生物工程基因工程綜合實驗教學(xué)改革
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摘要：生物工程專業(yè)旨在培養(yǎng)能在生物工程領(lǐng)域從事復(fù)雜工程活動、解決實際問題的綜合型人才。基因工程綜合實驗是生物工程專業(yè)綜合實驗中的重要組成，要想掌握這一技術(shù)就必須使得從業(yè)者更好地進(jìn)行基因工程實驗學(xué)習(xí)。因此，生物工程專業(yè)教師必須進(jìn)行科學(xué)的實驗教學(xué)，這樣才能讓學(xué)生掌握基本分子生物學(xué)技術(shù)，從而培養(yǎng)學(xué)生理論與實際操作應(yīng)用相結(jié)合的能力以及解決復(fù)雜工程問題的能力?；诖耍饕槍ΜF(xiàn)階段生物工程專業(yè)開設(shè)的基因工程實驗課中存在的問題進(jìn)行分析，并提出一些基因工程綜合實驗教學(xué)的改革與完善措施。
關(guān)鍵詞：生物工程專業(yè)；基因工程；綜合實驗；教學(xué)；改革與探索
根據(jù)工程教育認(rèn)證的要求，高等教育教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程最后要取得一定的學(xué)習(xí)效果，即OBE的理念。因此作為一所地方性應(yīng)用型大學(xué)的生物工程專業(yè)，旨在培養(yǎng)能在生物工程領(lǐng)域的生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)和研發(fā)中從事復(fù)雜工程活動、解決實際問題的綜合型人才。從另外一方面看，基因工程是一門十分復(fù)雜的學(xué)科，包含眾多的抽象理論和概念，同時也擁有較強的實踐技術(shù)性，也是一門十分重視實驗操作的學(xué)科。生物工程專業(yè)教師通過基因工程綜合實驗可以增強學(xué)生對生物學(xué)科的認(rèn)識，在一定程度上提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而更好地結(jié)合理論和實踐操作，提升學(xué)生個人工程思維能力和實踐操作能力。
1生物工程專業(yè)中基因工程綜合實驗教學(xué)現(xiàn)狀
隨著我國現(xiàn)代化教育體制改革的不斷完善，我國的分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展十分迅速，而基因技術(shù)課程作為其中重要內(nèi)容也隨即在各大高校廣泛開設(shè)，這一課程的開設(shè)能夠改善我國在該領(lǐng)域缺乏尖端人才的現(xiàn)狀，但是經(jīng)過多年的教學(xué)，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)存在以下一些問題。
1.1實驗教學(xué)缺乏創(chuàng)新
在生物工程專業(yè)所進(jìn)行的基因工程課程實驗中，主要實驗內(nèi)容就是生物DNA的提取、PCR擴增基因片段、瓊脂糖電泳等幾項單一的內(nèi)容，實驗課一周一般一次，這樣簡單看來利于學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識后通過實驗操作鞏固所學(xué)知識。但是，實際上基因工程實驗是一個連貫的操作實驗，如果不能一次做完就達(dá)不到整體性的效果，以往的教學(xué)使得實驗課程較少，只能進(jìn)行單一技術(shù)操作實驗，不能開展連續(xù)性實驗，也就使得實驗內(nèi)容無法連貫成一個整體。
1.2實驗教學(xué)方式較為單一
以往在基因工程課程實驗教學(xué)中，教師出于節(jié)省實踐時間和實驗材料的考慮，在實驗課前就準(zhǔn)備好了大多數(shù)實驗材料，比如提前配制好提取液、設(shè)計引物等。在上課后由教師進(jìn)行講授和演示，學(xué)生能做的只有有限的實驗?zāi)７禄蛘邫C械性的重復(fù)操作，缺乏多種形式的實驗探究。這樣的實驗教學(xué)方法使得學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏主動性和積極性，更無法促進(jìn)他們對實驗原理、實驗結(jié)果進(jìn)行思考探究，從而阻礙學(xué)生對基因工程實驗的深入學(xué)習(xí)探究。
1.3課程實驗內(nèi)容不夠完善，缺少綜合設(shè)計類實驗
基因工程課程實驗所設(shè)置的內(nèi)容主要包括以下幾種：核酸提取實驗，制作感受態(tài)細(xì)胞實驗，轉(zhuǎn)化及篩選實驗以及運用PCR技術(shù)擴增基因片段實驗等。這些實驗基本都是獨立實驗，涉及了大部分基因工程操作技術(shù)，但是缺乏相關(guān)性和連貫性，從而可能導(dǎo)致學(xué)生缺乏實驗綜合分析探索的能力和綜合分析工程問題的能力。
2基因工程綜合實驗教學(xué)改革措施
2.1優(yōu)化綜合實驗課程設(shè)置
基因工程實驗技術(shù)涉及方面眾多，且具有操作連續(xù)性強的特點。因此教師在進(jìn)行此類實驗課程設(shè)置時，必須對以往的課程內(nèi)容和安排進(jìn)行調(diào)整，增加更多的自主性實驗操作內(nèi)容，適當(dāng)?shù)貙嶒灂r間延長。根據(jù)所在院生物工程專業(yè)的特點，結(jié)合工程教育認(rèn)證的要求，將基因工程綜合實驗集中安排在一周進(jìn)行，持續(xù)5~6d，實驗內(nèi)容相對比較完整，充足的時間能保障實驗?zāi)軌蜻B續(xù)進(jìn)行，也保證了實驗內(nèi)容的廣度和深度。同時給予學(xué)生一定的試驗自由和實驗器材保障，從而讓學(xué)生能夠更加積極投入實驗中，更好地激發(fā)他們的自主實驗探究能力。
2.2改革基因工程綜合實驗教學(xué)內(nèi)容
具體來說，就是以基因工程原理為基礎(chǔ)，將原來基因工程的獨立實驗整合起來，形成一個較完整的實驗內(nèi)容。舉個例子，目的基因的分離克隆和載體構(gòu)建等內(nèi)容在基因工程原理課程中有所涉及，因此在進(jìn)行基因工程綜合實驗課程的講授時，為避免內(nèi)容講授重復(fù)可以集中介紹操作注意事項及各類影響因素，從而讓學(xué)生自主優(yōu)化實驗過程。此外，要引導(dǎo)學(xué)生查閱外源基因在微生物工程菌株中表達(dá)并進(jìn)行生產(chǎn)的相關(guān)文獻(xiàn)，并設(shè)計下游實驗思路和實驗路線，這樣能讓學(xué)生清楚地了解到從基因到蛋白質(zhì)的表達(dá)過程，更好地從工程角度出發(fā)來設(shè)計菌種，以適應(yīng)實際生產(chǎn)的需求，達(dá)到人才培養(yǎng)的目標(biāo)。基于以上的考慮，將基因工程綜合實驗內(nèi)容設(shè)計為可用于工業(yè)生產(chǎn)的大腸桿菌基因工程菌株的構(gòu)建。主要內(nèi)容包括查找目的基因序列，設(shè)計引物擴增，構(gòu)建重組質(zhì)粒載體，制備感受態(tài)細(xì)胞并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，對重組體進(jìn)行篩選。這些內(nèi)容涉及生物信息學(xué)、基因工程、微生物等，同時又兼顧了應(yīng)用價值，引導(dǎo)學(xué)生從生產(chǎn)需求出發(fā)，來設(shè)計工程菌株，符合本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，即能解決復(fù)雜工程問題。
2.3改革實驗教學(xué)模式
2.3.1采取開放式教學(xué)策略。教師要想提高學(xué)生對實際工程問題的思維和探究能力，讓學(xué)生能夠從實際需求出發(fā)，根據(jù)所學(xué)理論知識進(jìn)行獨立設(shè)計并完成相關(guān)實驗內(nèi)容，就必須對原有的課程方式進(jìn)行改革，采取開放式教學(xué)。教師也要著重要求學(xué)生注意實驗的各個環(huán)節(jié)，在給予學(xué)生時間和空間上自由的同時也不能忽略對學(xué)生的指導(dǎo)和檢查，當(dāng)遇到特別的重難點問題或關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要針對性的指導(dǎo)對待。教師也必須要求學(xué)生對每次實驗要及時做好數(shù)據(jù)記錄，保留中間產(chǎn)物多做備份，設(shè)置對照，不斷優(yōu)化實驗條件，然后系統(tǒng)地分析，培養(yǎng)學(xué)生良好的研究習(xí)慣。2.3.2科研訓(xùn)練、畢業(yè)論文與實驗相結(jié)合的教學(xué)模式。要想進(jìn)一步提高學(xué)生實驗探究和科研的興趣，就必須從學(xué)生關(guān)注的地方入手。比如可以結(jié)合學(xué)生的科研訓(xùn)練課、畢業(yè)論文，與學(xué)生的畢業(yè)論文和科研項目掛鉤，并提供一些科研條件和科研命題來讓學(xué)生選擇。然后在實驗指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下去自主設(shè)計試驗，并最終獲得實驗產(chǎn)物。這樣不僅能提高學(xué)生的積極性，而且也能避免實驗浪費，更好地幫助學(xué)生完成論文寫作，同時也訓(xùn)練了他們解決實際工程問題的能力。
2.4對實驗考核方式進(jìn)行改革
教師要想提高基因工程綜合實驗的教學(xué)效果，就要針對試驗內(nèi)容和學(xué)生實驗的情況來設(shè)置一個較完善的實驗考核體系，該體系必須滿足對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)、重視實驗和理論相結(jié)合、解決實際工程問題的綜合能力的評價。具體來說，就是分為對學(xué)生實驗前自主學(xué)習(xí)探究考核（文獻(xiàn)查閱總結(jié)能力），學(xué)生實驗過程的創(chuàng)新考核（實驗操作能力），獲得有效實驗結(jié)果（解決實際工程問題的能力）以及實驗報告寫作（科技論文/報告撰寫能力）等幾方面來進(jìn)行評價。教師的考核依據(jù)不應(yīng)僅僅體現(xiàn)在對學(xué)生掌握理論知識點的評價，更應(yīng)偏重學(xué)生將書面知識運用在實驗操作和解決實際工程問題的能力中來評價。
2.5對學(xué)生完全開放實驗室
教師盡可能為學(xué)生開放實驗室，可以在一定程度上調(diào)動學(xué)生實驗探究的積極性，讓學(xué)生更好地去對基因工程及相關(guān)工程問題的解決進(jìn)行研究學(xué)習(xí)。教師要注意采取措施來培養(yǎng)學(xué)生的實驗研究能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度。讓學(xué)生在開放的實驗室條件下，自主進(jìn)行實驗設(shè)計和開展實驗方案，并適當(dāng)?shù)貛椭鷮W(xué)生了解更多科學(xué)研究方法，不斷地提升學(xué)生科學(xué)思維能力。實驗室盡可能全面性對學(xué)生開放，具體是指：首先是在時間上進(jìn)行全面開放。其次就是涉及的儀器全部開放，學(xué)生經(jīng)過必要的登記后，在以后的實驗可以按需求使用實驗設(shè)備。然后就是盡可能將試劑藥品對學(xué)生進(jìn)行開放，要保障學(xué)生基本的實驗藥劑供應(yīng)，但有安全隱患的藥品仍需要審批。
2.6采取多樣化實驗教學(xué)方法
要想保障學(xué)生能夠更好地掌握基因工程實驗的技能，就需要采取多樣化教學(xué)方法。（1）建議指導(dǎo)教師制作相關(guān)微視頻。教師基于試驗內(nèi)容來自制有趣的微視頻動畫，可以讓學(xué)生更好地融入基因工程實驗學(xué)習(xí)中，能夠讓原本枯燥的基因工程與分子生物學(xué)知識和實驗內(nèi)容變得易懂且增加趣味性。（2）教師也可以組織開展一些課堂小組討論。具體來說，每個實驗小組根據(jù)實驗內(nèi)容設(shè)計不同梯度實驗，例如PCR擴增時設(shè)置不同退火溫度、不同模板濃度甚至不同引物，根據(jù)得到的實驗結(jié)果總結(jié)各因素對實驗的影響，可以直觀看到實驗技術(shù)的影響因素，完成從課本到實踐的轉(zhuǎn)化。（3）教師需要構(gòu)建完善的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺。相關(guān)實驗教師可以基于學(xué)校所提供的實驗室，來建立一個基于網(wǎng)絡(luò)基因工程的實驗教學(xué)平臺。這一平臺的建立可以讓學(xué)生能夠在虛擬的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建平臺中利用一些仿真軟件來進(jìn)行實驗，可以讓學(xué)生在正式實驗進(jìn)行前大致了解實驗的基本操作，這樣不僅可以使得學(xué)生更好地掌握實驗技能，而且還能避免浪費實驗材料。（4）這一平臺也能讓教師更好地指導(dǎo)學(xué)生去提前學(xué)習(xí)一些高難度的技術(shù)性生物實驗，從而完善學(xué)生對高難度基因工程和分子生物學(xué)有關(guān)的知識。目前我院已有較為成熟的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗平臺，可以極大方便學(xué)生進(jìn)行基因工程實驗的仿真模擬。
2.7加強實驗指導(dǎo)的延續(xù)性
這些年，在大部分本科高校實驗室平臺的管理中，已逐漸實行開放化管理形式。在實驗課以外的時間，高校應(yīng)不斷鼓勵并指導(dǎo)學(xué)生在開放實驗室的條件下進(jìn)行實驗，從而確保實驗指導(dǎo)的延續(xù)性。學(xué)?？梢越M織學(xué)生參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目和“互聯(lián)網(wǎng)+”等一些實驗競賽，讓學(xué)生可以在實驗課程學(xué)習(xí)以外，能夠充分提升所學(xué)的實驗技能。
3結(jié)束語
通過對現(xiàn)階段生物工程專業(yè)開設(shè)的基因工程實驗課中存在的問題進(jìn)行分析，并提出一些基因工程綜合實驗教學(xué)改革措施，不難看出在生物工程專業(yè)對基因工程綜合實驗教學(xué)進(jìn)行改革和探究十分有意義。高校教師通過對基因工程實驗教學(xué)進(jìn)行深入改革實踐，一方面可以加強學(xué)生探究實驗自主性，另一方面也讓學(xué)生獲得了生物工程實驗操作能力，更好地為達(dá)到學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和將來解決復(fù)雜工程問題奠定夯實基礎(chǔ)，同時對高校生物工程專業(yè)更好地進(jìn)行工程教育認(rèn)證有所幫助?；蚬こ叹C合實驗教學(xué)改革在現(xiàn)階段仍需要有關(guān)教師和教學(xué)管理工作者不斷去探索研究，不斷吸取國內(nèi)外的實驗探索經(jīng)驗，完善實驗教學(xué)方式，從而為我國生物工程領(lǐng)域輸送源源不斷的專業(yè)人才。
參考文獻(xiàn)
[1]劉佩勇，崔振波，亓紅強，等.生物工程專業(yè)綜合改革舉措的探索與實踐[J].高教學(xué)刊，2021（7）：131-134.
作者:張俠 尹海波 劉曉玲 張海靈 單位:煙臺大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院
