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摘 要：基因工程是一门以分子生物学、生物化学和遗传学等多个学科为基础的课程。它是一门理论与实验并重的课程、是国内外高校生物学本科生的必修课。基因工程课程相比其它学科基础课程更加偏重于培养学生的科学思维和在科研工作中独立发现问题及解决问题的能力，基因工程技术发展非常快，随时都有新技术和新方法涌现， 因此基因工程理论课程应当增加对当前生命科学前沿研究进展的授课内容。同时改变基因工程实验课的设置方式， 以连续实验的方式让学生了解基因工程技术在科研中的运用，从而带领学生了解最新的科研进展、帮助学生建立系统连贯的科研思路，满足高校生物学专业复合型人才的培养要求。
关键词：基因工程；教学改革；前沿进展；科研思维
本文引用格式：刘聪 , 等 . 基因工程教学改革的分析与思考 [J]. 教育现代化 ,2020,7(32):46-48.
analysis and consideration on teaching Reformation of Genetic engineering course
LIu Cong, SuN Di , ZHu Jing-rong , JIANG Hong , LIu Wei-jie
(School of Life Science, Jiangsu Normal university, Xuzhou, Jiangsu)
Abstract: genetic engineering is a course which based on molecular biology, biochemistry and genetics. genetic engineering is a course that emphasizes both theory and experiments, and is a compulsory course for biology undergraduates in university at home and abroad. Compared with the basic courses of other disciplines, the genetic engineering course focuses more on the cultivation of students’ scientific thinking and the ability to find and solve problems independently in scientific research. Furthermore, the development of genetic engineering technology is very fast, and there are new technologies and methods emerging at any time. Therefore, the course of genetic engineering theory should increase the teaching content of the current research advance of life science. At the same time, we should change the teaching mode of genetic engineering experiment course, promote the understanding of students to the application of genetic engineering technology in scientific research in the way of continuous experiments, thereby helping students to understand the latest scientific research progress, to establish a systematic and coherent scientific research idea, and meeting the training requirements of biology major and compound talents in universities.
Key words: genetic engineering; Teaching reform; Research advance; Scientific research thinking
一 引言
基因工程是一门以分子生物学、生物化学和遗传学等多个学科理论为基础的课程，该课程的核心内容为目标基因克隆和基因异源表达，主要是通过PCR (Polymerase Chain Reaction 聚合酶链式反应 ) 体外扩增外源目标基因，电泳检测正确后，使用限制性核酸内切酶进行酶切后，连接在合适的载体上进行拼接重组，而后将重组载体转入受体细胞内，通过筛选平板筛选鉴定获得正确的转化子，使外源基因在受体细胞中表达，从而得到所需的目标蛋白或使受体细胞表现出特定的性状 [1-3]。由于基因工程课程是一门理论与实验并重的课程 [4]， 其教学内容囊括多门生物学科研工作所需的实验技术，因此基因工程课是生物学本科生课程安排中一门重要的必修课 [5]，然而，目前在多数高校中，基因工程理论课程及实验课程都存在一定的问题，主要体现在以下几个方面：1）基因工程技术随着生物科学技术的进步和时代发展更新非常迅速，但是现在很多高校的基因工程理论课程的教学内容更新较慢，根本没有涉及前沿生物技术的介绍，即使有涉及，介绍得也不够深入 [6]；2）基因工程理论知识点在教学过程中，只注重知识点的讲解性传授，缺乏引导学生对知识点的思考；3）由于基因工程实验课程与分子生物学的实验课程内容有较多的相似实验，很多高校不开设基因工程实验课，仅开设基因工程的理论课程； 有些高校即使开设了基因工程的实验课，其教学内容也与分子生物学课程内容安排相似，明显影响了教学效果；4）基因工程实验课设置的实验内容连贯性不强，实验课教学过程中偏重单个实验或技术的原理和操作，而不注重各个实验之间的内在联系， 影响了学生对基因工程实验课整体性的理解和把握， 不利于学生科研逻辑思维的培养。
二 改革方案
针对课程现存问题，提出对基因工程理论课程和实验课程进行探索性的改革方案：
1.针对基因工程理论课程内容更新速度较慢的问题，可以将理论课程分为书本知识点讲解和最新前沿科研文献讲解。课程设置时建议将三分之二的课时进行基于教材和参考书目的理论原理讲解，使学生了解基因工程课程的基本原理和操作流程，并掌握基因工程各部分内容，使学生建立初步的知识框架。剩余三分之一的课时配合最新的前沿文献进行基因工程新技术、新方法和新应用实例的讲解，此外还可以结合任课教师最新的科研项目和科研进展展开讲解，其目的在于在教学过程中引入前沿技术和新的科研思路，进而将基因工程课程中的知识点结合最新的科研文献进行融会贯通，提高教学效果。目前在有条件的高校中，生物学专业的本科生大多数会在二年级时进入科研实验室或导师课题组进行大学生基础科研训练，也有大部分学生未来会进行生物学方向的研究生学习，在课堂上引入对前沿文献的讲解和新技术的介绍，可以使学生更加深入地理解基因工程技术的具体应用情况，同时也有助于学生在科研中主动使用这些新技术，更有针对性地开展科学研究工作。例如，基因编辑的技术有很多种： 同源重组、TALEN、ZFN、RNAi、CRISPR/Cas 等 [5]。基因工程课程中也对这些基因编辑技术有所讲解，那么如何让学生对这些技术深入理解并在自己的科研工作中灵活选用合适的研究方法呢？首先，在基因工程课程讲解过程中，任课教师可以在将这些技术的具体原理讲解完成后，对它们的特点和区别进行总结。以基因编辑技术为例， 中心法则是一系列技术的核心。在中心法则的基础上，不同基因编辑技术的靶标不同，例如，这些技术可被分为识别对象分别为 DNA 序列和 RNA 序列两类。随后，选取数篇典型的、包含不同基因编辑技术的文献进行讲解，列出文中的实验对象及对应的基因编辑技术，通过组织课堂讨论，带领学生思考为什么在这些文献描述的工作中，作者选取了不同的基因编辑方法，以及论文作者选择这些方法的依据和优点是什么，启发学生思考在其今后的科研工作中遇到不同的实验对象和不同的实验目的时， 如何选择最有效的基因编辑方法。总之，由于基因工程的大部分原理均已在分子生物学理论和实验课程上得到了初步讲解，因此基因工程课程的理论内容应更侧重于带领学生了解最新的科研进展、培养学生的科学思维、建立系统连贯的科研思路。
2.创新基因工程理论知识点的教学方法，引导学生积极参与课堂互动和思考。以 PCR 技术 ( Polymerase Chain Reaction 聚合酶链式反应 ) 为例，PCR 技术是基因工程和分子生物学中里程碑的技术，该知识点是生物学本科生必须掌握的知识点，对于基因工程的后续技术的理解至关重要。在该知识点讲解过程中可以先介绍该技术发明的背景，即当时科学家在发明该技术是已经有点背景技术，而并不是马上讲解 PCR 的原理， 可以将基因复制的原理，DNA 聚合酶的作用原理讲解给学生，让学生自己根据当时的背景知识发明重现该技术 [7]。既可以增加学生的课堂互动环节，提高学生学习的积极性和主动性，又可以增强学生的课堂学习成就感，加深对知识点的理解和把握。
在基因工程实验课程中，可以在讲解每个实验技术的理论原理后，播放相应的教学视频，带领学生通过观看视频，学习每一步实验的操作步骤， 实验课程不能只按照实验步骤开展实验，需要让学生明白每一步实验的原理，甚至每一个试剂的原理， 每一个操作的技巧，才能是学生灵活开展实验，取得理想的教学效果。基因工程实验课程需要将分子生物学知识和实验方法融会贯通，但是由于基因工程实验的连续性较强，需配合大量实验仪器进行， 因此实验步骤和操作要点往往枯燥而抽象，学生无法深入的领会记忆，尤其是某些步骤较多，操作复杂的实验技术， 例如凝胶滞留 (Gel Shift assay)、Western blot 等，学生往往忙于记录实验原理、仪器使用方法、操作步骤等内容，对如何开展实验缺乏思考。所以在讲解实验原理和实验步骤后，学生直接进行实验操作时，由于不能很好地将教学时讲授的实验原理、实验步骤和注意事项和正在进行的实验联系起来，往往流于机械地完成操作的各个部分， 单纯地记录实验结果，而因此达不到增强记忆、融会贯通的目的。因此，在理论课程讲解实验原理后， 可以通过对照教学视频详细讲解实验步骤，并在视频播放到实验的关键步骤时，强调正确操作的方法， 深入阐释每一步的实验原理，加入每一个试剂操作技巧和原理，分析错误操作并及时指出原因，以便加深学生对每一个实验步骤和具体操作的记忆和理解。而后再进行实验课，让学生自己操作，这样不仅减少实验操作中学生出现各种错误的情况，同时还能够让学生更加连贯灵活地完成实验，达到融会贯通的教学效果。
4.以连续实验的方式设置基因工程实验课程进度 [8]。一般生物学学科的理论课与实验课通常每周安排一次实验课程，即理论课与实验课相互穿插的方式安排课程，这样可以立刻在实验课上温习并实践理论课程所学到的原理和技术，有助于增强学生的记忆 [9]。然而在实际的教学过程中，往往由于理论课程和实验课程教学进度原因，不能完全同步，影响了实际的教学效果。基因工程实验课程的教学重点不仅仅在于使学生掌握实验原理和实验操作步骤，更重要的是学生在科研中能够利用基因工程课程学习的实验技术设计自己的实验并开展相应的科学研究，因此基因工程实验课采用每周一节的方式安排实验课程并不科学。因为基因工程实验的许多环节紧紧相连，如果在课程安排中每周安排一个实验，会导致各个实验的时间间隔过长，而使得学生不易理解各个实验之间的内在联系，将基因工程中涉及到的各个技术割裂开来，忽略了不同实验之间的内在关联性。因此，在进行基因工程实验课程设置的时候，应该在理论课程中将全部的技术方法讲解完成之后，以连续实验的方式安排相关的实验课程，即尽量将所有的实验按照正常科研工作的进度，在一定的时间内完成，这样能让学生更加深刻地了解基因工程技术如何在科研中进行运用。例如，PCR 扩增外源目标基因，目标基因产物的电泳检测，目标基因的 PCR 产物纯化，凝胶电泳切胶回收 PCR 产物，然后进行限制性内切酶酶切，将酶切产物与质粒载体进行连接，感受态细胞的制备，并转化大肠杆菌感受态细胞，筛选正确重组子后进行基因水平的检测，重组子的发酵诱导表达等等。这些实验完全可以按照科研人员在实验室中进行科研工作的进度进行安排，这样更有利于提高基因工程实验教学的连贯性，帮助学生深入理解实验课程的整体内容。
5.基因工程的核心内容是外源基因在受体细胞中的表达，因此在基因工程实验课程中，将学生分组， 分别表达不同的目的基因，有利于达到培养学生根据自己的目标基因的功能合理设计实验的目的。在传统的基因工程实验课上，学生分组后，通常被要求完成相同的实验内容，即相同的目标基因的克隆表达，这种课程设置会导致内容过于单一，不利于学生建立创造性的科研思维，即使出现负结果，也不易分析判断学生实验失败的原因所在。而将学生分组后，每一组克隆表达不同的目标基因，这些目标基因的表达产物可以通过不同实验方法予以验证。这种课程设置上，一方面，能增加实验课中学习的实验技术的数量；另一方面，能够帮助学生更好地学习如何根据自身实际需要来设计下游实验。例如，可将学生分为三组，第一组克隆表达抗生素抗性基因，第二组克隆表达带有用于亲和层析的标签的半乳糖苷酶基因，第三组克隆表达绿色荧光蛋白基因。前面基因克隆的步骤相同， 但是在检验基因表达产物时，对目标基因是否表达成功的验证实验不同，这时重新安排对三个基因表达情况的验证实验：实验 1：通过在含有不同抗生素的培养基固体平板上培养重组子，纯化单菌落后，验证目标抗性基因在转化重组子中的表达情况；实验 2：对表达出的蛋白进行纯化，纯化产物经 SDS-PAGE 验证无误后，用于进行半乳糖苷酶酶活检测；实验 3： 对重组子进行激光共聚焦显微观察，检测绿色荧光蛋白的表达情况。这样通过不同蛋白检测方法的学习， 让学生进一步理解实验的目的，以及针对不同的目标基因表达产物的特性设计不同的检测方案，有助于加深课堂所学内容的理解，也为未来从事相关生物学研究奠定了理论和实验基础。
三 结语
进入二十一世纪以来，分子生物学技术获得了突飞猛进的发展，基因工程课程作为以分子生物学等多个学科为基础的课程，应该随着时代发展和科技进步而与时俱进，这样不仅能让学生学习到更多更先进的生物学实验技术，而且也能为学生未来从事相关科研工作打下坚实的基础，最终满足我国高等学校生物学专业复合型人才的培养要求 [10]。
参考文献
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