本科生分子生物學實驗延伸課堂的教學實踐

盛哲津, 李天明, 陸東東

(同濟大學 生命科學與技術學院， 上海 200092)

0 引 言

分子生物學是在分子水平研究蛋白質、核酸等生物大分子形態、結構、規律及其相互關系的學科，與生物化學、基因工程、細胞生物學等緊密聯系，相互交織，在生命科學領域是最基礎也是最重要的學科之一;尤其在生命科學快速發展的今天,其基本理論和研究方法的掌握對生命科學的學生來說是非常重要[1]。生命科學又是一門實踐科學，許多理論只有通過實驗才能更徹底、更全面地理解和掌握，高校的分子生物學實驗課程幾乎對生命學科的本科生都有開設，是每個生命科學和生物技術相關專業的學生所必須要掌握的基本實驗課程[2-3]。

隨著 “雙一流”學校建設和學院在以“干細胞和表觀遺傳學”研究為核心任務，帶動學院其他科研、教學領域全面發展的戰略目標下，對分子生物學實驗在生物技術專業高端人才培養中的作用提出了更高要求，生命科學作為首批“基礎學科拔尖學生培養試驗基地”的三個基礎學科之一。本科生分子生物學實驗課程一直在實踐中力求改革與創新，原有實驗教學內容、實驗指導教材、教學方法、教學模式、成績評價和指導教師隊伍建設等已經不能滿足現階段對綜合性、全面性人才培養的要求。通過實驗教學改革與探索，自2016年起，逐步開展本科生分子生物學實驗教學延伸課堂的建設，全面提升和優化實驗內容、注重學生實驗技能訓練、開展多部門多學科聯合實踐教學等多形式的教學改革創新，使理論學習和實驗實踐相互滲透，有利于學生更好地掌握分子生物學知識和技能，拓展視野，在培養學生的綜合性能力上效果顯著，可為開展生命科學相關人才培養新機制的研究作參考。

1 傳統課堂內分子生物學實驗教學的現狀

目前的實驗課程內容多以基礎性、驗證性實驗課程為主，實驗教學內容結構不夠合理，缺乏系統性與興趣導向,任課教師事先規劃好課程教學計劃，教師介紹實驗背景知識、實驗目的和要求、實驗原理、操作步驟及注意事項等，學生遵從教師的指導進行實驗操作，獲得實驗數據并完成實驗報告，任課老師以演示實驗教學為主，學生機械地利用事先準備好的試劑、儀器、耗材等進行操作，學生被動性接受知識成為一些高校實驗教學的主要手段[4-5]。教學模式常常導致學生實驗操作如工廠流水線上工人，缺乏主動性思維和系統性理解，初次接觸分子生物學實驗的本科生往往難以做到理論學習和實驗實踐相互滲透，缺乏獨立思考與創新意識，實驗常常局限于實驗教學中心的教室里，以驗證性實驗為主的教學缺乏主動設計性思維，由于中心教學資源和課時地限制，有時總是最積極的幾個學生在操作實驗，許多學生實際動手操作機會較少，缺乏考核評價體系，比較單調的教學方式使學生失去對實驗課的興趣。

2 實驗教學改革與延伸課堂的內容

2.1 實驗課時合理優化

合理的課時安排是開展實驗教學的保證，優化原有實驗課程，合理利用大量實驗過程中的等待時間，開展包括：對學生基本實驗技能，正確的試劑配置方法，生物實驗相關儀器設備的使用，實驗操作技能關鍵點、實驗安全等的教學。做到見縫插針地利用這些時間。另一方面分子生物學實驗課程試點開展從36課時增加到78課時，課時的擴充為完善實驗體系建設，為分子生物學實驗教學內容改革提供了時間保證。

2.2 實驗延伸課堂主要內容的設置

課程依托學校實驗教改專項，建設以現有的分子生物學實驗課程6大實驗為基礎，延伸分子生物學實驗課堂，通過延伸課堂結合分子生物學實驗技術領域的最新動態和研究手段，通過對學生實驗的基本技能延伸、綜合設計性實驗、實踐教學、實驗優化討論等的內容開展多形式的實驗教學，開展延伸實驗自編教材手冊建設，與實驗室、科研支撐平臺、實驗動物中心等聯合教學，拓寬學生視野，開放實驗室以彌補中心高端實驗資源不足的劣勢，使實驗教學和科研資源互補、互相滲透。這一系列拓展實驗補充、教學實踐、模式創新，進一步激發學生學習興趣(見表1)。

表1 生物技術專業分子生物學延伸課堂主要項目設置一覽

3 延伸課堂的特點與成效

3.1 實驗教學結構優化

基礎性實驗項目主要包括基本的分子生物學操作技術, DNA分子的酶切和連接、瓊脂糖凝膠電泳、細胞轉化、PCR擴增目的基因等,結合本科生教學以及分子生物學技術特點，在教學過程中，優化整體設計，以完整、系統、實用為原則，經典實驗與科研技能培養相結合，將分子生物學實驗課程設計為若干個有機整合的大實驗，有利于培養學生綜合性實驗能力[6-8]。分子生物學實驗延伸課堂從2016年開始逐步改革,加入基因表達、螢光素酶報告基因檢測等相關實驗課程，增加設計性、綜合性實驗學時比重，2018年學時數翻倍，改變以往以驗證性實驗為主導的實驗設置結構，形成基礎性、設計性、綜合性相對平衡的結構，結合實驗實踐教學，形成了多層次實驗教學體系(見表2)。

表2 2016～2018年分子生物學實驗教學不同類型

3.2 實驗教學模式多樣化，構筑實驗教學開放大平臺

學院分子生物學實驗在實驗教學中心開設基礎實驗課程的同時，為優化管理、實現資源共享，學院將實驗室資源優選整合科研實驗室、科研支撐技術平臺、實驗動物中心等部門，構筑實驗教學大平臺，合理分配分子生物學延伸課堂的一部分實驗教學和實踐教學任務。以科研支撐技術平臺為例，平臺目前包括有30多臺高端實驗設備，其中16臺高端分子生物學、細胞生物學相關設備，總價值達3 000萬元以上，分別擁有生化分子實驗測試、細胞影像分析技術、流式細胞測試分析技術、電生理技術、電鏡技術等5個技術平臺，8間開放實驗室，豐富的科研資源共享給學生進行實驗和開展儀器資源原理、應用等實踐教學，延伸課堂并且利用了該科研支撐平臺的信息化實驗預約管理系統，不局限于課堂，學生可自由安排時間，隨時預約實驗，在老師的協調下開展相關實驗，面向拓展課堂學生開放，學院優質資源整合并運用到實驗教學中， 使實驗教學的模式更加靈活，實驗教學與實踐教學相結合，有效提高了學生的綜合能力及科學素養，拓寬了學生的視野。

3.3 規范實驗評價體系

原來以實驗結果和實驗報告來評定學生的實驗考評體系不夠全面[9-10]，隨著實驗課程改革和延伸實驗教學考核評價體系的建立，力求做到客觀地評價學生在實驗過程中的實際能力，使學習成績能比較真實地反映出學生的實踐能力。因此，考核項目的設置應體現專業性和全面性，在實驗過程中實驗方案設計、進度、數據分析、完成質量等諸多方面進行綜合考評，注重實驗過程考察的精細化、數據化，在原考評體系的基礎上形成了實驗理論、實驗技能、設計方案報告、實驗報告水平、實驗實踐綜合評定等5方面考核。以基于標曲法評價熒光定量PCR反應效率實驗為例：在教學中，首先通過教師指導、學生討論、軟件學習等，學生自行對給定的基因進行引物設計，實驗設計方案確定后，開展討論，對于引物長度、跨內含子、GC含量、BLAST結果等各項指標開展自評互評及教師指導等多形式評估后，形成評估報告。修改后確定最終方案，實驗中學生擴增不同濃度的cDNA模板，生成相對標準曲線的方法，得到的基因擴增效率(R2值、斜率、截距)、靈敏度、可重復性(復孔SD值)等一系列實驗參數指標加入到實驗教學評估中，以往這些實驗參數在學生最終的實驗報告中不能體現，實際上這些實驗數據真實反映學生的實驗情況，結合原有觀察熒光擴增曲線、溶解曲線、電泳圖像等內容使得評價體系更完善。

4 “121”模式的實施

高校長期以來對實驗教學的師資隊伍建設缺乏重視，難以形成優勢互補的師資隊伍[11],在延伸課堂實踐中，針對設計性實驗的實驗教學師資配備實行“121”模式，即針對某一小組的實驗課程，實行1位教授，2位科研實驗室技術員，1位助教的教師隊伍配備模式開展實驗教學。 近年來本科生“導師制”模式已在各高校逐步推廣，但往往流于形式[12]，而“121”模式中的1位教授(獨立實驗室主任)，即是“導師制”落到實處的體現，教授不僅參與實驗課程的頂層設計、實驗理論教學、實驗指導，還創造機會和學生展開實驗討論、邀請部分學生參與研究生組會、實驗室參觀等實踐教學活動，不僅激發了學生的實驗興趣和熱情，使學生體會了實驗室的科研環境，增強了教學互動體驗，這是實驗室主任參與實驗教學起到的助推效應的結果?？蒲袑嶒炇覂妊芯啃蛯嶒灱夹g人員參與本科實驗課程的實驗教學準備與實驗指導工作，是科研與實驗教學相結合的實踐內容之一[13]，“121”模式中的“2”，就是科研實驗室內的研究型實驗技術人員，為實驗教學中的中堅力量，這類技術人員擁有扎實的分子生物學專業背景、實驗技術能力和學習能力，能快速投入到實驗教學中去，給予實驗課程的技術支持、教學支持，學院積極鼓勵這類技術人員充實和完善到實驗教學師資隊伍中，對課程起到了積極的促進作用，從課后問卷調查中得到了學生良好的反饋。助教在西方大學教育中扮演著十分重要的角色,在我國高校的實驗教學中也已經有所實踐，但參與程度不夠深入，經過延伸課堂師資隊伍改革的實踐，實驗室選拔的優秀研究生助教能充分體現“傳幫帶”的作用，本科生往往跟這些研究生助教形成良好的溝通機制，有利于實驗教學的開展，助教也使學生和教師之間形成了良好的橋梁作用，使教師能更好了解教學的動態效果，及時調整教學策略，不斷優化教學方案。

5 結 語

近年來，我院開展了如模擬科研情境的研究型實驗教學、開放式實驗教學平臺構建、綜合性實驗教學實踐等一系列實驗教學改革[14-16]。在生物技術本科實驗教學中以社會需求為導向，積極推進生物技術專業實驗教學改革的不斷深入，充分發揮實驗教學在高端人才培養過程中的重要作用。分子生物學延伸課堂的實驗教學實踐，優化與拓展原實驗教學內容，教學師資隊伍的創新，注重實踐教學，發揮學院優勢資源，構筑學院開放型實驗教學大平臺等改革措施，是我院在生物技術專業人才培養機制探索的又一次嘗試，積累了一定的教學經驗，課程的開展進一步提升了實驗教學改革的力度，使學生能更快地適應生物技術產業快速發展所面臨的挑戰，也對培養未來生物技術專業研究領域技術型和科研型人才發揮了積極作用。