方泽民，刘娟娟，房 伟，肖亚中

（安徽大学生命科学学院，安徽合肥230601）

1972年，Paul等人在分子生物学和分子遗传学等学科综合发展的基础上，创立了基因工程学[1]。基因工程的诞生和应用，使得生命科学发生了革命性的变化。近年来，随着科学技术的快速发展，基因工程技术取得了重要进展，基因工程的内涵也逐渐拓展，从最初的“将一种生物体（供体）的基因与载体在体外进行重组，然后转入另一种生物体细胞内，使之稳定遗传，表达出新产物或新性状”，拓展到现如今的包含基因设计与构建等上游技术，以及基因工程菌（细胞）的规模制备、表达产物的分离纯化等下游技术的DNA 重组技术的产业化设计与应用。目前，基因工程已成为现代生物技术领域的核心内容。相应的，“基因工程原理”也已成为生命科学相关专业的一门重要专业基础课程[2]。作为一门理论性和实践性均很强的专业课程，“基因工程原理”具有专业性强、内容抽象、知识点多等特点[3]，单纯的依托教材“以教为主”、“照本宣科”的传统注入式教学已不能满足启发和引导学生学习课程的积极性和主动性[2,4]。同时，由于基因工程的前沿性特征，其技术发展更新迅速，而现有教材更新速度慢，单纯依赖教材已不能满足学生对前沿知识的渴求。因此，改革“基因工程原理”传统教学方法，已成为提高教学质量、培养现代生物技术人才的重要保证[5]。多元互动式教学，通过多种互动教学方式，包括教师讲授、专题研讨以及翻转课堂等形式，活跃课堂气氛，在老师和同学的互动中，将基础知识和最新进展以轻松的方式传递给学生，更好地唤起学生主动学习的积极性，系统掌握基因工程技术的理论、方法和技术，并培养学生发现问题、思考问题、解决问题的能力。这种互动教学方式，还可以增进老师与学生之间的交流和讨论，促进教学相长。近年来，安徽大学生命科学学院“基因工程原理”课程组积极开展教学改革，开展了该课程的多元互动教学模式的尝试和探索。本论文以“基因工程原理”课程中“PCR技术及其应用”为例，对多元互动式教学模式的实施方法和过程进行总结和讨论。

1 多元互动式教学模式的主要实施过程

聚合酶链式反应技术，即PCR 技术，是美国Cetus 公司人类遗传研究室的Mullis K.R.于1983 年发明的一种在体外快速扩增特定基因或者DNA 序列的方法[6]。PCR 技术使分子生物学方法发生了惊人的转变，自纳入冷泉港第51次定量生物学研讨会以来，逐渐成为分子生物学实验室不可或缺的组成部分[6-7]。如今，任何研究人员不再需要对研究方案仔细推敲，只要有齐全的试剂和一台PCR循环仪，就可以在短时间内实现DNA 数量的指数级扩增。PCR 技术作为现代生物技术的基本技术，其教学内容主要包含PCR技术原理、PCR体系的主要成分及功能、PCR技术的应用等部分，教学的效果是让学生在掌握原理基础上解决实际问题，最终实现技术的灵活应用。因此，课程组根据本章节的教学内容，将课堂教学分解成理论教学、知识问答、技术应用专题研讨等形式开展。

1.1 PCR技术理论教学

PCR 技术快速敏感、简单易行，原理并不复杂：首先是双链DNA 分子在临近沸点的温度下加热变性，彼此分离成两条单链DNA分子；然后，反应体系降至低温（50～60°C），体系中专门设计的一对短引物分别与两条单链碱基互补配对；最后调温度至DNA 聚合酶最适反应温度（72°C），DNA 聚合酶以单链DNA 为模板，在引物链的引导下合成新的互补链。上述步骤经过20～30 次循环，就可以获得足够的DNA 分子用于后续研究。此环节的教学只需要学生掌握总体框架，即“高温变性，低温退火，适温延伸”[1]。下面将通过对PCR体系中组分的详细介绍，让学生理解该原理[1,8]。

（1）模板DNA，即含有目标序列的模板DNA 样本。在PCR 过程中，需要将反应体系温度升温至90oC以上，即“高温变性”，目的是获得单链DNA模板用于后续扩增。教学过程中，需要强调另一点，即理论上反应体系中仅有单拷贝DNA序列即可满足PCR反应的扩增。然而，在实际操作中，为了获得比较满意的扩增效果，模板DNA的分子数一般选择105～106左右。

（2）引物，即与待扩增的目标DNA区段两端序列互补的人工合成的2段寡核苷酸短片段，长度一般为15～30个核苷酸之间。由于PCR反应依赖于DNA聚合酶，而DNA聚合酶的特征是需要有一段寡核苷酸链进行引导才能启动链的延伸，因此反应体系中需要添加引物。“低温退火”的目的是为了让引物与模板DNA配对。引物的选择取决于扩增的目标序列，两段引物之间的距离决定了扩增区段的长度。寡核苷酸引物的设计，对于所需片段的高产量扩增、以及抑制不必要的、非特异性的序列扩增都是非常关键的。引物的设计目前主要依赖于软件例如Primer 5，选择也更多的是依赖于常识。一般情况下，引物的长度、内部重复和互补序列以及引物间的互补、溶解温度、GC 发夹等均能够影响引物的质量。寡核苷酸引物退火温度可通过简易公式计算。

（3）热稳定DNA 聚合酶。目前，依赖模板催化的热稳定DNA 聚合酶有很多种类可供选择，例如Taq DNA聚合酶，其来自于栖热水生菌（Thermus aquaticus），是常规PCR反应的首选酶。除此之外，还有其他类型的DNA 聚合酶，如HiFiTaq、LA-Taq、热启动DNA 聚合酶等。教学过程中，以时间为线索，通过简单回顾DNA聚合酶的发现与发展历史，让学生了解不同DNA聚合酶之间的区别（优、缺点）及应用领域。由于DNA聚合酶也是一种蛋白质，其活力受温度的影响，发挥最佳活性的温度在72°C左右，因此，需要将体系温度升温至酶蛋白的最适温度，即“适温延伸”。

（4）阳离子。所有热稳定的DNA聚合酶都需要游离的二价阳离子，通常使用Mg2+用于激活酶蛋白活力。然而，反应体系中由于脱氧核糖三磷酸（dNTP）会结合Mg2+，二价阳离子的浓度必须超过dNTP的浓度。此外，体系中一般还包括一价金属离子，通常为K+，用于提高扩增序列的效率。

（5）PCR 反应体系中包括4 种浓度为200 μmol/L 左右的dNTP。授课时，需要强调，过高浓度的dNTP会抑制反应的进行，因为其可以结合Mg2+，降低其浓度并最终影响DNA聚合酶活力。

（6）维持pH的缓冲液。PCR反应的pH一般维持在8.5左右。

1.2 理论知识问答

基因工程原理教学的直接效果是让学生在掌握原理的基础上解决实验中的具体问题。因此，在理论讲授完成后，针对PCR 技术操作过程中的细节及可能出现的问题，课程组会收集相关“问题PCR”电泳结果，通过展示不同条件下的DNA 电泳图谱，让学生进行分析。例如，PCR 反应扩增的目标条带较弱或者不能检测到相应的条带，扩增产物条带不单一，引物二聚体过量等。针对这些问题，授课教师与学生一起进行开放式讨论，分析原因，给出相应的解决方案，帮助学生梳理具体问题及对策，并最终以表的形式进行统计分析和总结[8]，方便学生在后期实际操作中理性分析问题并解决问题。

1.3 技术应用专题研讨

基因工程原理教学的最终教学效果是让学生在掌握技术原理基础上实现技术的灵活应用。对于PCR 技术而言，其包含普通PCR、实时荧光定量PCR、多重PCR、反向PCR 等，它们在基于PCR 的分子诊断等方面的应用日益广泛[1,7-8]。为帮助学生更好地了解PCR技术的应用，在本次课程教学的前一周，授课教师提前布置研讨任务。要求学生以小组为单位（一般3～4 人一组），主动挖掘信息并准备关于PCR在某一领域应用的相关知识，制作成3～5分钟时间的PPT材料。课堂教学时，教师随机抽取学生进行讲演。小组成员在确定主题后需要在微信群内发布，有效避免不同小组之间话题的重复。在同学演讲过程中，老师适时参与话题的讨论与延伸。

2 多元互动式教学模式的灵活运用

基因工程不同技术具有不同的特点，同时它们之间又可以相互融合，组合成一个有机的整体[4-5]。因此，针对不同的教学章节，采用不同的互动式教学模式就变得尤为重要。现代化的多媒体教学手段具有图、文、声并茂的特点，可以“化静为动”、多方位展示知识点[9]。因此，在进行抽象知识如RNA干扰原理的讲授时，引入动态原理视频进行展示，效果远优于枯燥的PPT图片和文字展示，克服难以将抽象内容讲解透彻的弊端[10]。不同的技术之间可以进行有效衔接，而自主设计实验可以帮助学生进行不同技术的有效衔接[4]。例如在讲授基因工程的基本技术时，通过命题的方式，如“提供一条酶蛋白DNA编码序列和表达载体序列，让学生完成序列表达载体的构建”，帮助学生将学习过的知识如限制性内切酶、电泳、载体克隆、PCR 扩增等进行整合，完成实验设计。这种方式可以让学生更好地发挥主观能动性，系统复习前期学习的内容，并通过仔细思考，设计实验，掌握课程知识点[11-12]。基因工程技术发展快速，不断有新的技术出现和应用。在教学过程中，我们也会针对某种技术的最新进展，给学生指派最新的研究论文，让学生阅读后在课堂进行文献讲解，授课教师进行文献阅读的点评和补充，帮助学生了解最新的研究进展。

3 多元互动式教学模式目前遇到的问题

在几年的实践过程中，我们也发现了一些问题。例如，在主题讨论中，我们是以小组形式开展，小组成员过多，在准备相关资料时存在分工不均匀、部分学生偷懒不作为，以及分组过多导致研讨环节占用大量时间，影响教学进度等。因此，建议以小班教学模式开展教学（每个班级15～20个学生），学生每次分为5组左右，可有效避免分组过多导致的学时不足。在教学过程中，发现个别小组在准备相关素材和制作PPT 时，存在直接复制、粘贴相关内容，更有甚者，直接不经修改地利用网络资源等现象。这种现象导致学生不能更好地进行深入理解和思考，同时会导致部分信息滞后。为避免这些现象的发生，充分利用课程教学微信群，要求学生将准备的素材上传至群内共享；同时，在课堂演讲环节，要求学生在PPT 中列出参考文献，并加强提问和讨论。另外，在实践中也发现，部分同学渴望通过自己的努力，参与到课程知识点的讨论中。然而，他们中的部分同学在专业文献资料的检索、阅读和整理方面存在困难，另一部分同学在进行科学表述方面较为薄弱。尽管在教学过程中，课程组老师就相关的文献检索、整理和讲演方面的知识做过介绍，但毕竟时间有限，只能涉及非常窄的知识面。因此，课程组也建议配套相关的专业选修课，例如“文献检索与科技论文写作”、“科学写作与交流”等课程，帮助学生全面发展。

4 结束语

经过几年的摸索与经验总结，“基因工程原理”课程教学的学生参与度逐年提高，相应的，学生成绩也在不断提高；尤为明显的是学生运用知识的能力有了较大提升。通过专项问卷调查及与学生的日常沟通和讨论，学生普遍反映通过多元互动教学，学生的学习积极性、主动性和参与度均不同程度提高。例如，学生反馈，通过课前的预习，对新知识有了一些感性的认识，也初步掌握了自己在哪些知识点存在疑惑或者薄弱环节。因此，在课堂教学过程中，他们会更专注，效率更高。教学是科研的基础，科研是教学的提高和发展。多元互动式教学模式在“基因工程原理”课程中的应用，在提高学生学习主动性的同时，对教师也提出了更高的要求。总之，“基因工程原理”的教学改革是一个系统工程，在探索中不断适应新的形势，引入新的素材和内容，不断提高教学水平和教学效果。