付小花，乐毅全，陈 皓，张 华，孙雅洁，王 磊

（同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

0 引言

随着人们对可持续发展问题认识逐渐深入，保护人类赖以生存的环境、实施可持续发展战略已成为21世纪国际社会“环境与发展”与“和平与发展”两个同等重要的主题内容之一［1］。国家层面和民众生活层面都对污染治理及环境保护投入了越来越多的关注，为了顺应国家对高层次环保人才的需求，各高校纷纷增设环境专业硕士、博士点，培养环境人才［2］。环境专业研究生培养的目标是为国家培养具有科学精神和创新能力的环境研究和管理的高层次人才，为国家环保政策的制定和执行助力［3］。研究生阶段是培养学生运用所学知识解决实际问题的过程，配套实验课程的开设有助于促进研究生对课堂理论内容的深入理解与吸收，促使学生们主动参与学习理论知识和实验技能，化被动为主动，提升研究生的动手能力、分析及解决实际环境问题的能力，培养研究生的创新思维及科研能力［4］。

1 开设生物分析实验课程的必要性

环境污染治理及环境保护都离不开生物的作用，环境领域的科学研究中常需要探究环境生物的种类及功能、特定基因的分布及相互作用、病原微生物检测、有害微生物控制等内容，而这些研究离不开相关生物分析方法和实验仪器的应用［5-7］。同时，现代分子生物学技术的发展日新月异，特别是基因扩增技术与基因工程的发展对环境生物研究的深入开展起到了极大的推动作用［8］。

环境相关专业研究生在课题研究中，为了阐明实验现象的机理多有涉及环境生物功能或特定生物基因的研究，能熟练运用生物分析技术对课题研究的顺利完成及拓展研究深度尤为重要。而环境相关专业学生本科阶段的实验课程几乎没有涉及分子生物实验，甚至于很多学生对分子生物学基础理论知识也不了解，因此分子生物实验技能就成了研究生课题研究的“拦路虎”，很多学生在这部分研究上花费了大量时间、精力和实验材料成本，但收效甚微。面向环境相关专业研究生开设生物分析实验课程，系统学习环境生物分析的相关理论基础及实验操作技能，特别是分子生物实验技术在环境科学研究中的应用，使研究生在开始课题研究之前熟悉并掌握基本的生物分析方法和实验技术，达到能立即进入实验室开展研究工作的水平和状态，从而缩短学生进入课题研究的适应期，提升研究生的科研思维和创新能力的培养。

2 教学目标及特色

生物分析实验课程的教学目的是使学生熟悉和了解现代生物分析技术在环境领域的应用及目前国家重点实验室的仪器设备所能开展的各种环境生物研究的技术原理、特点及操作要领，学会相关仪器设备的使用方法及其注意事项。希望能通过本课程的学习使学生们了解并掌握常用于环境研究的生物分析技术的原理及实验操作技能，为研究生的课题研究敲开技术瓶颈，提升研究生运用所学知识解决实际环境问题的能力，为国家推进可持续发展战略培养具有创新能力和竞争性的中高级人才。

课程的主要特色是瞄准国内外环境研究领域的热点和难点问题，强调分子生物技术在环境研究中的应用，使学生了解并掌握分子生物学基本概念、基本原理；突出实验操作及实验结果分析的指导与训练，促进学生理解、掌握并熟练运用生物分析实验技术。基础知识和实验原理与实验操作学习相结合，使学生在理解的基础上学习实验操作，从而更好地理解实验原理，提升学生在实验中分析问题、解决问题的能力。对各种生物分析技术的原理、方法的系统学习，有助于学生选择适合自己论文研究的分析手段，便于后期深入开展科学研究。

3 教学内容设置

3.1 根据课程特点及学生知识结构设置教学内容

我校环境学科的定位是国内一流、国际知名；研究生课程中的生物分析实验课程教学在培养符合21 世纪环境专业新型创新性拔尖人才方面具有举足轻重的作用。研究生不仅课题研究需要进行科研工作，其中一部分可能会终身与科研为伍，所以培养研究生的科学素养、科研思维及解决实际问题能力是研究生教学工作的重要目标［9-10］。生物分析，特别是分子生物实验技术是技术性很强的学科，教学内容深、涉及范围广，且较难理解，教学必须理论结合实践，否则学生很难透彻理解和掌握这些实验技术［11-12］。

对选课的40 名研究生进行问卷调查，结果显示80%的研究生选课的原因是论文研究需要，95%的研究生本科专业为环境工程、环境科学或市政工程，本科阶段学习过的生物学相关课程主要有：环境微生物学（77.5%）、环境生物学（15%）、微生物学（12.5%），没有学习过分子生物学相关课程的学生占比达75%。学生分子生物学知识储备欠缺，对一些基本概念理解不清或完全不了解，如对寡核苷酸片段、16S rDNA、dNTP、基因文库和定量PCR 等概念有50%以上的学生表示仅听说过或完全没听说过（见图1）。在这种条件下，直接进入生物分析实验操作的学习会导致学生难以理解掌握，所以学习实验操作前先安排相关理论知识的讲授，主要包括微生物的培养和鉴定、聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）技术、凝胶电泳、定量PCR、基因克隆、宏基因组及高通量测序研究等相关知识的讲授。通过这些理论知识的学习，增加研究生的生物学知识储备，为后续实验操作技能学习奠定理论基础。

图1 选课研究生对一些概念的理解情况（%）

3.2 根据科研需求设置教学内容

从学院承担的国家各级研究项目及往年研究生课题研究中对实验技术的需求入手，归纳梳理学院科研、学科发展及研究生培养需要的生物分析实验技术，逐步完善实验教学项目和内容。课程围绕环境样品中特定菌群（基因）的定性、定量检测设置实验项目，目前课程主要开设微生物鉴定、DNA提取、PCR扩增、琼脂糖电泳、定量PCR、质粒转化与鉴定等实验，同时设置蛋白质双向电泳技术、大肠杆菌感受态制备两个演示实验。宏基因组分析、宏转录组分析及高通量测序是目前应用较多的实验技术，一般由生物公司完成，课程理论讲授部分会概要讲解这些技术的原理及与生物公司签订合同、送样时需要注意的问题。这些实验内容基本涵盖了当前学院开展的环境研究中常用的生物分析实验技术，在理解的基础上熟练运用这些实验技术有助于研究生课题研究实验方案的确定和研究工作的顺利开展。

4 师资、仪器与经费保障

随着科技进步，传统的培养、分离、发酵等生物分析方法在科学研究中的应用逐渐减少，取而代之的是分子生物学技术的兴起与广泛应用。为了满足学院科研及研究生课题研究的需求，课程中设置了大量的分子生物实验，所以需要购置昂贵的分子生物试剂，需要配备大型精密实验仪器，且需要有精通分子生物技术的授课教师。课程依托污染控制与资源化研究国家重点实验室，利用重点实验室大型仪器，如高速离心机、PCR仪、定量PCR仪、蛋白双向系统等，开设相关实验课程，培养研究生的同时也提高了仪器的使用率。实验用试剂耗材费用1 年约需2 万元，从重点实验室运行经费中支出。这门课程由毕业于复旦大学生命学院的两位老师负责，他们长期从事环境生物相关研究，具有丰富的环境生物研究经验，具备开展实验教学的能力。同时，老师们在课程开设过程中，通过向兄弟院校、兄弟院系学习，不断提升教学能力。

5 教学实践及效果

5.1 教学实践的开展

生物分析实验课程在环境科学、环境工程和市政工程3 个专业的研究生中已经开设了几年，积累了一些教学经验。每期开课前先建立班级微信群，方便师生沟通交流。每次上课前3～4 d，教师在微信群里发布一些下次课实验技术相关的理论知识或实践案例，督促学生做好课前预习工作。除了集中讲授课程理论知识外，每次实验前教师对本次实验涉及的方法、原理进行复习及回顾，对实验涉及仪器的具体使用方法进行详细讲解，特别是一些实验技巧，更要在讲解的同时给予演示。对实验中可能出现的问题进行预估并指导学生避免犯错。但是，分子生物实验的一个重要特点就是不确定性，同样的实验，相同的试剂样品，不同学生操作结果可能千差万别［13-14］。课程教授中重视实验结果分析、出现问题的可能原因及处理方法的指导，在教授研究生实验技能的同时培养其分析、处理实际实验问题的能力。

课程中的几个实验围绕环境样品的特定微生物检测开展，引导学生将其当成一个课题研究来学习，将实验技术学习和综合性、研究性课题研究学习融合，增强研究生对实验的整体性认识和学习兴趣。实验前教师准备实验所需无菌耗材和试剂，实验中两人1 组，每组1 套实验用品。实验中以学生自主操作、教师巡视指导为主要教学方法。琼脂糖电泳和定量PCR 实验结束后指导学生进行结果分析，讲解实验结果中反映出来的操作问题、标准品稀释问题、加样误差问题、实验污染问题等，并引导学生查阅文献资料，在实验报告中详细讨论实验结果中出现的各种问题的成因。最终考核按考试和平时成绩各占50%来评定，而平时成绩又分为实验操作和实验报告两部分，考试则主要考察一些实验基本原理及实验问题分析［15］。

实验教学中，教会学生分析实验中出现的问题是重要且困难的，问卷调查结果显示80%的学生希望能加强实验结果分析的讲解。教学中应用的材料都是课前准备并经过预实验确定能得到预期的实验结果［见图2（a）］，这种情况下分析实验问题的原因比较简单。而研究生以后要面临的课题研究中出现类似问题时，分析原因就比较困难了，教学过程中也一并教学生在真实的科研中，应该从哪些方面分析出现问题的可能原因及可行的解决办法。教学实践中发现PCR 实验中加入模板量不足、漏加试剂及操作引入污染是出现的主要问题，如图2（b）中阴性对照出现条带，说明有污染，可能是操作不规范引入了外源DNA 污染；图2（c）中样品4～9 无明显条带，可能是漏加样品DNA或样品DNA加入量不足（移液器使用不当）导致的。定量PCR实验中出现的问题主要是标准品稀释操作问题、模板加入后混匀不充分或平行样分装体系不一致等问题［见图2（e）（f）］。

图2 学生PCR实验结果

5.2 教学效果

经过几年的教学实践，生物分析课程体系日趋成熟，取得了良好的教学效果。学生通过实验课程了解、掌握了常用的现代生物分析技术，切身体会到新实验技术的简便性与灵敏性。经过理论学习、实验操作、结果分析及资料查询、实验报告撰写等，使研究生得到系统锻炼，培养了他们的独立思考能力、实验操作技能和分析问题的能力，充分调动了研究生的学习兴趣和积极性，有利于研究生树立严谨的科学思维和态度，提升其创新能力。此课程受到学院老师和同学们的一致好评，选课人数一直处于爆满状态，学生甚至用“秒杀”来描述选课抢名额的激烈程度。问卷调查结果显示，90%的学生认为经过生物分析课程学习，有助于缩短他们进入自己课题研究时的实验室工作适应期，并有助于他们研究路线的确定及提高研究效率；80%的学生认为经过课程学习，提升了他们的生物分析实验技能，因而提高了实验数据质量。

6 结语

研究生阶段培养的学生应具有科学思维和实验技能，生物分析实验技术是环境生物研究必备的实验技术。分子生物实验所需试剂价格较贵，开设课程需要实验经费较多；实验中问题层出不穷，任课教师必须具备良好的分子生物学理论知识和丰富的分子生物实验工作经验，囿于经费和教师经验问题，实际给环境相关专业研究生开设此类实验课程的学校较少［16］。随着科技的发展和深入研究的需要，对教学内容适当调整，以满足创新人才的培养需求，是实验课程建设的重要内容。我院从科学研究和研究生培养角度考虑设置生物分析实验教学内容，并在学院各专业研究生中开展了教学实践，使研究生在进入课题研究前，系统地学习了目前环境研究常用的生物分析实验技术，拓宽了研究生的视野，培养了研究生的探索精神和实践能力，提升了研究生参与科研的积极性和主动性，取得了良好的教学效果。