模块化教学在本科生动物分子生物学实验课程中的应用

摘 要 分子生物学实验是生命科学相关专业的核心课程。由于学时有限，授课不集中，以及实验资源短缺等各种原因，造成传统的分子生物学实验授课方式多以分散的单独的验证性实验为主，使得分子生物学实验缺乏完整性以及连贯性。笔者从事多年本科生动物分子生物学实验教学，发现在分子生物学实验课程中实施模块化教学可以更好地培养学生的独立思考和严谨的科学态度。

关键词 分子生物学实验 模块化教学 本科生

中图分类号：G424                                 文献标识码：A  DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.12.039

Abstract Molecular biology experiment is the core course of life science-related majors. However， due to various reasons such as limited course hours， decentralized class schedule， and limited of experimental resources， the traditional teaching model of molecular biology experiments is mostly conducted with distributed experiments， which makes molecular biology experiments lack coherence. We have been engaged in the teaching of animal molecular biology experiments for undergraduates for many years. We found that the implementation of module teaching in molecular biology experiments can better cultivate students' independent thinking and rigorous scientific attitude.

Keywords molecular biology experiment; module teaching; undergraduates

分子生物學实验作为分子生物学理论课程的实践性课程，是整个生物学课程体系中重要的组成部分。同时分子生物学相关实验技术早已渗透到生命科学相关的其他领域，包括分子遗传学、分子细胞生物学和生物化学等。分子生物学作为生命科学领域中最为活跃的一门学科，新技术新方法不断涌现，比如从上个世纪70年代发展起来的DNA重组技术、本世纪初的RNAi技术到当前研究异常火爆的CRISPR技术。就目前的本科生分子生物学实验课来说，还存在一些问题，比如课程内容安排忽略了分子生物学各实验之间的有机联系，多数安排的实验都是独立的分散的验证性实验，针对这个问题，笔者认为可以开展模块化教学使得分子生物学实验教学内容更为完整和连贯，培养学生独立分析问题的能力，进而培养学生更为严谨的科研精神，为今后的科研生涯打下坚实的基础。

1分子生物学实验课程模块化设计

分子生物学实验技术涉及内容较多，从核酸提取、PCR技术到组学以及生物信息学分析等。但目前最为常用最为基本的分子生物学实验技术仍然是针对DNA、RNA以及蛋白质的基本操作技术。同时，在目前的分子生物学研究中涉及基因功能研究往往是在体外培养的细胞中进行的。基于此，我们将分子生物学的实验技术分为三大模块内容（图1）：第一模块为基因表达调控。由于目前涉及到基因功能研究往往都会检测一个或多个基因的表达情况。所以分子生物学研究中的基因表达检测是最常用也是最为常规的分子生物学技术。通过分子生物学理论课的学习，学生已经了解中心法则的内容，基因表达包含两个步骤，转录和翻译，涉及到mRNA和蛋白质，所以基因的表达情况一般需要从mRNA水平或者蛋白水平进行检测。mRNA水平检测又可以分为以下六个实验，一共16学时。包括：总RNA提取（4学时）、RNA浓度测定与纯度评估（1学时），RNA琼脂糖凝胶电泳与完整性评估（3学时）、cDNA合成（3学时）、引物设计（1学时）、qPCR（4学时）。对于一般院校来说，由于本科生实验课的安排都是4学时一次实验课，所以整个mRNA水平检测基因的表达实验可以分四次实验完成。另外，基因表达水平也可以从蛋白水平进行检测，此实验又可以分为三个小实验：蛋白质提取、蛋白浓度测定和western blot技术。每个小实验分别安排4学时，一共12学时完成。第二大模块为DNA克隆。本实验包括DNA提取、PCR、DNA片段回收与纯化、感受态细胞制备、连接与转化、克隆筛选、质粒提取、酶切鉴定等八个实验，每个实验的平均安排4个学时，一共32学时。通过本模块内容的学习，学生可以掌握基本的重组DNA技术，为以后的科研工作奠定良好基础。第三模块内容为细胞培养，细胞培养也是在基因功能研究中常用的一种技术，本模块内容可分为以下几个实验，一共16个学时：培养基配制（2学时）、无菌培养操作规范（2学时）、细胞复苏（4学时）、细胞传代（4学时）、细胞冻存（4学时）。由于细胞培养对无菌操作环境的高要求，加大了教师的授课难度，加上本科生的班级和学生较多，所以在本科生分子生物学实验中实施难度较大，但在有硬件条件支持的院校可以加大学生的分组人数的基础上，选择性的实施教学，多数学生可以观摩教学，这样也可以加深学生对细胞培养的认识和了解。

2模块教学在分子生物学实验课程中的优势

对分子生物学实验进行模块化教学具有明显的优势。首先，三个分子生物学实验模块都是根据实验目的不同进行归类，每一个模块又分为多个独立的小实验，各个独立的小实验又环环相扣，简单来说，就是前一个实验的实验结果又是后一个实验的实验材料。这样可以更好的让学生了解整个实验的目的以及各个独立的小实验在整个大实验中的地位与作用，从而可以更好的促进学生更系统的掌握分子生物学实验技能与原理。

其次，通过模块化教学可以更好地培养学生严谨的科学精神。例如在进行总RNA提取实验这一小节授课时，我们会重点强调RNA易降解以及无RNA酶环境对RNA提取成功的重要性，所以会要求学生在实验操作过程中全程戴口罩和手套，并且尽量减少交谈。还有实验中用到的枪头和离心管都是无RNA酶的。另一个在实验过程中需要提醒学生特别注意的是在加过氯仿震荡离心后，一定要吸取上清液，不要吸到中间的白色的中间层，因为里面含有DNA。学生完成RNA提取实验后，通过琼脂糖凝胶电泳实验检测RNA的完整性（图2）。第五组第二个样品没有条带，本组有的学生认为是没有提取出来，有的学生认为是漏了点样。针对这个问题，让学生重新将同个样品进行琼脂凝胶电泳后，发现可以观察到清晰的RNA条带，因此学生都一致认为，在实验操作过程中，一定要集中精力，小心谨慎，不能马虎大意，既浪费时间又浪费精力。第五组实验的第一个样品可以清晰的观察到有DNA污染，学生都一致认为是在吸取上清液的过程中由于贪多，可能吸到了中间的白色层，从而造成了DNA污染。因此通过实对验结果的分析，引导引导学生主动地去从上一次的实验中寻找原因。如果学生认为有不同的原因，可以通过重做实验来进行确认，最终的目的是让学生认识到每一次的实验的每一个步骤都非常的关键，在做实验过程中必须专心、细致，切不可心不在焉。不然就会造成实验没有结果或结果达不到要求没法进行下一步实验。从而把人为的因素对实验的影响降到最低。

由于分子生物学微观实验的不确定性，所以在模块化教学实施过程中，经常会遇到一些问题，教师在其中一个实验不成功的情况下，应该做好应急预案，比如在DNA克隆大实验中，制备感受态细胞不成功或者转化效率不高，会影响后续的一系列实验，对于这种情况，授课教师可以在连接转化实验中增加对照组，对照组利用已经经过验证的感受态或者商业化感受态细胞，从而确保后面的实验顺利进行。

3提升分子生物学实验模块化教学效果的措施

本科生选修的课程众多，传統的课程一次都是2个或3个学时，而分子生物学实验耗时较长。目前大多数院校都是以4个学时为一个单位安排一次实验课，这样安排课时的弊端就是不利于学生形成串联性的知识记忆，学生在进行下一个实验的时候已经对上一个实验课的内容慢慢淡忘了，让学生再从上一个实验中寻找问题显然较难。所以对于模块化教学的最佳的课时安排是集中时间授课，比如可以在学生上完理论课的后，也就是学期的最后一到两周集中安排分子生物学实验课。如果总课时为32学时，这样一周的时间就可以完成整个实验课程。这样可以保证模块化教学的效果，提高综合实验能力。

目前针对本科生分子生物学实验的另一个问题就是投入经费不足。由于分子生物学实验中所用的试剂耗材是一笔不小的开支，而各个院校在课程投入经费上都有一定的限制，加上本科生班级和人数较多，目前所做的只能对学生进行分组，一般一组3-4人，这样就会造成一部分学生不能实际操作，阻碍了对学生动手能力的培养。同时本科教学中心的硬件设施有限，也极大地限制了分子生物学实验教学的效率与效果。因此建议院校加大对本科实验教学的投入，提升实验教学效果。

4建立科学的课程考核方法

科学公正的课程成绩评定方法可以引导学生知识、能力和素质协调发展，否则，很容易挫伤学生的学习积极性。课程成绩评分分为两部分，分别为平时成绩和考试成绩。平时成绩和考试成绩分别占60%和40%。其中平时成绩包括四个部分，包括课堂提问10%，出勤10%。实验操作20%，实验报告60%。其中实验操作分是教师在学生进行实验时，根据学生的实验积极性，对待实验的态度以及实验的操作的仔细程度进行打分。另外，在科学研究中，实验数据记录是否完整与规范牵涉到结果发表的是否准确与科研诚信问题，所以撰写规范的实验报告是实验性课程重要的培养目标之一，因此实验报告应是平时成绩重点考察部分，主要根据实验数据记录是否完整，实验结果分析是否准确和深入进行打分。整个实验课程结束后，教师准备一定数量的覆盖整个实验内容的试题。学生逐个进行考核。首先学生随机抽取试题，进行口头解答，然后进入实验操作环节，教师根据学生的回答内容是否准确，实验操作是否正确以及对仪器是否爱护等内容进行综合评价打分，作为考试成绩。

5结语

通过实践发现，实施模块化教学可以提升学生对分子生物学理论及实验技术的整体认识和理解，培养学生独立思考能力和严谨的科学态度。然而分子生物学实验教学改革是一个长期的过程，模块化教学的内容、方法以及考核评价等都需要不断完善。同时教师和实验员也应该不断地提升和更新自身的知识水平与结构，从而根据各自院校的实际情况进行模块化教学，保证教学效果。

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