細(xì)胞工程實驗教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

齊鳳慧，崔麗婷，左行翔，詹亞光

（東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)院，哈爾濱 150040）

細(xì)胞工程實驗教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

齊鳳慧，崔麗婷，左行翔，詹亞光

（東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)院，哈爾濱 150040）

細(xì)胞工程作為科學(xué)研究的一種手段，已經(jīng)滲入到生物工程的各個方面，已成為必不可少的配套技術(shù)。該文旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握基本技術(shù)之后的創(chuàng)新能力，在實驗內(nèi)容的設(shè)計上，采用實驗項目、理論教學(xué)與科研項目成果相結(jié)合的教學(xué)方式，增設(shè)綜合性實驗，加強(qiáng)實驗技術(shù)和方法的結(jié)合，注重科研成果在教學(xué)中的應(yīng)用，啟迪學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識。通過教學(xué)改革，學(xué)生能夠自行設(shè)計改裝生物反應(yīng)器，并用于植物細(xì)胞的培養(yǎng)。

水曲柳；創(chuàng)新能力；細(xì)胞工程；教學(xué)實踐

細(xì)胞工程是生物工程的一個重要方面。它應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的理論和方法，按照人們的意愿在細(xì)胞水平上進(jìn)行遺傳操作及大規(guī)模的細(xì)胞和組織培養(yǎng)，從而獲得某種有用的物質(zhì)［1-2］。細(xì)胞工程這門課程是一門實踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科［3］，包含大量的實驗操作技術(shù)，容易使學(xué)生產(chǎn)生抽象感和枯燥感［4］。因此，實驗教學(xué)對細(xì)胞工程課程授課效果具有至關(guān)重要的作用［5］。本文通過多年實踐探索，現(xiàn)就細(xì)胞工程實驗教學(xué)改革以及如何在實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力進(jìn)行探討。

1 細(xì)胞工程實驗教學(xué)改革

1.1 實驗內(nèi)容實行模塊化教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生綜合實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力

在教學(xué)過程中，根據(jù)本校的特色，將實驗內(nèi)容進(jìn)行歸類。以樹木為實驗材料，分成6個模塊，包括細(xì)胞工程的基礎(chǔ)技術(shù)、植物組織培養(yǎng)及快速繁殖技術(shù)、植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)、植物體細(xì)胞胚胎發(fā)生、植物原生質(zhì)體的分離與融合和植物細(xì)胞生物反應(yīng)器與細(xì)胞次生代謝。每個模塊中包含若干個實驗項目，各模塊之間做到融會貫通，如表1所示。

在實驗內(nèi)容的設(shè)計上，采用實驗項目、理論教學(xué)與科研項目成果三結(jié)合的教學(xué)方式，增設(shè)綜合性實驗，加強(qiáng)實驗技術(shù)和方法的合理綜合，注重科研成果在教學(xué)中的應(yīng)用，啟迪學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識。在具體操作上，采用雙周上課的方式。具體表現(xiàn)在以下3個方面。

1）實驗項目中加強(qiáng)基本技術(shù)的訓(xùn)練

從6個模塊中，選擇了20個實驗項目，每個實驗項目相互獨立，有利于專項培養(yǎng)學(xué)生基本技能。這樣可以使學(xué)生熟練掌握各實驗操作技術(shù)、又可以保證下一個實驗順利進(jìn)行。

2）按實驗內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系設(shè)置綜合實驗項目，培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力。

表1 實驗項目

如“模塊二:植物組織培養(yǎng)及快速繁殖技術(shù)”中，將分散的6個實驗項目組合成一個綜合性實驗，從母液的配制、培養(yǎng)配制與滅菌，到外植體消毒接種及愈傷組織誘導(dǎo)、分化、生根，最后移栽。通過這樣一個完整的訓(xùn)練，不但使學(xué)生學(xué)到了最基本的培養(yǎng)基配置方法、外植體消毒接種、愈傷組織誘導(dǎo)、器官分化、移栽等基本實驗技術(shù)，更重要的是學(xué)生在掌握基本技術(shù)的同時，培養(yǎng)學(xué)生對基本技術(shù)和方法綜合運用的能力。

3）按實驗內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系設(shè)置設(shè)計實驗項目，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實踐能力。

如“模塊三:植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)”中，通過模塊二的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握無菌操作及細(xì)胞誘導(dǎo)技術(shù)，在模塊三讓學(xué)生用模塊二誘導(dǎo)得到的愈傷組織為材料，設(shè)計在不同培養(yǎng)基種類或不同植物生長調(diào)節(jié)劑下，細(xì)胞的生長量變化情況。在“植物細(xì)胞超低溫保存”實驗中，要求學(xué)生設(shè)計不同的溫度梯度，或不同的降溫時間等條件，統(tǒng)計細(xì)胞的成活率。學(xué)生通過自己設(shè)計、預(yù)測結(jié)果、采集數(shù)據(jù)、獲得結(jié)論，按自定方案完成，可提高學(xué)生的設(shè)計實踐能力。

1.2 進(jìn)行開放式實驗教學(xué)，為學(xué)生提供創(chuàng)新實驗平臺

由于細(xì)胞工程實驗進(jìn)行模塊式教學(xué)和將科研成果的引入，使得整個過程的連續(xù)性無法完全在課堂上實現(xiàn)，還需要在課外完成大量的準(zhǔn)備和統(tǒng)計工作，這就需要給學(xué)生提供一個可操作的平臺。因此，將實驗室進(jìn)行開放，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和自我管理能力［8］。將細(xì)胞工程實驗安排在細(xì)胞與分子生物學(xué)教學(xué)實驗室上課，這個實驗室面積為270.93 m2，由3個教學(xué)室，2個準(zhǔn)備室以及可容下8臺超凈工作臺的接種室和培養(yǎng)室等組成，配有恒溫水浴箱、離心機(jī)、低溫高速離心機(jī)、梯度PCR儀、凝膠成像系統(tǒng)、振蕩培養(yǎng)箱、雜交爐、超純水系統(tǒng)、制冰機(jī)、紫外分光光度計、自動滅菌鍋、8臺雙人超凈工作臺、細(xì)胞融合儀等設(shè)備，可在滿足細(xì)胞工程實驗教學(xué)的同時為學(xué)生提供一個良好的創(chuàng)新實驗平臺。采用周一至周五全天開放的制度，學(xué)生可隨時來實驗室對實驗進(jìn)行準(zhǔn)備、操作、觀察、記錄等，遇到問題時也可以隨時找到老師進(jìn)行指導(dǎo)。這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，提高創(chuàng)新能力。

1.3 考核制度

傳統(tǒng)實驗教學(xué)的實驗成績往往以實驗報告為主，這樣造成學(xué)生對實驗操作過程不夠重視［9］。因此，將實驗課的成績作為學(xué)生的平時成績，占總成績的20。20分的考評成績包括內(nèi)容如表2所示。

表2 實驗課評分表

其中實驗報告是指每個實驗項目結(jié)束后，針對這一單獨實驗進(jìn)行統(tǒng)計分析。1）實驗操作指每個實驗項目中所要掌握的操作技術(shù)，如無菌操作是否規(guī)范、外植體的接種、原生質(zhì)體分離及融合、生物反應(yīng)器的操作以及液相色譜的掌握等。2）課外準(zhǔn)備是指在課堂上無法完成的部分，因為實驗操作需要無菌，所使用的培養(yǎng)基以及器材等需要提前滅菌，這些工作都要在課外完成。3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計是指每個實驗操作完成后，在培養(yǎng)過程中對植物的生長狀況進(jìn)行觀察、記錄，以及實驗結(jié)束后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。4）參加課外實驗是指由于實驗課學(xué)時有限，不能所有的實驗都在課堂上完成，學(xué)生利用課余時間在實驗室開放的時候來實驗室做實驗。5）實驗匯總是指在所有的實驗完成后，將五個模塊的內(nèi)容聯(lián)系起來匯總為一篇研究論文。6）結(jié)果匯報是將研究論文內(nèi)容做成PPT的形式，各小組由一名同學(xué)進(jìn)行匯報，下面的同學(xué)可以進(jìn)行提問。

通過上述的改革與實踐，可有效提高細(xì)胞工程實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平，同時可大大提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

2 將科研成果引入到實驗教學(xué)中，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

引入科研、教改成果，使實驗內(nèi)容與科研應(yīng)用項目密切聯(lián)系，充分體現(xiàn)基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代相結(jié)合。目前國內(nèi)各大高校均開展大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目，鼓勵學(xué)生申報，重視研究性教育［6］，讓學(xué)生在課外之余參加科研項目，開展學(xué)術(shù)科技作品競賽［7］，以科研促進(jìn)本科教學(xué)。這樣，可以在本科實驗教學(xué)中鍛煉學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓他們明白自己即是學(xué)生又是研究者。因此，在細(xì)胞工程實驗教學(xué)中，將老師的一些科研成果引入進(jìn)來，在幾個模塊中實現(xiàn)，這樣各實驗項目既獨立（使學(xué)生在課堂上容易操作）又相互聯(lián)系構(gòu)成一個整體。如模塊二中“植物外植體消毒、接種及愈傷組織誘導(dǎo)”，通過這個實驗項目得到愈傷組織后，再通過模塊三中“植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)與生長量的測定”中獲得懸浮細(xì)胞，最后通過模塊六的“植物生物反應(yīng)器大規(guī)模培養(yǎng)”和“HPLC法檢測植物細(xì)胞次生代謝產(chǎn)物含量”這兩個項目完成整個內(nèi)容。在這個過程中，學(xué)生得到了最基本的實驗技能的鍛煉，如培養(yǎng)基的配制、外植體的消毒及接種；同時又對學(xué)生的實驗設(shè)計和綜合能力進(jìn)行了鍛煉，如細(xì)胞懸浮培養(yǎng)與生長量的測定中培養(yǎng)時間的設(shè)計，植物生物反應(yīng)器大規(guī)模培養(yǎng)中培養(yǎng)條件的設(shè)計等；此外學(xué)生的分析能力和科研能力得到了提高，因為在整個實驗結(jié)束后，學(xué)生要對實驗結(jié)果、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，提交實驗報告和科學(xué)論文。因此，經(jīng)過這樣一個完整的訓(xùn)練過程后，學(xué)生可盡早地接觸科研的研究，既掌握了新知識、新技術(shù)、新方法，又激發(fā)了學(xué)生對科學(xué)實驗的興趣，使其綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力得到了鍛煉和提高，為以后從事科學(xué)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 學(xué)生自行設(shè)計生物反應(yīng)器用于細(xì)胞培養(yǎng)

通過實驗課的學(xué)習(xí)，學(xué)生自行設(shè)計，將試劑瓶改裝成簡易生物反應(yīng)器，如圖1所示，并利用該生物反應(yīng)器建立了水曲柳細(xì)胞培養(yǎng)體系。將水曲柳細(xì)胞接種到WPM+0.15 mg/L 2，4-D+0.1 mg/L BA+20 g蔗糖［10］的培養(yǎng)基中，培養(yǎng)15 d稱其干重，細(xì)胞增重7.8 g/L。

圖1 生物反應(yīng)器培養(yǎng)水曲柳細(xì)胞

4 結(jié)束語

通過幾年的不斷探索與嘗試，本院基本上形成了一套比較完整、穩(wěn)定的“植物細(xì)胞工程”實驗體系，在實驗教學(xué)中，注重技術(shù)操作性、實踐性和綜合性應(yīng)用，收到了良好的效果。但生物學(xué)專業(yè)的實驗教學(xué)改革與完善是一個長期的系統(tǒng)工程，本院將進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗，完善實驗教學(xué)，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，以適應(yīng)強(qiáng)化本科教育綜合能力培養(yǎng)的需要，達(dá)到在教學(xué)中進(jìn)行科研，并提高對學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

［1］李志勇.細(xì)胞工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［2］宋思揚，樓士林.生物技術(shù)概論［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［3］李立群，鄭錦娟，馬長珍，等.植物細(xì)胞工程實踐教學(xué)改革探索［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28（2）: 148-150.

［4］代建麗.植物細(xì)胞工程教學(xué)改革初探［J］.科教文匯，2011（2）:33-37.

［5］姚子昂.細(xì)胞工程實驗教學(xué)的改革與實踐［J］.科技資訊，2010（3）:152.

［6］李勇，賀慶棠.國外研究型大學(xué)教學(xué)模式的優(yōu)勢及借鑒［J］.中國高等教育，2009（1）:60-62.

［7］潘娌妮，吳蕾蕾.淺談大學(xué)生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［J］.西北醫(yī)學(xué)教育，2009，17（1）:20-21.

［8］張以順，黎茵陳，云風(fēng)黃，等.構(gòu)建本科實驗教學(xué)與科學(xué)研究互動模式，實現(xiàn)科學(xué)研究與實驗教學(xué)的有機(jī)嵌合［J］.高校教育研究，2009（3）:89-90.

［9］黃素華.《植物細(xì)胞工程》課程探索與改革［J］.龍巖學(xué)院學(xué)報，2007，2（2）:82-83.

［10］丁小萌，嚴(yán)俊崎，周博，等.水曲柳愈傷組織誘導(dǎo)及懸浮細(xì)胞體系的建立［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29（25）:21-25.

Culturing Innovation Ability of Students in the Teaching of Cell Engineering Experements

QI Fenghui，CUI Liting，ZUO Xingxiang，ZHAN Yaguang
（College of Life Sciences，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Cell engineering，as a research technique，has been used in the every aspect of bioengineering.Cell engineering has been contributing to human being in agriculture，forestry，horticulture and medical sciences，etc.In order to cultivate innovation ability of students，some measures were adopted.The teaching contents combined experiment projects with theory teaching and research achievements.Some comprehensive experiments were introduced to inspire the scientific thinking and consciousness of innovation of students.As a result，students could design and adapt the bioreactors and use them in plant cell culturing.

fraxinus mandshurica；innovation ability；cell engineering；teaching practice

G642.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.050

2014-12-10；修改日期：2016-06-25

東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練項目（2012059）；黑龍江省高等學(xué)校教改項目（JG2014010584）。

齊鳳慧（1976-），女，博士，高級工程師，主要從事植物細(xì)胞工程方面的研究。