聚焦學(xué)科特色《微生物遺傳育種學(xué)》課程改革與創(chuàng)新

聚焦學(xué)科特色?微生物遺傳育種學(xué)?課程改革與創(chuàng)新〔〕:

摘要：現(xiàn)代教學(xué)內(nèi)容在不斷充實(shí)和豐富，教學(xué)方式越來越表達(dá)多樣化，考核方式也在不斷完善，微生物研究領(lǐng)域獲得的一些重要進(jìn)展是推動(dòng)課程教學(xué)不斷創(chuàng)新的源源動(dòng)力。生物工程作為新世紀(jì)一個(gè)正在崛起的主導(dǎo)學(xué)科之一，具有知識(shí)更新快和國際化程度較高等特點(diǎn)，與根底理論相比，其理論環(huán)節(jié)的開展日新月異，尤其是近十年來，國際合作聯(lián)絡(luò)更加嚴(yán)密，微生物遺傳育種教學(xué)和理論都獲得了極大的進(jìn)步。因此，緊跟國際前沿，改革現(xiàn)有生物工程、生物技術(shù)專業(yè)建立途徑中工業(yè)微生物遺傳育種理論教學(xué)是提升學(xué)生綜合素質(zhì)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新才能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：微生物遺傳育種；教學(xué)改革；現(xiàn)代教學(xué)；創(chuàng)新；理論

本文引用格式：徐美娟,等.聚焦學(xué)科特色?微生物遺傳育種學(xué)?課程改革與創(chuàng)新[J].教育現(xiàn)代化,2022,7(32):40-42.

一引言

江南大學(xué)生物工程學(xué)院的生物工程專業(yè)為首批國家特色專業(yè)，首批江蘇省品牌專業(yè)和省重點(diǎn)建立專業(yè)，目前已建成國家重點(diǎn)基地7個(gè)，卓越工程師實(shí)訓(xùn)基地16個(gè)和國際結(jié)合實(shí)驗(yàn)室7個(gè)，依托該專業(yè)的"輕工技術(shù)與工程";獲批"一流學(xué)科";建立。?微生物遺傳育種學(xué)?〔含實(shí)驗(yàn)〕是理論與理論并重的應(yīng)用根底課程，課程內(nèi)容涉及到微生物遺傳學(xué)，內(nèi)容側(cè)重于工業(yè)微生物育種的技術(shù)和理念。該課程是生物工程專業(yè)必修課程，是專業(yè)根底課程?微生物學(xué)?的補(bǔ)充。自2000年我校在同類學(xué)科中率先為生物工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)?微生物遺傳育種學(xué)?課程以來，經(jīng)過近二十年的持續(xù)講授，該課程已成為我校生物工程專業(yè)、生物技術(shù)專業(yè)和國家生命科學(xué)與技術(shù)人才培養(yǎng)基地班的核心專業(yè)根底課程和優(yōu)質(zhì)精品課程，在同行業(yè)工科院校中起到一定的示范作用。

?微生物遺傳育種學(xué)?課程于2022年進(jìn)展校級精品課程建立，是理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)并重的應(yīng)用根底課程。在面向本科生的?微生物學(xué)?和?微生物遺傳育種學(xué)?課程中,實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)已占總學(xué)時(shí)的近45%,而對于研究生的?工業(yè)微生物資源開發(fā)應(yīng)用與保護(hù)??工業(yè)微生物育種學(xué)?等課程,幾乎全部以應(yīng)用技術(shù)理論性環(huán)節(jié)的訓(xùn)練為主。實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中主要采用了單元實(shí)驗(yàn)教學(xué)、綜合性實(shí)驗(yàn)和小課題相結(jié)合的教學(xué)方法【1】。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)教學(xué)的一個(gè)重要組成局部，是培養(yǎng)學(xué)生理論才能、創(chuàng)造才能的主要手段，對人才培養(yǎng)具有重要作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究范圍涉及人才培養(yǎng)、課程體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、教學(xué)管理、實(shí)驗(yàn)室建立等多個(gè)方面【2】。

二?微生物遺傳育種學(xué)?教學(xué)中面臨的問題

隨著分子生物學(xué)、基因組學(xué)的開展，僅以根底型、綜合實(shí)驗(yàn)工程為主導(dǎo)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程難以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求【3】。首先，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以相對分散、孤立，關(guān)聯(lián)性、系統(tǒng)性比擬差的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主；其次，教學(xué)運(yùn)行機(jī)制以教師為主，學(xué)生在教師指導(dǎo)下按既定內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程缺乏積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性；最后，教學(xué)形式以傳統(tǒng)現(xiàn)場教學(xué)方式為主，視頻化、網(wǎng)絡(luò)化等現(xiàn)代教學(xué)形式運(yùn)用不夠。我校?微生物遺傳育種學(xué)?是理論與理論并重的應(yīng)用根底課程，但存在一些制約課程進(jìn)一步開展的問題，詳細(xì)如下。

〔一〕穿插學(xué)科開展迅速，本專業(yè)"特色鮮明";逐漸流失

該課程由于開展誘變育種和基因工程育種較早，在早期的技術(shù)應(yīng)用方面"特色鮮明";，且大多結(jié)合了當(dāng)時(shí)的先進(jìn)技術(shù)。但是近年來，隨著微生物遺傳育種學(xué)穿插學(xué)科分子生物學(xué)及其實(shí)驗(yàn)、根底生物學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)等的開展和快速開展，局部微生物遺傳育種實(shí)驗(yàn)的根本操作技術(shù)已被囊括在這些課程當(dāng)中，因此?微生物遺傳育種學(xué)?課程需要主動(dòng)求變，繼續(xù)保持"特色鮮明";的優(yōu)勢。

〔二〕課程創(chuàng)新思辨缺乏，內(nèi)容設(shè)置呈現(xiàn)度不強(qiáng)

目前?微生物遺傳育種學(xué)?課程中的實(shí)驗(yàn)操作平安性雖然有保障，但是在實(shí)驗(yàn)的豐富性和微生物代謝機(jī)理的深化探究方面還有局限。目前采用的實(shí)驗(yàn)素材包括紫外誘變技術(shù)及抗藥性突變菌株的挑選；紫外誘變技術(shù)采用的抗生素挑選，對學(xué)生的視覺沖擊不夠，內(nèi)容呈現(xiàn)度不強(qiáng)，而基因工程試驗(yàn)采用綠色熒光蛋白作為報(bào)告蛋白那么是較好的案例，因此在后續(xù)的課程安排過程中需要考慮采用針對不同的檢測目的，采用多種檢測方法來豐富課程內(nèi)容，強(qiáng)化課程呈現(xiàn)度，幫助學(xué)生加深理解。

三多樣化的教學(xué)方式和教學(xué)形式是教學(xué)改革核心

〔一〕豐富課程組織形式

教師通過精講，使學(xué)生理解各章節(jié)的主要內(nèi)容和重點(diǎn)、難點(diǎn)，對微生物遺傳育種的各種技術(shù)方法及原理進(jìn)展系統(tǒng)掌握；學(xué)生通過課堂討論及專題匯報(bào)，培養(yǎng)學(xué)生查找、整理資料的才能，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)才能，加深或拓寬學(xué)生對課堂精講內(nèi)容的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和自我管理才能。詳細(xì)施行方法有三種：第一種，教師在課堂上結(jié)合所講內(nèi)容提出一些問題，學(xué)生通過課外查找資料，得出自己的看法，由教師組織課堂討論，學(xué)生各抒己見；第二種，教師結(jié)合課堂內(nèi)容，將局部需要加深或拓寬的內(nèi)容分組布置給學(xué)生，由學(xué)生按一定要求查找相關(guān)資料，制作課件，并進(jìn)展主題報(bào)告，教師組織學(xué)生參與討論并點(diǎn)評；第三種，在教學(xué)過程中，教師與學(xué)生互換角色，安排局部授課內(nèi)容，將教學(xué)大綱和課件等交給學(xué)生，讓學(xué)生進(jìn)展10-15分鐘的教學(xué)后，教師再進(jìn)展點(diǎn)評。這種教學(xué)方式不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的帶入感，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)興趣，也有利于學(xué)生對知識(shí)要點(diǎn)的理解掌握，從"學(xué)生自己認(rèn)為的根本掌握";升華為可以"教授別人的知識(shí)";，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的全面理解【4】。

〔二〕選用并更新現(xiàn)代化的教學(xué)手段與教材

?微生物遺傳育種學(xué)?作為國家級精品建立課程，目前已在愛課網(wǎng)上建立并共享本課程的課程網(wǎng)站。課程網(wǎng)站含有課程描繪、教學(xué)資源〔教學(xué)大綱、授課錄像、電子課件、習(xí)題試題和參考文獻(xiàn)等〕、課程相關(guān)網(wǎng)站鏈接、網(wǎng)上答疑等內(nèi)容，供學(xué)生課后使用，已經(jīng)根本滿足學(xué)生課外學(xué)習(xí)及課外輔導(dǎo)的要求。學(xué)生可在本課程教學(xué)資源后留言并參與討論，與任課教師互動(dòng)教學(xué)內(nèi)容和問題。10多年來，微生物遺傳育種教學(xué)團(tuán)隊(duì)非常重視教材建立工作，除組織編寫了?微生物遺傳育種學(xué)?國家級規(guī)劃教材外，還組織編寫生物工程和生物技術(shù)專業(yè)適用的相關(guān)課程資料輔助教學(xué)。

〔三〕引入現(xiàn)代微生物分子育種領(lǐng)域的新打破和新技術(shù)

生物科技正在進(jìn)入一個(gè)爆發(fā)式的年代，各種前沿技術(shù)正在迅猛開展，研究領(lǐng)域的一些重要進(jìn)展不僅使理論教學(xué)內(nèi)容豐富，而且促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷創(chuàng)新，不斷進(jìn)步。如CRISPR/Cas9系統(tǒng)改造工業(yè)微生物菌株、利用重組質(zhì)粒誘變劑MP6顯著進(jìn)步細(xì)菌的突變率、Gibson一步克隆法等新技術(shù)新方法的開展和應(yīng)用，都可以作為微生物遺傳育種學(xué)課程中的重要進(jìn)展來講授。

〔1〕利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)對工業(yè)微生物菌株進(jìn)展重組設(shè)計(jì)

2022年，CRISPR/Cas9系統(tǒng)被引入大腸桿菌進(jìn)展重組系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可組裝10kb的生物合成途徑【5】。這種方法可以將一些較短、較簡單的生物途徑一步組裝入大腸桿菌基因組，這給許多天然產(chǎn)物的異源表達(dá)提供了便利。除了基因敲除與敲入外，CRISPRi(CRISPRinterference)系統(tǒng)也可應(yīng)用于大腸桿菌中【6】。與CRISPRi相對應(yīng)，早在2022年，大腸桿菌內(nèi)CRISPRa(CRISPRactivation)體系的構(gòu)建【7】就已經(jīng)獲得成功。研究人員在dCas9的C端或N端連接一個(gè)omega;亞基，成功實(shí)現(xiàn)了目的基因轉(zhuǎn)錄程度的進(jìn)步。這些研究作為范本，可引導(dǎo)研究人員進(jìn)展更加靈敏、快捷的基因操作。利用CRISPR技術(shù)可以對一些工業(yè)菌株的關(guān)鍵基因進(jìn)展敲除[8]，從而觀察菌株的形態(tài)和其產(chǎn)物的產(chǎn)量變化，該技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用方面有待進(jìn)一步的開展。

〔2〕細(xì)菌突變型質(zhì)粒MP6等的研究進(jìn)展

哈佛大學(xué)DavidLiu等將負(fù)責(zé)校對功能的dnaQ926、錯(cuò)配修復(fù)DNA甲基化的Dam基因、切除修復(fù)ugi和來源海七鰓鰻的胞苷脫氨酶cda1等構(gòu)建在可促進(jìn)原核和真核生物基因組DNA突變的質(zhì)粒MP6中，建立體內(nèi)突變系統(tǒng)到達(dá)"高效、可控、突變譜廣";特點(diǎn)。用到進(jìn)步突變效率，替代傳統(tǒng)的微生物誘變育種，作為一種生物誘變劑，比常用誘變劑甲磺酸乙酯(EMS)、甲硝基亞硝胍〔MNNG〕、2-氨基蝶呤〔2AP〕、紫外線誘變處理后獲得抗性菌株的比例的1-20倍[9-11]。該系統(tǒng)是對傳統(tǒng)誘變技術(shù)的強(qiáng)力改良，而作為一種質(zhì)粒介導(dǎo)的基因組隨機(jī)誘變工具，也是對現(xiàn)有基因組定點(diǎn)編輯工具〔如MAGE，CRISPR-Cas〕的補(bǔ)充[12]。

〔四〕專題講座開闊學(xué)生視野

邀請國內(nèi)外微生物分子遺傳及育種領(lǐng)域的知名專家、教授進(jìn)展專題講座，學(xué)生不僅可以領(lǐng)略到國內(nèi)外院士、、國家出色青年基金獲得者等學(xué)術(shù)大家的魅力和大師的風(fēng)采，并可理解專家的最新研究領(lǐng)域和前沿進(jìn)展，進(jìn)一步開闊了學(xué)生的視野，成為學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)和個(gè)人成長的助推器，專題講座不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和創(chuàng)新意識(shí)，而且鍛煉了學(xué)生的交流溝通才能和邏輯思維才能，與課堂中學(xué)到的知識(shí)互相補(bǔ)充，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為才能。此外，學(xué)院每周定期舉辦的至善學(xué)生論壇和大講堂也為學(xué)生們提供了展現(xiàn)自己的專業(yè)知識(shí)和科研成果，進(jìn)步自身的科研素質(zhì)和交流溝通才能提供了良好的舞臺(tái)。微生物遺傳育種學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)也充分利用這一交流平臺(tái)，對我院微生物專業(yè)研究生培養(yǎng)工作效勞和提升微生物遺傳育種學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量提供宏大幫助[13]。

四實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革策略

對?微生物遺傳育種學(xué)?課程現(xiàn)有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略進(jìn)展改革，在更好地適應(yīng)"輕工技術(shù)與工程";雙一流學(xué)科建立的同時(shí)，不斷吸收學(xué)科新知識(shí)新方法新思路，及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，及時(shí)將本課程中與其它課程互相穿插或一樣的內(nèi)容進(jìn)展優(yōu)化，表達(dá)本學(xué)科的實(shí)用性、前沿性和新穎性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)與先進(jìn)并重。

〔一〕優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，表達(dá)"傳統(tǒng)與先進(jìn)并重";

對本課程已有教學(xué)內(nèi)容進(jìn)展改革，及時(shí)吸收學(xué)科新知識(shí)新方法新成果，不斷更新教學(xué)內(nèi)容，將?微生物遺傳育種?結(jié)合?微生物學(xué)??微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課?課程實(shí)現(xiàn)"三課一體";的系統(tǒng)課程設(shè)置，采取模塊化教學(xué)，結(jié)合理論課程中學(xué)生對新方法新技術(shù)進(jìn)展文獻(xiàn)閱讀匯報(bào)的主動(dòng)型學(xué)習(xí)模塊，引入微生物菌株的分子育種新思路將本課程中與其它課程互相穿插或一樣的內(nèi)容進(jìn)展優(yōu)化，表達(dá)本學(xué)科的實(shí)用性、前沿性和新穎性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)與先進(jìn)并重。

〔二〕引入分子育種新思路新方法，進(jìn)步學(xué)生科研創(chuàng)新才能

如何引導(dǎo)學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)理論，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新積極性，培養(yǎng)工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域高素質(zhì)、創(chuàng)新人才形勢迫切意義深遠(yuǎn)。隨著學(xué)科前沿技術(shù)的推陳出新，采用學(xué)院教學(xué)平臺(tái)中先進(jìn)儀器如ARTP常壓室溫等離子體誘變系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的紫外誘變育種技術(shù)[14]，同時(shí)應(yīng)用高通量挑選方法高效挑選高產(chǎn)工業(yè)特色用酶等高產(chǎn)菌株；將綠色熒光蛋白GFP或eGFP報(bào)告基因與靶基因串聯(lián)，采用蛋白質(zhì)定點(diǎn)突變技術(shù)快速高效地對目的代謝途徑關(guān)鍵酶進(jìn)展理性改造，實(shí)現(xiàn)新興育種技術(shù)在微生物遺傳育種課程中的高度呈現(xiàn)，使得學(xué)生充分掌握理論課中所學(xué)微生物育種學(xué)理論知識(shí)，進(jìn)步學(xué)生科研創(chuàng)新才能[15]，為今后的科研工作奠定扎實(shí)的根底。

?微生物遺傳育種?是一門理論與理論結(jié)合的技術(shù)課程，應(yīng)最大限度地激發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才，以推動(dòng)科技的進(jìn)步與時(shí)代的開展[16]。更新教學(xué)內(nèi)容，改良教學(xué)形式，深化課程建立內(nèi)涵，進(jìn)步學(xué)生自主學(xué)習(xí)才能和理論動(dòng)手才能，結(jié)合理論課教學(xué)為學(xué)生學(xué)習(xí)多元化的先進(jìn)微生物育種策略并應(yīng)用到今后的科研工作中奠定堅(jiān)實(shí)根底。高校要緊跟新世紀(jì)科技開展的腳步，適應(yīng)社會(huì)日益開展的需要，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生把課堂所學(xué)的理論知識(shí)和學(xué)過的實(shí)驗(yàn)技能有機(jī)地結(jié)合起來。同時(shí)應(yīng)該積極推進(jìn)國際、校際間的合作，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，共同使各高校微生物學(xué)遺傳育種學(xué)教學(xué)程度得到全面進(jìn)步[17]。更新學(xué)科開展的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)理念，促使學(xué)生及時(shí)主動(dòng)掌握國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的開展方向，激發(fā)他們積極主動(dòng)創(chuàng)新。相關(guān)成果可推廣應(yīng)用于國家精品資源共享課程，進(jìn)一步提升學(xué)科品牌和影響，推動(dòng)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，使校內(nèi)外更多學(xué)子受益。

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