“高級細胞生物學”碩士研究生課程教學改革探索

周宇荀

(東華大學 化學化工與生物工程學院，上海 201620)

一、 “高級細胞生物學”課程的特點

“高級細胞生物學”是我校(東華大學)為生物化學與分子生物學專業(yè)碩士研究生開設(shè)的一門專業(yè)必修課，它是在細胞生物學和分子生物學基本理論的基礎(chǔ)上，深入解析真核細胞的化學本質(zhì)及細胞運動、代謝、物質(zhì)傳遞、信息交流(包括細胞與外部環(huán)境及細胞之間)的分子基礎(chǔ)及機制，并介紹細胞生物學研究的最新動態(tài)、研究成果及研究技術(shù)，訓練生物學相關(guān)方向的研究生為從事科研工作做理論準備。

進入我校生物化學和分子生物學碩士學位點學習的學生絕大部分已經(jīng)在本科階段完成了“生物化學”“細胞生物學”“普通遺傳學”“分子生物學”等課程的學習，但很多碩士生導師的研究方向卻并非傳統(tǒng)的生物學科，而是與生物交叉的生物材料領(lǐng)域。因此在教學內(nèi)容安排上，既要提高細胞生物學的理論深度，緊跟生物學研究領(lǐng)域的前沿，又要結(jié)合本學位點的研究特色，在有限的教學課時內(nèi)幫助學生掌握對他們的研究最有用的知識。與本科生教學相比，碩士研究生的專業(yè)課教學除了給學生介紹更加深入抽象的理論知識以外，還應(yīng)注重培養(yǎng)學生運用理論知識指導科學研究，解決在科研中遇到的實際問題的能力。由于我校生物化學與分子生物學專業(yè)的碩士生大多來自其他院校，很多學生在本科階段沒有系統(tǒng)學習過專業(yè)英語，對科技文章的寫作方式、句型結(jié)構(gòu)及語法等不熟悉，專業(yè)詞匯不足，而研究生階段需要閱讀大量的英文文獻甚至用英文寫作，他們亟需提高英文讀寫能力。因此我們希望通過“高級細胞生物學”課程的教學，使學生從動態(tài)的角度了解和掌握細胞生物學的理論和最新的研究成果，以及相關(guān)的研究思路與技術(shù)，培養(yǎng)學生從自己課題的角度出發(fā)設(shè)計與細胞相關(guān)的實驗和分析實驗結(jié)果的科研能力，也能對他們的專業(yè)英語閱讀理解和寫作能力的提高起到促進作用。為此，我們在教學中從參考書選擇，課程內(nèi)容安排及國際化等方面進行了積極探索。

二、 “高級細胞生物學”課程教學改革措施

1. 選擇英文原版教材作為主要教學參考書

我們選用了John Wiley & Sons出版公司2012年出版的由杰拉德·卡普(Gerald Karp)編寫的CellandMolecularBiology:ConceptsandExperiments(第6版)[1]作為主要教學參考書，全書分為18章，涵蓋了從靜態(tài)的細胞基本結(jié)構(gòu)，包括細胞膜及主要細胞器的結(jié)構(gòu)功能，到動態(tài)的細胞運動、增殖、基因表達調(diào)控、細胞間的信息交流、信號轉(zhuǎn)導、免疫應(yīng)答及細胞凋亡等幾乎所有與細胞生命活動相關(guān)的理論知識，并配有750幅制作精美的插圖，幫助讀者理解重要的概念和過程，以及蛋白質(zhì)等生物大分子在細胞中的定位。該書特別注重基本概念的解析，例如分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、細胞器的動態(tài)特征、運用化學能維持細胞活動和生物大分子的準確合成以及調(diào)控細胞活動的分子機制等。

該書的另一大特點就是將理論知識與科學實驗緊密相連。因為細胞及分子生物學是一門實驗科學，學習者應(yīng)該了解每一個重大成果的發(fā)現(xiàn)過程，以培養(yǎng)他們的學習興趣和掌握科學研究的方法。該書對每一個重要結(jié)論都提供了足夠的實驗證據(jù)加以驗證，對一些關(guān)鍵實驗手段和研究方法的重要特性進行了詳細描述。為了強調(diào)實驗的重要性，該書在有些章節(jié)的最后特意增加了一個單元“Experimental Pathway”(實驗的途徑)，詳細描述了一些重要發(fā)現(xiàn)的實驗過程。為了增加該教材的趣味性和可讀性，每章還加入了The Human Perspective(人類的前景)單元，解析人類疾病與細胞和分子水平活性異常的關(guān)聯(lián)，并說明基礎(chǔ)研究在疾病診斷和治療中的重要性。

該書作者深諳科技文章的寫作技巧，盡管用母語寫作，但詞匯運用絕不生僻難懂又不失豐富生動；句式結(jié)構(gòu)富于層次，語法運用規(guī)范，便于讀者理解。無論是內(nèi)容的博大精深還是文字的純熟優(yōu)美，該書都堪稱專業(yè)教科書的經(jīng)典之作。

2. 教學內(nèi)容選擇

本學科點的碩士研究生同期還學習“分子遺傳學”和”分子生物學“兩門專業(yè)必修課，這兩門課程的主要授課內(nèi)容都與生物體發(fā)育、基因組和基因表達調(diào)控相關(guān)，因此有關(guān)DNA和RNA的內(nèi)容即從“高級細胞生物學”課程教學大綱中刪除，以避免與前兩門課程的內(nèi)容重復。而細胞信號轉(zhuǎn)導研究是解析蛋白質(zhì)功能和細胞增殖、衰老、死亡(包括凋亡)等重要生命活動調(diào)控機制的重要手段，對于生物專業(yè)的基礎(chǔ)研究非常重要，而在本科階段的教學中又沒有系統(tǒng)講解，因此這一部分內(nèi)容是本課程的必講部分。

生命的本質(zhì)是化學的，一切生命活動都通過化學反應(yīng)來實現(xiàn)。盡管在本科生的“生物化學”課程中對四種生物大分子(蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖、核酸)的化學組成和結(jié)構(gòu)及其生物學功能進行了詳細的介紹，但是對其結(jié)構(gòu)組成和變化與功能實現(xiàn)的關(guān)系只是點到即止。因此在本課程“生命的化學本質(zhì)”一章中，將深入介紹蛋白質(zhì)主要結(jié)構(gòu)域發(fā)揮生物功能的機制，以及關(guān)鍵氨基酸的變化如何影響蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)從而影響其功能。

細胞的外環(huán)境，包括細胞外基質(zhì)、細胞的連接在細胞生命活動中的重要性常常被很多教科書忽視，而細胞外基質(zhì)在維持細胞生存、介導細胞間的信息交流、抑制腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移等方面的功能越來越受到關(guān)注，生物材料被植入人體后首先接觸的就是細胞的外環(huán)境，材料與外環(huán)境中的基質(zhì)蛋白質(zhì)、蛋白聚糖的相互作用，既對材料的理化特性產(chǎn)生影響，又會對細胞正常生長和細胞間信號傳遞產(chǎn)生干擾，從而引起生物體局部甚至整體的不良反應(yīng)。因此對細胞外環(huán)境的組成和細胞間連接及交流方式的了解，以及對它的生物相容性和安全性評價至關(guān)重要，這也是本課程“細胞與環(huán)境的相互作用”章節(jié)要介紹的內(nèi)容。

細胞膜是細胞的重要組成部分，也是細胞生物學教學的重點內(nèi)容。但在本科教學中重點介紹的是細胞膜的脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)及其選擇透過性在細胞與外界的物質(zhì)交換中的作用，因此在本課程“細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能”一章中，我們將對細胞膜蛋白的結(jié)構(gòu)功能、細胞膜的可興奮性和在神經(jīng)沖動傳導中的作用進行詳細解析，以幫助學生進一步加深對生物膜和神經(jīng)元的理解。

細胞骨架除了維持細胞形狀、為細胞提供機械支持以外，還是一切與細胞運動有關(guān)的生命活動,包括胞內(nèi)物質(zhì)運輸、有絲分裂中染色體的分配、細胞移動、胚胎發(fā)育的器官分化、神經(jīng)元軸突的形成及肌肉收縮等的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是細胞骨架往往是經(jīng)典細胞生物學教學中被忽視或一筆帶過的內(nèi)容。對于生物材料研究來說，細胞骨架的作用尤為重要。例如生物材料在骨骼修復中扮演了重要的角色，而骨組織的再生離不開機械刺激，細胞受到機械刺激后將其轉(zhuǎn)化為化學信號，引起一系列下游反應(yīng)，細胞骨架在力學信號的感受及轉(zhuǎn)導中發(fā)揮了重要作用。因此在“細胞骨架及細胞運動”一章中，我們將系統(tǒng)介紹細胞骨架及相關(guān)蛋白，包括它們的蛋白組成、裝配過程、作用方式以及生物學功能。

本課程的教學內(nèi)容及學時安排如表1所示。

表1 “高級細胞生物學”課程教學內(nèi)容及學時安排

3. 課程教學的國際化探索

2016年，“高級細胞生物學”課程獲得了“東華大學國際大師研究生課程建設(shè)項目”立項,我們邀請了美國密歇根大學醫(yī)學院的王蘇河教授來主講。王教授在英國University of Strathclyde取得博士學位，并在美國密歇根大學從事了20余年生命科學領(lǐng)域的研究，主要研究方向為疾病的細胞凋亡途徑、基因表達調(diào)控及自主免疫的機制，發(fā)表論文50多篇，具有扎實的細胞生物學、分子生物學理論功底和豐富的科研和教學經(jīng)驗，是本課程“國際大師”的理想人選。

王教授推薦了另一本教學參考書，James R.Morris等編著的HowLifeWorks[2]。在教學大綱的框架內(nèi)，王教授重新制作了全部的課件，對教學內(nèi)容進行了重新規(guī)劃，增加了很多更易理解的示意圖，減少了PPT上的文字比重，每章的內(nèi)容也更為集中，突出重點，在一些重要知識點上介紹得更為細致深入。

(1) 內(nèi)容安排。既有宏觀視野上的連續(xù)性，又有微觀角度的深入點，基礎(chǔ)理論和實驗證據(jù)相得益彰。在授課內(nèi)容的安排上王教授不僅重視知識的連貫性，而且更好地把握了重點，點面結(jié)合，深淺適宜。例如在“緒論”部分，原先安排2學時，主要介紹細胞學的起源、細胞的定義與特性，以及最新的細胞生物學研究成果，包括胚胎干細胞、成體干細胞、誘導性干細胞及其應(yīng)用前景等。王教授將“緒論”部分調(diào)整為4學時，在介紹細胞學說時，把細胞的形成和生物的演化結(jié)合在一起，從原核、真核和古細菌這三大類生物的演化歷程出發(fā)，結(jié)合遺傳學、分子生物學的知識，動態(tài)展示了生命從單細胞原核生物到高等哺乳動物的進化過程，從而得出生物既有同一性又有多樣性的結(jié)論，并通過引入大腸桿菌的實驗證據(jù)，生動地證明了生物進化論的合理有效性，促進了學生對知識的理解，同時也幫助學生掌握科學實驗的設(shè)計方法和證明邏輯。

在授課過程中王教授還結(jié)合自己的研究工作介紹學科前沿知識。例如，在講授“細胞信號與轉(zhuǎn)導”一章的“細胞凋亡信號”部分時，她介紹了由細胞凋亡導致的自體免疫型甲狀腺炎的發(fā)病原理，解析了自身炎癥細胞分泌的干擾素/白介素1→Fas蛋白→甲狀腺細胞凋亡的通路，言簡意賅，令人印象深刻。

(2) 授課形式。本課程采用全英文授課，并引入課堂討論，氣氛活躍。任課教師制作的課件圖片比例高，每一個知識點都附加了至少一張圖片以幫助學生理解，同時也提高了學生的學習興趣和注意力。對于重點介紹的內(nèi)容，會采用不同來源和角度的圖片加以反復說明，例如在“細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能”一章中，動作電位的產(chǎn)生和神經(jīng)沖動的傳導是重點內(nèi)容之一，僅關(guān)于動作電位的圖片就用了30幅，全方位展示了動作電位產(chǎn)生的全過程，涉及分子機制、傳導方式、神經(jīng)元與之配合的結(jié)構(gòu)，以及與之有關(guān)的神經(jīng)元疾病的發(fā)病原因等具體而完整的內(nèi)容，使學生加深印象。

本課程采用全英文授課，考慮到學生的接受程度，任課教師借助提問和課堂討論及課堂小測驗評估教學效果，根據(jù)學生反映的問題和遇到的困難，及時調(diào)整上課節(jié)奏，以滿足大部分學生的進度要求。盡管一些學生的英語表達不好，但教師仍然嚴格要求他們用英語提問和回答問題，并對積極提問和回答問題的學生進行鼓勵，活躍課堂氣氛。經(jīng)過“東華大學國際大師研究生課程建設(shè)項目”的立項，“高級細胞生物學”課程在授課內(nèi)容、課件質(zhì)量、授課形式等方面進行了改革，教學效果顯著提升，為本碩士點其他專業(yè)課程教學的國際化探索提供了有益的借鑒。

三、 結(jié)語

通過“東華大學國際大師研究生課程建設(shè)項目”的立項資助，我?！案呒壖毎飳W”碩士研究生課程教學成功地進行了國際化探索，從授課內(nèi)容、上課形式和考試方式上都更多地借鑒了國外的先進經(jīng)驗，使學生近距離接觸國際大師，開闊了視野，提高了從事科研工作的興趣和熱情，收到了很好的教學效果。

參考文獻：

[1] KARP Gerald. Cell and molecular biology: Concepts and experiments[M]. 6th ed. John Wiley & Sons, Inc, 2012.

[2] MORRIS J R, HARTL D L, KNOLL A H, et al. How life works: From organisms to the environment, and evolution[M]. W H Freeman & Co, 2015.