生物科学综合实验及其教学模式的改革

赵 静，史美云，高雨堃，贺雷雨，李文利

（大连理工大学生命科学与药学学院，辽宁盘锦 124221）

0 引言

针对传统实验教学存在的问题及新时代人才培养标准高的特点，我校生命科学与药学学院对生物科学专业实验课程开展了系列改革，从传统的单一验证性实验教学，逐渐过渡为综合设计型和科研转化型的开放式教学模式［1-2］。本研究将生物科学领域必备的科研实践技术引入教学中，使本科教学与科学研究有机结合，达到了新时代背景下高校对科教融合型人才培养的高标准、高要求、高期望［3-4］。

综合实验不仅融合了生物化学、分子生物学、微生物学及遗传学等几门必修课程的理论知识，所涉及的实验技术更是现代生命科学领域常用的科研技术手段。实验涉及多个环节，各个环节循序渐进，承上启下，这样不但使学生可以清晰地把握整个实验脉络，也提高了学生对实验的重视度及操作的规范化，从而确保了高效有序的教学效果。此外，经过文献检索、实验设计操作及科学研究论文的写作等严格的训练后，学生的科研能力和水平得到了进一步提高，这为其后续从事相关领域的科学研究工作打下了坚实基础。

制约于多种客观因素，很多高校实验教学依然采用传统的单一线下操作模式，实验教学缺乏探究性和趣味性，不利于调动学生的积极性，从而导致教学效果不佳［5-6］。随着现代网络技术的发展，实验教学模式创新的重要性日益彰显，因此，需要不断推进本科实验平台的建设及相关实验教学模式的改革［7-8］。在生物科学专业的综合实验课程中，创新性地增加了虚拟仿真训练和微视频全程在线辅助操作等新型教学手段，真正实现了实验教学模式从传统单一的线下教学逐渐向多样化的教学模式转变。

本文以体外构建表达β-葡萄糖醛酸苷酶及其酶学活性测定实验为例，具体讨论在综合实验设计与探索方面的工作。

1 实验方案设计

实验方案设计是贯穿实验课程的核心，学生可通过阅读相关文献、设计实验方案、优化实验条件、对实验结果进行分析讨论，并以预实验报告的形式完成。方案中应包含实验的技术流程、时间安排、操作方法及预期结果等。以体外构建表达β-葡萄糖醛酸苷酶及其酶学活性鉴定实验为例，具体的实验方案设计流程如图1 所示。

图1 体外构建表达β-葡萄糖醛酸苷酶及其酶学活性测定实验方案设计流程图

2 混合教学模式的开展

混合教学实验课程的开展是在线下实操的基础上，辅以微视频及虚拟仿真等互联网背景下的新型教学手段。该课程采用开放式教学模式，实验开始前，学生需注册登录虚拟仿真平台，经任课教师审核通过后即可阅读实验相关内容，如原理介绍，操作演示等。完成练习模式后，学生在线考核，并将成绩提交至教师端，方便教师进行评定。在线下实操环节，学生在微视频及实验讲义的指导下进行规范化操作。待实验结束后，各小组同学整理分析实验数据，并提交纸质版实验报告。

3 实验结果与讨论

3.1 PCR扩增及电泳测定

配置PCR反应体系，设置程序，并在PCR 仪上运行该程序。待PCR 反应过程结束后，取出样品，并采用DNA琼脂糖凝胶电泳实验进行测定。如图2 所示，在1.8 kb左右处显示出肉眼可辨的桔红色荧光条带，因此，可初步断定其为目的基因片段。

图2 PCR产物的电泳测定

3.2 质粒pET-28a（+）的提取及电泳测定

复苏含pET-28a（+）质粒的DH5α 细胞，挑取单克隆菌落进一步扩大培养，收集细胞并按照质粒提取试剂盒的要求提取pET-28a（+）质粒，最后采用DNA琼脂糖凝胶电泳实验进行测定。如图3 所示，在5.3 kb左右处显示出肉眼可辨的条带，因此，可初步断定pET-28a（+）质粒提取成功。

图3 质粒pET-28a（+）的提取及电泳测定

3.3 DNA的双酶切及产物回收

质粒pET-28a（+）与目的基因β-Glu 经限制性内切酶Nde I／Xho I 作用后，进行琼脂糖凝胶电泳实验（见图4）。根据Solarbio公司琼脂糖凝胶DNA回收试剂盒说明书进行切胶回收。

3.4 酶切产物的连接、转化、筛选及测定

胶回收后的酶切产物经T4 连接酶连接，并将连接产物转化至BL-21 感受态细胞中。待培养过夜后，挑选7 组1／2 菌落进行PCR法筛选测定。如图5 所示，1～6 组均为含有重组质粒的BL-21 细胞。

图5 酶切产物的连接、转化、筛选及测定结果

3.5 蛋白诱导表达、纯化、测定及活性检测

经筛选测定后的BL-21 细胞进一步扩大培养，IPTG诱导其表达目的蛋白，提取蛋白质并纯化，并通过Western blot法检测蛋白表达。如图6（a）所示，经IPTG诱导的实验组呈现明显的条带。各取50 μL 不同浓度的pNPG底物溶液，分别与50 μL β-Glu蛋白酶溶液和空白对照组溶液混合后，室温反应5～10 min，酶标仪下检测405 nm 处的吸光值。如图6（b）所示，β-Glu蛋白酶作用组在405 nm 处的吸收值明显高于对照组，表明本文所诱导表达的β-Glu 蛋白有较好的酶学活性。

图6 蛋白鉴定及酶学活性检测结果

4 考核评价

考核是本科实验教学不可或缺的一部分，目的是检验实验教学效果，评定教学质量［9-10］。为了实现科学客观的成绩评定，本课程设置了多元化过程考核体系：①查阅文献（10%）：了解国内外相关技术研究现状；②实验设计（10%）：实验方案是否具有可行性；③实验规范化操作及过程记录（10%线上+30%线下）：考察学生实验操作的规范性及实验记录的完整性；④结果分析处理（10%）：是否能正确使用常用数据处理软件；⑤实验报告的撰写（20%）：实验报告书写是否规范，内容是否完整；⑥实验理论+技能考核（10%）。多元化的过程考核体系打破了传统以实验报告为最终成绩评定的模式，使实验课程的考核评定更为规范化［11-12］。

5 教学效果分析

5.1 贯穿式环节设置，保证教学连贯性与系统性

生物科学综合实验是生物科学专业的综合研究性实验课程，通常在大四学年第1 学期开课，共48 学时。在整个实验过程中，从文献检索、实验设计、实际操作到报告撰写等各个环节承前启后、循序渐进，学生的认真性与主动性贯穿全程，实验成功率得到提高，教学的连贯性与系统性也有充分的保证。如实验项目之间密切联系，上一步实验取得的结果是下一步实验的原材料，这也就要求学生高度重视实验，规范实验操作。综合实验课程在考核过程中，要求学生严格按照本科毕业论文的格式书写，目的是提早训练学生论文书写能力，为今后的毕业论文的完成打下基础。

5.2 混合教学模式及开放的实验，更好地释放了学生的主观能动性

虚拟仿真+微视频+线下实操的混合教学模式突破了传统演示性教学形式，通过网络虚拟仿真教学，让学生在轻松愉快的网络环境中模拟真实的实验操作［13-14］。在课程开始前沉浸式地了解实验内容、具体操作流程及注意事项，并通过测试模式检验自己对实验的掌握情况。课堂上，微视频的全程辅助更有利于学生规范操作，提高实验的成功率。生物科学综合实验采用开放式教学，学生可以根据自己的时间和进度安排具体的实验过程，不再受传统实验的时空限制，从而激发了学生的主观能动性。

5.3 多维度的教学考核实现了全方位的教学评价

传统实验教学通常以平时成绩（出勤率、参与度、操作规范性等）和实验报告作为最终考核方式，该模式缺乏课前的预习及课后的理论和技能考核［15］。此外，传统的实验报告格式单一，几乎是实验讲义的复制版本，学生无法养成科研论文的写作习惯。在生物科学综合实验的考核中，制定了线上与线下，课前与课后相结合的多元化过程考核体系，真正实现了全方位的教学评价。

6 结语

体外构建表达β-葡萄糖醛酸苷酶及其酶学活性测定实验是基于本科实验教学的需求，将前期科学研究成果转化为本科实验教学内容。本文以该实验为例，系统地阐述与讨论了生物科学综合实验的新型建设理念及设计的混合教学模式在教学中的实际应用。设计构建的实验系统兼具前沿性、科学性和综合性，在生物科学、化学生物和药学专业本科教学及科研实践和创新训练等方面都有广泛的应用前景和良好的应用效果。后续将进一步完善和丰富实验内容，不断探索新型混合教学模式可持续运行的有效方法，在拓展教学内容广度和深度的同时，进一步增加实验教学时间和空间的灵活度。