莫日根， 邢萬金， 王志鋼， 阿拉坦高勒， 哈斯阿古拉， 苑 琳， 侯 鑫， 蘇慧敏， 張彥桃， 王 鄭， 范麗菲

(內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 呼和浩特 010021)

1 構(gòu)建本科生物技術(shù)超大實驗課程的必要性

為了適應(yīng)生物技術(shù)的發(fā)展，包括工科院校和醫(yī)學(xué)院校在內(nèi)的很多高校都紛紛開設(shè)了生物技術(shù)和生物工程等專業(yè)，但由于基因工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的核心，綜合性大學(xué)的生命科學(xué)學(xué)院應(yīng)該以其系統(tǒng)的生物學(xué)教學(xué)，尤其是生物化學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程及分子生物學(xué)等核心專業(yè)課的教學(xué)，成為培養(yǎng)生物技術(shù)和生物工程專業(yè)創(chuàng)新人才的搖籃。

培養(yǎng)創(chuàng)新人才是個復(fù)雜而長期的系統(tǒng)工程，不僅需要教師知識結(jié)構(gòu)的更新、教學(xué)方法的變革，更需要教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)組織形式的與時俱進。生命科學(xué)是實驗性科學(xué)，因此對于培養(yǎng)生命科學(xué)創(chuàng)新人才而言，實驗教學(xué)極其重要。為了培養(yǎng)生物科學(xué)、生物技術(shù)和生物工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力，近年來我們進行深入的思考和大膽的嘗試[3-10]，同時借鑒兄弟院校的成功經(jīng)驗[11-13], 從改善實驗室的硬件設(shè)施到改革實驗教學(xué)內(nèi)容，從封閉式的課堂式小實驗到全天候開放式綜合性大實驗，無論在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容還是組織形式上都力求為學(xué)生營造創(chuàng)新性實驗氛圍，著力于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，取得了顯著效果。但是以前教改形成的基因工程大實驗、發(fā)酵工程大實驗和生物化學(xué)大實驗等綜合性大實驗雖然在實驗內(nèi)容上強調(diào)以科研項目的形式學(xué)習(xí)若干有聯(lián)系的實驗技術(shù)，教學(xué)方式上強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生獨立操作能力，但若干綜合性大實驗之間尚缺少實驗內(nèi)容與實驗技術(shù)上的剛性聯(lián)系，學(xué)生們在不同的大實驗課程上學(xué)到的實驗理念和操作技能不能形成一個知識鏈條，難以綜合運用學(xué)到的知識和技能解決一個較大的科學(xué)問題或生產(chǎn)實踐活動。這一缺陷在學(xué)生申請和完成國家或校內(nèi)大學(xué)生創(chuàng)新性科研項目的時候尤為明顯?？紤]到理論課程教學(xué)之間的天然分隔與自成體系，如果實驗教學(xué)與理論教學(xué)脫節(jié)，不能在實驗教學(xué)中把各門理論知識融為一體，將使科學(xué)知識被置于無用之地，教學(xué)效果明顯降低，甚至挫傷學(xué)生對本專業(yè)知識的興趣，成為教學(xué)的桎梏。鑒于此我們把已開設(shè)多年、運轉(zhuǎn)成熟的3個獨立的生物技術(shù)大實驗——基因工程大實驗、微生物發(fā)酵工程大實驗和生物化學(xué)大實驗重新定位和組合，以基因工程大實驗為上游、發(fā)酵工程大實驗為中游、生物化學(xué)大實驗為下游技術(shù)整合成一個更大的實驗教學(xué)平臺，通過生產(chǎn)某一種有生物活性的重組蛋白為目的，用大科研項目的形式構(gòu)建成一個連續(xù)進行的綜合性研究型“生物技術(shù)超大實驗”。學(xué)生經(jīng)過該門超大型綜合性實驗課程的訓(xùn)練，將系統(tǒng)地學(xué)習(xí)現(xiàn)代生物技術(shù)的實踐理念，基因克隆、質(zhì)粒構(gòu)建、細(xì)菌發(fā)酵、蛋白提取、純化和酶活性分析等分子生物學(xué)、微生物學(xué)和生物化學(xué)的基礎(chǔ)實驗方法及原理。該大實驗不僅夯實了相關(guān)課程的基礎(chǔ)理論知識、學(xué)習(xí)了現(xiàn)代分子生物學(xué)實驗技術(shù)，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生的大學(xué)科意識、大項目理念、獨立工作能力和科技創(chuàng)新能力。

2 本科生物技術(shù)超大實驗課程的內(nèi)容架構(gòu)

本實驗在內(nèi)容上以發(fā)酵生產(chǎn)有生物活性的重組細(xì)菌堿性磷酸酶蛋白為最后的實驗?zāi)繕?biāo)，用細(xì)菌堿性磷酸酶基因克隆、大腸桿菌中表達及檢測、工程菌選種、發(fā)酵生產(chǎn)、堿性磷酸酶提取、純化和酶活性測定等一系列實驗作主線，貫穿基因工程大實驗、發(fā)酵工程大實驗和生物化學(xué)大實驗，重排實驗課程順序，建立以基因工程實驗為核心的上游、中游和下游三個大實驗?zāi)K組合的綜合性生物技術(shù)實驗教學(xué)平臺。通過該系列課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解現(xiàn)代生物技術(shù)的基本內(nèi)容并體驗用基因工程技術(shù)生產(chǎn)有活性的重組蛋白的完整過程。

2.1 生物技術(shù)上游模塊——基因工程大實驗

基因工程大實驗?zāi)K是整個超大實驗的核心，負(fù)責(zé)給另外發(fā)酵模塊制備能夠表達重組堿性磷酸酶的工程菌。實驗主要由PCR擴增堿性磷酸酶基因、表達載體的構(gòu)建、感受態(tài)細(xì)胞的制備與轉(zhuǎn)化、堿性磷酸酶的誘導(dǎo)表達、表達產(chǎn)物的電泳檢測等一整套關(guān)聯(lián)的實驗內(nèi)容組成，最終獲得能夠特異性大量表達重組堿性磷酸酶的大腸桿菌菌株。本模塊共學(xué)習(xí)11項基因工程實驗操作技術(shù)(表1)[9]，以全天候開放、教師指導(dǎo)、學(xué)生獨立設(shè)計實驗方案并獨立完成實驗的研究項目方式進行，共耗時約10.5 d，參考學(xué)時為48。學(xué)生通過本模塊的實驗課程學(xué)習(xí)，將夯實基因工程的基本概念和操作原理，學(xué)習(xí)基因工程常用的核酸與蛋白操作技術(shù)。

表1 生物技術(shù)超大實驗內(nèi)容構(gòu)架

2.2 生物技術(shù)中游模塊——發(fā)酵工程大實驗

發(fā)酵大實驗?zāi)K通過利用上游模塊制備的能夠表達重組堿性磷酸酶的大腸桿菌菌種，從中篩選出表達量大的菌種，測定生長曲線、摸索出最優(yōu)發(fā)酵條件，發(fā)酵大量的菌體。本模塊包含8個實驗(表1)，參考學(xué)時為40，同樣以教師指導(dǎo)下的學(xué)生獨立操作形式進行。通過本模塊的實驗操作，學(xué)生將夯實工程菌的篩選、發(fā)酵罐的工作和使用、發(fā)酵條件優(yōu)化、溶氧系數(shù)的測定、接種技術(shù)和菌種擴大培養(yǎng)等一系列微生物發(fā)酵原理，并學(xué)習(xí)一些生產(chǎn)實踐中常用的發(fā)酵技術(shù)，最終用機械攪拌發(fā)酵罐生產(chǎn)堿性磷酸酶。

2.3 生物技術(shù)下游模塊——生物化學(xué)大實驗

生物化學(xué)大實驗?zāi)K將利用發(fā)酵實驗?zāi)K發(fā)酵后的菌體，破碎后提取和純化重組堿性磷酸酶。教學(xué)內(nèi)容主要有菌體蛋白的提取、分離、純化、鑒定和酶活性測定等典型生物化學(xué)實驗。學(xué)習(xí)7種常用的蛋白質(zhì)鑒定和處理相關(guān)技術(shù)(表1)的基本原理和實驗操作，共32個學(xué)時。

3 生物技術(shù)超大實驗課程的教學(xué)安排及效果

本大實驗平臺由上、中、下三個大實驗?zāi)K構(gòu)成，3個模塊均以綜合性大實驗的形式獨立運行了多年，收到了良好的教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上進一步整合而成的超大實驗平臺在保持3個模塊原有的教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，通過溝通3個模塊之間的有機聯(lián)系，進一步擴大了教學(xué)成果，讓學(xué)生能夠連續(xù)完整地體驗用基因工程技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)重組酶的現(xiàn)代生物技術(shù)方案與過程，并使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和掌握上游基因克隆操作技術(shù)、中游發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)、下游蛋白質(zhì)提取純化和酶活性檢測等方法的基本原理和實踐操作，培養(yǎng)既懂理論又精通設(shè)計綜合性實驗方案并具備獨立操作能力的創(chuàng)新人才。實現(xiàn)這個效果的關(guān)鍵在于溝通三大模塊之間的聯(lián)系和合理安排3個模塊的開課順序，讓同一批學(xué)生按上、中、下游的順序完成3個大實驗，并分別按時完成各個模塊的教學(xué)目標(biāo)，即在基因工程大實驗中成功制備工程菌，在發(fā)酵工程大實驗中篩選到高表達菌株并成功發(fā)酵，在生化大實驗中成功提取并純化得到有活性的酶。

3.1 教學(xué)安排

生物技術(shù)超大實驗主要由一系列生物化學(xué)與分子生物學(xué)實驗組成，其核心模塊基因工程大實驗需要學(xué)生具備遺傳學(xué)和基因工程理論知識。遺傳學(xué)、基因工程和分子生物學(xué)理論課在我校分別于大學(xué)三年級上下學(xué)期開課，而中游模塊涉及的微生物學(xué)和發(fā)酵工程理論課、下游模塊涉及的生物化學(xué)課程在大學(xué)二年級開課(圖1)。教學(xué)改革的第一個問題是改變傳統(tǒng)的實驗課排課模式。傳統(tǒng)的實驗課一般是在理論課結(jié)束后進行，或者與理論課同時進行，而超大實驗平臺的運行必須從基因工程大實驗課開始，把在大學(xué)二年級開設(shè)的發(fā)酵工程大實驗和生物化學(xué)大實驗安排到大學(xué)三年級的基因工程大實驗之后進行，但保留二年級生物化學(xué)實驗課中關(guān)于生物大分子的經(jīng)典實驗。教學(xué)改革面臨的另一個問題是3個綜合性實驗?zāi)K的進行都需要實驗室全天開放。綜合考慮理論課學(xué)時和實驗課時間進行了如下安排, 大學(xué)三年級下學(xué)期開設(shè)的3個學(xué)分的基因工程理論課按每周4學(xué)時上課，在學(xué)期末能夠結(jié)余4周時間進行上游模塊基因工程大實驗教學(xué)，在暑期為期一個月的夏季學(xué)期完成中游發(fā)酵工程大實驗并儲存學(xué)生得到的發(fā)酵產(chǎn)物，大學(xué)四年級第一學(xué)期進行下游的生物化學(xué)大實驗教學(xué)(圖1)。

上述實驗安排的好處之一是最大可能地保證了三個模塊的連續(xù)性，保持學(xué)生的實驗方案的完整性、實驗操作和科研思維的連貫性。好處之二是沒有與其它理論課或?qū)嶒炚n沖突。此外，本實驗安排也為即將進入生物技術(shù)相關(guān)用人單位的同學(xué)進行實習(xí)實踐、推免研究生到相關(guān)實驗室完成畢業(yè)論文提供了技術(shù)熱身準(zhǔn)備，使學(xué)生能夠把自己學(xué)過的知識和技能熟練地應(yīng)用到新的科研項目中，擴大了本實驗的教學(xué)效果。

圖1 本科生物技術(shù)超大實驗課程教學(xué)安排以及與之內(nèi)容相關(guān)的本科專業(yè)課程的時間關(guān)聯(lián)

基因工程大實驗、發(fā)酵工程大實驗和生物化學(xué)大實驗是本文介紹的“生物技術(shù)超大實驗”的3個組成模塊。

Fig 1 Semester arrangement of a super comprehensive experimental course of biotechnology for undergraduates and its relationship with other courses as a function of time

3.2 考核方式

本實驗的教學(xué)內(nèi)容互相關(guān)聯(lián)，是一個超大實驗項目，并具有上、中、下游的單向時間順序(圖1)，但3個模塊仍然分別在3個不同的實驗室進行，因此在時空上相對獨立，具體實驗教學(xué)分別由各自模塊的實驗教師承擔(dān)，考核歸各自模塊獨立實行。每個模塊都按照科研項目的形式展開，要求學(xué)生在進入實驗室前提交開題報告，詳細(xì)陳述立項依據(jù)和實驗方案以及實驗計劃和預(yù)期實驗結(jié)果，學(xué)生完成該模塊的全部實驗后提交畢業(yè)論文格式的實驗論文。在3個模塊全部結(jié)束后，抽取部分學(xué)生進行匯報答辯，以考察學(xué)生的學(xué)術(shù)交流能力。

3.3 教學(xué)效果和存在的問題

生物技術(shù)超大實驗運行一年后得到了學(xué)生的普遍好評，由于3個模塊在內(nèi)容與時間上順序井然，一氣呵成，使學(xué)生深刻地體會到了生物技術(shù)的連貫性、綜合性與研究性。由于我們鼓勵學(xué)生理解實驗原理、獨立制定實驗方案并在實踐中摸索學(xué)習(xí)實驗設(shè)備的使用和操作技能，給學(xué)生們提供了充分展示自己運用知識的才能的空間。每個模塊都以目標(biāo)導(dǎo)向的項目形式進行，學(xué)生有機會在規(guī)定的時間內(nèi)重復(fù)某個失敗的實驗，在實驗?zāi)芴峁┑淖畲髸r間范圍內(nèi)積累經(jīng)驗、互相討論、探究實驗成功的秘訣和總結(jié)失敗的教訓(xùn)。在近3個月的連續(xù)實驗過程中，學(xué)生們飽嘗了科學(xué)實驗的艱辛和實驗成功的喜悅，認(rèn)識到了實驗前預(yù)習(xí)和充分準(zhǔn)備的重要性。培養(yǎng)了學(xué)生的科研思維和勇于探究的創(chuàng)新精神，更重要的是體會到了理論知識的用途，提高了學(xué)習(xí)興趣，這一切成為學(xué)生的最大收獲，也充分達到了本科實驗教學(xué)改革的目的。在這一成功整合的鼓舞下，我們正在醞釀把細(xì)胞生物學(xué)實驗、細(xì)胞工程實驗和植物組織培養(yǎng)實驗整合為細(xì)胞工程超大實驗平臺。

但要在時間和空間上合理安排生物技術(shù)、生物工程和生物科學(xué)3個專業(yè)近200名本科生無縫銜接超大型本科實驗組合仍然存在一定的難度，在細(xì)節(jié)安排上也暴露出一些問題。比如，某學(xué)生小組在某個模塊的某個實驗操作中沒有取得預(yù)期的結(jié)果，將會導(dǎo)致該組無法進行下一步實驗，這時候就需要教師用預(yù)先保存好的實驗材料救助，但由于本科生第一次進行分子生物學(xué)實驗，操作失誤或者實驗失敗的情況經(jīng)常發(fā)生，所以不斷救助的結(jié)果導(dǎo)致不少學(xué)生最后的實驗結(jié)果都是源于教師保存的材料，而非自己的原創(chuàng)，這在一定程度上挫傷了學(xué)生的積極性，也降低了科學(xué)實驗的探索性。

其次，這三個大實驗?zāi)K及其相關(guān)的理論課并不是本學(xué)院每個專業(yè)的必修課?；蚬こ汤碚撜n、基因工程大實驗課及發(fā)酵工程理論課和大實驗課是生物工程和生物技術(shù)專業(yè)的必修課，但對生物科學(xué)專業(yè)是選修課；有些生物科學(xué)專業(yè)的學(xué)生逃避理論考試，只選擇參加大實驗但不參加基因工程和發(fā)酵工程理論課，結(jié)果成為浪費材料的“機械操作”，而不是懂得原理的 “科學(xué)實驗”，既不能實現(xiàn)實驗教學(xué)的目的，也給實驗室管理和教師教學(xué)增添了負(fù)擔(dān)，使得許多實驗器材由于這些學(xué)生的無知而損壞。我們預(yù)想在運行成熟后作為全校公選課吸收部分其他院系的學(xué)生參與學(xué)習(xí)和體驗現(xiàn)代生物技術(shù)，但目前的實踐提醒我們在課程設(shè)置和實驗管理上還需要摸索。

4 小結(jié)

為了達到培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才的教學(xué)目標(biāo)，我們以全新的思路架構(gòu)了生物技術(shù)超大實驗課程，其內(nèi)容包括基因工程、發(fā)酵工程和生物化學(xué)基本實驗技術(shù)。所設(shè)計的三大模塊實驗盡管在教學(xué)形式和內(nèi)容上彼此相對獨立，但在實驗?zāi)康纳嫌斜厝坏膬?nèi)在聯(lián)系，在一個模塊內(nèi)，上一個實驗為下一個實驗制備材料；不同模塊間，上游模塊為下游模塊制備實驗材料，實現(xiàn)了循序漸進，逐步延伸和深入，確保課程的連貫性和綜合性，使學(xué)生得到最大程度的綜合性實驗訓(xùn)練。新的超大實驗平臺進一步挖掘了原有實驗教學(xué)的潛力，在不增加經(jīng)費和課時投入的前提下大幅度提升了教學(xué)質(zhì)量，取得了很好的教學(xué)效果。

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