，同样可以促进学生对基础实验相关知识和技能的进一步掌握。

此外，在实验开展前，教师最好可以对学生自主设计的实验进行审阅，以保证学生实验的正确性，同样还可以充分利用多媒体技术整合资源，丰富实验教学手段，将内容繁复且抽象的实验原理及步骤进行讲解、演示。在实验的开展过程中，老师同样需要对学生进行必要的引导，以免学生产生畏难情绪，保证实验的成功率。在教师引导下让学生在实际操作前有整体的思路和预期，在实验过程中敢于主动实验、互相讨论，达到应用知识解决实际问题为目的，提高学生的综合能力。

实验教学是对理论知识的巩固和验证，从各个方面评价学生的学习效果，在学生的积极性调动方面起着十分重要的作用。我们希望能够将实验课程的考核方式由“实验结果为主”改为“实验技能掌握为主”。在考核过程中，以学生实验操作、参与度、实验过程记录、结果等多方面来作为依据，使整个实验考核真正从注重结果转向为注重过程，从而强化学生对整个实验过程的把握度[6]。

5 结语

如今高等院校培養大学本科生的首要目标和任务是培养复合应用型人才，为了实现这个目标，就要加强对学生技能训练、创新意识培养和开拓精神的锻炼，从理论到实践、从所知向能用的飞跃是现阶段高等教育人才培养改革的重要环节[9]。

本科教育是提高高等教育质量的最重要基础，建设世界一流大学，人才培养是本，本科教育是根。通过实验教学改革在分子生物学实验课的探索及实践，充分体现学生的主体地位，在实验教学各环节中激发学生的学习积极性，在真正意义上增强学生分析问题和解决问题的能力，增强其科研能力和创新能力。完善考核评分标准，加强对学生的管理，全面考核学生的实验技能水平，提高实验教学效果[10]。

参考文献：

[1]马金成，王海洪，王声斌.生命科学研究性实验教学探讨[J].生物学杂志，2013.30（2）：95～97，107.

[2]田生礼，宋国丽，李辉，等.分子生物学实验教学模式的多样性探索[J].教育教学论坛，2011（15）：221～222.

[3]史晋绒，徐丹丹，袁登越，等.基于应用型人才培养的地方高校分子生物学实验教学改革与探索[J].教育教学论坛，2019（4）：273～275.

[4]王跃飞，李红星，张晓培，等.自主性实验平台在应用型人才培养模式中的研究与探索[J].山东化工，2016， 24：135～137.

[5]王艳琴，袁才佳，蒋显勇，等.分子生物学检验技术实验教学改革探讨[J].社区医学杂志，2016，14（11）：80-82.

[6]许伟榕，程枫，沈文红，等.生物化学与分子生物学实验教学方法改革初探[J].实验室研究与探索，2010，29（11）：125～127.

[7]孙雨晴，陈立，杨亚会，等.葱属蔬菜作物叶绿体DNA提取及其质量评价体系的建立[J].分子植物育种，2018， 16（20）：6802～6807.

[8]李晶晶.生物化学与分子生物学实验教学策略[J].当代化工研究，2019（10）：33～34.

[9]张端鸿.办好本科教育是大学的根本[N].中国教育报，2018-06-26.

[10]狄建军，佘集凯，黄风兰.“分子生物学实验”研究型教学模式探索[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2019（6）：36～37.

收稿日期：2019-12-11

基金项目：民族高校建设生物科学类一流本科专业的实践研究项目（编号：JYZD19064）

作者简介：吴智华（1986-），男，博士，讲师，研究方向为遗传学。