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食品基因工程綜合實驗教學改革
摘要：食品基因工程在現(xiàn)代食品生物技術領域中占有舉足輕重的地位。研究食品科學專業(yè)背景本科生的基因工程綜合實驗教學方法，設計與構建適用于食品專業(yè)本科生的基因工程綜合實驗體系，是迫在眉睫的事情。通過對食品基因工程實驗教學中存在的問題進行分析，可以從五個方面對教學進行改革，即優(yōu)化實驗教學內容、引進開放式實驗或教學與科研相結合、轉變學生參與教學方式、革新實驗報告、改進學生成績考核方式。這種創(chuàng)新性實踐教學改革措施的實施可以達到培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的目標。
關鍵詞：食品基因工程 創(chuàng)新性 教學改革 綜合實驗
基因工程作為一門獨立的學科誕生于20世紀70年代，經過40年的發(fā)展已經是現(xiàn)代生物技術中的核心學科和四大工程技術之一，其廣泛應用于食品、農業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥等領域[1]。基因工程是一門集理論與實踐與一體的學科，其研究方法與技術貫穿現(xiàn)代生命科學的每個領域。食品科學是整合和應用多個學科(化學、物理、生物、機械等)的基礎知識來研究食品的理化、生化以及食品加工原理和工藝的一門交叉學科。食品生物技術是食品加工領域的前沿交叉學科技術，其包括四大工程技術[2]，即食品基因工程、食品細胞工程、食品發(fā)酵工程和食品酶工程。而食品基因工程作為食品生物技術上游的關鍵學科，對現(xiàn)代食品生物技術的發(fā)展具有舉足輕重的支撐作用。食品基因工程綜合實驗作為食品基因工程理論課的實踐課程，是一門非常重要的課程，根據食品專業(yè)的課程特點研究食品科學專業(yè)背景本科生的基因工程綜合實驗教學方法以及設計與構建適用于食品專業(yè)本科生的基因工程綜合實驗體系是值得研究的課題。
1、食品基因工程實驗教學中存在的問題及改革的必要性分析
食品基因工程實驗教學內容不能緊跟學科發(fā)展的步伐，內容古板陳舊[3-5]。目前的實驗課大綱包含的實驗內容按授課順序為：目的基因的PCR擴增、核酸電泳檢測、大腸桿菌感受態(tài)細胞的制備、質粒轉化、質粒DNA的抽提、重組質粒的酶譜鑒定、重組細胞的誘導表達、重組酶的親和層析純化、SDS-PAGE蛋白電泳鑒定，共9個實驗，即80個學時。實驗教學模式為基礎性的驗證性實驗，即用課題組里碩士或博士已經成功的實驗中的主要實驗材料(例如目的基因或質粒等)進行實驗。做這種驗證性實驗，如果操作步驟不出大的問題，基本上就能夠得到預期的實驗結果。這種實驗模式在一定程度上能夠使學生溫習在理論課堂上學的知識，且能夠鍛煉同學們的實驗動手能力，可以從實驗中學到一定的實驗技能，但是對學生的創(chuàng)新性思維訓練不能起到明顯的作用，學生無法體驗實驗的失敗，也就不能分析失敗的原因，對實驗的理解也就有了局限性。
實驗教學存在的另一個突出問題就是實驗教學方法單一[4，5]。實驗教學采用的是傳統(tǒng)的教學方式，老師在實驗前會先把講義上的內容(包括實驗目的、原理、步驟)講解一遍，然后就讓同學們照著講義上的實驗步驟一步一步去做，學生只是參與了實驗結果的輸出，沒有深入思考實驗的機會。在整個實驗過程中，學生大部分時間都是處于被動學習接受的狀態(tài)，獨立思考問題的時間很少。學生只是在實驗操作技能上有些許提升，而比較重要的分析問題和解決問題的能力沒有任何鍛煉和提高。掌握的這些基礎的具有驗證性實驗性質的食品基因工程實驗室還是不能獨立開展創(chuàng)新型實驗研究。
還有一個問題就是考核方式不合理[5，6]。學生成績考核的方式影響著他們的學習態(tài)度，良好的評價方法能夠激發(fā)他們主動學習和探索知識的欲望，如何突出學生的綜合素質和能力，成績考核方式顯得特別重要。傳統(tǒng)的實驗課成績評定方式是老師通過學生的實驗報告的書寫情況來給定一個分數(shù)，這種評定方式只能反應學生課下寫作業(yè)的認真程度，無法判斷學生在實驗課上的表現(xiàn)，而作為實驗課，要靠動手去操作才能得出實驗結果，學生的動手能力這個評判實驗課的重要因素給忽略掉了。從這里可以看出實驗課成績的傳統(tǒng)評定方式的局限性。
鑒于在實驗教學中出現(xiàn)的種種問題，這種模式已經不再適應我國培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的需要，必須對這種教學方式進行改革。改革的重點是向以“知識構建和問題求解”為特點的“創(chuàng)新性實踐教學”模式發(fā)展。這種綜合型的教學模式與以往的那種“驗證性實驗教學”模式相比涉及的知識面和深度要高的多，更能夠激發(fā)同學們的創(chuàng)新思維。這種實驗模式以創(chuàng)新性實驗研究學習為主，不斷提高人的主動求知的欲望，達到更好的學習效果。
2、食品基因工程實驗教學改革的具體實施
2.1 優(yōu)化實驗教學內容
對食品基因工程實驗課程大綱進行優(yōu)化設計[2，6]。食品基因工程實驗是一門系統(tǒng)性和綜合性很強的課程，設計實驗教學內容時不僅應強調其基礎性也應該強調其綜合性�；蚬こ虒嶒炇怯刹煌膶嶒災K組成的一個系統(tǒng)性的綜合實驗，每個實驗模塊之間都存在著緊密的聯(lián)系，是環(huán)環(huán)相扣的一個過程，前一個實驗的結果通常作為下一步實驗的原材料。因此，只有在上一個實驗取得可靠的實驗結果后才能進入下一步實驗，使學生至始至終都樹立完整的科學研究概念。
基因工程實驗內容豐富多彩，考慮到食品學科的發(fā)展，結合實驗室在微生物酶研究方面的豐富經驗，我們應選擇一個與食品生物技術密切相關的食品酶為研究對象，設立一個綜合性研究課題，如D-阿洛酮糖3-差向異構酶的克隆、表達及性質鑒定，實驗應該包含上面提到的九個實驗的全部內容�；蚬こ叹C合實驗中每個實驗模塊的連續(xù)性特點就要求該實驗課程應該在一個完整的時間段內有條不紊的全部做完，按照實驗大綱的安排，可以安排一兩周的整塊時間來做這個綜合性實驗。食品基因工程實驗的綜合性和復雜性對學生們來說是最大的考驗，但是這也是培養(yǎng)學生良好的科研理念及思維方式的很好機遇。通過實驗不僅使學生能夠了解基本的實驗原理及熟練掌握實驗操作過程，而且還能幫助他們建立好的實驗素養(yǎng)及培養(yǎng)團隊協(xié)作能力。
2.2 引進開放式實驗或教學與科研相結合
食品基因工程實驗采用開放性實驗或者與科研相結合的方式，可以給學生的創(chuàng)新思維訓練提供更廣闊的平臺[3，4，5，7]。開放性實驗是指在老師規(guī)定的一個課題范圍內，同學們可以自由選題，從課題方案的設計到課題的操作實施整個過程都是同學們掌控的。當然在關系實驗失敗與否的實驗方案設計階段，老師會對學生的設計方案進行最后的確定，如果有不妥的地方會讓學生進行修改，這樣以來學生可以在接下來的實驗操作過程能夠順利進行。把基因工程實驗課和指導老師的科研項目相結合，這是個大膽的嘗試。在同學們參與任課老師的科研項目過程中，可以激發(fā)同學們的學習興趣，鍛煉學生把握課題研究方向的能力，有助于學生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。
2.3 轉變學生參與教學方式
讓學生參與食品基因工程實驗教學的每個環(huán)節(jié)[8]。從實驗的準備階段開始就讓學生參與進來。以往的實驗課程，不管是有機實驗還是無機實驗，學生們在進入實驗室前，所有實驗過程中要用到的試劑和原材料都已準備就緒。讓學生參與實驗的每個環(huán)節(jié)有助于加深他們對實驗的深刻理解。基因工程實驗一般都是按照一些成熟的操作步驟做的，操作起來不是很難，而實驗的大部分時間都花費在了實驗的準備工作上�；蚬こ虒嶒灢煌谝酝鶎嶒灥奶攸c之一就是一些原材料需要滅菌且部分操作要在無菌條件下進行。通過參與實驗的準備學生們能夠了解哪些需要事先滅菌，哪些需要在無菌條件下操作。培養(yǎng)基及種類繁多的試劑的配制也需要大量的人力參與。學生們也能熟悉實驗中用到的基本儀器的使用，包括高壓滅菌鍋、PCR儀、蛋白和核酸電泳系統(tǒng)、凝膠成像系統(tǒng)、色譜柱的使用等等。通過讓同學們參與實驗的各個環(huán)節(jié)，使同學們更好的理解整個實驗流程。整個實驗流程做下來，可以使每個學生都能夠單獨的完成整個實驗。在實驗過程中，要灌輸過程重于結果的思想，減輕學生們更看重結果的負重，使學生更有效地獲得知識和能力，從實驗中得到更多的收獲，進一步提高學生的動手能力。
積極推廣多種多樣的教學模式。所有的教學模式可以歸為兩類，第一類以老師為主導，第二類是把學生作為主導。首先說第一類，老師起主導作用，即老師主講，但在傳統(tǒng)教學模式上做些變動，即變成互動式教學。這種互動式教學方法需要學生的積極配合。作為學生，應該在實驗開始之前通過預習全部的實驗講義掌握整個實驗的流程，實驗與實驗的銜接以及基礎的實驗知識，如實驗目的和原理、實驗操作步驟，通過查閱資料獲取實驗注意事項，做出預案以防實驗失敗，對整個實驗有一個整體的深入理解。老師可以隨機提出一些問題讓同學們回答，學生們也可以就某些實驗疑點向老師請教，活躍課堂氛圍，那些表現(xiàn)好的學生在評定成績時可以獲得額外的加分機會。這種方式能夠更積極的調動學生參與實驗的熱情。另外一種教學方法就是采取角色互換的教學方式，第一種是老師講學生聽，而這一種是把老師和學生的角色互換，由學生在講臺上主講，然后大家補充和討論，最后由老師做出點評、總結。這是一種大膽的嘗試，對學生的要求很高，需要學生對實驗有透徹的理解。
2.4 實驗報告的創(chuàng)新
傳統(tǒng)的實驗報告由實驗目的原理、實驗步驟、實驗結果、討論及思考題這幾部分構成，這樣的寫法幾乎是一個實驗報告的標準格式。由于傳統(tǒng)實驗課中的每個實驗是獨立的，是互不影響的，而每個實驗的內容相對較少，采用標準格式書寫讓人對這個實驗一目了然。但是食品基因工程實驗是一個綜合性的大實驗，每個實驗都是相互有聯(lián)系的，完全可以作為一個本科生的畢業(yè)課題來對待。所以，可以嘗試讓學生們按照畢業(yè)論文的格式書寫這個綜合實驗的內容，也就構成了一個小論文[6]。按照論文的格式來寫，首先第一部分是緒論，寫這種食品酶的研究背景及研究目的和意義，然后第二部分就寫所做的實驗部分，包括前言、材料與方法、主要試劑和儀器，接下來就是實驗步驟，最后是實驗結果和討論部分。在小論文的最后部分可以做個小結。這種寫法有助于開闊學生的視野，不只是把目光局限在一個個獨立的實驗上面，而用開放的思維去思考整個實驗。也可以讓學生們盡早接觸畢業(yè)論文的書寫格式，為學生真正的畢業(yè)論文寫作打下基礎。
2.5 改進學生成績考核方式
以前的實驗課成績評定方式是通過實驗報告的分數(shù)給定的，這種評分方式過于單一化，有諸多弊端，所以我們要擯棄這種傳統(tǒng)的實驗課成績評定方式。學生的成績是由多種因素共同決定的，這些因素可以歸納如下：實驗小論文，實驗操作測評，平時表現(xiàn)與出勤[7，9，10，11]。這三個部分應該按照一定的比例分數(shù)構成一個學生的總成績。小論文的質量應該是這個綜合實驗的最重要評判指標，反應學生實驗的結果及對待實驗的認真態(tài)度。實驗操作測評有老師在實驗課進行期間的巡視觀察來判斷學生的操作實驗的動手能力。平時表現(xiàn)與出勤則反應了學生課堂上的積極性及參與度。這幾種因素的疊加對以前單一評判標準起到很好的平衡作用，能夠更有效的促進學生的學習興趣。
3、結語
構建針對食品專業(yè)本科生的食品基因工程綜合實驗實踐教學體系需要強調基礎性、綜合性、設計性和實用性。隨著教育體制的改革、教學手段的不斷豐富、教學受體的更替，食品專業(yè)綜合實驗實踐教學也要跟上時代的步伐。隨著教學改革的深入，以“知識構建和問題求解”為特點的“創(chuàng)新性實踐教學”模式受到國內外很多高校的關注[12]。這種模式的教學方法能夠讓學生的創(chuàng)新意識得到激發(fā)，在學習的過程中，以研究型學習為主，不斷提高人的主動求知的欲望，達到更好的學習效果。在食品基因工程綜合實驗教學環(huán)節(jié)設立一個與食品生物技術有緊密聯(lián)系的食品基因工程研究課題，結合學生們的課堂知識，組織學生們進行創(chuàng)新性的自主綜合實驗設計或從事教師的科研項目，能夠實現(xiàn)多學科知識點的融合，在綜合實驗實踐教學中不斷改進與提高，為學生們提供很好的綜合實驗教學的同時引導學生們從事學術科研活動的研究思路和科學方法，為其今后的研究生深造或參加工作加深基礎理論創(chuàng)新思維。
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