生物技术专业综合大实验课程的开发与实践

张英 郝林琳 祝万菊 唐小春 任林柱 逄大欣 谢子聪

（1.吉林大学动物科学学院 吉林长春 130062；2.吉林大学动物医学学院 吉林长春 130062）

生物技术（Biotechnology）是以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，以基因工程为核心，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的［1］。21世纪是生物技术飞速发展的时代，很多高等院校陆续开办了生物技术专业，培养能够掌握生物技术相关原理和技术的专业型人才，以满足新时代对生物技术专业人才的需求。

生物技术是一门综合性、实践性和技术性很强的学科，该学科开设的主干课程包括生物化学与分子生物学、基因工程、细胞生物学、蛋白质工程与酶工程等［2］，是在分子水平上探索生命的本质，理论性极强。而实验课教学是培养学生基本操作技能、创新思维和意识，锻炼学生发现问题、分析问题和解决问题的重要手段［3-4］。为了更好地帮助学生深刻理解和掌握相关课程的理论知识，加大了实验课设置比例，并引入“设计性、综合性、创新性”的教学理念，使学生能够系统化、全面化地掌握生物技术。

1 实验设计

众多的实践教学经验证明，综合性实验是培养学生良好专业技能的有效手段［5］。实验设计从基础实验的掌握到综合性、设计性实验的挖掘，是培养学生综合素质和能力的重要途径，能够帮助学生更好地解生物技术实验课的实验思路。为此，引导学生积极在知网、万方、维普等数据库查阅相关实验文献，利用生物信息学软件、分子生物学、细胞生物学和生物化学课程中学到的理论知识自主进行实验项目的设计。依托实验室内现有的GFP 绿色荧光蛋白表达系统、pDsRed1-N1 红色荧光蛋白表达系统、真核昆虫细胞表达系统，以及毕赤酵母表达系统，进行不同基因的克隆、表达、纯化及鉴定，实验流程见图1。在整个实验设计中，应用到的实验技术包含了生物学信息软件的使用、细菌培养、感受态的制备、目的基因的克隆、诱导表达、蛋白纯化、SDS-PAGE 及Western Blot 鉴定等，从而形成一个完整的、系统化的实验设计。例如，学生设计的实验项目有重组人Elafin 在毕赤酵母系统中的表达鉴定、人CAT 基因红色荧光蛋白报告基因表达载体的构建及功能鉴定、IGF-1 基因可变剪接体亚型在长白猪不同组织中的表达鉴定等多个实验项目。

图1 不同目的基因克隆实验的总体计划

2 实验实施

2.1 实验共享平台的建立与完善

实验室环境和仪器设备是完成实验的基础和条件，利用学校的实验室改造资金和仪器购置计划，不断改善实验条件，充分保障实验课的顺利开展。对教学实验室的名称、功能、负责人及开放时间等信息进行汇总；对实验室内的仪器进行分类统计，包括仪器品牌、仪器功能、台套数、仪器负责人等信息，针对不同的仪器设备，制定仪器简明操作流程；对大型贵重的仪器进行操作视频的录制工作，详见图2。同时，建立实验室使用的规章制度、开放制度和预约登记制度。开发创建实验室使用的功能软件系统，将实验室信息、仪器信息、规章制度等内容上传到系统里，便于师生在线查看和使用，为学生开展综合性大实验提供参考和支撑，做到心中有数、有的放矢，充分发挥实验室的资源优势和仪器使用效率。

图2 流式细胞仪的结构组成及应用

2.2 实验教师队伍的建设与培养

师者，传道授业解惑也，学高为师。在教学活动中，实验教师队伍的培养和建设至关重要。教师队伍的结构组成包括教学名师、专业教授、青年教师及实验技术人员等为一体的实验教学团队，教学名师和专业教授大多数为国家级、省部级科研及教学课题的主持者或参与者，能从制高点了解生物技术专业的前沿知识和技术，能对学生实验设计的思路、创新性和可操作性提供专业的指导意见和建议，而青年教师大多是刚走上工作岗位，朝气蓬勃有热情，除了传播专业知识外，更有亲和力，更能带动学生的实验热情，与学生之间的交流更顺畅。此外，实验技术人员也是不可或缺的一员，在实验课程开展过程中，从头到尾全程参与服务。在实验课程开展前，组织教学团队的成员进行集体备课，教学名师和教授对青年教师和实验技术人员等进行教学内容、教学经验和教学方法的指导与分享，提高青年教师的业务素养和水平，使其快速成长为教学骨干，完成“传—帮—带”的使命。同时，根据实验技术人员对实验条件的介绍，团队成员进行内部讨论，对实验室内能做什么、怎么做、做成什么做到心中有数、了如指掌。通过不断的交流和学习，不断提高教学团队成员的知识储备、业务水平、强大的事业心和责任感，能够将理论知识和实践课程充分结合起来，提高实验教学的效果。

2.3 教学手段的多样化

首先，将“实验小组长制”引入到教学活动中。实验开始前，提前进行实验分组，每组5～7 人，分割成不同的小班级模块，选拔责任心强、乐于助人、动手能力强、有团队服务精神的学生为实验小组长，组长负责召集组员讨论实验内容、实验方案、组员分工等，并积极与实验老师沟通，进行实验教室和仪器设备的预约、调试和使用等，在实验课开展前，提前进入实验室，进行实验前准备工作，包括试剂的配制、仪器的熟悉等，突出学生的主体地位，树立学生的主人翁精神。

其次，加大教学网络平台的建设与使用。网络教学是信息技术与专业的整合，利用学院的多媒体制作系统，自制一些微视频动画，将“看不见，摸不着”的枯燥实验理论视频化、形象化，帮助学生更好地理解和掌握实验原理、概念和实验操作（见图3和图4），也可以从虚拟仿真实验技术制作公司定制一些生物技术专业相关的视频软件投入到实验教学中，丰富和拓宽教学信息资源库，做到实体实验和虚拟实验有机结合，充分发挥虚拟仿真实验的优势。学生可根据自己的需要和时间，有个性化地选择学什么、如何学、怎么学，从而培养学生的自学能力，提升学生的知识面，为进入实验室开展实验打下良好的基础。

图3 等电聚焦电泳原理和图谱分析过程

图4 Western B lot的实验过程及部分实验操作

最后，引入“翻转课堂”和“PBL”教学理念。反转教学也称为翻转教学、易位课堂等，是通过大量的信息技术的辅助，在课前由学生自行完成知识的传授，在课堂中，师生互动，答疑解惑来实现知识的内化，从而达到更好的教学效果［6-7］。PBL（Problem Based Learning）教学模式是1969年由美国神经病学教授Bar-rows 创立的，是一种以激发学生自主学习动机和提高学生自己解决问题能力为目标的教学法，其教学理论和经验正逐渐被广泛接受和采纳［8］。两种教学理念的引入，改变了学生在以往实验过程中，学生到点上课、到点下课，在课堂中被动地接受知识的输入，知其然不知所以然，课后很容易淡忘了，导致很多实验技术掌握不扎实，在毕业论文答辩和研究生复试被问起时一脸茫然。“翻转课堂”和“PBL”教学法的引入大大提高了实验教学的效果，使学生能够从被动学习转变为对科研问题的主动探索，培养了学生自主学习、自主讲授和分工协作的能力，由被动填鸭式的教学转变为对学术问题的探讨，加深了对理论和实验知识的理解和掌握程度。训练了学生的科学思维和独立解决问题的能力和水平，将课前预习、课上学习、课后复习充分融合在一起。

2.4 考核阶段

与以往实验课考核不同，在生物技术专业大实验课程的成绩评定时，不再局限于实验报告，而是注重实验过程的培养。建立以提高学生综合素质和能力为目标的考核评价体系，充分调动了学生参与实验的积极性和主动性。其中，平时成绩占30%，包括实验预习、预习笔记、出勤情况、组内成员交流及师生交流等；实验方案的设计占30%，包括设计内容、技术路线、表述方式是否准确等；实验成绩占40%，包括实验操作、实验报告、实验参与度、仪器使用熟练程度等。其中，实验报告的撰写方面，要求学生按照科技论文写作的模式进行，包括题目、摘要、关键词、实验材料与方法、实验步骤、实验结果、实验现象的分析和讨论等，使学生能提前了解论文的撰写格式，为将来毕业论文的设计奠定基础。

3 实施效果

经过几年的教学实践证明，生物技术专业综合大实验课程的开设，在培养学生常规实验操作技能的同时，大大提高了学生自主设计和开发综合性、复杂性实验项目的能力和水平。在实验过程中，每名学生都能发挥主人翁意识，做到小组团队成员之间相互协作、共同成长、共同进步。这种以“项目”为导向的综合大实验的开展，培养了学生严谨的科研思维、科研态度，提升了分析问题与解决问题的能力，学生评价生物技术综合大实验课程的设置，让他们学到的知识体系内容更加完整、拓展了知识面，开阔了眼界，为今后从事相关专业的工作打下了基础。