分子生物学实验课程建设与教学改革探索*

时间：2024-05-07

张颖王锂韫李卫锦

岭南师范学院生命科学与技术学院广东湛江 524048

0 引言

分子生物学是以研究核酸等生物大分子的形态、结构和功能，并揭示其重要性和规律性的科学，是人类从分子水平上真正揭示生物奥秘、探索生命本质的基础学科[1]。在生命科学迅猛发展的今天，分子生物学成为生物学相关专业的核心课程，其知识体系、技术原理和实验方法已经渗透生物学科相关的各个领域[2]，成为生命科学最具有影响力的课程之一。笔者所在的岭南师范学院生命科学与技术学院，生物科学、生物技术和海洋资源与技术三个专业均开设了该门课程。在生物类课程的学习中进行实验是不可或缺的，通过实验课程的学习可以加速学生对新知识的理解和掌握，调动学生学习生物知识的积极性，有助于提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生综合素质的同时锻炼学生的思维能力、创造能力，因此，分子生物学实验是分子生物学课程的重要组成部分。分子生物学实验技术在医学、农学、动物学、植物学等领域广泛应用，主要涵盖生物大分子的提取与纯化和研究方法，包括基因的克隆，原核、真核表达载体的构建、目的基因的表达以及表达结果的定性定量分析等[3]。岭南师范学院分子生物学实验课程的授课内容主要是分子生物学基础实验的了解及掌握；随着实验技术的发展，一些新型的分子生物学技术也渗透在课堂中。由于学生工作和继续深造的需求，该实验课程的教学研究和改革一直受到生命科学与技术学院师生的重视。

岭南师范学院生命科学与技术学院分子生物学实验室始建于2000 年。自实验室建成后学院一直开设分子生物学实验这门课程，并以教学团队的形式开展该门课程的教学。教学团队长期以教授为课程带头人，团队成员的学历均为硕士及以上，形成了较为稳定的教学队伍。教学团队一直致力于改善分子生物学实验教学的教学条件，提高教学质量，培养高素质的分子生物学方面的人才。专业的分子生物学教学实验室、准备室和药品室等基础设施现已基本配备齐全，无菌操作区和高污染区分区严格，为分子生物学实验课程的基础实验课的开设提供了稳定有力的保障，但通过长期的教学实践也发现了当前实验课程教学存在一些不足之处。

1 分子生物实验课程教学中发现的问题

1.1 学习片段化，操作碎片化

分子生物学实验课程由于受到学分的限制，课堂教学课时数不足以保证综合实验的教学时长，为了完成教学计划，一些实验课程的设计仅仅为了凑学时，不能让学生有比较系统的学习。另外，分子生物学实验存在操作时间长，操作要求高，部分药品毒性大的特点，为保证学生的人身安全和实验的成功率，不得已将关键药品的配制、实验耗材的前期处理，甚至部分重要的实验步骤交由实验教师完成，学生在实验操作过程中的部分比较简单，致使学生在实验学习操作过程中对整个实验一知半解，学习内容片段化，操作碎片化，不能很好地做到将理论应用于实践，更谈不上探索新知。

1.2 教学模式老旧，偏离教学目标

目前常用的教学模式是预先确定实验内容，然后在PPT 课件或者教室黑板上将实验目的、操作步骤和思考题列出的模式[4]。这种模式的优势是操作步骤清晰、实验目的结果明确和课堂秩序良好稳定。但也存在如下一些缺点。

1.2.1 学生课堂表现主观能动性差

针对教学内容师生互动较少，课堂以教师为中心，没有很好地激发学生的兴趣和探索欲望，使学生关注的问题是“本次实验需要花费多长时间”，而不是“应如何操作才能将实验完成得更好”。大部分学生都是跟随教师的思维模式来完成实验学习，缺少自主思考，常见的学生问题表现为“下一步该加什么？”“下一步药品加多少量？”而不是“为什么加这个药品，它的作用是什么？”“加这个量的原因是什么？”学生的实验结果出现差异时，只会问教师为什么操作步骤一样会出现不一样的结果，而没有自主思考哪个步骤出现问题或者出现这些问题可能有哪些原因，也没有将每次实验之间联系起来去讨论分析，长此以往会导致学生缺乏主观能动性，易产生依赖性思维，不利于学生自主思考能力的提升[5]。

1.2.2 传统教学不具备可重复性

分子生物学实验课程比较抽象，不能具体到实物，这就要求学生要有比较高的理解能力，传统教学就是把知识讲一遍，不能达到大部分学生都掌握实验方法、理解实验内容的目的。

1.2.3 实验设备的操作问题

由于实验条件的限制，大型仪器不可能做到每个学生都能操作，致使部分学生对大型仪器很陌生，甚至有少部分学生都不知道自己在实验过程中用过哪些实验仪器，于是会出现后期在做科研实验和毕业论文实验时不会操作或者错误操作仪器的情况。

1.2.4 实验设备的使用与管理问题

分子生物学实验室是完成实验教学的重要场所，要求配置先进完备的实验仪器和设备。同时这些仪器和设备的使用需要使用人员接受一定程度的基础训练才能保证仪器被正确操作，否则会容易损坏仪器，甚至可能会威胁实验员的人身安全和造成财产损失。部分学校为降低安全隐患和减少实验过程对仪器的损耗不得已只能通过实验教师操作演示的方式完成教学，使学生动手操作机会更是少之又少，这与教学目标相矛盾，学生的动手能力、思维能力、创造能力和团队合作能力都没有得到锻炼，从而达不到开设实验课程的目的。

1.2.5 在疫情防控背景下，分子生物学实验课程的教学遇到了新挑战

疫情防控期间，学校课堂教学由线下被迫转战线上教学。这种突发的转变对于实验课程来讲无疑是猝不及防的，因为整个实验操作会受到多方面因素的影响，比如实验材料、实验仪器的使用、实验场所的分散以及实验操作时长等，无法在短时间内达到与理论课相近的线上教学效果，造成实验课程与理论课程进度不匹配的局面。线下教学存在的问题还没有得到解决，新的挑战又出现，以上这些问题促使笔者所在学校抓住机遇，坚定了加快对分子生物学实验线上课程建设的决心。

2 分子生物学实验课程线上教学资源的建设

基于“互联网+”进行高校课程改革是研究热点，近年来移动端教学和虚拟演播教学在高校实验教学中的应用越来越广泛[6]。MOOC 精品课堂、学习通、钉钉直播课堂、腾讯、手机在线等应用互联网的教学方式在各大高校应运而生并取得显著成效[7]，教师普遍认可借助“互联网+”平台进行生物学实验课程的必要性与应用价值[8]。2019 年笔者所在学校立项校级教学改革课题对分子生物学实验在线教学资源进行建设，整合分子生物学实验教学团队对实验课程的理论知识、仪器介绍、实验操作流程等内容进行了课程录制，并于2021 年7 月完成第一次录制。2020—2021 年学校进一步推进该课程的建设，完善了线上课程介绍、课程大纲、课程教案、课件建设、教学视频、试题建设等内容并在好大学在线CNMOOC 平台开通了分子生物学实验在线课程（https://www.cnmooc.org/school/course），2021 年9 月好大学在线上开始试用，试用效果反应良好。2021 年12 月，课程教学组对实验操作部分进行了视频录制，操作内容分为植物基因组DNA 的提取，目的基因的PCR（聚合酶链式反应）扩增，琼脂糖凝胶电泳检测DNA，质粒DNA的提取与测定，植物总RNA 的提取、鉴定与反转录，切胶回收及连接和感受态细胞制备及质粒DNA 的转化等模块，共20 个小视频，完善后上传至线上平台。2022 年该分子生物学实验在线课程获批“粤港澳大湾区在线课程联盟”平台在线课程。从2021 年起在生命科学与技术学院生物科学、生物技术和海洋资源开发技术三个专业开展该实验课程的线上线下融合教学改革新模式。

3 分子生物学实验课程线上线下融合教学改革新模式的实施

针对分子生物学实验的课程内容进行线上线下融合教学的改革是一种新的尝试，获得了初步成效。

1）对学生的评价打破了仅由出勤和实验报告组成的较为单一的考核方式，增加了课前预习、课堂参与表现评价和课后复习总结等内容。在课堂表现与课后复习环节增加了学生间小组内评、小组互评和班内互评的内容，增加了学生的参与度，在评价过程中加强对实验课程相关知识的理解和认识。

2）对本校分子生物学实验室的大型仪器设备进行操作使用的录制，可以让学生对每个仪器设备有针对性地进行课前预习：提前了解仪器的特点以及在使用中的注意事项。课中学习：有一定的了解后进行操作感受实际用途，加深对仪器的了解。课后复习：由于这些仪器不经常使用，可以结合视频标准化的操作步骤反复练习达到熟练掌握的程度。同时这些操作视频在学生毕业论文实验操作过程中起到了重要作用，减少了实验仪器管理成本，也保证了学生自身的安全。

3）对小型易耗品如移液器、制胶板、微型离心机等的操作视频能让学生对一些关键操作环节达到细节可视化和可查化。由于实验课程人数受到实验经费和生师比例高的影响不可能实现对学生“一比一”的演示教学，只要存在“一对多”的情况就会产生学生“靠后”的现象，以往教学中不可避免地存在学生在上完实验课后对所使用的仪器、耗材的操作仍无法掌握的现象。在移液器正确使用视频上线后，与以往相比，移液器损坏率降低至原来的20%；在加样过程中药品的损耗率降低至原来的20%左右。这对减少分子实验课程的教学成本起到一定作用。

4）综合性实验操作跨时长，一般院校无法排出集中的2 ～3 天的上课时间让学生一一完成对应的实验操作。部分实验内容只能由实验教师帮助完成，这极大地影响了学生对综合性实验的逻辑性和联系性的理解。综合性实验操作视频不受操作地点、操作时长的影响，学生可以一遍一遍地、随时随地重复整个实验的操作流程，解决了以往实验课程中的教学盲区问题。

5）实验操作更加规范化，由于分子生物学实验用到一些毒性比较大的药品，如植物DNA 的提取用到的氯仿、CTAB，琼脂糖凝胶电泳中的EB，RNA提取中用到的Trizol、DEPC 等试剂，学生不理解试剂的毒理性，在实验操作过程中不注意防护，线上课程会把这部分内容标注成重点展示给学生，学生通过线上课程的观看可以更好地了解实验试剂的性质，更好地做好防护。当然，分子生物学技术发展为课程教学提出了更高的要求，最新实验设备的使用，新的实验技术都应该逐渐走入课程，笔者所在学校也会根据时代要求不断更新和完善分子生物学实验线上课程，更好地辅助线下教学。