基于本科生综合能力培养的“分子生物学实验”教学改革

［摘 要］ 近些年分子生物学技术发展非常迅速，因此高等学校的“分子生物学实验”课程应随着时代的发展进行与时俱进的改革。通过从整体连贯性设计实验课程内容、引入课程思政元素、引导学生体会分子生物学实验细节化操作、探索多种教学模式和实践教学效果评价体系等多个方面开展教学改革探索，引导本科生掌握分子生物学研究的新进展，帮助学生建立整体性、连贯性的科研思维，培养本科生综合科研能力，满足复合型生物学人才的培养要求。

［关键词］ 分子生物学实验；课程改革；思政元素；综合能力培养

［基金项目］ 2023年度国家自然科学基金项目“第二信使cAMP和c-di-GMP响应碳源信号交叉调控腐败希瓦氏菌生物被膜起始吸附的分子机制”（32370583）；2018年度江苏师范大学博士学位教师科研项目“腐败希瓦氏菌形成生物被膜的关键功能基因鉴定”（18XLRX034）

［作者简介］ 刘 聪（1983—），女，黑龙江哈尔滨人，博士，江苏师范大学生命科学学院副教授，主要从事微生物分子生物学研究；刘伟杰（1982—），男，黑龙江齐齐哈尔人，博士，江苏师范大学生命科学学院教授（通信作者），主要从事微生物分子生物学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）06-0069-04 ［收稿日期］ 2024-10-22

“分子生物学实验”课程是生物学相关专业的核心专业基础课程［1-2］，是一门独立的实验课程，同时将“微生物学”“细胞生物学”“生物化学”和“遗传学”等多个课程的知识点串联在一起［3-4］。“分子生物学实验”课是将其理论课内容实践化的重要培养环节，对于培养本科生学习主动性、理论联系实际和创新能力尤为重要［5］。

“分子生物学实验”课程主要涉及基因组的提取、琼脂糖凝胶电泳检测、PCR体外扩增目的基因、质粒提取、酶切连接转化、感受态细胞制备和基因表达产物鉴定等［3，6］，所涉及的知识点很多，因此“分子生物学实验”课能综合提高本科生的专业技能。然而目前高校的“分子生物学实验”课程在教学过程中存在一些常见问题，主要体现在：（1）随着分子生物学实验技术的快速发展，新的分子生物学实验技术，如Crisper基因编辑等新技术不断涌现，但很多高校的“分子生物学实验”课程教学内容还停留在传统的基础实验操作阶段，缺乏开放性和创新性实验，跟不上前沿分子生物学技术的发展步伐，影响了学生综合能力的培养和提高。（2）部分高校的“分子生物学实验”课程在教学过程中，多是注重实验原理的讲解，而缺乏引导学生对细节性实验操作的观察和体会，也缺乏引导学生对实验现象和失败实验结果的独立思考，导致学生在实验课上缺乏学习的主动性。（3）“分子生物学实验”课程设置的实验内容彼此之间的连贯性不强，在教学过程中，教师更加偏重对每个独立实验原理和实验操作技术的讲解，忽略了多个实验之间的内在联系，使得分子生物学实验缺乏整体性，存在碎片化问题，严重影响了本科生的综合科研能力和逻辑思维能力的培养。因此，迫切需要对“分子生物学实验”课开展教育教学改革［7-9］。

本文基于对本科生综合科研能力培养的需求，从以下几个方面展开讨论：（1）在课程内容设置上，提出应更加重视课程设置的连续性和整体性。（2）在分子生物学实验中多是微量操作，这些精细操作的注意程度会直接影响实验结果的好坏，因此需要引导学生理解分子生物学实验的精细化操作。（3）探索将课程思政元素融入“分子生物学实验”教学过程中，提高本科生的专业水平和思想道德素养。（4）探索构建多样化的教学模式，充分调动本科生的主观能动性。（5）建立多元化的教学效果评价体系，从而提高本科生科研思维的独立性、连贯性和创新性，培养生物学本科生的综合科研能力和思想道德素质。

一、整体连贯性地设计“分子生物学实验”课程内容，增加综合性和开放性大实验

以连续性、整体性的方式设置课程进度，本文结合课程特点提出以下教学安排：动物细胞中基因组DNA的分离纯化（4学时）；动物细胞中RNA的提取（4学时）；核酸的琼脂糖凝胶电泳检测（3学时）；PCR扩增外源目的基因（4学时）；琼脂糖凝胶切胶回收DNA样品（3学时）；大肠杆菌感受态细胞制备（4学时）；DNA样品酶切连接和连接产物的转化（4学时）；重组DNA克隆子的筛选和鉴定（4学时）；质粒DNA的提取和酶切鉴定（3学时）；质粒DNA的酶切鉴定（3学时）；聚丙烯酰胺凝胶电泳检测重组蛋白的表达（6学时）。最后，建议增加细菌中目的基因的基因编辑作为综合开放性大实验（12学时），共计54学时，帮助学生综合掌握分子生物学实验的全局知识点。

二、以微量操作和低温操作实验作为案例引导学生体会分子生物学实验的细节问题

在分子生物学实验中，存在很多细节性实验操作，与化学实验和物理学实验相比，分子生物学实验的操作很多都达到微量级别，实验结果失败后很难查找到具体原因，这主要是因为本科生初接触分子生物学实验时没有领会到这门课程的细节性问题。例如，在PCR扩增实验、DNA酶切和连接实验、连接产物转化等实验中往往加入的酶制剂量都是微升级别，甚至小于1微升。如果本科生不能足够注意微量操作的细节很容易失败，而且教师也很难帮助学生分析实验失败的具体原因。

在教学过程中，我们主要以移液器移取痕量酶制剂为例，帮助学生体会和理解分子生物学实验的微量操作。移液器在移取液体时主要是靠枪体内外的压力差实现的，首先枪头插入被移取的液体时不能插入过深，否则由于液面的压力差会导致微量移取液体的准确性下降，更为重要的是由于枪尖插入过深，酶制剂中含有甘油，酶制剂会黏附在枪头的外侧，黏附的体积都已经明显大于所要移取酶制剂的痕量体积，所以应该教学生在移取微量酶制剂时，要让学生体会枪尖刚刚接触酶制剂表面吸取比较准确。当移液器将所取到的酶制剂加入PCR体系、酶切体系或者连接体系中时，同样需要注意痕量操作。首先枪尖也不能插入太深，否则由于压力差会影响枪尖内酶制剂的准确排出，如果不能顺利加入反应体系中将直接导致实验失败。所以，应该教学生在加入新体系前，将枪尖的液体提前排出，由于酶制剂体积非常小，可以看到类似小米粒状的液滴，而且不会从枪尖上掉落下来，然后将酶制剂液滴接触新体系的液面，由于酶制剂中有甘油，可以清楚地看到两个液体接触时发生的相变现象，能帮助学生判断痕量酶制剂是否成功加入，在分析实验结果时及时排除这个痕量操作问题。

在利用移液枪移取微量DNA或者RNA样品与微量上样缓冲液混合后点样到琼脂糖凝胶中时，学生会经常发现在混合过程中会产生大量的小气泡，在加入琼脂糖凝胶孔时，由于气泡比重较低，会快速飘起，带动DNA样品从孔内逃逸出来，出现一系列问题，影响实验结果。因此，我们可以借助这个学生发现的痕量操作小问题指导学生，这些小气泡的形成主要是因为混匀过程中，枪尖没有接触到液滴的底部，混匀时吸入液体时，液体界面会下降，而枪尖没有及时跟进移动，导致液体界面脱离枪尖，有气体进入枪尖，反复混匀时就会产生大量的气泡影响电泳效果。这时应该将枪尖触及液体底部，可以显著降低气泡的产生，从而提高实验效果。

通过以上两个常见的实验细节问题，将移液枪的痕量操作注意事项让学生掌握，帮助学生体会分子生物学的细节性操作问题，提高学生的专业操作技能。

三、挖掘“分子生物学实验”课程的思政元素，培养本科生的科研创新精神

思政教育是实现立德树人教育目标的重要方法［10］，对于提高本科生的综合实验技能，提升学生的专业水平和思想道德素养都具有很好的促进作用［1，11］。根据“分子生物学实验”课的教学内容挖掘有以下几个方面的思政元素：课程开始前开展的实验室安全意识培训，以人与社会和自然和谐发展的思政元素，提高生物学本科生的实验室安全和实验样品处理规范，保护自然环境等意识；在从动物样品中提取基因组时培养本科生爱护动物、尊重实验动物生存权益的意识，让学生了解实验动物在人类生物科学发展史上做出的贡献；借助PCR技术和痕量操作技术引导学生认识科学研究的严谨性，遵守学术道德规范；以基因克隆技术和基因编辑技术为案例帮助本科生树立正确的人生观和价值观。通过以上课程思政元素的融入，实现思想政治教育和专业素质教育的有机结合，从而达到提高本科生综合科学素养的培养目标［12］。

四、构建多样化的教学模式，充分调动生物学本科生学习的主观能动性

实践互动式“课前预习—课堂实践—课后复习”的教学模式［13］。在实验课前，会要求学生完成对实验的预习，根据课堂理论知识了解每个实验的原理和操作注意事项，提出所发现的实验问题，并撰写预习报告；在课堂中，教师在讲解实验原理和操作步骤过程中，以问题导向型探究式教学模式为主体，引导学生发现问题、思考问题和解决问题的能力，培养学生的独立思考能力和创新能力［14］；课后会要求学生如实撰写实验报告，重视实验结果的客观性，鼓励学生充分讨论在实验过程中发现的问题和操作要领，分析实验失败的原因和改进空间等。

五、建立多元化的教学效果评价体系

目前高校实验课多是验证性实验，而开放性实验和创新性实验所占比例不高。在实验课进行过程中，经常会出现意想不到的实验结果，甚至实验失败的现象，尤其是对于分子生物学实验来讲，微量操作很难发现实验失败的具体原因，因此以实验结果的好坏评价教学效果并不理想。应更加重视以全过程性考核和试卷考核相结合的方式开展教学效果评价［15］。

对于全过程性评价，主要考查学生课前预习报告所提出的问题，通过课前提问了解学生掌握整体实验的情况。在实验过程中的评价，主要通过考查出勤，发现问题、思考问题和解决实验难点的能力，平时设置一些教师总结以往学生经常遇到的实验失败问题，展开讨论，分析可能失败的原因。同时对于实验结束后，实验报告也是重要的全过程评价环节。这里主要考查学生撰写实验报告的认真程度，实验结果的影响因素很多，比如实验材料好坏、仪器设备因素等都会影响实验结果，因此不能单通过评价实验结果的好坏来评价教学效果，应该更加全面综合地展开评价，建议主要以实验报告的完整性，分析实验失败原因的翔实程度，对于能够提出改进方案和策略的讨论给予成绩倾斜。此外，在实验报告评价环节应该更加重视培养学生的学术道德规范，严禁盗用他人实验结果等学术不端行为，引导学生尊重客观事实。对于验证性实验，往往遇到失败的实验，在分析实验失败的过程中所学到的知识记忆会更加深刻，所以学生应正视实验结果的客观性。

对于期末试卷考核，主要考查学生对实验原理、实验现象和常见失败问题的分析能力，同时应更加重视综合运用多个实验技术解决实际实验问题的能力和灵活设计新实验的能力。学生学业成绩由三部分成绩构成：全过程性考核占比60%、期中考试成绩考核占比10%、期末考试成绩占比30%的权重综合计算出学生的总成绩。为确保考核的公平公正性，在全过程性考核过程中应设置明确的赋分标准和足够的区分度，具体主要包括出勤情况（10%）、课堂提问讨论的参与情况（30%）、课堂实验现象分析和提出解决问题的能力（30%）、课堂实验创新设计和动手实践情况（30%）。每项成绩考核过程均以纸质表格的形式记录备查，并允许学生查询最终成绩，调动学生参与课堂互动讨论和创新实践的积极性，提高学生综合运用所学实验技能的动力。

结语

近些年，分子生物学实验技术发展迅猛，新技术日新月异。“分子生物学”及其实验课作为“基因工程”“生物化学”“分子遗传学”“微生物学”和“细胞生物学”等课程的基础课程，应紧跟时代发展步伐，这对于提高生物学本科生的综合专业技能，为学生未来从事相关科研工作打下坚实基础具有重要的教育意义，而且对于推动我国高校生物相关专业综合复合型人才的培养具有重要意义。

参考文献

［1］付亚茹.提高本科“分子生物学”课程教学质量的措施探讨［J］.教育教学论坛，2024（21）：17-20.

［2］张颖，王锂韫，李卫锦.分子生物学实验课程建设与教学改革探索［J］.中国教育技术装备，2023（2）：136-138.

［3］邵玉兰，李依娜，廉玉利.提升分子生物学实验教学效果的措施［J］.辽宁师专学报（自然科学版），2023，25（3）：49-51.

［4］吴顺，蔡燕.“双一流”背景下分子生物学开放性实验模式探究［J］.创新创业理论研究与实践，2022，5（11）：141-144.