基于能力导向的核酸片段回收实验教学改革与实践

一、引言

核酸片段回收是基因克隆、载体构建等分子生物学实验的核心技术。随着《普通高等学校生物学类专业教学质量国家标准》对实践创新能力要求的提升，传统实验教学模式的局限性日益凸显。经过对学生群体的调研发现，原有教学存在三大痛点： ① 琼脂糖凝胶回收整体流程耗时长达 3 小时，但回收成功率不足 60% ； ② 学生在课程中机械重复操作步骤，课程预习不足，对电压设置、离心参数等重要实验原理的理解率仅 42%; ； ③ 安全规范教育缺失，核酸染料EB 使用存在健康隐患。基于此，本研究以2021-2023 级生物技术专业为对象，开展教学改革实践。

二、教学现状与问题诊断

2.1 原有实验方案对比分析

我们选择对柱式法（试剂盒）与酚 - 氯仿法两种方案进行平行测试（表1）。我们从结果比较中发现传统方法虽成本低，但操作步骤多、耗时久，且苯酚接触风险高。柱式法虽简化了操作，实现效率提升，但学生普遍反映“知其然不知其所以然”，对柱式法原理理解欠缺。

2.2 学情调研分析

通过问卷星对 120 名学生进行课前调研，反馈结果显示：学生中82% 认为电泳参数设置原理抽象， 65% 无法解释 DNA 迁移速率与电压的关系， 48% 存在离心时间随意设定的问题。这表明技术原理与实操环节存在严重脱节。

三、改革方案设计

3.1 三维教学目标重构

从三方面确立教学目标，明确教学目的，帮助学生理解各关键步骤技术原理。

1. 知识目标：使学生掌握琼脂糖浓度与 DNA 分离范围的计算公式（ D=K/L ）。

2. 能力目标：使学生能根据凝胶成像结果调整切胶体积，熟练上手操作，使用 Nanodrop 进行 DNA 纯度检测。

3. 素质目标：建立生物实验安全红线意识（如使用 GelRed 替代EB 染料），培养学生养成良好的实验工作习惯。

3.2 模块化教学设计

将原实验拆解为4个任务模块，同时每个模块设置关键能力培养点：

1. 凝胶制备：学习琼脂糖凝胶浓度与DNA 大小的匹配关系，使学生在之后可以根据实际情况灵活调整。

2. 电泳分离：通过实验原理预习了解电泳分离原理和迁移速度的计算，从而使学生确定合适的电压和电泳时间。

3. 切胶回收：对比冷冻法、加热法的 DNA 回收率，理解温度对核酸回收的影响。

4. 纯度检测：利用 Excel 建立 A260/A280 标准曲线，并学会分析比值异常的原因。

3.3 过程性评价体系

设计包含5 个维度的考核量表：

四、教学实施过程

4.1 课前训练

要求学生完成3 项任务：

学习DNA 回收实验的原理

熟悉DNA 回收实验的流程操作

预习实验室安全手册（重点标注10 条生物安全禁令）

4.2 课堂翻转实践

采用“问题链”驱动教学：问题1：“如何提高低浓度DNA 的回收率？”学生分组对比增加溶胶时间（ 10minvs30min ）的产量差异。问题 2：“当 A260/A280<1.7 时可能是什么原因？”引导分析蛋白质污染与离心速度不足的关联。

4.3 课后创新拓展

开放实验室开展探究实验：

对比磁珠法（ 0.5× vs 1× 结合缓冲液）对回收效率的影响。测试不同品牌离心柱的DNA 吸附能力。

五、改革成效分析

5.1 学习效果量化对比

2021-2023 级学生实验数据对比显示（表 2），改革后核酸回收产物浓度合格率（ >20ng/μL ）从 58% 提升至 89% ，操作失误率下降62%。

5.2 典型案例

某学生团队发现延长溶胶时间至 45min 可使 200bp 小片段回收率提高 22% ，此成果已整理投稿至《生物学教学》期刊。

六、结论与展望

本研究构建的“理论 - 实操 - 反馈”三阶段教学模式，有效解决了核酸回收实验教学中的痛点问题。未来计划对实验步骤进行进一步优化，培养学生举一反三的实验能力，进一步推动实验教学质量的提高。

参考文献

[1] 教育部 . 普通高等学校本科专业类教学质量国家标准 [M].高等教育出版社 ， 2018.

[2] Karp A， et al.   Isolation of Nucleic Acids Using Silica-Gel Based Membranes： Methods Based on the Use of QIAamp Spin Columns. [M]. Molecular Tools for Screening Biodiversity， Springer， Dordrecht， 1998， 59-63.

[3] Khatoon S， et al. （2024）. The evolving role of biotechnology in education. [M]. Futuristic Trends in Biotechnology， Springer Berlin， Heidelberg， 2024， 79-84.

[5] 教育部办公厅 . 国家级实验教学示范中心管理办法 [S].2016.

作者信息：杜昌升，男，1976-10，汉族，湖北省黄冈市，博士，教授，研究方向：自身免疫疾病。

本文系教改项目“精品实验项目- 核酸片段的回收纯化”（2000104110）资助