模块化教学在《生物工程综合大实验》中的应用

尹业师　陈华海　李百元

【摘要】《生物工程综合大实验》是生物工程专业的一门非常重要的核心课程，是对生物工程专业基础知识的概括和综合应用，直接对接企业实际生产需求。本文对《生物工程综合大实验》现状进行了分析，对模块化教学改革趋势进行了介绍，对模块化教学方法在《生物工程综合大实验》中的应用进行了经验总结。

【关键词】模块化教学  生物工程综合大实验

【基金项目】本文受湖南省普通高等学校教学改革研究项目的资助。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）07-0109-02

生物工程专业以现代生命科学知识和先进制造技术为基础，是一门重生产应用的综合性工科实用型专业。一般认为生物工程专业以微生物学、分子生物学、细胞生物学、遗传学、生物化学等理论和技术为基础，结合现代先进工程制造技术，对生物遗传物质进行定向改造，从而创造出具有大规模生产潜能的“工程菌”或“工程细胞株”。这些“工程菌”或“工程细胞株”不仅可以生产出一些从自然界中发现的物质，也可以创造性地制造出一些自然界本身并不存在的新物质，从而造福社会。生物工程专业培养目标要求学生们既要掌握生物学基础知识，又要具备工程化思维和手段。

生物相关学科实际上是一门实验学科，实验教学是检验和评价理论教学效果的最好手段和方法，实验教学是必不可少的一部分。学习生物科学必须以实验为载体提高生物科学素养，以实验为基本方法实现教学目标。这就要求在生物工程教学中必须特别重视实验教学。实验教学是生物工程专业教学过程中非常重要的一环，也是实施素质教育、提高学生专业素质的有效途径。然而对于《生物工程综合大实验》，很多开办生物工程专业的学校仍没有单独开设这门课程。目前，生物工程的专业实验课大多附属于专业理论课，且分散到该专业的多门课程，如基因工程实验、分子生物学实验、微生物学实验和细胞生物学实验等。大部分实验内容由任课教师从一些实验教材上选取，没有经过系统顶层设计，且大都没有连贯性。导致有些实验重复开，重点实验没有重点讲，且大多为验证性实验。学生在整个实验过程中很少经过思考，做过的实验印象不深刻，更谈不上将实验内容进行有机联系和拓展，很难达到培养综合性应用型人才的专业培养目标。这也可能是造成目前有些大学生毕业后“高不成、低不就”的主要原因之一。

目前，对《生物工程综合大实验》相关的教学改革探讨较少。2020年7月，在中国知网数据库中，以“生物工程综合大实验”为主题进行搜索只找到了5篇相关文章，且多以宏观思考为主。如广西大学粟桂娇等发表的“生物工程综合实验独立设课及教学改革”[1]和南阳师范学院张彩莹等发表的“《生物工程综合大实验》课程的改革与实践”[2]等。她们对《生物工程综合大实验》进行独立设课的重要性，及课程教学改革的必要性和宏观的教学改革经验进行了分享，认为有必要进一步探索和实践如何改善《生物工程综合大实验》教学方法，确实提高其教学效果。

模块化教学是一个完整的教学系统，一般依据教学目的将教学内容划分成不同层次的教学模块，每个模块包含特定的教学内容和目标，同时各模块之间又相互关联、层层递进。模块化教学是一种新型的教学方法，有助于提高大学生的创新与实践能力，是一种以应用型人才培养为目标而进行的课堂教学改革实践[3]。模块化教学法采用模块化教学设计，同时注重培养学生理论联系实践的能力，通过情境式教学等方法帮助同学们加深理解和增强记忆。该方法由国际劳工组织在20世纪70年代研发，以帮助学生们在项目实训中提高分析问题和解决问题的能力[4]。模块化教学已经成为各高校和中学部分学科教学改革的一种新兴模式。在中国知网数据库中，以“模块化教学”为主题检索发现，模块化教学相关论文的发表数量在2007年以后出現明显增多趋势，近年来一直维持在每年发表300篇左右。自20世纪90年代开始，模块化教学法已被我国职业教育系统借鉴，并被广泛应用[5-7]。近年来，模块化教学在高校生命科学领域诸多课程的教学中均有应用，如细胞生物学、微生物学、酶工程、分子生物学等均进行了相关教学理论的研究和实践探索[8-12]，取得了较好的教学效果。但模块化教学在《生物工程综合大实验》中的实践与应用还未见报道。

实际上，生物工程核心包括五大工程，即基因工程、发酵工程、酶工程、蛋白质工程和细胞工程。其上、下游之间模块化界限清晰，同时又相互关联，而且基因工程和酶工程等模块已经有模块化教学实践基础，有利于模块化教学在《生物工程综合大实验》中的应用。如“基因工程操作”主题，可以以“外源目的DNA获得—目的DNA与载体DNA重组—质粒转化或转染—阳性克隆筛选与验证—表达产物与生物活性分析”为主线，将其分为“分、切、接、转和检”5个基本操作技术小模块。传统教学排课一般将基因工程、发酵工程、酶工程、蛋白质工程和细胞工程分别单独设课，以基础理论和基础实验技术“填鸭式”教授为主。本校开设《生物工程综合大实验》的目标是将已经单独设课的各个模块融会惯通，开设综合性、设计性和创新性实验。以更好对接社会需求和企业发展需要，努力培养地方性应用型复合人才。

综合实验是将学生已掌握的基础理论知识和实践技能有机结合，创造性地解决一个实际问题或生产出某一种具体产品[13]。作者在教学过程中，结合科研项目，以S-雌马酚的发酵生产及细胞活性评估为例，将实验按模块化设计，分解成“产S-雌马酚大肠杆菌工程菌构建”“大豆苷元转化酶酶活性测定”“关键功能基因的蛋白质工程改造”“微生物发酵生产”和“雌马酚抗炎活性测定”五个模块。在“产S-雌马酚大肠杆菌工程菌构建”模块中首先复习基因工程和分子克隆相关基础理论知识，然后重点进行相关实验技术训练，包括外源DNA的PCR扩增、DNA双酶切、外源DNA与载体DNA的连接、重组质粒转化、阳性工程菌筛选与验证。在“大豆苷元转化酶酶活性测定”模块，首先复习外源蛋白表达、检测和酶活性测定方法，重点进行蛋白质SDS-PAGE电泳和Western blotting检测，及使用HPLC等方法检测反应底物和产物浓度以评价酶活性。在“关键功能基因的蛋白质工程改造”模块，重点是进行蛋白质改造策略和方法的讲解，及如何灵活使用“工程菌构建模块”和“酶活性测定模块”所学习掌握的实验技术。在“微生物发酵生产”模块，首先复习微生物学和发酵工程相关基础知识，学习如何防止发酵过程中杂菌污染及如何处置发酵过程中经常碰到的问题，重点掌握微生物分离纯化、微生物放大培养、发酵管路连接与运行、发酵产物分离纯化等实验技术。在“雌马酚抗炎活性测定”模块，首先复习细胞培养和酶联免疫吸附相关基础知识，重点学习如何进行细胞复苏、细胞培养、细胞传代，及如何使用酶联免疫吸附试剂盒检测细胞生物学活性。该实验基本覆盖了生物工程从实验室操作到工业化生产的全过程，既没有重复，又上、下游紧密连接，且方便模块化管理。有利于培养学生的工程化思路和对接企业实际生产需求。

通过近2年的教学实践，作者发现这种以社会需求能力为导向的模块化教学模式能很好地将基础性实验、综合性实验、设计性实验和创新性实验有机结合，有利于：（1）激发学生的实习和实验兴趣、启迪其创新思维和改善其自主设计能力;（2）培养学生独立思考、实践动手和综合应用能力;（3）提高学生科研水平、增强学生就业信心[14]。受到了学生们的好评和欢迎。但也还存在一些注意事项和有待继续改进的地方：（1）要始终把培养适应社会需求的高水平应用性复合型人才作为课程开设目标;（2）模块的划分要科学合理，既符合专业习惯和要求，又能模拟对接企业流水生产线;（3）模块主题的选择要难易恰当、上下连惯、重复性少;（4）任课教师要不断学习更新专业知识、经常了解企业发展动态和需求，以便更好地进行课程内容设计和改革。

参考文献：

[1]粟桂娇，莫祺红，阎欲晓，等.生物工程综合实验独立设课及教学改革[J].实验室研究与探索，2008（7）：107-110.

[2]张彩莹，夏敏，周索.《生物工程综合大实验》课程的改革与实践[J].南阳师范学院学报，2016，15（3）：58-60.

[3]郑浩，陶虎，王晓辉.高校模块化教学模式及其效果评价方法[J].科技信息，2010（25）：439-441.

[4]余国江.课程模块化：地方本科院校课程转型的路径探索[J].中国高教研究，2014（11）：99-102.

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[11]王娟，黎双飞，余少文.遗传学实验模块化教学改革的精细与粗放管理[J].实验室研究与探索，2010，29（8）：244-245+276.

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[13]蒋群，李志勇，张雪洪.生物工程综合实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2007，26（9）：88-90.

[14]阮景军，田山君，徐如宏，等.基因工程实验模块化教学改革初探[J].实验科学与技术，2019，17（1）：60-62+84.