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      首頁 > 科學論文 > > 分子生物學綜合實驗課程設計研究
      分子生物學綜合實驗課程設計研究
      >2024-03-14 09:00:00

      本文采用研究型教學模式,提高了學生的實驗興趣,培養了學生的實驗設計和創新能力,實現了學習實驗技術和理論知識的統一。大家在相關內容寫作時,可以參考這篇題目為“分子生物學綜合實驗課程設計研究”的分子生物學論文。

      原標題:分子生物學綜合性實驗教學體系的構建

      摘要:根據分子生物學學科特點,以茶樹轉錄因子Cs CBF1 的克隆及轉錄激活活性分析為基礎,對分子生物學實驗教學內容進行整合優化,構建了實驗教學新體系,重點突出實驗的綜合性、系統性和設計性。采用研究型教學模式,提高了學生的實驗興趣,培養了學生的實驗設計和創新能力,實現了學習實驗技術和理論知識的統一。

      關鍵詞:分子生物學實驗;綜合性;構建

      實驗教學是高校創新人才培養的重要環節。實驗教學不但能使學生掌握基本的實驗技能,提高實際操作能力,而且能夠培養學生的探索精神和科學思維的技巧,促進學生認知能力的發展。通過實驗教學,學生還能體驗知識的形成過程,構建自己的知識體系,實現研究性學習。分子生物學是在分子水平上研究生命現象的一門學科[1-2],其主要內容是研究遺傳信息的儲存與傳遞的分子細節,它的理論和方法已滲透到生命科學的每一領域,為生命科學的研究提供了新的思維方式和研究手段。分子生物學實驗是分子生物學課程體系的重要組成部分,是學生學習分子生物學的基本理論、基本技能,提高綜合素質和創新能力的重要途徑[3-4].

      傳統的分子生物學實驗主要包括核酸的分離與檢測、PCR 擴增及其相關技術、基因克隆的基本步驟(感受態細胞的制備、載體與外源 DNA 片段酶切純化和連接、轉化、重組子的鑒定)等[5].在實驗課程的組織形式上,采用獨立分割的實驗策略,通過一個個獨立的實驗演示分子生物學的基本原理和技術[6].這種策略的優點是可以使學生很好地掌握單項技術,但由于實驗課程缺乏系統性,不利于學生綜合利用所學技術解決科學問題,理解科學的過程。在教學方式上,傳統的分子生物學實驗以說明性、驗證性實驗為主,指導教師講述實驗原理,演示、講解實驗方法,指導學生操作,并對整個實驗過程進行管理。學生嚴格按照實驗指導開展實驗,重點關注能否得到正確的實驗結果,而較少關心實驗設計和對結果的分析解釋,教師也沒有分配給學生足夠的時間去思考實驗所涉及的科學原理,以及對信息進行深度的加工處理。這種說明性、驗證性實驗教學模式不利于學生主觀能動性的發揮和創新型人才的培養。

      1 實驗教學理念和改革思路

      針對傳統分子生物學實驗教學體系中存在的問題,一些實驗室以分子生物學為中心,整合不同課程的實驗教學內容,建立多學科融合的實驗教學體系,取得了較為理想的教學效果[7-9].參照國內外實驗教學改革的成果,本研究以茶樹的一個 CBF 轉錄因子的克隆和轉錄激活活性為主線,對分子生物學實驗教學的內容進行整合優化,建立系統、開放的實驗教學體系。新的實驗教學體系包括驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗三個層次的實驗項目,實驗項目之間密切關聯,層層推進。驗證性實驗重點訓練學生的基本技能和基本操作。設計性實驗注重培養學生分析問題和解決問題的能力[10].綜合性實驗引導學生將不同的實驗方法融會貫通,把握科學研究的整體性方法,形成綜合設計實驗的理念。新的實驗教學體系采用以研究為基礎的實驗教學模式,鼓勵學生通過查閱資料、自行設計實驗方案、獨立進行實驗等一系列的活動來鍛煉他們的科研思路,提高他們的動手能力,并引導學生在實驗中,體驗知識的生成過程,構建對知識的理解,實現實驗技術的學習和知識獲取的統一。

      2 構建分子生物學綜合性實驗教學體系

      實驗課以“茶樹轉錄因子 Cs CBF1 轉錄激活活性分析”為中心,將 Cs CBF1 基因全長 c DNA 序列的克隆及序列分析、Cs CBF1 基因的表達特性分析、Cs CBF1 的亞細胞定位、Cs CBF1 在酵母細胞中轉錄激活活性分析等內容進行整合優化,形成系統、連續的綜合性實驗。其中,Cs CBF1 基因全長 c DNA 序列的克隆及序列分析包括 PCR 技術、利用 T 載體克隆 PCR 產物、將重組 DNA 分子導入到大腸桿菌細胞、DNA 自動化測序等內容;Cs CBF1 基因的序列分析利用常用的分子生物學軟件分析 Cs CBF1 蛋白的核定位信號、DNA結合結構域和轉錄激活結構域;Cs CBF1 基因的表達特性分析則利用熒光定量 PCR 技術分析低溫在轉錄水平上對Cs CBF1 表達的影響;Cs CBF1 的亞細胞定位將 Cs CBF1 基因的 ORF 與植物表達載體 p BI121 中的報告基因 GFP 融合,并通過遺傳轉化使融合基因在植物細胞中的瞬時表達;Cs CBF1 在酵母細胞中的轉錄激活活性分析主要包括兩方面的內容,一是利用酵母單雜交技術分析 Cs CBF1 與 DNA結合的特異性,其二是將 Cs CBF1 的各種 N 端缺失突變體與GAL4 的 DNA 結合結構域融合后,觀察 Cs CBF1 的 C 端結構域對 lac Z、HIS 和 ADE 報告基因的激活作用。

      實驗內容相互銜接,將分子生物學、基因工程、生物信息學和生物化學等課程的實驗有機地結合在一起,可以使學生獲得跨學科多技能的綜合訓練。利用 PCR 技術克隆Cs CBF1 基因涵蓋了基因克隆的核心技術,是整個實驗的基礎。序列分析可以預期 Cs CBF1 含有一核定位信號,并且有一個 DNA 結合結構域和一個 C 端酸性結構域,這為研究Cs CBF1 的功能指明了方向。亞細胞定位則用實驗證明Cs CBF1 含有一核定位信號,定位于洋蔥表皮細胞的細胞核中。轉錄激活活性分析表明 Cs CBF1 的 DNA 結合結構域能夠與 DRE/CRT 元件發生特異性結合,其酸性結構域在模式生物中可以激活報告基因的轉錄。綜合上述實驗結果,可以推斷 Cs CBF1 為一植物轉錄因子,在細胞核中通過與特異性的 DNA 元件結合,激活基因的表達。Cs CBF1 基因的表達特性分析通過研究低溫對 Cs CBF1 表達的影響,推斷 Cs CBF1可能在植物應答低溫過程中發揮作用。

      3 創建實驗教學實施新模式

      本項目是依據茶樹的一個轉錄因子的克隆與功能分析設計的多學科綜合的實驗教學體系。為了讓學生深入系統地理解實驗教學所涉及的知識、技術和原理,課程組編寫了一系列學習輔助材料,對實驗項目所涉及的主要技術給出了較為完備的注解。例如,ICE1-CBF 冷應答途徑是目前研究得最為清楚的一個調節植物冷信號傳遞的轉錄級聯。課程組篩選了一組能夠反映該信號傳導途徑發現過程的節點性文獻,重現問題的提出、理論形成和發展的過程。Cs CBF1轉錄因子的 DNA 結合結構域和轉錄激活結構域的鑒定需要利用酵母表達系統。課程組以研究論文為基礎編寫研究簡報,系統描述了通過互補實驗分離酵母的 GAL4 基因、利用缺失實驗鑒定 GAL4 轉錄因子的 DNA 結合域和轉錄激活域、利用結構域交換實驗進一步證實 GAL4 轉錄激活域在結構和功能上具有相對獨立性。并在此基礎上,說明酵母單雜交系統和酵母雙雜交系統的原理和方法。通過指導學生閱讀研究論文和研究簡報使學生在具體的研究情境中領悟到科學研究的基本策略和方法,進一步理解在實驗課中學習的相關技術是如何應用于解決具體的科學問題,從而促進學生思維水平的發展。

      新的實驗教學體系的一個重要目標是提高學生的科技寫作水平。為了幫助學生更有效地學習科技寫作的基本技能,教師要抽出專門的時間介紹科技論文的基本結構及各部分的寫作要求,讓學生對科技寫作有一個簡明而完整的概念。每次實驗除了要求每個學生完整記錄整個實驗過程外,還要對學生進行寫作技巧方面的訓練,但練習僅限于論文的某一部分,例如摘要、引言、材料與方法或者結果與討論,甚至可以是對圖表的文字說明。這種化整為零的訓練方式,可以降低學生對科技寫作的畏難情緒,使他們循序漸進地掌握寫作技巧。當整個實驗項目完成時,學生需要提供兩種不同的實驗報告,一種是關于每個子項目的實驗報告,例如茶樹 DNA 的制備、PCR、連接、感受態細胞的制備、轉化、篩選、序列分析等;另一種是一個綜合性的實驗報告,將所有的實驗內容整合在一起,寫一個完整的科學研究報告,包括目的、原理、過程、結果和討論。

      在實驗教學中,注意發揮教師的主導作用和學生的主體作用。在實驗教學的開始階段,以驗證性實驗為主,學生在教師的指導下完成 Cs CBF1 基因的克隆和序列分析。當學生掌握了 PCR 技術、基因克隆和序列分析的基本方法后,鼓勵學生在查閱資料的基礎上,根據教師提出的問題,自行設計試驗方案。學生在實驗前,提交實驗方案,指導教師對實驗方案進行修改后,組織學生討論,使學生深刻理解實驗原理和實驗步驟。有了這些準備,學生便能夠擺脫對教師的依賴,獨立開展實驗工作。

      為了突出實驗教學的探索性,在研究 Cs CBF1 的亞細胞定位時,由不同的實驗小組分別將 Cs CBF1 的編碼區與 GFP基因融合,或者將程序預測的核定位信號的編碼序列同時與 GST 和 GFP 基因融合,然后觀察兩種不同的融合蛋白在洋蔥表皮細胞中的表達部位。在確定 Cs CBF1 能否與DRE/CRT 順式作用元件發生特異性結合的酵母單雜交實驗中,分別將 DRE/CRT 或者突變型元件置于酵母表達載體報告基因的上游外,轉化表達 Cs CBF1 的酵母細胞后,檢測兩種不同的轉化子的β- 半乳糖苷酶活性。在確定 Cs CBF1 的轉錄激活區時,將 Cs CBF1 的編碼區和幾種不同的缺失突變體與酵母表達載體的 GAL4 DNA 結合域融合,轉化酵母細胞后,檢測各種轉化子的β- 半乳糖苷酶活性。對于以上實驗項目,可以讓學生根據實驗的目的與要求自行設計不同的表達載體,分組平行實驗,實驗后通過對不同組的實驗結果進行分析比較,引導學生自己得出結論。

      盡管新的實驗教學體系包含的主要是常規的分子生物學實驗,但是要求每個實驗小組所做的每一步實驗都要成功仍是不切實際的。如果實驗失敗,應幫助學生分析失敗的原因,并在時間允許的情況下,鼓勵學生重做實驗,獨立獲得實驗結果。但是,為了在規定的課時內完成實驗教學內容,教師要準備一套完整的實驗材料,例如茶樹的基因組DNA、攜帶有 Cs CBF1 的質粒、各種酵母表達載體及轉化的酵母細胞長成的菌落等。沒有獲得實驗結果的學生,可以從老師那里獲得實驗材料,從而使后續實驗能夠順利進行。相比于實驗結果,我們更加關注學習的過程,學生的某一項實驗失敗,并不影響實驗課的成績,除非錯誤反復發生。

      本課程采用多元化的考核方法。課程的考核評價體系由三個部分組成,第一部分是在實驗課結束時,每一實驗小組通過課件介紹實驗方案和實驗原理,展示實驗結果,并對結果進行分析討論,最后回答提問。該部分的成績占總成績的 40%,以小組的形式給出,成績的評定內容包括:課件能否清晰地說明實驗原理和實驗方案,能否以恰當的方式展示實驗結果,對結果的分析是否合理;匯報時語言是否清晰、流暢,具有較強的邏輯性;回答問題是否準確、思維是否具有創新性;小組成員是否具有團隊意識和協作精神??己梭w系的第二部分是學生個人實驗報告的成績,占總成績的40%.實驗報告分為每一個實驗項目的實驗報告和一個綜合性的研究報告??己梭w系的第三部分是實驗小組的值日情況,以小組的形式給出成績,占總成績的 20%.值日生的職責有配制公用試劑、向各個實驗小組分發樣品、為 DNA 電泳制備凝膠、對實驗設備進行簡單維護、保持實驗室清潔等。

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