分子生物學與基因工程實驗課程體系的優化和考核方式的改革

楊陽等

[摘要]根據我校應用型人才培養的目標和要求，將科研成果轉化為實驗教學內容，以驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗整合優化分子生物學和基因工程實驗課程體系，期末考核采用設計實驗方案解決科學問題的方式進行，突出學生的主體地位，提高綜合運用能力，培養創新精神。

[關鍵詞]分子生物學與基因工程 實驗課程體系 考核方式

分子生物學（molecular biology）是在分子水平上研究生命現象的科學，通過研究生物大分子（核酸、蛋白質）的結構、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現象的本質[1]?；蚬こ蹋╣enetic engineering）是以分子生物學為理論基礎，將不同來源的基因按預先設計的藍圖，在體外構建雜種DNA分子，然后導入活細胞，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產新產品[2]。分子生物學和基因工程技術已被廣泛地應用于生命科學的各個領域，并且與農業、工業、醫藥、食品、環境等行業緊密結合，創造了巨大的經濟效益和社會效益。而分子生物學與基因工程實驗教學對培養生物相關專業應用型人才具有重要意義。通過幾年的實踐與探索，我們整合優化了分子生物學與基因工程實驗課程體系，并改革了考核方法，提高了教學質量，培養了學生熟練的分子操作能力和科研思維素養。

一、分子生物學與基因工程實驗課程體系的優化

武漢生物工程學院生物工程、生物技術本科專業在大學三年級上學期開設分子生物學課程，其中理論課48學時，實驗課24學時。實驗課內容設計以模式植物水稻為材料，從DNA、RNA、蛋白三個水平介紹分子生物學常用實驗操作技術，使學生較全面和深入理解分子生物學以DNA復制、RNA轉錄和蛋白質合成為核心的中心法則。

分子生物學實驗教學內容包括以下五個實驗項目：

實驗一 分子生物學常用試劑配制及瓊脂糖凝膠電泳（驗證性實驗）；

實驗二CTAB法提取植物基因組DNA（綜合性實驗）；

實驗三 植物總RNA的提取及反轉錄（綜合性實驗）；

實驗四 半定量RT-PCR（設計性實驗）；

實驗五 SDS-PAGE（綜合性實驗）；

考 核 設計實驗解決科學問題并撰寫實驗論文報告。

大學三年級下學期開設基因工程課程，其中理論課32學時，實驗課32學時。實驗課內容設計圍繞基因工程的操作流程“切、接、轉、增、檢”共設計七個連續的實驗項目：

實驗一 SDS法提取動物基因組DNA（綜合性實驗）；

實驗二PCR擴增目的基因（驗證性實驗）；

實驗三PCR產物的純化及DNA片段的體外連接（綜合性實驗）；

實驗四 感受態細胞制備（綜合性實驗）；

實驗五 重組質粒轉化與陽性克隆篩選（綜合性實驗）；

實驗六 質粒DNA的提取與純化（綜合性實驗）；

實驗七 質粒DNA限制性內切酶酶切鑒定（設計性實驗）；

考 核 設計實驗解決科學問題并撰寫實驗論文報告。

整合優化體現在：

1.以驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗整合分子生物學和基因工程實驗課程內容，為學生創設一種科學研究的情境和途徑。以類似科學研究的方式，指導學生查閱文獻，設計實驗方案，實施實驗流程，分析實驗結果，撰寫實驗報告，并整理成實驗課程論文。

2.實驗項目內容均來自課題組教師的科研成果，分子生物學實驗以模式植物水稻，基因工程實驗以動物牛為實驗材料，結合微生物實驗技術，全面掌握植物、動物和微生物的分子操作技能。實驗課實行小班教學，學生2人一組，使每一位學生得到充分的訓練，動手能力提高。

3.實驗課所使用的酶、試劑盒等均為科研或公司選用的主流產品，如Ambion TRIzol? Reagent、Takara PrimeScriptTMⅡ High Fidelity RT-PCR kit、MiniBEST Agarose Gel DNA Extraction Kit、pMD?18-T Vector、E.coli DH5αCompetent Cells、TaqTM、MiniBEST Plasmid Purification Kit、HindⅢ、EcoRⅠ、BamHⅠ、DNA Marker DL2000 DL15000、RNA Marker RL6000、Premixed Protein Marker（Low）等。

4.憑借多媒體實驗室，利用實驗間歇，播放網絡下載或教研室教師制作的微視頻、微課、MOOC等資源，使抽象的實驗技術具體形象、化難為易，此外教會學生使用NCBI、Primer5.0、Clustal w、Bioedit、DNAstar、genedoc等生物信息學常用網站和軟件，學會數據處理和分析。

5.教研室每位教師每年為學生提供4-5個科研助理崗位，學生可申請加入教師的課題研究或自主申請課題，系統培養學生的科研素養。

通過分子生物學實驗，使學生掌握圍繞中心法則三種生物大分子DNA、RNA和蛋白質的常用操作技術，如核酸提?。ɑ蚪MDNA、總RNA）、瓊脂糖凝膠電泳、反轉錄、半定量RT-PCR和SDS-PAGE，熟練使用微量移液器、高速離心機、鼓風干燥箱、電泳槽和電泳儀、紫外凝膠成像系統、超凈工作臺、PCR儀、培養箱、高壓滅菌鍋等儀器設備。在此基礎上，通過系統的、一環緊扣一環的基因工程實驗訓練，鞏固加強分子操作技能，培養學生獨立實驗、綜合運用的能力，為學生進入基因測序公司，疫苗、抗體生產企業，發酵類企業，動、植物育種和抗病研究中心奠定基礎。

二、分子生物學與基因工程實驗考核方式的改革

考核是實驗教學工作的一個重要組成部分，對于調動學生學習積極性起到重要作用。改革后的課程考核方式包括平時成績70%和期末考核30%。平時成績中實驗態度、實驗原理、實驗技能、組員合作、儀器使用、實驗室常識考核占50%，預習報告及實驗報告占20%。對于期末考核方式做了較大調整，強調“設計性”-學生應用所學實驗基本原理和技能擬定實驗方案解決科學問題，強調“實驗效率”-在規定的時間內，撰寫實驗設計方案、實施操作過程、提交實驗論文報告，強調“團隊合作”-4～6人為一科研小組，具體實施方案舉例如下：

1.期末考核方式

分子生物學和基因工程實驗設計考試要求學生在3小時內完成，允許攜帶實驗書、實驗報告、手機、電腦等工具。

2.期末考核評分標準

期末考試占總成績的30%，即30分，分數評定包括以下三個部分：

①實驗設計：隨機分組隨機抽題（現場抽題），以4～6人為一科研小組，通過設計實驗解決科學問題，占20分。評分標準：如在規定的3小時內完成并解決科學問題，小組成員每人獲20分；如只完成實驗的1/2，小組成員每人獲10分；操作規范性、著裝（實驗服）均要考核，該分數由教師評定。

②實驗原理：教師隨機提問實驗原理及方法，學生口答，占5分。

③團隊協作：組員互評，占5分?？蒲行〗M內，提供實驗設計解決方案的學生獲5分；主動實驗的學生4分；被動受指揮的學生2分；不做實驗、渾水摸魚的學生0分，該分數由組內學生互評。務必分出組內等級。

3.期末考核題目（部分）

①請設計實驗確定雞蛋清中或雞蛋黃中高豐度蛋白質的相對分子質量。

②請設計實驗確定甲、乙兩位同學提取基因組DNA或總RNA質量好壞，分析并說明原因。

③甲同學因疏忽未對提取的基因組DNA、總RNA樣品做標記，請設計一實驗，幫他分辨樣品，并分析樣品質量好壞，說明原因。

④甲同學根據目的基因堿基序列，設計了一對引物，堿基序列分別為：上游引物5′-TGCTGCAAGACCTGGTA-3′，下游引物5′-AGCAGCCTATCACGCAGGATA-3′，請根據Tm值相關理論，設定PCR實驗退火溫度的合理范圍。已知該基因約500bp，退火溫度55℃，設計實驗克隆該基因并檢驗。

⑤設計實驗確定混合核酸樣品中，DNA片段的數量及分子量大小。

⑥設計實驗提取黃瓜基因組DNA，并檢驗其質量。

⑦設計實驗證明真核生物基因為斷裂基因。

⑧根據第一次看家基因電泳圖譜，設計并操作第二次PCR的加樣體系，并說明原因。

⑨設計實驗確定大腸桿菌菌液為含有目的基因的陽性克隆。

此外，基因工程實驗考核學生還需整理所有的實驗報告為課程論文。

三、結束語

武漢生物工程學院生物學是湖北省省級重點學科，分子生物學和基因工程分別獲批省級資源共享課及省級精品課。在分子生物學與基因工程實驗教學工程中，我們始終貫徹落實我校應用型人才培養目標，不斷整合優化實驗課程體系，改革實驗考核方式，重在培養學生獨立實驗、分析解決問題的能力，提高學生實驗設計、綜合運用的能力，培養出生物產業高素質的應用型人才。用人單位對我院生物工程、生物技術專業的實習生和畢業生給予高度評價，認可學生分子生物學和基因工程知識儲備及實驗操作能力。此外，通過分子生物學、基因工程理論和實驗的學習，許多學生立志考研并成功被國內外知名大學分子生物學相關專業錄取，社會認可度高。

基金項目：湖北省教育廳項目（NO：2012391）

[參考文獻]

[1]朱玉賢，李毅，鄭曉峰，郭紅衛.現代分子生物學（第4版）.高等教學出版社，2013.

[2]董妍玲，洪華珠.基因工程（第1版）.華中師范大學出版社，2013.

（作者單位：1.武漢生物工程學院生命科學與技術學院 湖北武漢，2.武漢生物工程學院繼續教育學院 湖北武漢）