分子生物学实验教学改革的探索与实践

程爽 张希 刘冰冰 仝飞飞

摘 要：分子生物学实验是生物工程专业一门非常重要的专业基础实验课程。该文针对分子生物学内容抽象、实验体系小的特点，以分子生物学实验技术中基础的PCR实验教学为例，从教学内容的设计、理论与实践相结合、实验教学的实施的等方面进行了教学改革，以期提高教学质量，激發学生的积极性和主动性，培养学生的动手能力和创新意识。

关键词：分子生物学；实验教学；教学改革

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）15-0168-02

Abstract：Molecular Biology experiment is an important pracical course for students in Bio-engineering Program.Aiming at content abstraction and the small experimental system，the“Designing teaching content”、 “Combination of theory and practice”& “Implementation of experimental teaching”were performed。To enhance the quality of molecular biology，improve the studentslearing enthusiasm，and train students practical ability and nnovationconsciousness.

Key words：Molecular Biology；Experiment teaching；Teaching reform

分子生物学是一门从分子水平研究生物大分子的结构和功能进而阐明生命现象本质的学科[1]。分子生物学理论及实验课程是地方性本科高校生物工程专业开设的一门专业基础课，相对于其他实验学科而言，分子生物学实验课程往往耗时长、费用多，绝大实验现象需要在实验结束时才能观察到，往往由于时间、实验场地等因素的限制导致实验教学模式教学质量难以保障。南阳理工学院生物与化学工程学院一直非常重视实践教学在教学中的比例，自分子生物学课程开设以来，在整体学时缩减的情况下仍保证实验课程的比例，同时加大了实践经费的投入和壮大实验教师队伍，从而保障了分子生物学实验的教学质量。聚合酶链式反应[2]（Polymerase Chain Reaction，PCR）是1种选择性体外扩增DNA的方法，是分子生物学实验中1个基础实验项目，许多高校均有开设。本文以分子生物学课程PCR这一知识点的理论课程讲解和实验部分的实施进行了总结，以供参考。

1 PCR理论部分课程设计

传统的分子生物学实验技术理论课中对于PCR技术的讲解一般分为PCR的发现、原理、体系、步骤及应用这几个方面展开。我们在实践教学中发现这一授课过程过于平铺直叙，而且涉及到的新的专业词汇较多，学生很难在短时间内接收这么多的新信息。针对这一问题，我们制作了微课“PCR的前世今生”（时长5min左右），微课中介绍美国黄石国家公园的热泉中水生栖热菌（Thermus aquaticus）的发现对于PCR实验的重大意义和Millus发明PCR的过程。授课时首先播放微课，引起了学生极大的兴趣，使学生对于PCR中使用的DNA聚合酶（即Taq酶）有了一个感性认识，也了解到Millus发明PCR这一技术是在很多人的实验基础上提出的，让学生知道科研工作需要日积月累，并不是一蹴而就就能完成的。然后由教师提问学生已经学习过的DNA复制的相关知识点（如下图所示）：从学过的知识体系引出PCR的原理、体系及步骤。这样的教学设计水到渠成，学生接受度也较高。

2 PCR实验的实施

2.1 项目来源 依托“河南省工业微生物资源与发酵技术重点实验室”保藏的有价值的菌株进行16srDNA（18rDNA、ITS序列）等基因的克隆来开展这一实验项目。

2.2 项目实施过程 本实验中将2个同学分为一组，每组同学分配到2株不同种类的微生物（细菌和真菌各1株），首先要求同学将不同样品进行核酸提取后作为扩增的模板，如果是革兰氏阴性菌，可以直接进行菌落PCR。在实验开始实施前，除了重申实验步骤及注意事项外，向学生提出思考题：（1）PCR体系中的每个组分加入顺序是否是随机的？为什么？（2）如何操作才能在25μl这样微量体系中降低实验误差？（3）如何检测PCR是否成功？让学生带着问题去边做边想，培养学生发现问题、解决问题的能力。

2.3 实验效果评价 每位同学需按照要求撰写实验报告，除了常规的实验目的、实验原理、实验步骤及结果等，还需要回答实验前提出的思考题，分析自己实验成功或失败的原因。以下是部分同学在实验报告中分析总结的实验心得：（1）PCR体系成分较多，为了防止加错或者漏加，应该加入1个组分在实验记录本上打一个“√”，同时把该组分移到另外1个离心板上；（2）PCR体系中所用到的Taq酶都是热失活的，应该在冰盒中存放，加完迅速放回冰箱中；（3）除了模板不同，在实验中所有试剂都一样，可以由1个同学先把所有的组分加在一起后混匀再进行分装，减少枪头的使用量和降低实验误差；（4）在进行琼脂糖凝胶电泳分析时，有的同学能扩增出与预期大小一致的目的条带，有的则只有引物二聚体，并无目的条带，分析原因：①忘记加入某一组分；②PCR程序设置错误；③模板质量问题，比如说目的菌株的DNA提取失败导致模板浓度低或杂蛋白太多，影响扩增体系；（5）琼脂糖凝胶电泳完毕需进行核酸染料染色，此环节需带双层手套进行保护，还需注意使用凝胶成像分析仪时需摘掉手套或请同组同学在电脑上进行成像操作，避免污染实验室其他区域。以上只是部分有代表性的学生实验报告中的心得体会，相当多的同学反映在此实验中不仅掌握了PCR的原理和步骤，而且感觉分子生物学实验不再是看不见，摸不着了，同时在撰写实验报告时不再是以往的“搬运式”（即除了姓名学号不一样，别的实验报告内容都一样），而是加入了自己发现问题、解决问题这一过程，了解到实验的各个组分在其中发挥的作用，真正掌握并理解了PCR的实验原理。

3 课外拓展

在理论课程和实验进行期间，利用翻转课堂向学生推送有关PCR技术研究进展和PCR技术在生命科学中的应用等综述，同时向学生布置作业：每位同学经过文献检索和查阅制作1个有关于PCR的PPT并利用课外时间进行汇报。例如，有的同学选取了今日说法中的亲子鉴定为切入点，制作了“PCR在亲子鉴定中的应用”向大家讲解；有的同学则对PCR技术的发展感兴趣，制作了“荧光定量PCR在快速检测致病菌中的应用”向大家讲解；有的同学自学了生物信息学，就以“16SrDNA在微生物鉴定中的应用”为题，在指导老师协助下对自己的PCR产物测序结果在NCBI上进行了比对并用Mega软件构建了进化树进行分析。同学们在这个环节中扩展了知识面，也通过查阅文献了解到分子生物学跟人类的生活息息相关，纷纷表示要好好学习这门课。

4 结语

分子生物学实验技术发展迅速，各类院校开设的实验项目各有特色，结合我院现有情况，很难做到面面俱到。作为任课老师也需要不断学习，将分子生物学的发展前沿和自身的科研项目融入到日常的教学活动中。目前，基础性、验证性实验在我院分子生物学实验课程中占有比例较大，我们在此部分实验中着重培养学生的动手能力，使学生掌握基本原理和基本操作步骤；同时利用开放实验室、挑战杯等第2课堂选拔一部分同学结合科研项目开展一些综合性、创新性实验，从而培养学生的创新能力。今后，还将优化调整分子生物学实验教学体系和改革考核方式，引入创新学分奖励制度，期望通过分子生物学实验教学改革的不断深入，为培养合格的生物工程创新型人才做出贡献。

参考文献

[1]朱玉贤，李毅，郑晓峰，等.现代分子生物学（第4版）[M].北京：高教出版社，2013.

[2]申煌煊，李刚.分子生物学实验方法与技巧[M].广州：中山大学出版社，2010.

（责编：张宏民）