21世纪是生命科学的世纪。基因工程是生命科学的前沿。经过30余年的发展, 这个领域已经取得了许多激动人心的重大成就。这些成就带动了以其为核心的生物工程技术的发展, 从而促进了整个生物科学更快的发展。同时, 有关成果已逐渐应用到医药、食品、农牧、化工、环保、能源等传统产品的改造和新产品的形成当中[1~4]。为适应时代的需求, 很多医、农、理科的高等院校在其相关专业的研究生甚至是本科生教学中, 都开设了这门课程。基因工程课程教学质量的好坏将直接关系到学生的专业素质和创新能力的培养。根据多年的教学经验, 笔者对研究生的《基因工程实验技术》课程的理论与实验教学的内容和方法进行了探讨与改进, 总结出几点新的教学方法并不断完善, 取得了较好的效果。
1 教学中遇到的新问题
基因工程课程的教学内容涉及基本原理、研究方法、实验技术等, 内容多抽象难懂, 需要记忆的知识点较多。华南农业大学资源环境学院植物病理学系于2001年首次针对植物病理学专业的研究生开设《基因工程实验技术》课程。当时, 由学生的数量有限, 有关的软、硬件设施都不完善, 所以安排的课时较少;教学内容仅仅针对本专业, 较为简单;教学方法传统、单一。随着基因工程理论的不断深化和应用性研究的发展, 基因工程逐渐渗透到各个学科和研究领域当中。从2005年开始, 陆续有植物学、动物学、微生物学、农药学、农业昆虫与害虫防治等专业的研究生选修此课。学生人数大大增加, 学科范围也由单纯的农科扩大到理科。学生的专业背景不同, 研究方向也不同。如何能在有限的课时内, 有效地提高课程的教学质量, 改善教学效果, 让不同专业的学生具有清晰的思路, 尽快将所学灵活运用到科学研究之中, 有效地辅助他们的毕业论文顺利完成, 这是当前本课程教学面临的最大问题。为此, 我们对课程的理论与实验教学进行探讨与改进, 摸索出一些新的教学方法。
2 理论课教学的改革
2.1 参考教材的选择
本课程是专业选修课, 开设对象是低年级的硕士研究生和博士研究生。相对于本科生, 研究生具有良好的自学能力和独立思考能力, 所以, 教材或参考书的实用性、全面性显得尤为重要。课程开设之初, 并没有指定专门的教材。随着教学经验的积累, 我们向学生推荐四本参考书:分别是吴乃虎著的《基因工程原理》 (第二版) (科学出版社, 2001) , 卢盛栋著的《现代分子生物学实验技术》 (第二版) (高等教育出版社, 1999) , 王光林, 方宏筠著的《植物基因工程》 (科学出版社, 1998) , Sambrook.J著的《分子克隆实验指南》 (第三版) (科学出版社, 2002) 。要求学生在课后按先后次序阅读。
很多选修本课程的研究生在本科阶段没有修过《分子生物学》、《分子遗传学》等课程, 没有相关的理论基础。如果直接接触基因工程, 理论上脱节, 难度很大。所以先要阅读《基因工程原理》, 掌握相关理论;接下来阅读《现代分子生物学实验技术》, 了解国内实验室里常用的实验操作技术;接下来开始看《植物基因工程》, 举一反三的学习基因工程的基本步骤;最后看基因工程领域的集大成之作——《分子克隆实验指南》, 开阔眼界, 了解国内外较新的信息和技术。这样的安排在难度上由浅入深, 符合不同专业背景研究生的学习需求。
2.2 教学内容的选择
经过讨论, 我们把课时增加到60学时, 其中理论教学18学时, 实验42学时。课堂授课学时较少, 所以具体内容需要选择。一方面, 对非关键的或过为艰深难懂的内容, 不在课堂上讲授, 安排学生课后阅读。另一方面, 查阅相关资料, 选取与实验密切相关的理论在课堂精讲。本着“科学性、系统性、实用性”的原则, 我们确立了以“基因克隆”的技术路线为主体的理论教学体系, 主要包括以下四部分内容:概论部分, 介绍基因工程的发展历程、定义、特点、基本步骤、应用等内容, 让学生对这门课程有个整体的了解。接下来, 分别讲解目的基因的获得、载体的构建、重组子的转化和筛选及鉴定等内容, 介绍基因克隆的整个过程, 其中穿插讲述各类分子克隆工具酶的应用, 这是基因工程的核心内容。第三部分, 介绍基因的表达。最后一部分, 介绍转基因生物的鉴定、遗传分析及安全性评价。在理论讲解中结合实际应用加以介绍, 循序渐进, 使课堂教学更为生动、丰富。
3 实验课教学的改革
3.1 实验课程的建设
本课程以实验课为主。教学大纲要求, 课程的重点在于使学生对基因工程的常用技术, 了解其原理, 掌握其操作, 能够将之应用到个人的论文研究当中。这也是我们安排实验的主导思想。根据这个原则, 在实验课程的设置上, 以理论与实践相结合为指导思想, 从教学大纲入手, 筛选重点和难点, 分层次、分难度地安排实验, 尤其注重学生创新与科研能力的培养。作为研究生层次的实验教学, 我们把重点放在基因的克隆、表达及转基因的分子检测上。
在实验教学的形式上, 实行小班教学, 每次实验学生20人, 2人一个小组。保证了教师对学生的充分指导和师生之间的充分交流。同时, 综合运用多媒体、网络等多种现代教学技术手段进行辅助教学, 加强了实验教学的效果。
为适应不同专业背景研究生的需求, 我们带领学生参观各专业实验室, 介绍科研工作中用到的各类仪器, 将现代科学技术的发展成果反映到教学中来, 也给那些在本科阶段从未接触过相关领域的学生以直关的认识。在学校和学院的大力支持下, 我们购进了荧光定量PCR仪、凝胶成像系统、分子杂交炉、磷屏增感仪、各式电泳设备等仪器, 使得基因工程实验的硬件平台得以构建。
在整个实验教学改革过程中, 认真编写实验指导书;结合课程, 组织讨论修订了实验教学大纲。在实验教材的编写过程中, 要求教材应有利于培养学生的创新思维, 不仅对相关的知识核心进行阐述, 同时更加注重对实验设计等的改进。实践证明, 学生在实验教材的指导下能够迅速地进入角色, 完成实验要求的任务;同时, 实验指导书也成为学生学习该课程的一个较好的同步参考学习资料。
实验教师和理论课教师进行定期沟通, 了解其教学进度;与理论课教师一起讨论实验教学的开展。将实验课程穿插安排在理论课程当中, 而不是安排在理论课程结束之后。从而进一步提高教学质量, 做到实验和教学的谐调统一。
3.2 实验课的内容
在实验的整个过程中始终贯穿以学生为主体, 教师为主导的教学思想[5]。实验内容的安排注重综合性与设计性。共安排8个基本实验, 2个综合实验;其中, 涵盖了几乎所有的基因工程的常用技术。通过基本实验, 让学生掌握核酸抽提、琼脂糖凝胶电泳、PCR、引物设计、感受态细胞的制备、基因转化、重组子筛选及鉴定、农杆菌转化植物等操作的原理和技能。
综合实验一“水稻瘤矮病毒S10组分的原核表达”, 以含有水稻瘤矮病毒S10基因组分的质粒DNA为实验材料, 利用基因工程技术将之构建到原核表达载体, 进行诱导表达;用S D S-P A G E检测其表达产物。该实验项目包括的技能有:碱裂解法抽提提取质粒D N A、限制性核酸内切酶切割DNA、琼脂糖凝胶电泳检测DNA、目的基因与表达载体的连接、大肠杆菌感受态细胞制备及重组DNA转化、重组子的鉴定、S D S-P A G E检测蛋白质的基本原理与方法、培养基的制作、高压蒸汽灭菌、干热灭菌、细菌的液体培养和固体培养等。通过本实验, 学生能够在脑海里清晰构建基因克隆与表达的主体思路, 系统掌握相关技术。
综合实验二“Southern-blot杂交鉴定番木瓜中转基因成分的存在”, 以转基因和没转基因的番木瓜为实验材料, 通过Southern-blot杂交技术, 检测其中的转基因成份。该实验项目包括的技能有:植物基因组DNA的抽提、限制性核酸内切酶切割D N A、琼脂糖凝胶电泳检测D N A、毛细管法转膜、探针的标记、杂交、压膜、使用磷屏增感仪捡出杂交体等。通过本实验, 学生能够明确对转基因成分进行分子检测的具体思路, 系统地掌握分子杂交技术。
通过实践, 我们发现, 先让学生掌握一些基本的实验技能, 然后将之放在一个具体的课题之中, 在“实战”中复习旧的技能的同时学习新的技能。这种安排既有利于学生形成完整的基因工程上游的技术路线思路, 也有利于科研能力的培养与锻炼;对形成严谨的科研作风, 培养创新意识, 提高分析问题、解决问题的能力也大有帮助。
4 课程的考核
研究生课程的考试形式以往都是较为传统而单一的。在不断的实践摸索中, 我们制定了一套切实可行的考核办法:平时表现 (实验态度、实验室常识等) 占10%, 实验报告占20%, 实验操作占20%, 期末的理论闭卷考试占50%。在闭卷考试试卷设计上, 加大主观题的份量, 减少客观题的比重, 注重考查学生的知识面和解决问题的能力。另外, 在大题型中, 让学生有选择的余地, 可二选一或三选一等。这样, 学生该门课程的总评成绩是一门综合成绩, 试卷不再是成绩的最终判决书。
基因工程的实验教学环节安排的是多次连续性的大实验, 要求提交实验报告。由于参加的学生都是硕士以上的研究生, 都面临着毕业前一定要有正式论文发表才能拿到学位证的问题, 所以对于本课程的实验报告, 我们要求要按照正式发表的科研论文的格式来完成。报告内容要包括:题目、摘要、前言、材料与方法、结果、讨论与参考文献等格式。要求学生独立地完成;做到实事求是, 数据可靠、书写格式规范, 分析得当, 结论正确, 并要求报告的重点要放在实验结果的讨论部分。
5 经验与展望
三年当中, 我们在2004级、2005级、2006级、2007级共232名研究生中的教学中试行了上述的教学方法。大家一致反映效果较为理想;普遍觉得兴趣很高, 收获颇丰。大家认为这种教学方式有以下优点:将基因工程实验技术与生物化学与分子生物学、微生物学等学科的技术结合起来, 巩固了以往所学, 培养了学生综合运用所学知识的能力;实验每一步骤的操作, 包括前期准备工作都是由学生自己来做, 充分发挥了学生的自主性和能动性;锻炼了学生连续做大型实验的能力, 提高了他们的实际动手能力和操作能力, 为进实验室开始科研工作打好基础;要求学生以论文形式完成实验报告, 为以后毕业论文的写作奠定了基础。这些能力的培养和提高对于研究生来讲非常重要。而且, 在实验过程中, 我们把不同专业的学生分在一个组, 同学之间互相学习, 加强交流, 增进了团结协作和友谊, 培养了团队精神。这对他们也尤为可贵。
下一步, 我们的教学工作准备从以下几方面进行进一步的改进: (1) 进一步深化教学改革和课程建设; (2) 进一步加强教师队伍建设; (3) 继续完善实验配套体系。
6 结语
目前我们还处于探索和不断改革阶段, 专业教师的责任任重而道远, 今后要不断地提高业务素质, 不断实践、不断总结, 把《基因工程实验技术》课程的教学工作开展的更有生气、更有效果, 为国家培养高素质的、有创新能力的合格人才, 为我国的生命科学与技术的发展作出更大的贡献。
摘要：《基因工程实验技术》课是不同专业研究生的选修课, 重点培养学生的创新精神、实践能力和综合素质。本文根据不同专业的特点和人才培养要求, 探讨了本课程在传统的理论和实验教学中存在的不足。结合笔者的教学经验, 在该课程的教材建设、教学内容的改革与建设、实验配套的硬件与软件建设、实验教学安排等方面所进行了探索。总结了一套行之有效的理论和实验教学方法, 对该课程的改革具有一定的意义。
关键词：基因工程实验技术,教学改革,实验
参考文献
[1] 许崇波.基因工程课程教学改革初探[J].大连大学学报, 2005, 26 (6) :23～25.
[2] 吴乃虎.基因工程原理 (第二版) [M].北京:科学出版社, 2001.
[3] 李立家, 肖庚富.基因工程[M].北京:科学出版社, 2004.
[4] 陈英, 黄敏仁.基因工程教学改革初探[J].生物学杂志, 2005, 22 (5) :48～50.
[5] 刘幸福.在实验教学中试行“以学生为主体”的教学模式探讨[J].实验技术与管理, 2002 (3) :114～116.