分子生物学综合实验课程设计研究论文

izhao8,重生1981,仕途达人

　　摘要：根据分子生物学学科特点，以茶树转录因子Cs CBF1 的克隆及转录激活活性分析为基础，对分子生物学实验教学内容进行整合优化，构建了实验教学新体系，重点突出实验的综合性、系统性和设计性。采用研究型教学模式，提高了学生的实验兴趣，培养了学生的实验设计和创新能力，实现了学习实验技术和理论知识的统一。

　　关键词：分子生物学实验；综合性；构建

　　实验教学是高校创新人才培养的重要环节。实验教学不但能使学生掌握基本的实验技能，提高实际操作能力，而且能够培养学生的探索精神和科学思维的技巧，促进学生认知能力的发展。通过实验教学，学生还能体验知识的形成过程，构建自己的知识体系，实现研究性学习。分子生物学是在分子水平上研究生命现象的一门学科[1-2],其主要内容是研究遗传信息的储存与传递的分子细节，它的理论和方法已渗透到生命科学的每一领域，为生命科学的研究提供了新的思维方式和研究手段。分子生物学实验是分子生物学课程体系的重要组成部分，是学生学习分子生物学的基本理论、基本技能，提高综合素质和创新能力的重要途径[3-4].

　　传统的分子生物学实验主要包括核酸的分离与检测、PCR 扩增及其相关技术、基因克隆的基本步骤（感受态细胞的制备、载体与外源 DNA的 片段酶切纯化和连接、转化、重组子的鉴定）等[5].在实验课程的组织形式上，采用独立分割的实验策略，通过一个个独立的实验演示分子生物学的基本原理和技术[6].这种策略的优点是可以使学生很好地掌握单项技术，但由于实验课程缺乏系统性，不利于学生综合利用所学技术解决科学问题，理解科学的过程。在教学方式上，传统的分子生物学实验以说明性、验证性实验为主，指导教师讲述实验原理，演示、讲解实验方法，指导学生操作，并对整个实验过程进行管理。学生严格按照实验指导开展实验，重点关注能否得到正确的实验结果，而较少关心实验设计和对结果的分析解释，教师也没有分配给学生足够的时间去思考实验所涉及的科学原理，以及对信息进行深度的加工处理。这种说明性、验证性实验教学模式不利于学生主观能动性的发挥和创新型人才的培养。

　　1 实验教学理念和改革思路

　　针对传统分子生物学实验教学体系中存在的问题，一些实验室以分子生物学为中心，整合不同课程的实验教学内容，建立多学科融合的实验教学体系，取得了较为理想的教学效果[7-9].参照国内外实验教学改革的成果，本研究以茶树的一个 CBF 转录因子的克隆和转录激活活性为主线，对分子生物学实验教学的内容进行整合优化，建立系统、开放的实验教学体系。新的实验教学体系包括验证性实验、设计性实验和综合性实验三个层次的实验项目，实验项目之间密切关联，层层推进。验证性实验重点训练学生的基本技能和基本操作。设计性实验注重培养学生分析问题和解决问题的能力[10].综合性实验引导学生将不同的实验方法融会贯通，把握科学研究的整体性方法，形成综合设计实验的理念。新的实验教学体系采用以研究为基础的实验教学模式，鼓励学生通过查阅资料、自行设计实验方案、独立进行实验等一系列的活动来锻炼他们的科研思路，提高他们的动手能力，并引导学生在实验中，体验知识的生成过程，构建对知识的理解，实现实验技术的学习和知识获取的统一。

　　2 构建分子生物学综合性实验教学体系

　　实验课以“茶树转录因子 Cs CBF1 转录激活活性分析”为中心，将 Cs CBF1 基因全长 c DNA 序列的克隆及序列分析、Cs CBF1 基因的表达特性分析、Cs CBF1 的亚细胞定位、Cs CBF1 在酵母细胞中转录激活活性分析等内容进行整合优化，形成系统、连续的综合性实验。其中，Cs CBF1 基因全长 c DNA 序列的克隆及序列分析包括 PCR 技术、利用 T 载体克隆 PCR 产物、将重组 DNA 分子导入到大肠杆菌细胞、DNA 自动化测序等内容；Cs CBF1 基因的序列分析利用常用的分子生物学软件分析 Cs CBF1 蛋白的核定位信号、DNA结合结构域和转录激活结构域；Cs CBF1 基因的表达特性分析则利用荧光定量 PCR 技术分析低温在转录水平上对Cs CBF1 表达的影响；Cs CBF1 的亚细胞定位将 Cs CBF1 基因的 ORF 与植物表达载体 p BI121 中的报告基因 GFP 融合，并通过遗传转化使融合基因在植物细胞中的瞬时表达；Cs CBF1 在酵母细胞中的转录激活活性分析主要包括两方面的内容，一是利用酵母单杂交技术分析 Cs CBF1 与 DNA结合的特异性，其二是将 Cs CBF1 的各种 N 端缺失突变体与GAL4 的 DNA 结合结构域融合后，观察 Cs CBF1 的 C 端结构域对 lac Z、HIS 和 ADE 报告基因的激活作用。

　　实验内容相互衔接，将分子生物学、基因工程、生物信息学和生物化学等课程的实验有机地结合在一起，可以使学生获得跨学科多技能的综合训练。利用 PCR 技术克隆Cs CBF1 基因涵盖了基因克隆的核心技术，是整个实验的基础。序列分析可以预期 Cs CBF1 含有一核定位信号，并且有一个 DNA 结合结构域和一个 C 端酸性结构域，这为研究Cs CBF1 的功能指明了方向。亚细胞定位则用实验证明Cs CBF1 含有一核定位信号，定位于洋葱表皮细胞的细胞核中。转录激活活性分析表明 Cs CBF1 的 DNA 结合结构域能够与 DRE/CRT 元件发生特异性结合，其酸性结构域在模式生物中可以激活报告基因的转录。综合上述实验结果，可以推断 Cs CBF1 为一植物转录因子，在细胞核中通过与特异性的 DNA 元件结合，激活基因的表达。Cs CBF1 基因的表达特性分析通过研究低温对 Cs CBF1 表达的影响，推断 Cs CBF1可能在植物应答低温过程中发挥作用。

　　3 创建实验教学实施新模式

　　本项目是依据茶树的一个转录因子的克隆与功能分析设计的多学科综合的实验教学体系。为了让学生深入系统地理解实验教学所涉及的知识、技术和原理，课程组编写了一系列学习辅助材料，对实验项目所涉及的主要技术给出了较为完备的注解。例如，ICE1-CBF 冷应答途径是目前研究得最为清楚的一个调节植物冷信号传递的转录级联。课程组筛选了一组能够反映该信号传导途径发现过程的节点性文献，重现问题的提出、理论形成和发展的过程。Cs CBF1转录因子的 DNA 结合结构域和转录激活结构域的鉴定需要利用酵母表达系统。课程组以研究论文为基础编写研究简报，系统描述了通过互补实验分离酵母的 GAL4 基因、利用缺失实验鉴定 GAL4 转录因子的 DNA 结合域和转录激活域、利用结构域交换实验进一步证实 GAL4 转录激活域在结构和功能上具有相对独立性。并在此基础上，说明酵母单杂交系统和酵母双杂交系统的原理和方法。通过指导学生阅读研究论文和研究简报使学生在具体的研究情境中领悟到科学研究的基本策略和方法，进一步理解在实验课中学习的相关技术是如何应用于解决具体的科学问题，从而促进学生思维水平的发展。

　　新的实验教学体系的一个重要目标是提高学生的科技写作水平。为了帮助学生更有效地学习科技写作的基本技能，教师要抽出专门的时间介绍科技论文的基本结构及各部分的写作要求，让学生对科技写作有一个简明而完整的概念。每次实验除了要求每个学生完整记录整个实验过程外，还要对学生进行写作技巧方面的训练，但练习仅限于论文的某一部分，例如摘要、引言、材料与方法或者结果与讨论，甚至可以是对图表的文字说明。这种化整为零的训练方式，可以降低学生对科技写作的畏难情绪，使他们循序渐进地掌握写作技巧。当整个实验项目完成时，学生需要提供两种不同的实验报告，一种是关于每个子项目的实验报告，例如茶树 DNA 的制备、PCR、连接、感受态细胞的制备、转化、筛选、序列分析等；另一种是一个综合性的实验报告，将所有的实验内容整合在一起，写一个完整的科学研究报告，包括目的、原理、过程、结果和讨论。

　　在实验教学中，注意发挥教师的主导作用和学生的主体作用。在实验教学的开始阶段，以验证性实验为主，学生在教师的指导下完成 Cs CBF1 基因的克隆和序列分析。当学生掌握了 PCR 技术、基因克隆和序列分析的基本方法后，鼓励学生在查阅资料的基础上，根据教师提出的问题，自行设计试验方案。学生在实验前，提交实验方案，指导教师对实验方案进行修改后，组织学生讨论，使学生深刻理解实验原理和实验步骤。有了这些准备，学生便能够摆脱对教师的依赖，独立开展实验工作。

　　为了突出实验教学的探索性，在研究 Cs CBF1 的亚细胞定位时，由不同的实验小组分别将 Cs CBF1 的编码区与 GFP基因融合，或者将程序预测的核定位信号的编码序列同时与 GST 和 GFP 基因融合，然后观察两种不同的融合蛋白在洋葱表皮细胞中的表达部位。在确定 Cs CBF1 能否与DRE/CRT 顺式作用元件发生特异性结合的酵母单杂交实验中，分别将 DRE/CRT 或者突变型元件置于酵母表达载体报告基因的上游外，转化表达 Cs CBF1 的酵母细胞后，检测两种不同的转化子的β- 半乳糖苷酶活性。在确定 Cs CBF1 的转录激活区时，将 Cs CBF1 的编码区和几种不同的缺失突变体与酵母表达载体的 GAL4 DNA 结合域融合，转化酵母细胞后，检测各种转化子的β- 半乳糖苷酶活性。对于以上实验项目，可以让学生根据实验的目的与要求自行设计不同的表达载体，分组平行实验，实验后通过对不同组的实验结果进行分析比较，引导学生自己得出结论。

　　尽管新的实验教学体系包含的主要是常规的分子生物学实验，但是要求每个实验小组所做的每一步实验都要成功仍是不切实际的。如果实验失败，应帮助学生分析失败的原因，并在时间允许的情况下，鼓励学生重做实验，独立获得实验结果。但是，为了在规定的课时内完成实验教学内容，教师要准备一套完整的实验材料，例如茶树的基因组DNA、携带有 Cs CBF1 的质粒、各种酵母表达载体及转化的酵母细胞长成的菌落等。没有获得实验结果的学生，可以从老师那里获得实验材料，从而使后续实验能够顺利进行。相比于实验结果，我们更加关注学习的过程，学生的某一项实验失败，并不影响实验课的成绩，除非错误反复发生。

　　本课程采用多元化的考核方法。课程的考核评价体系由三个部分组成，第一部分是在实验课结束时，每一实验小组通过课件介绍实验方案和实验原理，展示实验结果，并对结果进行分析讨论，最后回答提问。该部分的成绩占总成绩的 40%,以小组的形式给出，成绩的评定内容包括：课件能否清晰地说明实验原理和实验方案，能否以恰当的方式展示实验结果，对结果的分析是否合理；汇报时语言是否清晰、流畅，具有较强的逻辑性；回答问题是否准确、思维是否具有创新性；小组成员是否具有团队意识和协作精神。考核体系的第二部分是学生个人实验报告的成绩，占总成绩的40%.实验报告分为每一个实验项目的实验报告和一个综合性的研究报告。考核体系的第三部分是实验小组的值日情况，以小组的形式给出成绩，占总成绩的 20%.值日生的职责有配制公用试剂、向各个实验小组分发样品、为 DNA 电泳制备凝胶、对实验设备进行简单维护、保持实验室清洁等。

　　4 讨论

　　通过 3 年的教学实践，指导教师普遍感到新的实验教学体系层次清晰，系统性强，有利于为学生创造研究性学习环境。学生普遍反映，新体系不仅使他们能够掌握基本的分子生物学技术，了解这些技术之间的衔接，而且他们的学习能力、写作能力和口头表达能力都有显着提高。由于新的实验教学体系强调学生在实验教学中的自主性和独立性，学生在毕业论文阶段对分子生物学技术表现得更加从容、自信，能够根据实验项目的要求独立设计实验，在实验失败时，能够做出正确的判断，并对实验方案做出调整。合理的考核评价体系增强了学生做实验的积极和自觉性，显着地提高了实验教学的效果。

　　新的实验教学体系对教师提出了更高层次的要求，教师只有长期从事科学研究才能及时掌握学科发展的最新成就，把分子生物学的前沿技术不断地融合到实验教学体系中。也只有那些不但能传授知识，而且能够发现、创造、应用知识的教师才能使自己的讲课内容更加具有前沿性、独创性和启发性。教师还要开展教学方式的改革与创新[11],学习掌握新的教学技巧，改变灌输式的教学方式，确立学生在教学过程中的主体地位，把教学看做是基于教师指导下的探索发现过程而非知识的传递过程。教师一旦掌握了先进的教学理念和教学方法，加上自己的科研实践和知识的积累，一定能够探索出更加合理的实验教学新模式，培养出更多具有创新能力的高素质人才。

　　参考文献：

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