張顯 饒志明 徐美娟 楊套偉 李華鐘 段作營(yíng) 陳獻(xiàn)忠

摘? 要：為進(jìn)一步提高微生物遺傳育種學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣，文章從模塊化教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)模式、多元化授課形式等方面探討了該課程教學(xué)改革的必要性，闡述了對(duì)微生物遺傳育種學(xué)課程融入思想政治教育的思考，討論了如何為國(guó)家與社會(huì)培養(yǎng)出綜合素質(zhì)全面和具有創(chuàng)新能力以及國(guó)際化視野的綜合型人才，為相關(guān)本科專業(yè)的教學(xué)改革實(shí)踐與應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：微生物遺傳育種學(xué);教學(xué)改革;發(fā)酵工程

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2021）36-0030-04

Abstract： To further improve the course teaching quality of Microbial Genetics and Breeding to undergraduate students， this paper discussed the necessity of teaching innovation of this course from the aspects of modular teaching methods， innovative teaching modes and diversified teaching forms， and proposed thoughts on integrating curriculum into ideological and political education. This paper focuses on how to cultivate talents with comprehensive quality， innovative ability and international vision， and provides reference for the curriculum innovation practice and application of undergraduate majors.

Keywords： Microbial Genetics and Breeding; teaching reform; fermentation engineering

隨著當(dāng)今生物科技的快速發(fā)展，微生物作為細(xì)胞工廠生產(chǎn)可替代能源已成為必然趨勢(shì)，高產(chǎn)菌株的選育及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化顯得尤為重要。通過(guò)微生物遺傳育種的應(yīng)用，改變傳統(tǒng)的資源利用模式，利用技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)模式的轉(zhuǎn)變，將為工業(yè)生活提供更好的技術(shù)支持和資源保障。課程主要面向“輕工、發(fā)酵、食品”等行業(yè)，培養(yǎng)具有國(guó)際視野的、高素質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。課程不僅注重培養(yǎng)學(xué)生的人身安全、環(huán)境安全、科學(xué)倫理等方面的意識(shí)，還注重培養(yǎng)學(xué)生分工合作、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神，同時(shí)還培養(yǎng)學(xué)生身負(fù)祖國(guó)工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的使命感和時(shí)代責(zé)任感的情懷。

一、微生物遺傳育種學(xué)教學(xué)中廣泛存在的問(wèn)題

（一）以教材為主的理論學(xué)習(xí)跟不上知識(shí)更新的速度

21世紀(jì)是生命科學(xué)快速發(fā)展的時(shí)期，組學(xué)技術(shù)、基因組編輯技術(shù)、人工智能解析蛋白生命體等高新技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致原有的只針對(duì)書(shū)本知識(shí)的教學(xué)方式已無(wú)法應(yīng)對(duì)如今技術(shù)演變的速度[1]。以教師為主，學(xué)生在規(guī)定動(dòng)作下學(xué)習(xí)的教學(xué)模式也將無(wú)法滿足目前行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展形式下對(duì)人才積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性的培養(yǎng)要求[2]。隨著學(xué)科前沿技術(shù)的推陳出新，微生物遺傳育種學(xué)需要統(tǒng)籌新興育種技術(shù)在本課程中的呈現(xiàn)度，使學(xué)生充分掌握理論課中所學(xué)微生物育種學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，提高學(xué)生科研創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。

（二）照本宣科導(dǎo)致對(duì)知識(shí)運(yùn)用不夠靈活

目前微生物遺傳育種學(xué)課程中的理論知識(shí)和基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容較為固定，教材更新速度較慢，在實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性和微生物代謝機(jī)理的初步思考方面還有一定的局限。教材中目前采用的實(shí)驗(yàn)素材較為固定，且大部分學(xué)校開(kāi)展系統(tǒng)性微生物遺傳育種大實(shí)驗(yàn)的條件保障力不足。固定式的按照既定步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考不充分，并且無(wú)法格物致知，進(jìn)一步導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用以及對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解出現(xiàn)偏差，不利于對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（三）單一教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生積極性不高

目前多數(shù)本科課程都采用課堂授課的傳統(tǒng)教學(xué)模式，這種單一的教學(xué)形式無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)知識(shí)的多樣性需求，難以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)知識(shí)接納的積極性以及對(duì)新知識(shí)的思考。在課程安排過(guò)程中如何用多種方法來(lái)豐富課程內(nèi)容、來(lái)強(qiáng)化課程呈現(xiàn)度，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)的積極性并自主深化其對(duì)課程知識(shí)的理解，拓寬學(xué)生的學(xué)科視野，是目前微生物遺傳育種學(xué)教學(xué)過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題。

二、微生物遺傳育種學(xué)課程突破

（一）深度融入思想政治教育

深度挖掘微生物遺傳育種學(xué)課程思想政治教育資源，避免片面強(qiáng)調(diào)育才功能而忽視其教育功能的不足，構(gòu)建自然科學(xué)課程和思想政治理論課下的“立德”根本任務(wù)，引入思想政治教育手段引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立樂(lè)觀進(jìn)取的人生觀、明辨是非的世界觀和積極向上的價(jià)值觀，進(jìn)而在提升自然科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，深度融入思想政治教育。在為學(xué)生講述現(xiàn)代學(xué)科前沿研究成果的同時(shí)，將國(guó)際科技趨勢(shì)的演變和國(guó)際形勢(shì)的變化聯(lián)系到一起，宣揚(yáng)我國(guó)科技工作者頑強(qiáng)拼搏的奮斗精神[3]，培養(yǎng)學(xué)生正確的人生觀和世界觀，增強(qiáng)學(xué)生為國(guó)家貢獻(xiàn)的內(nèi)在動(dòng)力。

（二）創(chuàng)新授課形式，深化教學(xué)改革

傳統(tǒng)的微生物遺傳育種教學(xué)中以教師講授、學(xué)生聆聽(tīng)為主的教學(xué)模式已經(jīng)無(wú)法滿足發(fā)酵工程學(xué)科對(duì)人才的培養(yǎng)要求，這種模式容易使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生疲態(tài)、較被動(dòng)的感覺(jué)，影響教學(xué)效果和課堂氛圍[4]。如何引導(dǎo)學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新積極性，培養(yǎng)工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域高素質(zhì)、創(chuàng)新人才的形勢(shì)迫切且意義深遠(yuǎn)。在微生物遺傳育種學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，可以采用模塊化教學(xué)方式將課程分為三大模塊。第一模塊結(jié)合學(xué)校教學(xué)硬件，通過(guò)數(shù)字媒體以及VR仿真課堂教學(xué)等，將微生物遺傳育種學(xué)課程基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程以不同于簡(jiǎn)單講述的方法呈遞給學(xué)生。第二模塊是以學(xué)生為主導(dǎo)的主題研討。學(xué)生根據(jù)興趣自主選擇研討方向?qū)?guó)際前沿的微生物遺傳育種學(xué)進(jìn)展，以分小組主題匯報(bào)的形式進(jìn)行匯報(bào)并進(jìn)行全班研討，在開(kāi)拓學(xué)生科技視野的同時(shí)，鍛煉了學(xué)生匯報(bào)演講時(shí)的組織、應(yīng)變、講述能力。第三模塊是分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案研討，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐性教學(xué)的一種組織形式。學(xué)生利用本校的硬件實(shí)驗(yàn)條件，由教師給定實(shí)驗(yàn)主題以及實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢W(xué)生自行制定實(shí)驗(yàn)方案與計(jì)劃，在老師輔助監(jiān)督下，有組織地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)方案研討與論證，通過(guò)提問(wèn)、交流和討論，提高知識(shí)與發(fā)展能力，強(qiáng)化以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)生可以在獨(dú)立檢索文獻(xiàn)和總結(jié)梳理知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)培養(yǎng)積極的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

（三）以實(shí)驗(yàn)教學(xué)促理論教學(xué)

濃厚的興趣是深刻理解課程知識(shí)的前提，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)微生物遺傳育種學(xué)現(xiàn)象，不僅能幫助其深刻理解實(shí)驗(yàn)中涉及的生物學(xué)原理和技術(shù)，來(lái)更好地掌握課程知識(shí)，還能較好地激發(fā)其對(duì)所學(xué)課程的求知欲[5]。因此必須引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)實(shí)踐的意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)思考的能力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)將實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的思考和體會(huì)與課堂中學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)相呼應(yīng)，在深刻體會(huì)探索相關(guān)生物學(xué)原理的過(guò)程中，將實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與具體方法的選擇有機(jī)統(tǒng)一，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力[6]。在微生物遺傳育種學(xué)課程的教學(xué)開(kāi)展過(guò)程中，還要充分利用所在學(xué)校的學(xué)科平臺(tái)資源[7]，開(kāi)展理論授課與實(shí)驗(yàn)授課相結(jié)合的教學(xué)模式，在接受課堂理論知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)后，去實(shí)驗(yàn)過(guò)程中探討如何將其進(jìn)行應(yīng)用，開(kāi)發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題以及靈活運(yùn)用課堂知識(shí)的能力。

（四）注重課程交叉，提高學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用能力

在微生物遺傳育種學(xué)傳統(tǒng)課程教學(xué)策略不斷進(jìn)行改革的時(shí)代背景下，不斷吸收開(kāi)發(fā)新知識(shí)、新方法、新思路，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，及時(shí)將本課程與其他課程相互交叉或重復(fù)的內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化。例如，微生物遺傳育種學(xué)課程部分內(nèi)容與生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物學(xué)等課程高度交叉融合，因此本課程在其他課程內(nèi)容相關(guān)原理和現(xiàn)象基礎(chǔ)上，要更加注重育種策略的設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)實(shí)用性、前沿性和新穎性，增強(qiáng)學(xué)生融會(huì)貫通多種課程知識(shí)的能力[8]。

（五）緊跟學(xué)科前沿，引入新技術(shù)新突破

后疫情時(shí)代是生命科學(xué)的新紀(jì)元，近些年來(lái)發(fā)展出的大批高新技術(shù)已被逐漸應(yīng)用并隨著研究的深入被不斷改進(jìn)，相關(guān)技術(shù)缺陷也被一一攻克。在此科技發(fā)展的速度背景下，微生物遺傳育種學(xué)教材中采用的實(shí)驗(yàn)素材已逐漸不能滿足教學(xué)需要。例如：紫外線誘變大腸桿菌篩選耐藥突變株的這一課程實(shí)驗(yàn)，紫外誘變技術(shù)結(jié)合抗生素篩選等基礎(chǔ)遺傳育種學(xué)技術(shù)已無(wú)法很好契合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)工業(yè)微生物菌株開(kāi)發(fā)的要求。因此，需要緊跟學(xué)科前沿，在微生物遺傳育種的課程中，引入新技術(shù)突破。以相關(guān)知識(shí)發(fā)現(xiàn)為例，將學(xué)生引入更高層次的知識(shí)殿堂，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)諾貝爾獎(jiǎng)等知識(shí)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程及其相關(guān)原理，并將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)結(jié)合到微生物遺傳育種學(xué)課程中，帶領(lǐng)學(xué)生把握科技進(jìn)步方向，普及前沿科技的技術(shù)要點(diǎn)。

本文以生命科學(xué)前沿技術(shù)如何改變傳統(tǒng)微生物育種方式舉例如下：

CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)一誕生就被視為21世紀(jì)最為重要的生物發(fā)現(xiàn)之一。經(jīng)典的CRISPR/Cas系統(tǒng)來(lái)源于細(xì)菌防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)用于精確靶向的單引導(dǎo)RNA（SgRNA）和一個(gè)用于DNA結(jié)合和核酸酶活性的Cas蛋白組成。依賴于CRISPR/Cas系統(tǒng)的高精度[9]，除了原有的核酸酶活性外，還開(kāi)發(fā)了多種功能，如基因組堿基編輯、基因敲除和激活、染色質(zhì)成像系統(tǒng)等。這些擴(kuò)展展示了CRISPR/Cas系統(tǒng)的靈活性，并且由于其穩(wěn)定高效，CRISPR/Cas技術(shù)已經(jīng)成為基因組編輯的強(qiáng)大工具，在生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，促進(jìn)了基礎(chǔ)生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)研究的發(fā)展，也為疾病的臨床治療提供了新策略?；蚪M編輯技術(shù)的進(jìn)步使基礎(chǔ)和應(yīng)用生物學(xué)研究發(fā)生了革命性的變化[10]。

標(biāo)志著人工智能與生物學(xué)科的交叉產(chǎn)物AlphaFold于2021年誕生，AlphaFold可以周期性的以原子精度預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)[11]。在技術(shù)上，AlphaFold利用多序列對(duì)齊，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)算法的設(shè)計(jì)，還結(jié)合了關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理和生物學(xué)知識(shí)提升效果。具體來(lái)看，AlphaFold網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)主要部分組成[12]，首先，網(wǎng)絡(luò)的主干通過(guò)一個(gè)稱為Evoformer的新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)塊的重復(fù)層來(lái)處理輸入，產(chǎn)生一個(gè)Nseq×Nres陣列（Nseq：序列數(shù)，Nres：殘差數(shù)），它表示一個(gè)處理過(guò)的MSA和一個(gè)表示剩余對(duì)的Nres×Nres陣列。Evoformer塊包含許多新穎的基于注意力和非基于注意力的成分，它的關(guān)鍵創(chuàng)新是與MSA交換信息的新機(jī)制，并能直接推理空間和進(jìn)化關(guān)系的配對(duì)表征。網(wǎng)絡(luò)的主干之后是結(jié)構(gòu)模塊（Structure Module），該模塊以蛋白質(zhì)的每個(gè)殘基的旋轉(zhuǎn)和平移的形式引入了顯式的3-D結(jié)構(gòu)。這些表征在微不足道的狀態(tài)下初始化，所有旋轉(zhuǎn)設(shè)置為同一性（identity），所有位置設(shè)置為原點(diǎn)，但能夠快速開(kāi)發(fā)和完善具有精確原子細(xì)節(jié)的高度準(zhǔn)確的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)[13]。

又例如2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予發(fā)明了冷凍電鏡技術(shù)的三位科學(xué)家，以獎(jiǎng)勵(lì)其對(duì)探明生物分子高分辨率結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位科學(xué)家，弗朗西斯·阿諾德獲獎(jiǎng)的理由是他首次進(jìn)行了酶的定向進(jìn)化。這些通過(guò)解析和改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，獲得具有目的催化能力的蛋白質(zhì)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。另一位獲獎(jiǎng)?wù)邌讨巍な访芩拱l(fā)明了一種被稱為“噬菌體展示”（phage display）的技術(shù)[14]：這讓能感染細(xì)菌的病毒可以用來(lái)進(jìn)化新的蛋白質(zhì)。而格雷戈里·溫特爵士則利用噬菌體展示技術(shù)生產(chǎn)了新的藥物[15]。如今，噬菌體技術(shù)可產(chǎn)生抗體，用以中和毒素，對(duì)抗自身免疫性疾病以及治療轉(zhuǎn)移性癌癥等[16]。通過(guò)與學(xué)生剖析講述前沿科技，可極大地豐富學(xué)生專業(yè)視野，消除了學(xué)生對(duì)前言技術(shù)望而卻步的距離感，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生們對(duì)生命科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行探索的愿望。

（六）強(qiáng)化實(shí)踐能力，以賽促學(xué)

微生物遺傳育種學(xué)就是在微生物學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上，將科技手段切實(shí)運(yùn)用在實(shí)踐中，隨著課外實(shí)踐活動(dòng)的進(jìn)行，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握將會(huì)越發(fā)嫻熟，對(duì)微生物遺傳育種的認(rèn)識(shí)也會(huì)越發(fā)深刻。微生物遺傳育種教學(xué)應(yīng)基于施教單位已有實(shí)驗(yàn)條件，鼓勵(lì)學(xué)生積極組隊(duì)參加中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、國(guó)際遺傳工程機(jī)器競(jìng)賽（iGEM）、全國(guó)大學(xué)生生命科學(xué)競(jìng)賽、生命科學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽等國(guó)內(nèi)外生命科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)科學(xué)競(jìng)賽，展現(xiàn)學(xué)生專業(yè)風(fēng)采，以賽促學(xué)，以學(xué)促行，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的消化吸收，強(qiáng)化實(shí)踐能力。鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，參與教師的課題研究，讓學(xué)生在實(shí)踐的過(guò)程中，對(duì)微生物遺傳育種有更切身的理解。

三、結(jié)束語(yǔ)

微生物遺傳育種學(xué)作為一門(mén)理論與實(shí)踐相結(jié)合的應(yīng)用類課程，應(yīng)盡可能地激發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)符合國(guó)家需求且具有國(guó)際視野的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，以推動(dòng)科技的進(jìn)步與時(shí)代的發(fā)展[17]。緊隨國(guó)際前沿發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)更科學(xué)有效的教學(xué)模式，深化課程建設(shè)內(nèi)涵，提高學(xué)生自主思考、自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手的能力，以理論課教學(xué)為基石，通過(guò)豐富的教學(xué)形式為學(xué)生多元化、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)先進(jìn)微生物育種策略并應(yīng)用到今后的科研工作中奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。高校要緊跟21新世紀(jì)科技發(fā)展的步伐，適應(yīng)社會(huì)多元發(fā)展的需要，通過(guò)自主討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生把課堂所學(xué)的理論知識(shí)和學(xué)過(guò)的實(shí)驗(yàn)技能更靈活有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。同時(shí)推進(jìn)國(guó)際、校際間的合作，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，共同使微生物遺傳育種學(xué)教學(xué)水平得到全面進(jìn)步[18]。

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