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地方应用型本科院校基因工程实验教学改革探索

范文

高兆建张娜周金伟范晓博张传丽

摘要基因工程是生物工程专业一门重要的实践性很强的专业课程。为了改进基因工程实验教学质量、促进学生综合能力的培养，根据基因工程实验教学的特点，结合该课程的实际教学情况，分析了基因工程课程教学中存在的问题，并从教学内容及形式等方面进行一些教学改革探索。通过几年的教学改革和总结创新，充分改善了基因工程实验教学效果，调动了学生的实验积极性，提高了學生的综合素质和科研能力。

关键词基因工程;实践教学;教学改革

中图分类号 S-01文献标识码 A文章编号 0517-6611（2021）07-0280-03

Abstract Genetic engineering is an important practical course in biological engineering specialty. In order to improve the experimental teaching quality of genetic engineering and promote the cultivation of students comprehensive ability， according to the experimental teaching characteristics of genetic engineering， combining with the actual teaching situations of this course， the existing problems in the teaching of genetic engineering course were analyzed， some teaching reforms were carried out from the aspects of the content and teaching forms.Through several years of teaching reform and summary innovation， the experimental teaching effect of genetic engineering has been fully improved， the enthusiasm of students to experiments has been aroused， and the comprehensive quality and scientific research ability of students have been enhanced.

Key words Genetic engineering;Experimental teaching;Teaching reform

作者简介高兆建（1976—），男，山东沂南人，副教授，博士，从事食品生物技术研究。

基因工程又称DNA重组技术，是以分子生物学为理论基础的一门实践性很强的学科[1]。基因工程对人类探索生命本质，促进生物技术飞速发展起着不可估量的作用，它是目前自然科学领域中生命力最强、发展速度和发展潜力最大的创新技术之一[2]。目前，基因工程正以空前的势头迅速发展，在工业、农业、医疗卫生领域具有广阔的应用前景，已发展成为现代生物工程技术的核心[3]。目前，全国各大高校生物科学、生物工程和生物技术等生物类相关专业均开设了基因工程理论以及相关实验。基因工程实验可以促进学生更好地掌握基因工程理论知识，培养学生的学习兴趣。基因工程实验教学质量对于培养综合素质高的优秀专业人才有着至关重要的作用。

传统的基因工程实验教学体系存在课时安排不合理、教学方法陈旧、学生上课无热情、考核体系无实效等问题，已不能满足培养学生动手能力、创新能力的要求[4]。因此，新的国际形势下迫切需要实验教学改革，以激发学生的学习兴趣，培养学生的科学思维、创新能力和实践能力，从而推动基因工程实验教学水平的快速提高。笔者根据多年的基因工程实验教学实践，改革了实验教学模式，优化了考核体系，探索了新的教学方法并将最新的科研成果引入到实验教学中，建立了以创新型人才培养为目标的基因工程实验教学体系，充分激发了学生的学习热情，调动了学生的学习积极性，提高了教学质量，培养具备创新能力和解决实际专业问题能力的高素质优秀人才。

1 基因工程实验教学中存在的问题

1.1 实验项目多，课时安排不充足

基因工程是一门逻辑性很强的学科，理论和数据均来自实验，大学生具备熟练的专业技术操作技能是工科院校本科教育的典型特征。原基因工程实验课时安排是16学时，在这么短的学时内要完成细菌基因组提取、目的基因克隆、质粒载体制备等6个实验项目，这势必造成实验的试剂配制、菌体培养等过程以及某些实验步骤由教师代学生完成，无法保证学生全程亲自开展实验。实验过程中，学生忙于记录实验结果和实验现象，缺乏充分的时间对结果进行讨论与分析。另外，因为实验不是全程由学生完成，对实验中出现的问题学生无法全面分析原因，因此导致学生的动手操练不充分，实验操作生疏，创新能力不足，不具备独立完成创新性、设计性实验项目的能力。

1.2 实验项目彼此独立，实验体系缺乏系统性

传统基因工程实验内容以验证性实验居多，例如细菌基因组的分离纯化、琼脂糖凝胶电泳、PCR扩增基因等[4]。虽然开设的实验项目较多，但各项目之间相互独立，缺乏知识的连续性和逻辑性，学生难以把握基因工程实验过程与结果整体联系[5-6]。这种教学形式难以培养大学生的系统观念，也不能培养学生利用已学理论和实验知识自由设计实验方案解决专业中的实际问题。

1.3 实验教学方法落后，学生主观能动性差

长期以来，实验课的教学模式主要是实验技术人员事先将试验需要的试剂配制好并与其他所需的实验用具等一起摆放到实验台上。实验课开始时，教师针对实验目的、实验原理、实验步骤、试剂配制、实验注意问题等方面进行讲解，然后学生按照实验步骤按部就班地操作。这种教学模式中占主导地位的是教师，而学生则只能在教师的要求下被动接受实验和理论知识，没有机会去思考问题、解决问题。实验过程学生缺乏对实验的设计，也缺乏分析和思考的过程，其不良影响反映在后续基因工程实验实践中，包括毕业设计的实践过程中，学生很难独立完成研究项目，分析能力较差，表明这种不以学生为主导的授课模式在培养学生的创新实践能力的过程中存在严重弊端。

1.4 考核评价片面化，缺乏激励性

具备检查、督促作用的高效考核体系不仅能使学生重视实验，而且能增强学生知识的探索积极性、学习主动性，从而在学生动手能力和创新能力方面得到了显著提高[7]。传统的实验课考核以实验报告为主要参考，这种单一的考核评价方式难免使学生养成“唯结果至上”的错误认识，实验课過程中不认真听讲，不积极参与实验操作，过程只是走马观花。课下不积极思考，甚至为了得到理想的实验结果，修改数据或抄袭其他同学实验报告，导致上交的实验报告千篇一律，实验报告不能准确反映学生在实验过程中对实验技能的掌握程度，甚至不认真做实验而实验报告写得好的同学比认真做的同学成绩高，这样会影响学生的学习积极性。

2 基因工程实验教学改革措施

2.1 以学生为主体，开放设计性实验

基因工程的实验操作过程复杂，无法在短时间内完成各个操作模块[8]。在基因工程实验课堂教学基本内容的基础上，开设开放性设计实验。安排学生在实验周或者将实验内容安排在周末。教师对设计性实验只提出实验目的，而没有明确给予学生试剂配制方法、实验步骤、预期结果等详细信息。学生需要独自思考，查阅文献资料，设计实验方案。整个实验过程均以学生为主体，教师辅助性提出建议，让学生充分体会到科研的整个过程情况。开放性设计实验可以使学生将整个分割的实验内容联系起来，实验模块环环相扣，同学们更容易把握课程的内在逻辑性。开放设计实验能够充分调动学生的积极性，培养学生认真负责、仔细认真的科研态度以及友好协作的团队精神，显著提高了学生的综合实践能力和开拓创新的科研精神[9]。

2.2 多媒体辅助教学，开发利用网络资源

传统的实验教学中，教师通过PPT简单讲解实验目的、实验原理、实验步骤等，学生非常被动地按照实验步骤一步一步操作，整个过程学生没有思考，仅是任务性地完成实验操作。为此，徐州工程学院教务处积极开展网络实验平台项目的建设，基因工程实验教学团队的教师积极参与项目申报和平台建设，例如PCR克隆基因、碱裂解法提取质粒、琼脂糖凝胶电泳等，教师事先将录制好的教学视频放到学校官网实验教学平台上，学生可以随时自由观看学习。与传统教科书相比，仿真实验、视频教学更加生动形象，学生随时可以使用手机观看视频，方便学生提前预览并在实验课后再次学习，显著提高了学生的学习兴趣[10]。另外，教师指导鼓励学生运用超星学习通和中国大学MOOC（慕课）自主学习，并且在每一章节后布置课后作业，网上检查学生的学习情况。这些改革与应用显著提高了学生的学习主动性，解决了上课时间不充分的问题，增加了学习兴趣，强化了对实验原理的理解。

2.3 调动学生积极性，优化实验评价体系

考核评价体系对实验教学效果的影响至关重要。优秀的评价方式能够调动学生的学习积极性，激发对科学知识的探知能动性，从而提高实验教学效果。为此，建立以技能考核为主线，与结果考核相结合的全过程考核方式，具体包含平时成绩、实验报告、操作综合评价、科研小论文、考试成绩等多元化的考核项目。平时成绩占总成绩的20%，主要考查课堂表现、实验规范性等;实验报告占总成绩的20%，要求学生除了能详细记录实验结果外，还要对结果进行分析并展开讨论;操作综合评价主要考查学生实验操作技能的掌握情况以及重要仪器设备的熟练使用程度;实验考试占总成绩的30%，主要以开卷形式进行，考查学生解决实际问题的能力;科研小论文占总成绩的30%，因为整个实验体系的设计具有连贯性、系统性，所有实验结束后要求学生撰写一篇完整的科研小论文，从中学生可以学习文献的查阅、实验数据的分析处理方法，学会论文的撰写方法，为以后从事科研创新奠定基础。与以往的单纯实验报告考查学生实验成绩相比，这种评价机制更为全面、科学，更能提高学生的科研能力，充分发挥实验教学考核体系的导向和激励作用，使学生的综合素质得到全面提升。

2.4 课内实验课外补，实验教学与教师科研项目相结合

徐州工程学院食品与生物工程学院具备良好的科研研究平台，从事基因工程教学的教师承担了一些国家自然科学基金、省自然科学基金、省科技计划项目等一系列纵向课题，对研究领域的一些前沿热点问题有比较深入的研究。他们将研究课题的国内外研究最新进展情况、研究思路、发展趋势等介绍给学生，拓宽学生的视野，激发学生对基因工程的学习兴趣，并将科学研究中比较成熟的一些分支项目引入基因工程实验教学中。例如，徐州工程学院教师国家自然基金项目“土壤污染有机磷农药降解菌多样性及其分子生态效应研究”中的一个子课题“有机磷农药降解酶基因的克隆表达”应用到学生基因工程实验教学中。学生通过亲自体验一个特定降解酶基因的克隆表达过程，深刻体会基因工程实验课程，并能充分锻炼基因工程实验的基本操作技术和培养逻辑思维能力。基因工程实验课题项目设计如图1所示。整个实验内容包括以下方面：①从有机磷降解细菌中提取总基因组;②设计降解酶基因的特异性引物;③PCR技术扩增特定酶基因，电泳及酶切鉴定;④鉴定后的PCR产物同克隆载体pGM-T载体连接;⑤大肠杆菌感受态细胞的制备;⑥重组质粒的热激转化;⑦阳性克隆的蓝白斑筛选;⑧重组质粒的酶切、PCR鉴定、测序鉴定;⑨表达重组载体的质粒构建;⑩阳性重组表达载体的转化与筛选;B11重组菌株诱导表达及表达产物SDS-PAGE电泳检测、活性检测。整个综合性大实验过程将基因工程实验中各个验证性实验项目紧密串联起来，前后连贯、密切衔接。整体实验过程包括基因工程的基本实验技术，如引物设计、基因组提取、凝胶电泳、质粒提取、PCR扩增基因、酶切鉴定、DNA回收、连接、转化、筛选等10多种基本基因操作技术。实验项目开展过程中，多种基本技术（如PCR、酶切、提质粒、电泳等）学生需要反复操作，基本技能得到充分锻炼。由此可见，科研项目与实验教学相结合的实验教学模式是对传统实验教学的有力补充，对于提高学生的动手操作技能、培养学生专业问题的解决能力、培养科研思维和创造性实验思维是非常必要的，也为学生未来从事重大科研项目打下了坚实基础。

3 结语

基因工程是生命科学领域发展速度最迅速的新兴学科，是高等学校生命科学相关专业一门十分重要的课程，其对应的实验课程具有同等重要的地位。激发学生的学习兴趣，培

养学生的创新思维，充分锻炼其动手操作技能，最大限度地

发挥教育教学效果，是需要不断改革创新和积极探索的方向。充分掌握基因工程实验的基本原理、熟练操作基因工程基本实验技术、

灵活应用基因工程技术方法来解决生命科学问题，这些在生命科学相关领域研究中起着至关重要的作用。通过以上教学改革，该课程教学激发了学生的学习兴趣，增强了他们开展科学研究的能力。在今后的实验教学工作中，将继续积极探索和优化基因工程实验课程体系，更新教育观念，创新实验教学方法，不断提高教学水平。通过基因工程实验课程的学习，学生更容易快速理解和掌握基因工程的基本原理，奠定了未来独立完成生命科学大型课题的实践技能基础，使他们实现基因工程理论知识转化为实践技能。

参考文献

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[6] 刘华伟，郭泽坤，王保莉，等.基因工程综合型实验教学体系的建立[J].黑龙江畜牧兽医，2017（24）：227-228.

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[10] 魏麟，刘胜贵，付明，等.基因工程实验教学改革的实践探析[J].怀化学院学报，2012，31（2）：94-96.

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