“双一流”背景下分子生物学开放性实验模式探究

吴顺，蔡燕

（中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南长沙 410018）

2015年，国务院印发的《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，要求加强创新创业教育，大力推进个性化培养，全面提升学生的综合素质、国际视野、科学精神和创业意识、创造能力。在此基础上，教育部办公厅于2019年正式印发了《关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》，提出从2019-2021年，利用3年的时间建设10 000 个左右国家级一流本科专业点和10 000 个左右省级一流本科专业点。我校林学、生物技术专业和生物工程专业分别于2019年和2020年被批准为湖南省一流专业建设点，2021年被认定为湖南省生物科学领域基础学科拔尖人才培养基地。因此，如何根据国家、地方经济和社会的发展需要，尤其是一流本科专业培养目标对创新创业人才的要求，对生物学科类专业的课程体系和教学内容进行改革，建立“以学为本，以学生发展为中心”的人才培养模式，是当前生物学科类专业建设的关键。

分子生物学是研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学，即从分子水平上阐述蛋白质与核酸、蛋白质与蛋白质之间相互作用关系及基因表达调控机理等，其基本理论和实验技术已渗透到植物学、动物学、微生物学等许多学科领域，也是当前较为活跃的生物学研究领域之一[1]。作为高等农林院校生物学相关专业的主干基础课程，分子生物学实践性很强，因此，如何开设好其实验课程显得更加重要。通过分子生物学实验课程的学习，学生可以加深对分子生物学理论知识的理解，具备较强的实验操作能力，并能运用所学知识分析和解决相关实际问题[2]。21世纪要求学生能够利用分子生物学的理论和技术来分析解答生物学领域所遇到的各类问题，这也是一个生物科学工作者的必备素质。开放性实验一般是根据课程的特点，由学生与教师协商选定实验项目，设计并实施相关实验方案，实验以教师为引导，学生为主体，这对调动学生的学习兴趣和培养学生对问题的自主观察和思考能力具有重要意义[3-4]。因此，笔者对分子生物学的开放性实验模式进行了探讨，经过几年的教学实践，分子生物学实验教学质量和本科生的实践创新能力得到了较大提高，教学效果良好。

1 分子生物学实验教学的现状

就我校而言，目前开设分子生物学实验的有生物技术、生物工程、林学和生物科学4 个专业，在各专业培养目标中明确提出，需要培养出不仅理论基础扎实，同时具有较强问题分析和解决能力的应用型技术人才。然而，分子生物学自从成为独立学科以来，无论是理论层面还是技术层面都得到了迅速发展，但学校开设的分子生物学实验还是以验证为主的基础实验项目，教师按照实验教材上的目的、原理、步骤等一步步向学生详细讲授，学生没有参与感。从学生的实际操作过程来看，所需的实验材料与试剂耗材等都是由实验室提前准备，学生进入实验室后只是按照实验教材上的标准步骤完成相关操作，得到实验结果，最终书写实验报告。这种教学过程都是以班为教学单位，无法满足不同层次水平学生对教学的需求，不仅降低了学生对课程学习的积极性和主动性，而且无形之中缺少了对学生试错能力的培养。

同时，在这种教学方式下，学生在实验过程中基本不会遇到大的问题，只需机械性完成操作即可，不利于培养他们对问题的思考和分析能力，从而无法体验到实验过程的乐趣。由于对实验的参与感不强，部分学生甚至认为实验课价值不大，做实验的态度不积极。对于实验室而言，由于实验课都是集中实施，导致上课时仪器设备数量不足，而其余时间设备却处于闲置状态。因此，改革当前分子生物学实验的教学方式，使学生从被动学习向主动学习进行转变，已经势在必行。

2 分子生物学开放性实验模式的构建

开放性实验的模式改变了实验教学中教师和学生的主辅地位，凸显了学生在实验中的主体性[5]，但并不是不需要教师的指导，选题、实施、监督、评价都需要教师参与指导，而且还需要教师具有更高的知识水平和较强的教学组织能力。因此，针对我校分子生物学实验实施过程中的不足，结合分子生物学实验课程的特点，我们确定了以夯实学生基础和技能、发掘学生创新潜能、培养创新能力为目标的教学体系。

2.1 分子生物学开放性实验项目的选择

开放性实验的主体组成是综合性实验和设计性实验，综合性实验有利于学生基本实验技能的培养和提高，而设计性实验则有利于进一步提高学生综合实验技能，加强学生独立思考能力和创新意识的培养[6]。因此，结合分子生物学课程的特点，我们开设了植物DNA 和RNA 提取、鉴定及已知基因PCR 扩增的综合性实验，以及植物功能基因的重组及在真核细胞中表达的设计性实验。

综合性实验按照常规实验模式进行，由学生根据个人喜好自主选择实验材料，统一在课内由教师现场指导，自主完成相关实验操作。通过这一教学过程，学生既掌握了分子生物学的基本实验技能，也初步具有进行实验项目设计和实施的能力。在设计性实验阶段，我们要求学生根据实验目标，以实验室非常成熟的植物基因功能研究技术为主线，对克隆的几个植物基因构建融合基因，并进行真核细胞表达。这一实验设计过程基本涵盖了植物基因功能研究的全部技术流程，有利于学生对整个分子生物学实验技术体系的融会贯通，也可以通过这个自主学习过程，实现学生从被动学习向主动学习、协作学习的转变，极大地提高学生的科研和创新能力。

当然，在实验实施过程中，学生也会碰到各种不同的突发问题，这就需要教师提前针对可能出现的情况，做好相应的预案，如准备某些实验中间产物或某些替代技术方案，以使学生在自己无法独立完成的情况下继续进行下一步实验。

2.2 分子生物学开放性实验的教学实践

分子生物学开放性实验教学主要是结合各专业教师的科研实验成果，学生根据自身的兴趣分成若干个小组，每小组5-10 人，然后根据自身的学习情况和课程任务制定实验计划，充分调动了学生的主观能动性和团结协作能力，为学生发现问题、分析问题和解决问题提供良好的锻炼空间。实验的开放主要分为定时开放、全天开放和预约开放三种形式，大大提高了实验室资源的利用效率，培养了学生的创新实践能力。

由于教师的时间有限以及实验室课程开设的时间档期影响，教师需要提前明确分子生物学实验基本操作、注意事项以及仪器使用规范等。教师安排好开放的实验项目或学生自主选择基础实验项目，学生按规定时间进入实验室，由教师进行讲授和指导。当然，这种定时开放方式与传统教学方式还是存在一定区别的，由于它注重学生的自主性，更有利于调动学生的积极性。此外，由于学生人数较多，难以同时满足所有学生对基础实验的需要，对此，实验室资源采取全天开放模式，加强对学生基本操作技能的训练。对于部分学生计划的某些实验项目要用到的大型仪器设备（如荧光定量PCR 仪、高速冷冻离心机、梯度PCR 仪等），由于实验室设备不足、考虑仪器的常规维护以及管理人员的时间安排等因素，我们采取预约开放模式，满足部分学生对分子生物学项目进行深入研究的需求。

通过开放性的分子生物学实验教学实践，既完成了分子生物学实验教学任务，也实现了充分挖掘学生学习潜力和实施分层次培养的目标，取得了良好的教学效果。

2.3 分子生物学开放性实验的考核评价

我校分子生物学实验课程成绩与理论课程成绩一样单独设置，独立计算学分，但实验课程更注重操作技能和分析解决问题的能力，其考核过程和方式应该明显有别于理论课程。

在分子生物学实验课程中，改变了往常以实验报告和上课表现作为成绩评定依据的作法，而更注重对学生进行全过程考核，评价分为学生自评、互评以及师评三部分。待学生完成全部实验后，教师将全体学生组织在一起，对本次课程进行集体考核评价。首先由学生小组选派代表对本次实验项目的总体思路和实验情况进行介绍、总结和打分；然后由全体学生对每一小组的实验项目进行分析和质疑，发表各自见解；最后，教师根据学生的自评和互评情况进行点评，对于学生取得的成绩给予鼓励性评价，并指出不足和提出合理建议。评价成绩最终依据包括分子生物学理论知识（20%）、实际操作技能（30%）、对结果的分析与建议（30%）以及实验态度（20%）。

3 分子生物学开放性实验模式的实施效果

分子生物学作为我校生物学和林学相关专业的重要基础学科，其实验教学是学生理解分子生物学基本理论知识和掌握基本操作技术的最佳途径。因此，只有不断更新实验内容和改进实验方法，才能让学生更快地适应分子生物学的快速发展和学科发展的需要。由于分子生物学的实践性较强，我们采用开放性实验教学方式，较好地锻炼了学生独立操作和独立思考的能力，学生学习积极性较高，创新思维和实践能力得到了较大提高。通过多年的教学探讨和实践以及对生物工程、林学和生物技术专业的学生进行访谈调查得知，95.7%的学生认为相较于其他实验课程，分子生物学开放性实验模式更能激发他们的学习积极性和主动性，思维能力和动手能力得到了较大提高，对理论知识的理解也有了进一步的提升。

3.1 学生的实验参与度明显提升

实行开放性实验模式后，学生都会按小组从实验准备开始认真完成相关实验步骤。如在“植物RNA 提取与鉴定实验”中，我们要求学生小组预先写出实施流程，提前自己动手配制提取液、电泳缓冲液等试剂，并按要求完成相关操作。就实施效果来看，大部分学生都积极参与了整个实验的准备过程，通过相互之间的提醒，能顺利完成任务。

3.2 学生的问题分析能力和团结协作精神明显提高

分子生物学开放性实验模式强调学生小组内的配合以及小组间的协调，更需要任课教师的全程耐心辅导，这不仅有利于锻炼学生的团队合作精神，也有利于拉近教师和学生的距离，加强师生的交流沟通，生生互动和师生互动的效应明显，达到了互学互促、共同提高的学习目的。

对于实验中碰到的问题，学生经常会一起查阅相关文献资料并讨论，比如植物DNA 的定量问题，对于出现的不理想的结果，学生会聚集在一起从提取过程、纯化方法等可能出现失误的地方进行分析，寻找原因。同时，对于其他小组出现的问题，尽管实验内容可能不同，但学生间也会相互讨论并提出可能的解决方案。通过这门课程的学习，同学间的关系更加融洽，对实验的相关原理和技能有了更进一步的理解和掌握，也极大地提高了学生分析问题和解决问题的能力。

3.3 学生的实验报告质量和实验成绩明显改善

实验报告的撰写是实验课的重要一环，既是学生实验最终成绩的重要依据，也是锻炼学生动手能力和论文写作能力的重要方面。大部分学生都能在教师的指导下，对自己设计的实验内容和碰到的相关情况进行较深入的分析和讨论，也提出了某些独到见解。例如，在已知基因的PCR 扩增实验中，某些学生自己尝试设计引物对其他植物进行了扩增，同时对PCR 扩增出现的结果进行详细分析，并对今后的实验提出解决方案。这些都反映出学生对实验课的重视程度明显提高，创新思维能力也有了较大提升。

总之，与传统的实验教学方法相比，分子生物学的开放性实验教学具有灵活自由和独特高效的特点，这为我校乃至其他高等院校的相关实验课程教学提供了新的实践方式，也为创新型人才培养找到了一条新的路径。

尽管对分子生物学开放式实验教学所做的积极探索和实践已经取得了一定的成效，但还存在需要进一步完善的地方，如这种教学方式在增加学生自由度的同时，会大大增加实验室教师和管理人员的工作量，学校需要出台相关配套措施，支持和鼓励相关人员的工作。此外，分子生物学开放性实验模式是由学生自主设计实验方案，这对教师的知识储备和实验技能提出了更高的要求，教师需要结合自己的科研开发出更多创新性实验，以满足学生的需求。总之，实行分子生物学实验的开放模式工作量大且十分复杂细致，在实践过程会可能出现各种难以预料的情况，因此，我们需要积极探索问题和总结经验教训，达到预定的教学目标。在后续的实践过程中，我们将在这些方面进行深入探讨，以提高分子生物学实验的教学水平，培养适应社会需求的创新型专业人才。