基于“双碳”背景的基因工程课程教学改革

摘要：“碳达峰、碳中和”是我国应对全球气候发展制定的重大战略决策。《基因工程》是一门理论与实践高度结合的课程，且具有学科交叉性。在契合国家“双碳”人才培养需求的背景下，《基因工程》课程从教学内容、教学模式、教学评价等维度开展教学改革的探索和实践，力求培养既具有扎实专业知识，又具有践行 “双碳” 理念的综合型生物技术人才，为推动相关领域的可持续发展贡献力量。

关键词：碳中和 课程目标 情境教学

“碳达峰，碳中和”（简称“双碳”）是我国为积极应对全球气候发展而制定的重大战略决策，倡导绿色、环保、低碳的生活方式。为确保如期实现碳达峰、碳中和目标，实现绿色低碳可持续发展，教育部制定了《高等学校碳中和科技创新行动计划》将低碳人才培养与双碳目标契合与联结[1]，强调了利用高校基础研究深厚底蕴和学科交叉融合的优势，加快构建高校碳中和科技创新体系和人才培养体系。在《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》中也着重强调，将绿色低碳理念融入教育教学体系，加大碳达峰，碳中和领域课程、教材等教学资源建设力度[2]。以此为实现我国“双碳”战略目标筑牢坚实的教育根基与人才保障基石。

生物技术是促进生命科学领域未来发展的有效力量，而绿色低碳发展又是生物经济的重点发展领域之一[3]。因此生物技术专业人才的培养更应注重“双碳”理念的融入。《基因工程》是生物技术专业的一门核心课程，与新农科、新工科、新医科等学科密不可分，是国家“双碳”战略目标、绿色生物经济的发展的重要支撑技术。本文基于“双碳”背景，剖析课程内容，探讨将“双碳”尤其是“碳中和”理念融入《基因工程》课程教学内容的有效途径，以培养学生绿色低碳意识，从专业角度践行绿色低碳理念。以培养学生绿色低碳发展的价值观，提升专业认同感与社会责任感。

一、课程目标渗透“碳中和”

目前《基因工程》课程教学绿色低碳价值目标引领不足，学生对课程和专业与行业、社会、国家“双碳”发展需求对标不足[4-5]。基于以上，围绕“双碳”国家战略需求，对《基因工程》课程目标进行优化，重点将“碳中和”理念渗透于理论知识与应用实践中。知识目标突出碳中和元素在操作和应用中的体现，能力目标突出碳中和理念下的方案设计，素质目标突出碳中和理念下的责任与行动（表1）。

二、融入碳中和理念的“三环节”教学模式

立足《基因工程》教学目标，通过知识学习、知识拓展、知识测评“三环节”，使学生在知识学习过程中，循序渐进地内化“碳中和”理念。

1. 在“三模块”知识内容中品味“碳中和”

在课程内容中找准切入点，融入“碳中和”元素。第一模块绪论，由基因工程安全性认知，延伸绿色生物制造；阐释国家“双碳”目标，尤其是碳中和的理解，从碳增汇和碳减排两方面认识基因工程技术应用，提纲挈领地注入绿色低碳元素。比如列举强大根部系统改造，微藻改造，提高固碳效率；改造微生物生产化工产品实现碳减排。

第二模块是基因工程技术操作的理论核心，操作过程知识点中挖掘碳中和元素，引导学生在改造生物的每个环节中，考虑到绿色低碳发展的问题，认识到为促进可持续发展，自己的专业责任。例如实验室操作过程中，如何设计减少试剂浪费，能耗，降低污染源的产生。

第三模块，基因工程操作技术的应用，是第二模块知识以及分子生物学知识的综合应用，仍以知识点内容挖掘碳中和元素为主，落实从思路设计到实现生物改造，对环境、能源、医学、农业等方面的可持续发展的影响。比如温控型启动子原理，双质粒表达系统延伸碳减排的意义；拓展甲醇高代谢酵母，将二氧化碳衍生的甲醇等低碳化合物转化为更高价值的糖及糖类衍生物，实现二氧化碳的绿色转化；抗性基因使用带来的环境影响；植物生产PHB，替代塑料；转基因抗虫棉，降低农药使用；转基因大豆，降低除草剂使用等。

2.在“三学科”情境教学中解析“碳中和”

基因工程方法解决实际应用问题，是一些列操作过程和实验技术的综合应用。教材理论知识缺乏教学情境，理论转化实践仍欠缺，一定程度上影响学生知识运用、创新思维能力培养以及对实践中碳中和的理解。不能很好地满足“培养学生爱国情怀、社会责任感，创新精神，实践能力”的新时代要求[6]。因此，在课程教学中，重点在基因工程应用模块，引入基因工程技术在原核生物、酵母以及植物中应用的文献。围绕新农科、新工科、新医科“三学科”发展，着重突出选择基因工程在农业、环境、能源、医学方面的应用文献。

采取完整文献精读和前沿进展摘要略读的方式。完整文献精读，主要选取在微生物、酵母以及植物中应用的中文全文文献，涉及乙醇生产、化工原料生产、植物性状改良等方面。一方面引导学生从文献方法中梳理经典的基因工程操作过程的核心理论，整理思路；另一方面引导学生体会文献中蕴涵的碳中和元素，从而实现理论、实践与理念的有效融合。前沿进展摘要略读，一方面选择合成生物学技术在绿色低碳方面的应用文献，比如CO2转化淀粉技术，药物代谢途径合成，化工原料生产等用于开拓学生眼界，促进学生思维的创新；另一方面，针对塑料污染问题，从降解和替代两途径，即聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）降解酶和聚羟基脂肪酸酯（PHA）的生物塑料相关文献，从原核、酵母以及植物改造三个层面，搭建“一问题多途径”的分析思路，促进学生对碳中和目标实现的思维拓展。

3、在多形式知识检测中内化“碳中和”

知识考核形式上采用多元评价方式，包括期末测验和过程性考核两部分内容。章节任务点，章节测验，课堂互动、考试、讨论、分组任务、作业等均作为过程性考核内容。碳中和元素考核，主要分布在期末测验、讨论、以及分组任务三部分内容中。

“双碳”理解，“碳中和美图搜集”主题讨论，安排在课程初次开课时，开启课堂与碳中和元素最初触碰，让学生认识到碳中和的美，认识到基因工程与碳中和的关联。随着知识的学习，适时引入分组任务，围绕文献解析部分的精读文献进行布置，学生除梳理文献中基因工程核心操作之外，还需进一步说明文献中蕴涵的碳中和元素，实现核心理论学习与碳中和元素的结合。在医科、农科、工科应用的文献拓展，“查阅运用基因工程技术改造植物实现碳中和的应用实例”的主题讨论，深入理论与“碳中和”元素融合。期末测试环节直观判断碳中和应用和碳中和应用案例设计试题，则将核心知识、“碳中和”元素与实践能力相结合。“实验操作中的低碳”讨论将碳中和元素落实到日常。通过多环节渗入式考核，综合体现了知识学习、知识应用、拓展和考试等各方面的因素，能够较全面客观地评价“碳中和”元素在课程中融入效果，学生对碳中和理念的认知情况。

三、改革成效

从教学效果来看，“碳中和”元素的引入，使得大部分学生对国家“双碳”战略的背景以及基因工程技术在低碳领域的应用发展现状有了较为清晰的认识，能够认知顶层生物改造设计对“碳中和”目标实现的重要性。

1.多形式的考核渗透成效

分组任务中，原核生物和酵母基因工程应用文章，学生重点剖析载体结构、目的基因获取、受体特点、筛选方法原理，构建流程，较好地对标操作核心技术；学生能独立地针对文献总结碳中和体现的意义。比如，“木糖还原酶和醇脱氢酶在酵母细胞中的表达，提高木糖纤维素降解率，同时可以发酵生产乙醇。降低了自然界碳量同时奠定新燃料替代基础”“微生物将葡萄糖转化为化工产品，是一种低污染，低排放模式”。学生从情境案例中理解基因工程技术一系列操作如何助力“碳中和”目标实现。

讨论环节，学生搜集生物分子工程、遗传改造的微生物细胞、生物制造、途经改造等不同层面的碳中和美图，欣赏的眼光初识专业中的低碳；结合前沿拓展，学生主动从C3植物改造、转基因油菜生产工业用油、转基因杨树提高光合效率等探寻植物改造，在具体情境中理解知识、运用知识与创新知识；围绕实践操作，学生从节约塑料手套使用、及时关闭电源、实验室废弃物分类管理等方面提出技术操作环节可采取的低碳方式，行动中践行低碳理念。

课程期末考试中，碳中和应用案例，80%同学选择正确；渗透“碳中和”元素的简答题，满分率在86%以上，化工产品生产的综合拓展试题，74% 的学生能运用“碳中和”理念，区分增汇和减排，理解生物设计的意图，一定程度上实现了绿色低碳元素与课程知识的融合，实现了学生对绿色低碳元素的理解及应用的提升。

2.调查问卷反馈

授课班级29名学生，开课前、结课后课程调查问卷显示，开课前学生，62%的学生对碳中和有初步的了解，课程学习完结后，97%的学生认为通过课程学习促进了对碳中和的理解，了解了基因工程技术在碳中和领域潜在应用，83%的学生认为个人在碳中和目标实现过程中较为重要，100%的学生能将自己的日常行动与碳中和关联。“基本理论到应用分析，应用辨析到实践解析，美学认知到主动意识”，《基因工程》教学改革通过多途径厚植碳中和理念，强化了学生在基因工程技术设计应用于中的绿色低碳意识，提升了对专业的认同感与责任感。

四、结束语

综上所述，依托国家“双碳”战略目标，以“碳中和”理念为核心，基因工程理论课程，从教学目标、教学内容、授课方式、考核方式上融入碳中和元素，同时适应国家“新农科”“新工科”以及“新医科”建设需求，以基因工程技术在农业、能源、环境、医学等方面应用为抓手，建立“三环节”教学模式，既从知识层面上强化了学生对双碳目标的认识，实现了对学生绿色低碳发展的价值引领，同时又从专业知识的角度，为可持续发展提供解决方案，提升了学生的专业认知与社会责任感。

参考文献

1.教育部关于印发《高等学校碳中和科技创新行动计划》的通知 [EB/OL] . http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/moe_784/202107/t20210728_547451.html

2.教育部关于印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》的通知 [EB/OL].  http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202205/t20220506_625229.html

3.“十四五”生物经济发展规划系列解读三. [EB/OL].  https：//www.ndrc.gov.cn/xxgk/jd/jd/202205/t20220510_1324455.html

4张丽玉 . 新时代构建“以学生为主体”的高校思政课案例教学模式[J]. 吉林工程技术师范学院学报，2022，38（7）：39-42.

5.王颖，杨茂林，王海云，等.新时代理工科课程思政研究：综述与展望[J].昆明理工大学学报（社会科学版），2023，23（2）：127-134.

6.在加快推进教育现代化的新征程中培养担当民族复兴大任的时代新人 [EB/OL]. https：//www.12371.cn/2022/09/22/ARTI1663844683210715.shtml

基金项目：华北理工大学教育教学改革研究与实践项目（T-L2253）；华北理工大学研究生课程思政示范课建设项目（YKCSZ202512）

作者简介：潘玉欣（1979-），女，河北沧州人，博士，副教授，从事生物技术方面的教学和科研。

通讯作者：王巍杰（1967-），女，河北唐山人，硕士，教授，从事生物技术方面的教学和科研。