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探讨分子生物学实验课程的创新与改革

2020-07-01 213 上传者：管理员

摘要：“分子生物学实验”是分子生物学理论课配套的实验课。掌握分子生物学基本实验技术是生命科学对新时代人才发展的基本需求。上海科技大学通过整合教学资源与实验室资源，对传统本科生“分子生物学实验”的教学内容和体系进行调整，建立了一套基础实验与前沿实验相结合、验证性实验和自主设计性实验相结合的教学体系，为提高本科生“分子生物学实验”课程教学质量和培养综合型人才奠定了基础。

关键词：
分子水平
分子生物学
分子生物学实验课
教学改革
本科生
自主设计实验
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分子生物学是一门从分子水平对生命现象、功能和规律进行解释和探究的学科。分子生物学学科发展迅速，在生命科学各个领域发挥重要作用，是当今最具有渗透性和前瞻性的学科。分子生物学中的许多原理、技术和理论都需要通过相应的实验来进行验证和讨论，分子生物学实验教学在其中发挥重要的作用[1,2]。因此，上海科技大学在开设分子生物学理论课的基础上，开设了对应的分子生物学实验课程，旨在培养具有扎实理论基础及较强动手能力的本科生。

在传统分子生物学实验课教学中，通常是以分子生物学经典验证性实验为主，主要包括：DNA抽提、RNA抽提、PCR和以“分-切-接-转-筛-表”为思路的基因工程实验。但是，随着分子生物学及相关技术的发展，传统验证性实验在教育思想的革新、技术的先进程度以及对学生的综合素质培养方面都显现出来缺点和弱势[3]。因此，我们在教学内容、教学体系、教学方法和开放性实验室等多方面对分子生物学实验课进行了改革，为提高分子生物学实验课教学质量，推进分子生物学实验课教学改革进行了有益的探索与尝试。

1、教学改革总体思路与目标

分子生物学及其实验课是生命科学专业的主干课程之一。教育部关于面向21世纪的教学改革提出了“强化基础、增强能力、提高素质”的指导思想。我们根据培养目标，结合专业特点，对分子生物学实验课程体系进行改革，建立“基础技能与前沿技术相结合，验证性实验与自主性实验相呼应”的分子生物学实验课教学体系。我们以科学性、实验性、自主性和创新性为教学改革思想，在教学改革中更新课程内容，调整课程体系，严格课程管理，建立科学的评价体系，注重使学生掌握扎实的基础实验基础，培养学生自主获取新知识的学习能力和较强的自主设计能力，突出分子生物学实验在生命科学中的重要地位[4,5]。教学改革达到培养具有扎实专业技能的、了解最新科技动态的、具有较强自主实验设计能力的生命科学专业本科生。

2、教学模式改革，增设设计性实验

2.1优化课程内容

在传统生物专业本科生教学中，分子生物学不管是理论课还是实验课都与生物化学以及遗传学有着密切的关联，也有着一定的重复。这些重复部分占用了许多教学时间，导致许多现代分子生物学的研究方法没有足够的课时实施。因此，我们首先通过和生物化学实验遗传学实验等课程教师进行沟通与研究，剔除了例如琼脂糖凝胶电泳检测等重复的实验，突出分子生物学实验的特点和重点。随着现代生物学技术突飞猛进的发展，各种新理论不断被提出，各种新技术不断被开发出来，为了紧跟分子生物学发展前沿，我们不断改进课程内容，逐步剔除老旧技术，及时补充新技术以及新理论，例如CRISPR-Cas9技术作为最前沿的分子生物学实验技术被补充入本科生自主实验之一。另外，一些相关前沿技术，限于课时和本科生实验室条件限制，我们利用课堂讲解来补充学习。

在传统本科生实验课中，经典性和验证性实验占据课程内容的绝大部分，这些实验对巩固理论知识、锻炼基础实验技能有良好的效果；但是不利于培养学生的自主学习能力，无法很好地调动学生的积极性，更无法培养学生的综合设计能力。因此，我们在分子生物学实验课中补充了较多自主设计性实验，兼顾验证性和自主设计性，使学生能够在打下扎实基础的同时培养综合设计能力。

2.2创建模块化实验教学体系，验证性实验与设计性实验相互支持

传统实验教学中比较侧重于验证性实验，而自主设计性实验不足，无法满足培养综合能力较强本科生的新需求。因此，我们在课程的设计上进行了重大调整，实现“基础技能与前沿技术相结合，验证性实验与自主性实验相呼应”的分子生物学实验课程体系(图1)。

首先，我们将分子生物学实验课分为两大部分。第一大部分为“分子进化分析”，其中主要涉及到3个连续的基础验证性实验：真核生物总DNA的抽提与纯化、16SrDNA的PCR、测序以及进化树的构建。这三个实验是分子生物学的基础实验技术，也是生物专业本科生必备的专业技能。这三个连续的实验主要通过课堂讲解、实验操作和实验报告来完成的，每次课程为3～5个课时。但是，仅仅进行验证性实验是不够的，在牢固掌握基础知识与技能之后，我们安排了第一次自主实验作为第一部分课程作业，作业内容为“微生物的分离与鉴定”，其中实验材料部分为学生根据自己的兴趣方向，自主进行课题设计，例如“雾霾空气中微生物的分离与鉴定”“腐坏蔬果中微生物的分离与鉴定”，甚至还有一些自主的延伸设计，例如“不同品牌酸奶中微生物的分离与鉴定”“在酵素制作不同阶段微生物的分离与鉴定”等[6,7,8,9]。在第一次自主实验为所有学生必修实验，需要学生结合自己感兴趣的方向，设计小课题，并利用前面所学到的基础实验技能完成实验，并分析结果完成一篇小论文。这样的设计，既可以把学生发散思维，应用已学到的知识与技术来自主设计和完成实验，又把整体实验限定在一个可控的大框架内，有利于教师更好地进行成果评价。这个过程巩固了学生的基础实验技能，锻炼了学生灵活使用实验技术的能力、自主设计和完成实验的能力以及分析解决问题和论文书写的能力。

图1模块化《分子生物学实验》课程体系

第二部分为“载体的构建”，在分子生物学实验中，载体的构建是最核心的实验之一。传统实验技术通常是“分-切-接-转-筛-表”的经典思路来安排课程的，但是随着现代分子生物学技术的不断发展，多种新型载体构建技术被发展出来，如果不对本科生实验课程进行改革，将无法跟上现代分子生物学技术的发展，会造成与现代生物学技术发展的脱节。因此，我们通过合理整合实验室资源与科研力量，在“载体的构建”部分安排了两种方法制备载体，一种是经典的酶切酶连的方法，另一种是CRISPR-Cas9的方法[10]。经典酶切酶连的方法侧重基础性和验证性，通过理论讲解、课堂操作和课程报告完成某个基因过表达载体的构建；该部分主要为验证性实验，每部分实验都有详细的理论讲解和实验步骤，实验主要为集中的课堂实验完成，对学生的能力要求一般，主要侧重于打下扎实的理论和基本实验基础。CRISPR-Cas9方法部分的内容为利用CRISPR-Cas9方法设计某基因的敲除载体[11]。CRISPR-Cas9技术是近些年来分子生物学技术的重大突破之一，其通过靶向引入DNA断裂，之后通过HR途径或NHEJ原理对细胞内DNA编辑，达到目标基因敲除或引入外源基因的目的[12]。该部分实验侧重于启发性和自主性，首先是教师对实验整体过程进行初步理论讲解，由学生根据实验目的完全自主性设计实验和完成项目报告，报告要求以标准中文论文格式提交。该部分对学生在充分理解基本原理的基础上，促进学生综合运用已掌握的分子生物学理论、实验技术及各种检测方法来设计实验、确定实验思路、选用合适的方法和仪器等来完成实验。在自主性实验部分，本科生实验室全面开放，由学生自主控制时间进行实验；该部分对学生能力要求较高。考虑到学生的能力与水平不同，有些学生没有经历过标准化分子生物学实验培训，而有些学生已经在科研课题组参与过部分科研工作，因此学生可以根据自己的基础和兴趣选择其中的一种方法或两种方法进行实验。由此，构成由易至难、由基础到自主、由验证到设计的实验教学体系。

2.3建立科学有效的评价体系

以往的实验成绩评价主要是从学生的出勤、课堂操作和报告而得到的最终成绩，但是其中的一个缺点就是容易忽视学生实验技能和综合能力的考察。因此，在建立了新的实验教学体系后，我们需要对教学评价体系进行调整和升级，能够科学、有效地全面评价学生实验技能和设计能力。我们的实验考核中，“分子进化分析”中的三次验证性实验每次10分，第一次自主设计性实验20分，第二部分“载体构建”共计50分。其中验证性实验重点强调报告的书写(50%)、操作的规范化(40%)和实验出勤(10%)；而在自主设计性实验中，主要强调实验设计的合理和可行性(30%)、实验的完成与结果(40%)、实验记录的规范化(20%)和团队协作能力(10%)。使我们能够更加全面并公平公正地评价学生的实验能力，提高学生的实验技能，提高学生的自主设计能力，最终达到提高学生综合素质的目的。

综上所述，实验教学改革是一项系统改革，上海科技大学的“分子生物学实验”课程改革以学生为中心，以全面提高学生的实验技能和自主设计能力为目的，不断探索、不断实践和总结，建立一套较好的基础实验和高级实验结合、验证性实验与自主设计实验结合的教学体系，为满足分子生物学发展对研究型人才需要，输送高质量的高校毕业生打下了基础。

参考文献：

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[2]李惠敏,秦新民,邓婷.本科生分子生物学实验教学改革与探索.生物学杂志,2018,35(5):120-122

[3]李馨,刘吉升,周玉萍,等.生物工程上游技术实验的教学改革与实践.实验技术与管理,2019,36(3):225-228,237

[4]教育部高等学校生物科学与工程教学指导委员会.生物工程专业规范.高校生物学教学研究(电子版),2012,2(2):3-10

[5]王忠辉,范浩军.科研实验转化为综合教学实验的探索.实验技术与管理,2018,35(4):189-191

[6]秦宇轩,李晶,王秋涯,等.市售酸奶中乳酸菌的鉴定与耐药性.微生物学报,2013,53(8):889-897

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杨静.本科生“分子生物学实验”课程设计的改革与探索[J].生命的化学,2020,40(02):284-287.