综合实验课在生物工程专业课程体系的探索与实践

摘要：西安交通大学生物工程专业的课程体系中包括主干课程、专业基础课和专业课，与之相对应的实验课程传统上主要是课内实验。为了打破课内实验的界限，最大程度提高学生综合实验能力，我们在2010版培养方案中尝试设立了细胞综合实验、基因综合实验、分离综合实验和发酵综合实验。通过三年探索，得到本专业同學的认可和积极参与，取得了较好的效果。

关键词：课程体系；课内实验；综合实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）31-0223-02

生命科学是一门实践性很强的科学，每一个科学的结论都是建立在科学实验的基础上。我们在生物工程专业的教学实践中，为了加强对实践环节的培养，提高学生的动手能力和综合运用专业知识的能力，设计了综合实验这一实践环节。通过三年探索，得到本专业同学的认可和积极参与，取得了较好的效果。

一、西安交通大学生物工程专业的课程体系

西安交通大学生物工程专业的培养方案规定，本专业培养掌握生命科学基础知识和生物工程基本理论，具备较强的计算机应用能力和较高外语水平，能够在生物工程、生物化工、生物制药等相关学科领域从事研究开发、工程设计、系统分析、生产技术管理等方面工作的德、智、体全面发展的高级专门人才。为了使该培养方案得到实施，相应的课程体系组成为：主干课程：普通生物学、有机化学、生物化学、微生物学、细胞生物学、遗传学、分子生物学、生物技术等。专业基础课：生物化学、微生物学、细胞生物学、遗传学、分子生物学等。专业课：基因工程、酶工程、细胞工程、生物发酵工程、生化反应工程，生物分离工程、生物制药工程等。根据生物工程专业的课程体系，我们设想打破课程实验的界限，通过综合实验使专业基础课和专业课的学习内容融会贯通，这也是生物工程专业课程彼此之间的相互渗透和有机联系所需要的。如下图所示，生物化学、细胞生物学、遗传学、微生物学分别构成对生物分离工程、细胞工程、基因工程和生物发酵工程的有力支撑（尽管也有交叉）。通过综合实验，可使这些专业基础课与专业课达到有机的结合与统一。

二、综合实验的内容设计

西安交通大学生物工程专业综合实验的内容包括：细胞综合实验、基因综合实验、分离综合实验和发酵综合实验。

1.细胞综合实验——动/植物细胞培养。依据细胞综合开放实验课程的特点，要求学生通过实验掌握动/植物细胞培养的基本实验技能，提高对细胞生物学中细胞周期、细胞凋亡等知识的理解，提高综合分析技能。课程具体内容分为植物细胞、动物细胞综合开放实验两大部分，植物细胞培养方面以愈伤组织的培养等为例；动物细胞综合实验主要以淋巴细胞或癌细胞等为实验对象，掌握细胞传代方法和细胞系的维持；细胞的冻存和细胞复苏的方法；了解细胞培养的纯化方法或选取某种致癌剂研究分析其对细胞培养的影响，学生科任选其中一大类进行实验研究。（1）实验项目名称：愈伤组织的培养。实验目的：掌握组织培养用培养基的制备方法，实验材料消毒和愈伤组织的培养。教学基本要求：按照不同的需求设计培养基的配方，掌握制备母液以及对培养基进行灭菌的方法；掌握根据不同实验材料进行设计和实施消毒的方法；掌握获取愈伤组织的方法。实验内容提要：整体实验分为如下几个步骤：设计培养基→制备各种母液→制备培养基→获取材料→愈伤组织培养。（2）实验项目名称：动物细胞的培养。实验目的：掌握动物细胞的培养方法（贴壁细胞培养）。教学基本要求：掌握细胞传代方法和细胞系的维持；掌握细胞的冻存和细胞复苏的方法；了解细胞培养的纯化方法。实验内容提要：整体实验分为如下几个步骤：获得细胞株系→培养室和超净台消毒→细胞复苏→细胞传代培养→培养细胞的纯化（部分细胞冻存）、活细胞观察、细胞生长状况观察、细胞活力检测、蛋白质表达检测。（3）实验成绩的考核与评定办法。实验方案设计能力（30%）：考查学生查阅资料能力和综合运用所学知识能力。以第一次实验方案具体细致可操作性强，且有理论依据者为优。资料归总能力（10％）：资料查阅之后，要求写出一篇2000~3000字以内的综述报告。参照科技论文格式与要求衡量其能力给定成绩。综合实验答辩（30％）：考查实验思路、实验报告的逻辑性与合理性、实验中解决实际困难与问题能力、遇到新实验现象的分析能力与对知识的综合运用能力，同时在答辩中考查各小组成员的交流沟通能力和逻辑思维能力。平时观察到的实验操作能力和认真重视态度印象（30％）：这部分成绩靠平时对学生的观察提问而得，包括实验习惯、姿势、操作技巧、打扫台面和个人卫生，对实验的兴趣或热衷程度等。

2.基因综合实验——人肿瘤坏死因子α的原核表达。人肿瘤坏死因子α（hTNF-α）是由激活的单核巨噬细胞产生的多功能细胞因子。它参与机体免疫网络调节，在机体的抗感染、抗肿瘤、抗病毒等过程中发挥重要作用。因此具有很强的研究与应用价值。前6周为准备阶段，在老师指导下查阅相关文献，设计实验，书写实验方案，经过老师的三次修改，提出一个成熟的实验方案。最后两周时间，同学们按照最终的实验方案实施，完成实验论文，进行答辩。具体实验方案如下。pBR322/hTNF-α及pBV221表达载体质粒提取→以pBR322/hTNF-α为模板PCR扩增hTNF-αcDNA片段→双酶切PCR产物及pBV221表达载体→低熔点琼脂糖回收酶切片段→hTNF-α与pBV221表达载体连接→转化感受态大肠杆菌，涂布培养皿→克隆，提取质粒，PCR，双酶切鉴定（以及测序）→保存并挑选阳性克隆菌，30℃培养，42℃诱导表达→SDS－PAGE鉴定hTNF-α蛋白表达状况→提取、纯化包涵体，包涵体的变性，复性及纯化→hTNF-α生物活性检测。经过基因综合实验“人肿瘤坏死因子α原核表达系统的建立”的训练后，同学们体会颇深，首先通过对人肿瘤坏死因子α基因（hTNF-α）的亚克隆，构建基于温度敏感表达质粒的hTNF-α原核表达载体，大肠杆菌感受态细胞的制备，质粒转化，诱导工程菌表达目的蛋白，以及SDS－PAGE检验蛋白表达等一整套过程，使学生掌握DNA重组技术的基本操作，对本科阶段学过的生物学知识有整体的认识，为今后的进一步学习实践打下基础；其次，整个实验的过程，都是在老师指导下由学生独立完成，这为以后的研究工作顺利开展奠定了基础；最后，作为老师也感觉受益匪浅，通过和学生共同学习，共同解决所遇到的难题，为我们不断地提高教学工作提供依据。

3.分离综合实验——大豆脲酶的分离提取。（1）方案制定：指导实验教师根据学生的已学课程内容，制定符合学生实际情况的实验规划，通过指导教师间的交流和讨论，初步确定出大体的实验目标、内容，并从方案的可行性和可操作性等方面进行论证，同时列出可能用到的试剂、仪器设备等，进行预先的准备工作。（2）教学过程：在整个过程中，始终贯穿了“学生为主、教师辅之”的思路，并针对不同的个体或小组，进行有针对性的指导。具体过程如下：指导教师提前一个月将题目向学生公布，要求学生自行查阅资料、自行设计实验方案，并于两星期后提交实验方案第一稿；上交后的实验方案经指导教师修改后，返还学生再次优化，在实验前共进行三轮次的修改；在两周（10个工作日）内完成设计方案，并详细记录实验数据，撰写实验报告；整个过程中学生的查阅科技文献、实验方案的设计能力和实验操作能力得到了显著的提高。（3）实验方案：大豆破碎→水、缓冲液、有机溶剂提取→制备大豆脲酶粗提液→凝胶色谱、离子交换色谱分离纯化→脲酶分子量测定、酶动力学参数测定、外部条件（温度、pH）对酶活性的影响、抑制剂对酶活性的影响、酶的固定化及参数测定。（4）学生出勤、实验情况考核：在实验期间，几乎所有的学生都能按时到达实验室，有些学生还主动提出利用晚上的时间进行实验，总体出勤情况良好；在实验过程中，多数学生认真实验，并努力思考实验中遇到的问题和困难，主动与指导教师进行讨论，总体上学生的动手能力、综合实验能力得到了提高。（5）实验结果的考核：实验结果的考核方式采用答辩形式，学生和指导教师可共同对被答辩人进行考核和评价，最终结合考勤和平时实验情况进行综合评价。⑥调查问卷：每次综合实验完成后，给每位同学发放针对课程内容、过程等方面的调查问卷，通过对问卷的分析，改进、提高实验内容，增强教学效果。

4.发酵综合实验——果酒发酵。实验目的：（1）培养学生自行查阅资料、设计实验、实施实验计划和分析问题、解决实际问题能力，初步实践科研活动程序，建立科研概念；（2）认识和学会操作发酵罐；（3）体验果酒发酵工艺的全程；（4）研究不同条件对发酵的果酒口味的影响。

教学基本要求：学生要能自行查阅相关资料、设计实验、遇到问题能分析并提出解决方案；能够把果酒发酵工艺流程完成并对所作结果进行分析。实验内容提要：（1）查阅资料：通过查阅果酒发酵方面的资料设计出自己要进行啤酒发酵的初步发酵工艺流程。通过这一过程，使学生对果酒发酵方面的知识了解并综合运用这些知识设计出自己要进行的果酒发酵工艺流程，提高学生总结知识、设计工艺流程能力。（2）形成实验方案：以答辩形式汇报查阅资料情况和收获，初步设计的实验方案及其理论依据，参考文献出处等，和指导教师一起探讨所设计实验方案的可行性。同时写出资料查阅的综述报告。最后获得实验方案的通过。（3）实施实验方案：统筹安排实验内容和时间，学习高效工作方式，为最主要的动手环节，锻炼学生独立动手和实验操作能力。实验结果呈现方式要求生动活泼形象化，学习借用科技手段表现自己实验结果。（4）结果汇报：写出论文格式的科技论文，并以答辩形式汇报实验结果，要求学生学会以多媒体手段汇报成果的能力，锻炼学生与人交流表达能力和有效呈现科研成果的能力。

三、综合实验的体会

1.通过综合实验，增强了学生的实验兴趣，激发了学生的求知欲望和探索精神，在一定程度上提高了学生的实验动手能力，查阅资料能力，数据处理能力，以及发现问题、提出问题和解决问题的能力，初步培养了学生的创新能力。

2.在实验中不但巩固了学生所学知识，拓展了知识范围，而且培养了学生与他人合作完成实验的能力和交流能力，初步养成了学生的合作精神。

3.通过综合实验的实施和不断的改进，大大增强了专业的工程气息和特色。通过调查问卷统计同样发现，大部分学生认为开设综合实验非常必要，自己在过程中受益匪浅，并希望有更多这样的工程实践机会，进一步提高自己的工程能力。