細胞工程案例與探究式課堂教學(xué)的探索與實踐

柯 霞,鄭仁朝

(浙江工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院，杭州 310014)

細胞工程是結(jié)合現(xiàn)代生命科學(xué)理論和生物技術(shù)的綜合性學(xué)科，代表著生物技術(shù)與工程相結(jié)合的發(fā)展方向和研究熱點。應(yīng)用細胞生物學(xué)及分子生物學(xué)的原理和方法，在細胞水平上研究并改造生物的遺傳性狀，以期獲得目標性狀的細胞或生物體，既是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分，同時也是現(xiàn)代生物學(xué)研究的重要技術(shù)工具[1]。內(nèi)容涉及細胞培養(yǎng)、細胞融合、染色體工程、胚胎工程及轉(zhuǎn)基因技術(shù)等基本操作技術(shù)，并將特定技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)作物改良育種、人工繁殖、生物制品、醫(yī)藥產(chǎn)品開發(fā)、干細胞與組織工程等多個領(lǐng)域，在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、食品等多個領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用[2]。

浙江工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院是浙江省第一個和全國較早設(shè)立生物工程學(xué)科和專業(yè)的學(xué)院，本校生物工程專業(yè)秉持教學(xué)與浙江省經(jīng)濟互動的宗旨，堅持與時俱進，以“立足浙江生物產(chǎn)業(yè)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，引領(lǐng)浙江工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展”為目標，已形成了“教學(xué)與科研并舉，產(chǎn)-學(xué)-研耦合機制完善”的特色。細胞工程作為生物工程及生物技術(shù)本科專業(yè)的大類基礎(chǔ)主干課程，已在我院開設(shè)十余年，建立了較為完整的教學(xué)體系，其教學(xué)目的在于：1)引導(dǎo)學(xué)生了解細胞工程在生物學(xué)科中的地位及發(fā)展情況；2)幫助學(xué)生理解細胞工程的基本理論依據(jù)；3)使學(xué)生理解并熟悉動植物細胞培養(yǎng)的基本操作技術(shù)及相關(guān)典型產(chǎn)品的制備流程；4)激發(fā)學(xué)生對細胞工程相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的認知興趣；5)突出學(xué)生能力和素質(zhì)培養(yǎng)，為學(xué)生今后從事生物學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究及與細胞工程有關(guān)的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)工作奠定良好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。筆者結(jié)合幾年的教學(xué)探索，從細胞工程課程特點出發(fā)，結(jié)合課堂教學(xué)的具體改革實踐，淺談細胞工程教學(xué)的幾點體會，以期提高細胞工程的課堂教學(xué)效果。

1 階梯式引入課程內(nèi)容，搭建合理知識結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)約翰·M·科勒(John M Keller)教授所提出的ARCS模型[3]，如果在教學(xué)實踐中能夠?qū)⒔虒W(xué)設(shè)計與影響學(xué)生的學(xué)習心理的重要因素包括注意(Attention)、貼切性(Relevance)、自信心(Confidence)和滿足(Satisfaction)等進行合理匹配，就能夠有效激發(fā)與維持學(xué)生學(xué)習動機，該模型被廣泛應(yīng)用于多種教學(xué)實踐中，獲得良好的教學(xué)效果[4]。細胞工程作為一門綜合性、實踐性課程，其理論知識涵蓋面廣，融合多個學(xué)科的技術(shù)交叉,合理規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容、及時補充新知是細胞工程課程建設(shè)的長期任務(wù)[5]。此外，相較于其他生命科學(xué)、生物技術(shù)等專業(yè)，細胞工程課程一般安排在學(xué)生完成各類基礎(chǔ)課之后[6]，但該課程在我院作為一門大類基礎(chǔ)課程，其授課對象為剛接觸生物工程專業(yè)的本科二年級學(xué)生，基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)相對薄弱。在前期教學(xué)實踐中，學(xué)生僅接觸了普通生物學(xué)及生物化學(xué)兩門專業(yè)課，對充分理解課程內(nèi)容有較大難度，若未建立合理的課程導(dǎo)入體系，會直接影響課程的教學(xué)質(zhì)量[7]。因此，圍繞ARCS動機設(shè)計的思路，在細胞工程教學(xué)實踐中，設(shè)計了教學(xué)內(nèi)容的階梯式引入模式(圖1)，包括第一階段基礎(chǔ)理論框架的搭建，第二階段案例式導(dǎo)學(xué)、第三階段自主探究式討論交流三個層次的遞進式組織結(jié)構(gòu)，將教學(xué)內(nèi)容逐層加深。此外，在課堂交流過程中，學(xué)生參與課堂教學(xué)的主動式學(xué)習實踐也逐層遞進。具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如下：在第一階段教學(xué)實踐中，采取抓重點放次要的原則，以教師主講教學(xué)模式為主，主要針對細胞生物學(xué)相關(guān)的經(jīng)典理論知識以“細胞結(jié)構(gòu)與功能、細胞的增殖與分化、細胞的衰老與死亡”等基本生命科學(xué)命題作為重點講述，在此基礎(chǔ)上增加了細胞工程技術(shù)的基本操作規(guī)范，包括細胞實驗室的設(shè)置、常用設(shè)備儀器的配置、無菌操作技術(shù)等，并拓展至動植物細胞基本培養(yǎng)方法，包括細胞接種、傳代、計數(shù)等，借助簡易“微課”和“慕課”教學(xué)手段[7]，通過制作圖文并茂的講解微視頻，使學(xué)生從直觀上更容易認識細胞工程實驗室的基本配置和基本操作過程。隨后，將授課內(nèi)容的主體部分設(shè)置在第二、三階段，抽取細胞工程技術(shù)中的典型產(chǎn)品及關(guān)鍵技術(shù)作為案例模塊，引入案例式、探究式教學(xué)模式，通過對細胞工程典型產(chǎn)品開發(fā)過程中所涉及的實際問題的探討與交流，引導(dǎo)學(xué)生從被動式地知識認知轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮降靥骄坎⒎治鰞?nèi)在機理，幫助學(xué)生在搭建合理的知識理論框架的同時，培養(yǎng)其綜合應(yīng)用能力。

圖1 階梯式引入課程內(nèi)容的設(shè)計Figure 1 Design of curricular content in depth step by step

2 追蹤科技前沿，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，拓展教學(xué)平臺

近年來，細胞工程領(lǐng)域涉及的干細胞、組織工程、轉(zhuǎn)基因動植物等相關(guān)的前沿領(lǐng)域進展迅猛，新知識、新理論、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，教材內(nèi)容相對滯后于本行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。面對迅猛發(fā)展的生命科學(xué)的前沿技術(shù)，結(jié)合學(xué)科發(fā)展，細胞工程的授課內(nèi)容每年都會根據(jù)最新研究進展和教學(xué)體會予以更新，如選取諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎中多項與細胞工程課程內(nèi)容相關(guān)的重大科研成果作為教學(xué)實例，從科學(xué)問題的研究角度出發(fā)，論述特定技術(shù)的研發(fā)過程，引導(dǎo)學(xué)生探索、預(yù)測和構(gòu)想未來發(fā)展的新方向。此外，隨著公共信息資源平臺的日益完善，嘗試建立了微信公眾號的分享平臺，并通過組群建設(shè)實現(xiàn)了細胞工程領(lǐng)域最新資訊的實時分享，激發(fā)了學(xué)生的課外思考。此外，在課程實踐的探究式教學(xué)階段，針對課程典型案例中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)難點問題，課后分享針對性較強、結(jié)合生產(chǎn)實際的經(jīng)典科研文獻作為教學(xué)的補充材料，并通過多種中文期刊檢索網(wǎng)站和中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索網(wǎng)站的介紹，鼓勵學(xué)生檢索自己感興趣的研究論文和專利，通過課前準備及課堂分享交流，拓展了教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度。

3 融合學(xué)案導(dǎo)學(xué)與探究式教學(xué)模式，提高學(xué)生自主學(xué)習能力

細胞工程課程內(nèi)容涵蓋面廣，各章節(jié)的邏輯相關(guān)性較弱，理論表述少，應(yīng)用技術(shù)細節(jié)多，傳統(tǒng)教學(xué)方式中，單純憑借教師口述講授具體工藝的操作流程及關(guān)鍵控制點，無法調(diào)動學(xué)生的興趣及自主學(xué)習動力，僅依賴簡單記憶難以實現(xiàn)知識要點的系統(tǒng)掌握。新的教學(xué)手段，如基于OBE(Outcomes-based Education)與整合思維等教學(xué)理念模式為細胞工程教學(xué)改革注入了新的活力[8]。結(jié)合細胞工程課程的教學(xué)內(nèi)容特點，其專題性強，結(jié)合生活實際及科研的前沿領(lǐng)域，筆者在李志勇主編的《細胞工程學(xué)》教材中抽取了理論難度較大的典型細胞工程技術(shù)實例，包括“細胞融合” “單克隆抗體的制備” “轉(zhuǎn)基因生物反應(yīng)器” “干細胞與組織培養(yǎng)” “胚胎工程” “染色體工程”等章節(jié)作為第二階段的教學(xué)內(nèi)容，通過引入問題推進式的PBL教學(xué)方法，以生活中緊密相關(guān)的現(xiàn)象為著手點，綜合采用啟發(fā)式、比較式、互動式和討論法等多種教學(xué)方式[9]，激發(fā)學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生在初步了解了細胞工程的理論體系、思維方式和研究方法的基礎(chǔ)上，進一步拓展相關(guān)技術(shù)操作實踐及關(guān)鍵點。以細胞融合課堂專題為例，學(xué)案設(shè)計如圖2所示。

首先，從番茄和土豆的融合植株 “泡馬豆”為案例引出課程的核心詞“細胞融合”，隨后引導(dǎo)學(xué)生展開聯(lián)想，將天然存在的細胞融合現(xiàn)象與動植物的雜交過程進行比較及歸納，引出課程的核心問題“如何解決遠緣雜交的不親和性？”，從而引入細胞融合技術(shù)在實現(xiàn)新品種選育中的重要意義，激發(fā)學(xué)生對細胞融合技術(shù)的求知欲，從而順勢對課程核心內(nèi)容的進行逐層展開，包括細胞融合的定義、基本原理及關(guān)鍵操作步驟等，幫助學(xué)生建立細胞融合技術(shù)相關(guān)的基本知識框架。此外，在課程最后，通過分享人造細胞“辛西婭”案例，進一步將課程內(nèi)容觸及至最新研究領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生對生命科學(xué)前沿技術(shù)的興趣，并鼓勵其在課后進行深入調(diào)研，在課后作業(yè)中通過打分的形式體現(xiàn)其參與度及完成度。

圖2 細胞融合課程中PBL教學(xué)模式的學(xué)案設(shè)計Figure 2 Learn case design for PBL teaching in cell fusion section

此外，將課程內(nèi)容中相對淺顯、貼近生活又能夠激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習的細胞工程課程內(nèi)容相關(guān)的典型產(chǎn)品包括“組織工程皮膚”“植物新品種培育”“人工種子制備”及“性別控制技術(shù)”等專題作為探究式討論的教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生自學(xué)的翻轉(zhuǎn)課堂教授模式安排在課程的第三階段。以人工組織工程皮膚為例，學(xué)案設(shè)計如下：在課前預(yù)習階段要求學(xué)生在借助課本及輔助材料(相關(guān)網(wǎng)站、視頻及學(xué)案)，嘗試解決“什么是組織工程”“組織工程皮膚構(gòu)建的基本要素包括哪些”“其相關(guān)的技術(shù)路線和方法是什么”“除人工皮膚以外，組織工程的相關(guān)產(chǎn)品還包括哪些部分”等問題，使學(xué)生初步了解即將新授課程內(nèi)容，并提高自主獲取知識的能力；在課堂中，要求每組學(xué)生圍繞導(dǎo)學(xué)題展開充分討論，并在此環(huán)節(jié)借助案例式教學(xué)法組織學(xué)生在課堂中分享對組織工程皮膚的具體應(yīng)用實例，最后由教師對本節(jié)課的難點和重點做歸納小結(jié)。

4 完善課程考核體系，注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

科學(xué)的考核方式對于提高學(xué)生的學(xué)習積極性和教學(xué)效果具有重要的作用[10]?？紤]到細胞工程課程內(nèi)容知識點多而散，記憶比重大的特點，我?；A(chǔ)大類課程的成績評定方式將平時成績的所占比例提高至50%，引導(dǎo)學(xué)生重視平時學(xué)習，防止期末突擊應(yīng)付考試。在本課程中，平時考核主要包括考勤(10%)，課堂表現(xiàn)(20%)及課后作業(yè)(20%)三個部分。其中，在課堂表現(xiàn)方面主要針對教學(xué)第三階段探究式及案例分享階段的表現(xiàn)，由學(xué)生互評方式進行統(tǒng)一打分。此外，參照前期報道的教學(xué)經(jīng)驗[11]，平時作業(yè)內(nèi)容中，將傳統(tǒng)“教師出題，學(xué)生被動回答”的作業(yè)模式改為學(xué)生自主歸納每堂課程的大綱、重點與難點，教師在每節(jié)課前將上一堂課作業(yè)內(nèi)容反饋于學(xué)生，并結(jié)合自己的專題以小論文的形式對講述內(nèi)容進行凝練提升，從而綜合性考核了學(xué)生的平時表現(xiàn)。在期末復(fù)習及考核階段，首次提出了“一頁紙”考核模式，允許學(xué)生在復(fù)習過程中將課程內(nèi)容的重點與難點小結(jié)用筆記錄在一張A4紙上，帶入考場，在減輕學(xué)生期末復(fù)習階段記憶壓力的同時也激發(fā)了學(xué)生的總結(jié)歸納能力。實踐證明，該模式受到學(xué)生的一致好評，在教學(xué)改革實施兩年以來，考試質(zhì)量分析結(jié)果表明，相較于未實行教學(xué)改革的大班授課的平行班級，小班化授課的改革對象班級其總體優(yōu)秀率從7.76%提升至24.6% ，不及格率從7.14%下降至2.19%，教學(xué)成效顯著。

5 結(jié)語

通過階梯式引入教學(xué)內(nèi)容，專題背景技術(shù)的案例式導(dǎo)學(xué)與探究式討論相結(jié)合的教學(xué)模式，完善考核評價等教學(xué)實踐過程，突出了學(xué)生的主體地位，激發(fā)其自主學(xué)習意識，達到了良好的教學(xué)效果。但是，細胞工程的課程教學(xué)改革是一個漫長的過程，需要在教學(xué)過程中不斷思考、探索和總結(jié)，以期推進教學(xué)質(zhì)量的日趨完善。