动物科学专业《细胞分子生物学》实验课程教学改革实践——以绿色荧光蛋白基因表达实验为例

段志强，赵佳福，张依裕，李 辉，陈 祥

（贵州大学动物科学学院，贵州 贵阳 550025）

细胞分子生物学是细胞生物学与分子生物学相互渗透与交融的一门学科，主要通过研究细胞内生物大分子（如核酸和蛋白质）的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质，现已成为生物医药、生物遗传与进化、农林牧渔等生命科学领域非常重要的基础学科。由于细胞分子生物学具有很强的应用性和实践性，因此开展相关实验课程教学对学生理解和巩固基础理论知识、掌握试验研究方法和操作技术、提高实践动手能力和创新能力具有重要的作用。动物科学专业作为是生命科学专业的一个分支，其培养目标是让学生认识和掌握动物遗传变异、生长发育、消化代谢等生命规律，为人们提供质优量多的动物产品。同时，随着科技的不断发展，各种细胞分子生物学实验技术层出不穷，动物科学研究领域已深入到动物细胞水平、亚细胞水平和分子水平，这对细胞分子生物学实验课程教学提出了更高的要求。

贵州大学动物科学学院为动物科学专业本科生在二年级上学期开设细胞分子生物学课程，但是在动物科学专业培养方案中，相关的课程如生物化学、生物技术概论、动物分子遗传学等与本课程同时或之后开设，因为学生没有前期知识积累，在基础理论学习和实践操作方面会大打折扣，这直接影响了学生学习本课程的兴趣以及创新思维的培养。因此，为提高实验课程教学效果，培养学生的实践能力和创新意识，经过不断的实践和探索，我们以绿色荧光蛋白基因表达综合实验为例，在创新型设计性实践教学上取得了良好的教学效果。

1 绿色荧光蛋白基因表达实验设计

1.1 文献检索分析 绿色荧光蛋白作为一种独特的报告蛋白和标记蛋白，已广泛应用于基因表达调控、蛋白质定位与相互作用、细胞信号转导和细胞增殖分化等研究领域。在学生学习和了解绿色荧光蛋白功能的基础上开展实验设计，主要包括基因的PCR 扩增、载体的酶切和连接、细菌转化、质粒的提取与鉴定、细胞培养和转染、蛋白荧光观察等步骤。根据上述实验安排，学生以“绿色荧光蛋白”和“基因表达”为关键词，在中国知网、维普网、万方数据知识服务平台、NCBI PubMed、Web of Science 等中英文数据库中进行检索，从多方面了解和熟悉绿色荧光蛋白与基因表达的技术方法。因此，学生通过对大量相关文献的查阅，体会到新技术对科学发展的推动作用，不仅拓宽了视野、开阔了思维，而且对实验设计和操作也产生了浓厚的兴趣。

1.2 实验方案的设计与实施 学生通过对绿色荧光蛋白基因表达相关文献的检索分析，开展实验整体方案的设计（图1）。在此基础上，教师对学生的实验设计方案进行了修改和补充，把基因扩增与回收、载体构建与鉴定、细胞培养与转染、蛋白荧光观察等基本操作过程细化，形成了一个完整连续的实验计划（图1）。通过组织学生开展实验方案设计，不仅加深了学术对细胞分子生物学技术知识体系的认识，明白了实验实施过程涉及多种实验技术的综合运用并需要团队协作完成，而且培养了学生发现问题和解决问题的能力以及团队合作意识。

图1 绿色荧光蛋白基因表达实验设计方案

为了让学生更好的熟悉实验具体操作，在教师的指导和启发下，学生对实验计划的细节进行完善和补充。如图2 所示，在实验计划方案的第⑤阶段，即菌液PCR 的鉴定和重组质粒的提取纯化操作流程进行了补充，使得这个实验过程简单易懂，具有较强的可操作性。

图2 菌液PCR 的鉴定和重组质粒的提取纯化实验设计流程

1.3 启发式和讨论式教学方法的联合运用 启发式教学是教师在教学工作中根据教学任务和学习过程的客观规律，采用多种方式，引导学生积极、主动、自觉的学习知识的一种教学方法。它的实质在于正确处理了教与学的相互关系，使学生由消极被动的被灌输知识到主动获取知识的转变，反映出了教学的客观规律，在许多国家的教学改革中均有应用。讨论式教学是与讲授式教学相对应的概念，它摒弃了传统的灌输式和填鸭式的教学方法，通过教师对学生的思维加以引导和启发，使全体学生积极参与课堂讨论，从而实现教与学的互动。这种教学方法在教学法体系中占有非常重要的地位，不仅使学生处于积极探索和思考问题的良好状态，而且能培养和提高学生独立分析问题和解决问题的能力。因此，在教学实践过程中，联合采用启发式教学和讨论式教学的方法往往会获得更好的教学效果。

在绿色荧光蛋白基因表达实验开始以前，教师首先针对每一阶段的实验过程提出一些问题，如为什么在管中混合加入DNA 聚合酶、引物和模板等就能在PCR 仪中进行基因的扩增？为什么可以用菌液进行目的基因的PCR 扩增和鉴定？细胞为什么经过固定和破膜以后才能进行细胞核的染色？通过这种方式引导学生在实验操作之前结合课堂讲授的知识来思考问题，加深对所学知识的理解和记忆。在获得实验结果以后，采用分组讨论的方式对实验结果进行分析和总结。对效果较好的一个教学讨论进行展示（图3）：学生在平行操作的10 组实验中发现有明显的差异，7 组和8 组的电泳条带较淡，而9组和10 组没有检测到条带。同学们仔细回顾和分析了实验操作中的步骤，从PCR 加样、混匀、配胶、电泳等过程中可能出现的原因进行了热烈的讨论，结果发现7 组和8 组的同学在电泳加样过程中出现了样品外溢，而9 组和10 组的同学在PCR 反应中没有加入引物。

图3 菌液PCR 电泳检测结果图

再如图4 所示，在绿色荧光蛋白的细胞内定位观察结果中，绿色荧光蛋白呈现绿色，而细胞核荧光呈现蓝色，两种荧光重合以后则呈现青色。进一步的分析发现，单纯的绿色荧光蛋白荧光与细胞核荧光没有完全重合，而融合表达了SV40 大T 抗原核定位信号（SV40/NLS）的绿色荧光蛋白与细胞核荧光完全重合（图4），提示绿色荧光蛋白在细胞核和细胞质均有定位，而NLS 的存在则能使绿色荧光蛋白完全进入细胞核。同学们对上述绿色荧光蛋白的定位和颜色变化很感兴趣，结合课堂所学知识，经过讨论还得出了其它荧光之间的重合可能还会出现黄色、橙色和紫色。另外，同学们将细胞膜通透性知识应用到本实验中，得出细胞膜对物质的运输具有选择性，正常情况下细胞核染料DAPI 不能进入细胞核，而Triton X-100 作为细胞通透剂，在膜上打孔使得DAPI 进入细胞核染色。同时，针对融合表达了SV40/NLS 的绿色荧光蛋白完全定位细胞核，讨论得出蛋白质的靶向运输需要信号肽的参与，NLS 的存在可以使蛋白质完全进入到细胞核中。因此，在每一阶段开展的实验中，综合运用启发式和讨论式教学，对实验结果进行全面的探讨分析并写进实验报告，使学生对实验课程的兴趣和理论知识的理解得到进一步加深。

图4 绿色荧光蛋白的细胞内定位结果和观察分析

2 实验课程教学改革效果分析

通过动物科学专业绿色荧光蛋白基因表达实验的开展，培养了学生的科研思维，加强了学生实践操作和动手能力，基本达到了课程既定的目标。通过实验课程的教学改革，我们对实验教学过程中和课程结束后的教学反思与问题反馈也进行了改进和提升，取得了良好的教学效果。

2.1 实验课程具有连续性和可行性 目前，贵州大学动物科学专业细胞分子生物学实验课课时仅有9学时，在短时间内完成9 次实验课程显得时间不足。因此，在正常的教学时间外，征求同学们的意见在周末时间也开展部分实验，保证了实验的连续性。另外，实验课程报告要求学生按照论文的格式写成一篇课程论文，包含中英文摘要，材料与方法、结果、讨论，以及对实验课程的意见和建议等部分。因此，通过对实验操作过程、实验结果观察分析和课程论文的写作，不仅加强了学生实践动手能力，还培养了学生的科研素养和研究论文的写作能力，具有较好的可行性。

2.2 实验课程达到了教学相长的效果 教学相长的目的是通过教与学的交往互动，使教学两方面互相影响和促进，从而提高教学水平。实验课程的实施为师生再一次提供了相互沟通的平台，激发了学生学习的热情和积极主动性。例如，实验中质粒的提取使用的是质粒提取试剂盒，其中包含了Solution I、Solution II、Solution III 等试剂，但是学生对它们的成份和具体作用并不清楚。有些同学查阅文献得知通过碱裂解法提取质粒，经过老师的引导以及同学的分析讨论，得出Solution I 对应于碱裂解法中的溶液I，主要由葡萄糖、EDTA 和Tris-HCl 组成，作用是减少质粒抽提过程中对质粒的机械剪切和DNA 酶对质粒的降解。学生把上述分析讨论写进课程论文，加深了对实验课程的深入理解，培养了分析问题和解决问题的能力，同时也进一步提升了学生的实验技能和科研热情。以2021 年为例，动物科学专业本科生对本实验课程满意或基本满意的达到了95.71%；申请获得与细胞分子生物学相关的国家级、省级和校级创新创业训练计划项目以及校级SRT 项目的数量达到了12 项；考研率从2011 年的14.29%提高到58.93%。

2.3 实验课程促进和提升了其它课程教学效果 实验室是培养学生实践动手能力的主要场所，同时也是开展创新实践的重要实验平台。贵州大学重视实验室安全教育，为本科生开设了实验安全课程，在利用课程宣讲实验安全知识、培训安全操作和安全防护技能的基础上，更多的需要让学生在实验操作过程中了解安全知识和注意个人防护。动物科学专业本科生在学习期间多数人会进入实验室开展科研，本课程实验教学的开展让学生在实验过程中了解化学试剂的危害以及操作仪器可能会发生的潜在危险，为实验安全课程的教学提供了丰富的素材。另外，生物化学、动物分子遗传学、生物技术概论等相关的课程开设在本课程之后，并且存在实验教学学时少或未开设实验的情况。因此，细胞分子生物学实验课程是对上述其它课程教学的补充，提升了以上课程的教学效果。

3 结语

通过对动物科学专业细胞分子生物学以绿色荧光蛋白基因表达为主题实验的教学改革探索，在提升学生实践动手能力和创新能力的同时，教师的教学水平也得到了进一步提高，同时对学院的其它实验课程建设和改革也起到了一定的推动与促进作用。由于绿色荧光蛋白基因表达实验周期相对较长，不同实验阶段可能出现的问题较多，更加说明实验设计方案和实验细致操作的重要性，以及实验记录和实验报告的必要性。另外，在教学反思与问题反馈过程中也发现了一些新的问题，比如如何让连续的实验时间安排更加合理，让每个学生都有更多的实验操作动手机会，以及编写适合动物科学专业的细胞分子生物学实验教学指导书等等。我们将继续在实验课程教学改革实践中不断完善，使实验课程教学效果得到充分的体现，不断推进“理论-实践-创新设计”的学习模式，培养具有创新能力的应用型复合型人才。