張顯 饒志明 徐美娟 楊套偉 李華鐘 段作營 陳獻(xiàn)忠

摘? 要：為進(jìn)一步提高微生物遺傳育種學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣，文章從模塊化教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)模式、多元化授課形式等方面探討了該課程教學(xué)改革的必要性，闡述了對微生物遺傳育種學(xué)課程融入思想政治教育的思考，討論了如何為國家與社會培養(yǎng)出綜合素質(zhì)全面和具有創(chuàng)新能力以及國際化視野的綜合型人才，為相關(guān)本科專業(yè)的教學(xué)改革實踐與應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：微生物遺傳育種學(xué);教學(xué)改革;發(fā)酵工程

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）36-0030-04

Abstract： To further improve the course teaching quality of Microbial Genetics and Breeding to undergraduate students， this paper discussed the necessity of teaching innovation of this course from the aspects of modular teaching methods， innovative teaching modes and diversified teaching forms， and proposed thoughts on integrating curriculum into ideological and political education. This paper focuses on how to cultivate talents with comprehensive quality， innovative ability and international vision， and provides reference for the curriculum innovation practice and application of undergraduate majors.

Keywords： Microbial Genetics and Breeding; teaching reform; fermentation engineering

隨著當(dāng)今生物科技的快速發(fā)展，微生物作為細(xì)胞工廠生產(chǎn)可替代能源已成為必然趨勢，高產(chǎn)菌株的選育及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化顯得尤為重要。通過微生物遺傳育種的應(yīng)用，改變傳統(tǒng)的資源利用模式，利用技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)模式的轉(zhuǎn)變，將為工業(yè)生活提供更好的技術(shù)支持和資源保障。課程主要面向“輕工、發(fā)酵、食品”等行業(yè)，培養(yǎng)具有國際視野的、高素質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。課程不僅注重培養(yǎng)學(xué)生的人身安全、環(huán)境安全、科學(xué)倫理等方面的意識，還注重培養(yǎng)學(xué)生分工合作、團(tuán)隊協(xié)作的精神，同時還培養(yǎng)學(xué)生身負(fù)祖國工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的使命感和時代責(zé)任感的情懷。

一、微生物遺傳育種學(xué)教學(xué)中廣泛存在的問題

（一）以教材為主的理論學(xué)習(xí)跟不上知識更新的速度

21世紀(jì)是生命科學(xué)快速發(fā)展的時期，組學(xué)技術(shù)、基因組編輯技術(shù)、人工智能解析蛋白生命體等高新技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致原有的只針對書本知識的教學(xué)方式已無法應(yīng)對如今技術(shù)演變的速度[1]。以教師為主，學(xué)生在規(guī)定動作下學(xué)習(xí)的教學(xué)模式也將無法滿足目前行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展形式下對人才積極性、主動性和創(chuàng)造性的培養(yǎng)要求[2]。隨著學(xué)科前沿技術(shù)的推陳出新，微生物遺傳育種學(xué)需要統(tǒng)籌新興育種技術(shù)在本課程中的呈現(xiàn)度，使學(xué)生充分掌握理論課中所學(xué)微生物育種學(xué)基礎(chǔ)理論知識，提高學(xué)生科研創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。

（二）照本宣科導(dǎo)致對知識運(yùn)用不夠靈活

目前微生物遺傳育種學(xué)課程中的理論知識和基礎(chǔ)性實驗的學(xué)習(xí)內(nèi)容較為固定，教材更新速度較慢，在實驗的創(chuàng)造性和微生物代謝機(jī)理的初步思考方面還有一定的局限。教材中目前采用的實驗素材較為固定，且大部分學(xué)校開展系統(tǒng)性微生物遺傳育種大實驗的條件保障力不足。固定式的按照既定步驟進(jìn)行實驗會導(dǎo)致學(xué)生對實驗的思考不充分，并且無法格物致知，進(jìn)一步導(dǎo)致學(xué)生對知識的運(yùn)用以及對實驗的理解出現(xiàn)偏差，不利于對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（三）單一教學(xué)模式導(dǎo)致學(xué)生積極性不高

目前多數(shù)本科課程都采用課堂授課的傳統(tǒng)教學(xué)模式，這種單一的教學(xué)形式無法滿足學(xué)生對知識的多樣性需求，難以充分調(diào)動學(xué)生對知識接納的積極性以及對新知識的思考。在課程安排過程中如何用多種方法來豐富課程內(nèi)容、來強(qiáng)化課程呈現(xiàn)度，進(jìn)一步調(diào)動學(xué)生對相關(guān)知識學(xué)習(xí)的積極性并自主深化其對課程知識的理解，拓寬學(xué)生的學(xué)科視野，是目前微生物遺傳育種學(xué)教學(xué)過程中亟待解決的問題。

二、微生物遺傳育種學(xué)課程突破

（一）深度融入思想政治教育

深度挖掘微生物遺傳育種學(xué)課程思想政治教育資源，避免片面強(qiáng)調(diào)育才功能而忽視其教育功能的不足，構(gòu)建自然科學(xué)課程和思想政治理論課下的“立德”根本任務(wù)，引入思想政治教育手段引導(dǎo)學(xué)生樹立樂觀進(jìn)取的人生觀、明辨是非的世界觀和積極向上的價值觀，進(jìn)而在提升自然科學(xué)知識的同時，深度融入思想政治教育。在為學(xué)生講述現(xiàn)代學(xué)科前沿研究成果的同時，將國際科技趨勢的演變和國際形勢的變化聯(lián)系到一起，宣揚(yáng)我國科技工作者頑強(qiáng)拼搏的奮斗精神[3]，培養(yǎng)學(xué)生正確的人生觀和世界觀，增強(qiáng)學(xué)生為國家貢獻(xiàn)的內(nèi)在動力。

（二）創(chuàng)新授課形式，深化教學(xué)改革

傳統(tǒng)的微生物遺傳育種教學(xué)中以教師講授、學(xué)生聆聽為主的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足發(fā)酵工程學(xué)科對人才的培養(yǎng)要求，這種模式容易使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生疲態(tài)、較被動的感覺，影響教學(xué)效果和課堂氛圍[4]。如何引導(dǎo)學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動實踐，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)新人才的形勢迫切且意義深遠(yuǎn)。在微生物遺傳育種學(xué)的教學(xué)過程中，可以采用模塊化教學(xué)方式將課程分為三大模塊。第一模塊結(jié)合學(xué)校教學(xué)硬件，通過數(shù)字媒體以及VR仿真課堂教學(xué)等，將微生物遺傳育種學(xué)課程基礎(chǔ)知識和實驗過程以不同于簡單講述的方法呈遞給學(xué)生。第二模塊是以學(xué)生為主導(dǎo)的主題研討。學(xué)生根據(jù)興趣自主選擇研討方向?qū)H前沿的微生物遺傳育種學(xué)進(jìn)展，以分小組主題匯報的形式進(jìn)行匯報并進(jìn)行全班研討，在開拓學(xué)生科技視野的同時，鍛煉了學(xué)生匯報演講時的組織、應(yīng)變、講述能力。第三模塊是分組進(jìn)行實驗方案研討，實驗教學(xué)是實踐性教學(xué)的一種組織形式。學(xué)生利用本校的硬件實驗條件，由教師給定實驗主題以及實驗?zāi)康模瑢W(xué)生自行制定實驗方案與計劃，在老師輔助監(jiān)督下，有組織地開展實驗方案研討與論證，通過提問、交流和討論，提高知識與發(fā)展能力，強(qiáng)化以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)過程，學(xué)生可以在獨(dú)立檢索文獻(xiàn)和總結(jié)梳理知識點(diǎn)的同時培養(yǎng)積極的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

（三）以實驗教學(xué)促理論教學(xué)

濃厚的興趣是深刻理解課程知識的前提，學(xué)生通過實驗復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)微生物遺傳育種學(xué)現(xiàn)象，不僅能幫助其深刻理解實驗中涉及的生物學(xué)原理和技術(shù)，來更好地掌握課程知識，還能較好地激發(fā)其對所學(xué)課程的求知欲[5]。因此必須引導(dǎo)學(xué)生主動實踐的意識，增強(qiáng)學(xué)生主動思考的能力，通過實驗教學(xué)將實驗過程中的思考和體會與課堂中學(xué)習(xí)到的理論知識相呼應(yīng)，在深刻體會探索相關(guān)生物學(xué)原理的過程中，將實驗方案設(shè)計與具體方法的選擇有機(jī)統(tǒng)一，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力[6]。在微生物遺傳育種學(xué)課程的教學(xué)開展過程中，還要充分利用所在學(xué)校的學(xué)科平臺資源[7]，開展理論授課與實驗授課相結(jié)合的教學(xué)模式，在接受課堂理論知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)后，去實驗過程中探討如何將其進(jìn)行應(yīng)用，開發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及靈活運(yùn)用課堂知識的能力。

（四）注重課程交叉，提高學(xué)生知識綜合運(yùn)用能力

在微生物遺傳育種學(xué)傳統(tǒng)課程教學(xué)策略不斷進(jìn)行改革的時代背景下，不斷吸收開發(fā)新知識、新方法、新思路，及時更新教學(xué)內(nèi)容，及時將本課程與其他課程相互交叉或重復(fù)的內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化。例如，微生物遺傳育種學(xué)課程部分內(nèi)容與生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物學(xué)等課程高度交叉融合，因此本課程在其他課程內(nèi)容相關(guān)原理和現(xiàn)象基礎(chǔ)上，要更加注重育種策略的設(shè)計，充分體現(xiàn)實用性、前沿性和新穎性，增強(qiáng)學(xué)生融會貫通多種課程知識的能力[8]。

（五）緊跟學(xué)科前沿，引入新技術(shù)新突破

后疫情時代是生命科學(xué)的新紀(jì)元，近些年來發(fā)展出的大批高新技術(shù)已被逐漸應(yīng)用并隨著研究的深入被不斷改進(jìn)，相關(guān)技術(shù)缺陷也被一一攻克。在此科技發(fā)展的速度背景下，微生物遺傳育種學(xué)教材中采用的實驗素材已逐漸不能滿足教學(xué)需要。例如：紫外線誘變大腸桿菌篩選耐藥突變株的這一課程實驗，紫外誘變技術(shù)結(jié)合抗生素篩選等基礎(chǔ)遺傳育種學(xué)技術(shù)已無法很好契合當(dāng)今社會發(fā)展對工業(yè)微生物菌株開發(fā)的要求。因此，需要緊跟學(xué)科前沿，在微生物遺傳育種的課程中，引入新技術(shù)突破。以相關(guān)知識發(fā)現(xiàn)為例，將學(xué)生引入更高層次的知識殿堂，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)諾貝爾獎等知識發(fā)現(xiàn)的過程及其相關(guān)原理，并將相關(guān)知識點(diǎn)結(jié)合到微生物遺傳育種學(xué)課程中，帶領(lǐng)學(xué)生把握科技進(jìn)步方向，普及前沿科技的技術(shù)要點(diǎn)。

本文以生命科學(xué)前沿技術(shù)如何改變傳統(tǒng)微生物育種方式舉例如下：

CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)一誕生就被視為21世紀(jì)最為重要的生物發(fā)現(xiàn)之一。經(jīng)典的CRISPR/Cas系統(tǒng)來源于細(xì)菌防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個用于精確靶向的單引導(dǎo)RNA（SgRNA）和一個用于DNA結(jié)合和核酸酶活性的Cas蛋白組成。依賴于CRISPR/Cas系統(tǒng)的高精度[9]，除了原有的核酸酶活性外，還開發(fā)了多種功能，如基因組堿基編輯、基因敲除和激活、染色質(zhì)成像系統(tǒng)等。這些擴(kuò)展展示了CRISPR/Cas系統(tǒng)的靈活性，并且由于其穩(wěn)定高效，CRISPR/Cas技術(shù)已經(jīng)成為基因組編輯的強(qiáng)大工具，在生命科學(xué)的各個領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，促進(jìn)了基礎(chǔ)生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)研究的發(fā)展，也為疾病的臨床治療提供了新策略?；蚪M編輯技術(shù)的進(jìn)步使基礎(chǔ)和應(yīng)用生物學(xué)研究發(fā)生了革命性的變化[10]。

標(biāo)志著人工智能與生物學(xué)科的交叉產(chǎn)物AlphaFold于2021年誕生，AlphaFold可以周期性的以原子精度預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)[11]。在技術(shù)上，AlphaFold利用多序列對齊，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)算法的設(shè)計，還結(jié)合了關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理和生物學(xué)知識提升效果。具體來看，AlphaFold網(wǎng)絡(luò)由兩個主要部分組成[12]，首先，網(wǎng)絡(luò)的主干通過一個稱為Evoformer的新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)塊的重復(fù)層來處理輸入，產(chǎn)生一個Nseq×Nres陣列（Nseq：序列數(shù)，Nres：殘差數(shù)），它表示一個處理過的MSA和一個表示剩余對的Nres×Nres陣列。Evoformer塊包含許多新穎的基于注意力和非基于注意力的成分，它的關(guān)鍵創(chuàng)新是與MSA交換信息的新機(jī)制，并能直接推理空間和進(jìn)化關(guān)系的配對表征。網(wǎng)絡(luò)的主干之后是結(jié)構(gòu)模塊（Structure Module），該模塊以蛋白質(zhì)的每個殘基的旋轉(zhuǎn)和平移的形式引入了顯式的3-D結(jié)構(gòu)。這些表征在微不足道的狀態(tài)下初始化，所有旋轉(zhuǎn)設(shè)置為同一性（identity），所有位置設(shè)置為原點(diǎn)，但能夠快速開發(fā)和完善具有精確原子細(xì)節(jié)的高度準(zhǔn)確的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)[13]。

又例如2017年諾貝爾化學(xué)獎授予發(fā)明了冷凍電鏡技術(shù)的三位科學(xué)家，以獎勵其對探明生物分子高分辨率結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。2018年諾貝爾化學(xué)獎授予了三位科學(xué)家，弗朗西斯·阿諾德獲獎的理由是他首次進(jìn)行了酶的定向進(jìn)化。這些通過解析和改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，獲得具有目的催化能力的蛋白質(zhì)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。另一位獲獎?wù)邌讨巍な访芩拱l(fā)明了一種被稱為“噬菌體展示”（phage display）的技術(shù)[14]：這讓能感染細(xì)菌的病毒可以用來進(jìn)化新的蛋白質(zhì)。而格雷戈里·溫特爵士則利用噬菌體展示技術(shù)生產(chǎn)了新的藥物[15]。如今，噬菌體技術(shù)可產(chǎn)生抗體，用以中和毒素，對抗自身免疫性疾病以及治療轉(zhuǎn)移性癌癥等[16]。通過與學(xué)生剖析講述前沿科技，可極大地豐富學(xué)生專業(yè)視野，消除了學(xué)生對前言技術(shù)望而卻步的距離感，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生們對生命科學(xué)領(lǐng)域知識進(jìn)行探索的愿望。

（六）強(qiáng)化實踐能力，以賽促學(xué)

微生物遺傳育種學(xué)就是在微生物學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上，將科技手段切實運(yùn)用在實踐中，隨著課外實踐活動的進(jìn)行，學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握將會越發(fā)嫻熟，對微生物遺傳育種的認(rèn)識也會越發(fā)深刻。微生物遺傳育種教學(xué)應(yīng)基于施教單位已有實驗條件，鼓勵學(xué)生積極組隊參加中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、國際遺傳工程機(jī)器競賽（iGEM）、全國大學(xué)生生命科學(xué)競賽、生命科學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽等國內(nèi)外生命科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)科學(xué)競賽，展現(xiàn)學(xué)生專業(yè)風(fēng)采，以賽促學(xué)，以學(xué)促行，促進(jìn)學(xué)生對知識的消化吸收，強(qiáng)化實踐能力。鼓勵學(xué)生主動走進(jìn)實驗室，參與教師的課題研究，讓學(xué)生在實踐的過程中，對微生物遺傳育種有更切身的理解。

三、結(jié)束語

微生物遺傳育種學(xué)作為一門理論與實踐相結(jié)合的應(yīng)用類課程，應(yīng)盡可能地激發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)符合國家需求且具有國際視野的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，以推動科技的進(jìn)步與時代的發(fā)展[17]。緊隨國際前沿發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)更科學(xué)有效的教學(xué)模式，深化課程建設(shè)內(nèi)涵，提高學(xué)生自主思考、自主學(xué)習(xí)和實踐動手的能力，以理論課教學(xué)為基石，通過豐富的教學(xué)形式為學(xué)生多元化、創(chuàng)造性學(xué)習(xí)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實的基礎(chǔ)。高校要緊跟21新世紀(jì)科技發(fā)展的步伐，適應(yīng)社會多元發(fā)展的需要，通過自主討論，設(shè)計實驗教學(xué)，讓學(xué)生把課堂所學(xué)的理論知識和學(xué)過的實驗技能更靈活有機(jī)地結(jié)合起來。同時推進(jìn)國際、校際間的合作，共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，共同使微生物遺傳育種學(xué)教學(xué)水平得到全面進(jìn)步[18]。

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