基于CDIO理念下“基因工程實驗”多元教學(xué)模式的構(gòu)建及實踐＊

趙偉春

（浙江中醫(yī)藥大學(xué)濱江學(xué)院，浙江杭州 310053）

1 背景與意義

“基因工程實驗”是我校濱江學(xué)院生物工程專業(yè)的必修課程。本實驗課程要求學(xué)生掌握核酸的提取、基因分離、基因克隆、表達產(chǎn)物分離和鑒定等實驗技能。該課程于2012年正式開設(shè)，較好地解決了過去實驗教學(xué)依附于理論課程、課時少、內(nèi)容孤立、交叉重復(fù)等問題，對學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)起到了積極地作用。但是，由于本課程開課時間短，存在教學(xué)內(nèi)容簡單孤立，教學(xué)方法不成體系，缺乏形成性評價等一系列問題。這與獨立學(xué)院培養(yǎng)熟練掌握社會生產(chǎn)或社會活動的基礎(chǔ)知識和基本技能，主要從事一線生產(chǎn)的應(yīng)用型、技能型人才的培養(yǎng)目標(biāo)不相適應(yīng)。因此，如何從每一個教學(xué)環(huán)節(jié)入手，真正提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，使學(xué)生走出校門之后能適應(yīng)迅猛發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，為國家的現(xiàn)代化建設(shè)做出貢獻，是獨立學(xué)院課程教學(xué)尤其是實驗教學(xué)面臨的一個重要課題。

近年來，以任務(wù)驅(qū)動的CDIO工程教育模式成為本科院校教學(xué)改革的新思路。CDIO工程教育理念是于2004年提出的一種新教學(xué)模式，代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運行（Operate）。它是借鑒現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的全生命周期的理念，為學(xué)生提供真實的工程情景，讓其以實踐的、主動的與課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，是“做中學(xué)”和“基于項目的教育和學(xué)習(xí)”的集中體現(xiàn)。CDIO教學(xué)理念堅持以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，從實際或已有知識中發(fā)現(xiàn)和提出問題，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識探究規(guī)律和創(chuàng)新，教學(xué)中安排豐富的設(shè)計性和綜合性實驗，要求學(xué)生親自動手和全身心投入，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提供更多的動手實踐機會。因此，本課題組在“基因工程實驗”課程中引入CDIO工程教育的理念，在不斷更新教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，采用案例式、小組合作式等教學(xué)方法組織教學(xué)，改變終結(jié)性評價方式為形成性評價，從技能型人才的內(nèi)在素質(zhì)要求來提高人才的實用性，以適應(yīng)社會的需求。

2 教學(xué)內(nèi)容的整合

隨著知識的日新月異，基因工程技術(shù)層出不窮。包括基因組DNA的提取、RNA的提取、目的基因的克隆、質(zhì)粒載體的制備、限制性內(nèi)切酶酶切、DNA和RNA的電泳回收、目的基因和載體的連接、

E.coli

感受態(tài)細胞的制備和轉(zhuǎn)化、陽性克隆的PCR篩選、蛋白質(zhì)的體外誘導(dǎo)表達、表達產(chǎn)物的分離和純化、蛋白質(zhì)電泳分析、基因組文庫的構(gòu)建、基因芯片的制備和應(yīng)用、DNA測序技術(shù)、分子雜交技術(shù)等一系列的實驗項目。而“基因工程實驗”只有51學(xué)時。因此，本課程以CDIO教學(xué)理念為模式，強調(diào)實驗教學(xué)與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，并結(jié)合我校辦學(xué)特色，將教師在中醫(yī)藥領(lǐng)域的研究成果融入到實驗教學(xué)中，將基因組DNA的提取、目的基因的克隆、質(zhì)粒載體的制備、限制性內(nèi)切酶酶切、DNA的電泳回收、目的基因和載體的連接、

E.coli

感受態(tài)細胞的制備和轉(zhuǎn)化、陽性克隆的PCR篩選、蛋白質(zhì)的體外誘導(dǎo)表達、表達產(chǎn)物的分離和純化、蛋白質(zhì)電泳分析等一系列的知識、技術(shù)放在生產(chǎn)實踐的整體水平進行學(xué)習(xí)，形成以藥用植物蛋白基因克隆表達的產(chǎn)品開發(fā)為主線的“基因工程實驗”課程，并編制相應(yīng)的CDIO培養(yǎng)大綱。同時，通過構(gòu)建實驗項目、課程設(shè)計和綜合實訓(xùn)等環(huán)節(jié)落實教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生掌握扎實的基礎(chǔ)理論知識，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。其余未能在課堂教學(xué)中實施的實驗項目一方面通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，另一方面通過實驗室開放項目、學(xué)生科技創(chuàng)新項目和畢業(yè)論文設(shè)計等方式在科研導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行學(xué)習(xí)。

3 教學(xué)設(shè)計的創(chuàng)新

在教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計上，按照“以CDIO培養(yǎng)大綱為指南、以項目設(shè)計為導(dǎo)向、以工程能力培養(yǎng)為目標(biāo)”的原則分為三個層次：

3.1 教師建立實驗項目

實驗項目是實驗課程教學(xué)的基礎(chǔ)，對學(xué)生基礎(chǔ)專業(yè)技能的培養(yǎng)具有重要作用。實驗項目分為驗證性、綜合性和設(shè)計性等。在本課程中，將課程的11個教學(xué)內(nèi)容均設(shè)定為實驗項目，每個實驗項目又包含有不同的知識點和實驗技能。例如，“質(zhì)粒載體的制備”這一實驗項目中，學(xué)生要掌握實驗材料的滅菌、無菌操作、大腸桿菌的培養(yǎng)、菌體的收集、細胞的裂解、基因組DNA和蛋白質(zhì)等雜質(zhì)的去除、質(zhì)粒載體的復(fù)性等一系列的理論知識和實驗技能。通過教師講解與演示、學(xué)生實地操作有機結(jié)合，學(xué)習(xí)各個知識點，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和專業(yè)興趣。

3.2 學(xué)生課程設(shè)計

在實驗項目的基礎(chǔ)上，學(xué)生以某一產(chǎn)品的開發(fā)為目的，綜合運用課程的知識和技術(shù)（不同實驗項目）完成一個完整的設(shè)計。通過課程設(shè)計，訓(xùn)練學(xué)生運用專業(yè)知識分析問題、解決問題的能力，提升和拓展學(xué)生的專業(yè)技能，全面檢驗學(xué)生的綜合素質(zhì)與工程實踐能力。在本課程中，要求學(xué)生在教師提供藥用植物的基礎(chǔ)上，利用所學(xué)的基因工程理論知識設(shè)計一套切實可行的方案，完成藥用植物蛋白基因的克隆表達過程。

3.3 學(xué)生綜合實訓(xùn)

學(xué)生以課程設(shè)計為基礎(chǔ)，綜合運用課程相關(guān)知識完成項目的實戰(zhàn)訓(xùn)練。在本課程中要求學(xué)生以藥用植物蛋白克隆表達的生命周期為主線，嚴(yán)格按照基因工程技術(shù)的流程與規(guī)范，完成一個蛋白藥物的少量生產(chǎn)，最后提交蛋白產(chǎn)品和相關(guān)的技術(shù)文檔，并對測試結(jié)果進行分析。綜合實訓(xùn)以項目為載體構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，將學(xué)科知識、專業(yè)技能與工程實踐有效結(jié)合，體現(xiàn)基因工程領(lǐng)域中的工程學(xué)和方法學(xué)的實施，從而實現(xiàn)對學(xué)生技術(shù)與管理能力的訓(xùn)練和職業(yè)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

4 教學(xué)方法的變革

推行“以學(xué)生為中心，以能力發(fā)展為主線”的CDIO教學(xué)方法改革，倡導(dǎo)以案例牽引、項目驅(qū)動、小組合作式學(xué)習(xí)等教學(xué)方法，改變傳統(tǒng)“填鴨式”的教學(xué)方式，充分利用有限的課堂教學(xué)學(xué)時提升教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的知識應(yīng)用能力、創(chuàng)新思維能力、實踐動手能力和團隊合作能力。

4.1 案例牽引

按照CDIO大綱能力培養(yǎng)的層次要求，結(jié)合實踐課程的教學(xué)目標(biāo)，并充分體現(xiàn)我校的中醫(yī)藥特色，我們精心規(guī)劃和設(shè)置了“藥物植物蛋白的克隆表達”的教學(xué)案例，把教學(xué)內(nèi)容巧妙地融合在案例之中，學(xué)生以完成案例任務(wù)為目標(biāo)，在老師的指引下對目標(biāo)問題進行分析與分解，并通過動手實踐解決問題，真正做到“做中學(xué)”和“學(xué)中做”，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

4.2 項目驅(qū)動

根據(jù)CDIO“做中學(xué)”和“基于項目的教育和學(xué)習(xí)”的思想，在基因工程實驗教學(xué)中引入以項目為載體、任務(wù)為驅(qū)動的教學(xué)模式，在實戰(zhàn)中以運用基因工程技術(shù)實現(xiàn)在大腸桿菌中生產(chǎn)藥用植物蛋白的生命周期為主線，從項目啟動到需求分析、構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、測試到運行維護的整個生產(chǎn)過程的構(gòu)建和實戰(zhàn)來培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和綜合素質(zhì)。

4.3 小組合作式教學(xué)

團隊協(xié)作能力是理工科類學(xué)生必備的一種能力。在實際教學(xué)過程中，我們通過學(xué)生自由組合的方式，將學(xué)生分為3人/組。教師將教學(xué)任務(wù)下達到各小組。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)任務(wù)分工的不同，分頭查找資料，小組交流并討論，通力合作以完成實驗項目。問題解決后，學(xué)生還要對本小組及自己的學(xué)習(xí)過程進行自我反思和評價，總結(jié)所獲得的知識和技能。通過這種方式發(fā)展學(xué)生的團隊合作能力和自主學(xué)習(xí)能力。

5 評價體系的完善

采用多主體、多元化、動態(tài)化的教學(xué)評價體系對學(xué)生的知識、技能和素質(zhì)全方面進行形成性評價。對學(xué)生的評價分為三大塊進行：

5.1 教師測評

教師測評分為兩部分，占總成績的85%。其一，教師以個體的方式評價學(xué)生對專業(yè)知識與技能的掌握情況。主要包括出勤和實驗態(tài)度（10～15%）、實驗理論知識（課前預(yù)習(xí)考試、實驗記錄、期末實驗論文，30～35%）、操作技能（課前實驗材料準(zhǔn)備、課堂操作、期末實驗操作考試，40～45%）等。其二，以小組為單位，考核學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新思維和團隊精神，包括課程設(shè)計作品演示、項目論文答辯等（10～15%）。

5.2 學(xué)生自評

學(xué)生自評占總成績的5%。在完成教學(xué)目標(biāo)之后，學(xué)生對本人在合作學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)做出自評，包括學(xué)習(xí)態(tài)度、理論知識掌握情況、實踐操作技能和團隊合作精神等。

5.3 小組互評

小組互評占總成績的10%。各組成員對本組及本組成員在合作學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)做出評價，同時對各合作小組進行組與組交叉評價。

6 結(jié)語

“基因工程實驗”的教學(xué)實踐證明，CDIO教學(xué)理念有利于學(xué)生個性的發(fā)揚和潛力的發(fā)揮，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生較好地掌握了基因工程的基本概念、基本原理及基本操作技術(shù)，熟悉基因工程復(fù)雜的操作流程及其在工農(nóng)業(yè)及醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，訓(xùn)練和提高了學(xué)生利用所學(xué)知識分析并解決研究、生產(chǎn)領(lǐng)域中實際問題的能力，使學(xué)生在今后繼續(xù)深造和運用基因工程技術(shù)開展生命科學(xué)領(lǐng)域的科研、教學(xué)、生產(chǎn)、開發(fā)等工作中形成較強的競爭力。《基因工程實驗》課程多維教學(xué)模式的有效構(gòu)建和實施，也為其他實踐教學(xué)類課程的建設(shè)提供了借鑒。