“分子生物学与基因工程”是生物、医学、农业、生物制药等理科专业开设的经典课程, 随着生物工程产业化的飞速发展, 各个工科院校在生物工程、发酵工程、生化工程等工科专业也相继开设了“分子生物学与基因工程”课程, 并逐渐发展成为生物工程专业的核心课程[1,2]。湖北工业大学生物工程学院于2003年开始为生物工程本科专业开设“分子生物学与基因工程”课程。由于理科和工科学科在培养目标、办学条件、人才培养模式、课程设置、教材建设等方面存在较大差异[3], 在工科院校“分子生物学与基因工程”的教学过程中如果完全沿用理科的教学模式, 不论是学生对基础实验技能的掌握还是对各种实验技能的综合应用, 都很难收到较好的效果。我们通过不断实践, 根据分子生物学与基因工程课程的特点, 就如何提高实验教学质量, 培养应用型人才, 探索出了一种适合生物工程工科专业的分子生物学与基因工程实验教学模式-“基础实验+综合设计型实验”实验教学模式。
1 实验教学改革的探索
分子生物学与基因工程课程共64学时, 其中安排理论课学时为32学时, 实验课学时为32学时。为了培养和提高学生的实验技能与创新能力, 本课程在基础实验部分和综合设计型实验部分进行了改革探索。
1.1 基础实验注重理论知识的延伸和实验技能的训练
分子生物学与基因工程实验内容非常丰富, 我们充分考虑了工科院校的学科发展方向, 结合自身在工业微生物研究方面的学科优势, 将基础实验部分按照基因工程的一般步骤设置了五个最重要的实验技术:PCR扩增目的基因、DNA的连接及转化感受态细胞、质粒DNA的碱法提取、质粒DNA的酶切及琼脂糖凝胶电泳、表达载体的构建。
在开设以上五个基础实验的同时, 我们对学生在基础理论知识方面也加强了引导和拓展, 为综合设计型实验打下良好的基础。例如从PCR扩增的原理和步骤延伸到如何设计PCR引物及设计PCR引物时需要注意哪些问题、从连接酶和限制性核酸内切酶的作用及其作用机理延伸到分子克隆的其它一些工具酶的应用、从载体的结构延伸到如何构建重组载体, 从电泳的原理及影响因素延伸到如何保证电泳的结果准确可靠等等。另外在开展基础实验的过程当中, 让学生自己动手、自己观察、自己讨论、自己总结。这样既让学生掌握了基本原理和方法, 也让学生熟练掌握了一些仪器设备的操作使用。例如, 学生在这五个基础实验的操作过程当中, 熟练掌握了高压灭菌锅、微量可调移液器、旋涡振荡器、PCR仪、台式高速离心机、微波炉、电泳槽和电泳仪、凝胶成像系统等仪器设备的使用和操作。
此外, 实验课指导教师要做到认真备课, 做好预备实验, 明确每个实验的重点和难点, 重点讲解实验的基本技术、操作要领和注意事项, 并对关键技术环节和操作进行示范, 使学生做到流程清晰、操作规范、结果准确。总之, 只有真正做到上述教学要求, 才能既让学生训练了基本实验技能, 又让学生延伸了相关理论知识。
1.2 综合设计型实验着力培养学生的实践和创新能力
传统实验教学采取填鸭式教学, 学生处于被动地位, 在一定程度上阻碍了学生创造性思维的发展。我们在继承和发扬传统实验教学方法中的精华的基础上, 对实验教学方法进行了改革, 使分子生物学与基因工程综合设计型实验教学课时达到12学时, 占实验总学时的37.5%。由此, 可以达到让学生将基础实验知识和技能充分应用于综合设计型实验或研究的目的。
指导教师根据学生对基础实验知识和技能的掌握情况, 让学生在“利用大肠杆菌表达系统表达绿色荧光蛋白基因”和“利用酵母表达系统表达绿色荧光蛋白基因”两个综合设计型实验题目中任选一题。实验设计内容要求: (1) 综述国内外与本课题或实验相关的研究进展, 包括取得的成就、存在的问题和进一步研究要解决的问题, 阐述本研究的目的和意义。 (2) 制定实验内容和方法, 提出实验实施方案。对实验研究内容提出拟采取的实施方案, 并对每一实施方案提出理论依据, 并给出技术路线图。 (3) 根据实验设计方案进行具体实施, 完成实验总结报告。
学生实验设计的方案完成后, 指导教师对方案进行科学性和可行性评估, 并写出修改意见和建议。然后, 要求学生在规定的时间内完成全部操作, 最后完成实验总结报告。
通过设计综合型实验, 学生将各个基础实验的方法和原理进行了融会贯通, 进一步掌握了基因工程的一般步骤和原理。而且, 开设综合设计型实验, 充分调动了学生学习的主动性和积极性, 培养了学生浓厚的实验兴趣, 提高了学生的思维能力、动手能力、分析问题和解决问题的能力和创新能力。
1.3 严格要求实验报告的书写, 重点分析实验结果
在实验过程中, 指导教师要求学生认真做好实验原始记录, 要求按照研究论文的格式并结合一般实验报告的格式写出实验报告, 主要内容包括实验题目、实验目的、实验材料和方法、实验结果和讨论。要求学生利用所学的基本理论知识, 找出实验结果可能存在的原因。同时, 鼓励学生提出创造性的见解和认识, 为今后学生撰写毕业论文或科研论文奠定基础。
2 实验教学改革的效果
2.1 加强了学生的基础实验技能, 延伸了学生的理论知识
学生在基础实验的操作过程当中, 既延伸了分子生物学与基因工程的系统理论知识, 又加强了基础实验技能的训练。例如在提取细菌质粒DNA的实验过程中, 首先要培养细菌, 然后才能提取质粒DNA, 在理解质粒提取的原理的同时, 又加深了学生对无菌操作的理解和认识;在做PCR反应时, 让学生自己配制缓冲液体系和反应体系, 同时让学生自己设定PCR反应程序, 这样既让学生理解和掌握了PCR反应的基本理论知识, 又让学生深刻认识到实验的成功与否与哪些因素有关, 为结果的分析与讨论提供了参考。
我们所开设的五个基础实验基本上涵盖了分子生物学与基因工程课程中有关分子克隆工具酶、分子克隆载体、PCR技术及其应用、DNA导入感受态细胞的内容, 因此, 在让学生操作这些基础实验的同时, 又让学生在实际操作过程中延伸基础理论知识, 将各部分知识串联起来, 为综合设计型实验打下了良好的基础。
2.2 提高了学生的综合设计与应用能力, 培养了学生的创新意识和探索精神
学生在设计综合型实验过程中, 从实验方案的设计到实验材料和仪器设备的准备, 从实验条件的摸索到每个实验环节的完成, 需要运用本学科的基础理论知识和综合应用其他相关学科的理论知识。例如在完成“利用大肠杆菌表达系统表达绿色荧光蛋白基因”实验时, 除应用一系列的分子生物学与基因工程实验技术外, 还需要应用微生物培养技术及微生物筛选技术。在进行实验方案设计到完成类似研究性小论文形式的实验报告时, 需要利用网络查阅相关文献资料, 对所获得的实验数据需要利用计算机进行处理, 因此学生进行综合设计型实验时, 既锻炼了学生查阅文献、科技论文写作的能力, 同时也明显提高了学生实验设计和实验操作的能力以及分析和解决问题的能力。
学生在完成设计综合型实验时, 为了解决在实验过程中遇到的问题, 经常查阅相关文献资料, 再和老师进行交流与讨论提出解决问题的方案, 并利用课余时间反复试验, 反复调整实验方案, 直至获得成功。因此, 综合设计型实验留给学生更多的学习和思维的时间与空间, 有效地拓展了学生的学习范围, 激发了学生参与实践的积极性, 更好地培养了学生的创新意识和实验能力。同时教师与学生进行讨论和交流时, 形成了教师与学生共同活动的互动过程和以学生为主体的学习局面, 这样更加有利于激发学生的学习积极性, 更加有利于培养学生的实践能力和创新能力。
3 结语
湖北工业大学生物工程专业是湖北省品牌专业, 分子生物学与基因工程课程是生物工程品牌专业的主干课程。在教学过程中我们始终围绕湖北工业大学的办学层次和人才培养的目标, 在分子生物学与基因工程实践教学过程中不断改革与探索, 提出了“基础实验+综合设计型实验”的实验教学模式, 经过3年的实践教学, 证明“基础实验+综合设计型实验”的实验教学模式得到学生们的普遍欢迎, 并使得本专业的毕业生在行业领域中就业具有一定的优势, 毕业生的工作能力和创新能力得到了用人单位的一致好评。
摘要：根据湖北工业大学生物工程专业的培养目标, 结合分子生物学与基因工程实验教学的具体要求, 提出了“基础实验+综合设计型实验”的实验教学模式。基础实验有助于学生掌握分子生物学与基因工程的基本实验技术和技能, 综合设计型实验有利于学生对基本实验技术和技能进行综合应用, 从而进一步提高学生的实践能力和创新能力。
关键词：分子生物学与基因工程,基础实验,综合设计型实验,实践能力,创新能力
参考文献
[1] 王永飞, 马三梅.提高分子生物学与基因工程实验教学质量的一些体会[J].海南大学学报 (自然科学版) , 2006, 24 (1) :97～100.
[2] 江珩, 郑用琏, 陈守文.理工复合型生物工程专业建设初探[J].高等理科教育, 2007, 71 (1) :143～146.
[3] 胡尚连, 孙霞, 郑桂灵.分子生物学与基因工程实验教学模式探索[J].实验科学与技术, 2008:94～96.