中醫(yī)藥院校細(xì)胞工程實驗課程改革的探索

劉穎 徐文娟 何平

[摘要]細(xì)胞工程實驗是中醫(yī)藥院校生物制藥專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)必修課。傳統(tǒng)教學(xué)中實驗學(xué)時較少、與實際應(yīng)用相脫離，且缺少與中醫(yī)藥的有機結(jié)合。本文以我校目前進行的細(xì)胞工程實驗課程改革為基礎(chǔ)，分析改革的意義、目的、必要性以及取得的進展，并對未來的課程發(fā)展做出展望，以期為更好地在中醫(yī)藥院校中開展細(xì)胞工程實驗課程提供參考。

[關(guān)鍵詞]細(xì)胞工程;生物制藥;中醫(yī)藥;改革

[Abstract] Cell engineering experiment is one of the most important compulsory courses for college students majoring in biopharmaceutics at traditional Chinese medicine universities. In the traditional teaching method， the credit hours are very limited， the experimental contents break away from the practical application and lack the combination with Chinese medicine. Based on the innovation of cell engineering experiment in Beijing University of Chinese Medicine， this paper analyzed the meaning， objective， necessary， and progress of this innovation， and discussed the course development in the future， in order to lay a foundation for the innovation of cell engineering experiment in traditional Chinese medicine universities.

[Key words] Cell engineering; Biopharmaceuticals; Traditional Chinese medicine; Innovation

細(xì)胞工程是指應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的方法，通過類似于工程學(xué)的步驟，在細(xì)胞整體水平或細(xì)胞器水平上，按照人們的意愿來改變細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)以獲得新型生物或特種細(xì)胞產(chǎn)品的一門綜合性科學(xué)技術(shù)[1]。廣義的細(xì)胞工程包括所有的生物組織、器官及細(xì)胞離體操作和培養(yǎng)技術(shù)。狹義的細(xì)胞工程則是指細(xì)胞融合和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。細(xì)胞工程是生物工程的重要組成部分，與酶工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程、基因工程以及生化工程彼此聯(lián)系、相互影響，廣泛涉及到農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境、輕工業(yè)、食品、能源等多個領(lǐng)域[2]。因此許多綜合性大學(xué)及農(nóng)林院校的生物工程專業(yè)、生物制藥專業(yè)都將其作為本科生學(xué)士學(xué)位必修課程開設(shè)[3]。

細(xì)胞工程實驗課有助于加深對細(xì)胞工程基礎(chǔ)理論的理解，是對課堂教學(xué)效果的進一步鞏固和提升[4]。該課程具有實踐性強的特點，對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)、科研思維的訓(xùn)練以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都大有裨益。因此，我校生物制藥專業(yè)自2003年招生以來，雖然課程體系幾經(jīng)調(diào)整，但細(xì)胞工程實驗課一直是本科生的專業(yè)必修課程。

中醫(yī)藥院校的生物制藥專業(yè)，應(yīng)培養(yǎng)適應(yīng)中醫(yī)藥發(fā)展需要，具有較高的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，能利用現(xiàn)代生命科學(xué)與技術(shù)從事中藥生物技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)營的專門人才[5]。因此，中醫(yī)藥院校生物制藥專業(yè)的主干課程應(yīng)體現(xiàn)中醫(yī)藥特色，與中藥發(fā)展相結(jié)合。雖然國內(nèi)外已經(jīng)出版了一些有關(guān)細(xì)胞工程的實驗教程[6]，但內(nèi)容多以植物細(xì)胞工程及動物細(xì)胞工程的基本操作為主，并沒有體現(xiàn)與中醫(yī)藥的有機結(jié)合。因此，本文結(jié)合中醫(yī)藥院校生物制藥專業(yè)本科生的培養(yǎng)特點和要求，以及本校生物制藥學(xué)科建設(shè)的實際需求，對細(xì)胞工程實驗教學(xué)的內(nèi)容及授課方式進行探討，以期為該課程的教學(xué)改革以及生物制藥學(xué)科建設(shè)提供參考。

1生物制藥專業(yè)細(xì)胞工程實驗傳統(tǒng)教學(xué)模式

我校生物制藥專業(yè)細(xì)胞工程的課程設(shè)置為54學(xué)時，其中36學(xué)時為理論課，18學(xué)時為實驗課（第五學(xué)期）。實驗課程每次3學(xué)時，分別開設(shè)以下6個內(nèi)容：①植物組織培養(yǎng)實驗室介紹及玻璃器皿的清洗;②植物組織培養(yǎng)基的配制及高壓滅菌;③植物愈傷組織的誘導(dǎo);④植物細(xì)胞懸浮培養(yǎng);⑤動物細(xì)胞培養(yǎng)液的配制及過濾除菌;⑥動物細(xì)胞的傳代培養(yǎng)。

細(xì)胞工程實驗課的傳統(tǒng)教學(xué)重點是培養(yǎng)學(xué)生的無菌操作[7]，所開設(shè)的6次課程中有4次需要進入超凈工作間進行實踐操作。授課教師做好課前準(zhǔn)備，包括：超凈工作間的紫外線消毒、接種器械的高溫高壓滅菌、玻璃器皿的消毒等。在課堂教學(xué)過程中授課教師首先講解實驗?zāi)康?、原理、材料及步驟，并配合動作示范;然后學(xué)生分組進入超凈工作間進行實驗，教師從旁指導(dǎo)，并給每個學(xué)生的操作打分;實驗結(jié)束后學(xué)生提交實驗報告，教師結(jié)合操作成績和實驗報告給出學(xué)生的實驗成績。該教學(xué)模式簡單，易于量化，框架清晰，但學(xué)時有限，且實驗均為驗證性實驗，學(xué)生掌握的知識點單一，缺乏對理論知識的系統(tǒng)性認(rèn)識，也不利于激發(fā)學(xué)生的科研興趣。

此外，傳統(tǒng)的細(xì)胞工程實驗教學(xué)中主要注重植物細(xì)胞工程與動物細(xì)胞工程的基本操作[8]，并未利用中醫(yī)藥院校的傳統(tǒng)優(yōu)勢，體現(xiàn)中醫(yī)藥特色。雖然實驗結(jié)果的重復(fù)性良好，但不利于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，為將來從事相關(guān)科學(xué)研究打好基礎(chǔ)[9]。

2細(xì)胞工程實驗教學(xué)改革的探索

為解決傳統(tǒng)細(xì)胞工程實驗中存在的上述問題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，更好地將細(xì)胞工程理論知識付諸實踐，同時體現(xiàn)中醫(yī)藥特色，與中藥發(fā)展相結(jié)合，筆者嘗試對細(xì)胞工程實驗教學(xué)進行了探索性改革。

2.1激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，變驗證性實驗為探索性實驗

傳統(tǒng)細(xì)胞工程實驗中，植物細(xì)胞工程部分采用已知配方的MS培養(yǎng)基對胡蘿卜小塊組織進行愈傷組織誘導(dǎo)，該實驗條件成熟，操作可控，90%以上的學(xué)生均能觀察到正確的實驗現(xiàn)象[10]。但不利于學(xué)生深刻理解細(xì)胞脫分化的理論基礎(chǔ)，也不利于學(xué)生主動獲取知識及獨立設(shè)計實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。因此，我們將驗證性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍詫嶒?。在理論教學(xué)課堂上布置好實驗教學(xué)的改革方案，請學(xué)生自由結(jié)組，每組選擇一種藥用植物為外植體材料，查閱文獻并根據(jù)課堂學(xué)習(xí)的理論知識自行設(shè)計實驗方案。最終，30名學(xué)生自行結(jié)成5組，分別以甘草、柴胡、一葉萩、金銀花、銀杏為實驗材料，將誘導(dǎo)培養(yǎng)基中生長素與分裂素的種類及配比作為重點考察對象，設(shè)計正交實驗。然后由各組學(xué)生按照自己設(shè)計的實驗方案分工合作，配制培養(yǎng)基并完成外植體接種，匯總實驗結(jié)果并提交實驗報告。

傳統(tǒng)的動物細(xì)胞工程實驗采用DMEM培養(yǎng)基對Hela細(xì)胞進行傳代培養(yǎng)，也存在植物細(xì)胞工程中類似的問題，即：操作模式化，且缺乏與中醫(yī)藥的聯(lián)系。因此，筆者結(jié)合自己的日?？蒲泄ぷ鲗游锛?xì)胞工程實驗進行了調(diào)整。對以上5組學(xué)生分別提供Hela、BGC823、A549、U87、K562等腫瘤細(xì)胞系，同時提供大宗藥材甘草中的兩種最常見黃酮類化合物甘草苷及異甘草苷，由學(xué)生自行設(shè)計MTT實驗方案，在學(xué)習(xí)培養(yǎng)動物細(xì)胞的基礎(chǔ)上嘗試進行中藥成分的細(xì)胞毒活性篩選，并掌握MTT的基本實驗方法。每組同學(xué)分工合作，匯總實驗結(jié)果、分析實驗數(shù)據(jù)，并提交實驗報告。

2.2鼓勵學(xué)生開拓，變傳統(tǒng)細(xì)胞工程實驗為中醫(yī)藥特色實驗

傳統(tǒng)細(xì)胞工程實驗中未考慮到中醫(yī)藥大學(xué)的培養(yǎng)特色，因此實驗安排參照綜合性大學(xué)細(xì)胞工程的實驗內(nèi)容[11]。筆者在本次實驗改革中，強調(diào)將細(xì)胞工程理論知識付諸實踐，同時體現(xiàn)中醫(yī)藥特色，與中藥發(fā)展相結(jié)合。因此，在植物細(xì)胞工程實驗中學(xué)生選擇外植體材料的范圍是北京中醫(yī)藥大學(xué)藥草園中的藥用植物甘草、柴胡、一葉萩、金銀花和銀杏。在獲得愈傷組織后，有興趣的同學(xué)可利用課余時間對其進行擴大培養(yǎng)，并鼓勵學(xué)生依據(jù)藥典方法對愈傷組織中的有效成分進行含量測定。此部分內(nèi)容為拓展性訓(xùn)練，一方面可以幫助學(xué)生更好地理解細(xì)胞工程理論課中植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)及其應(yīng)用的相關(guān)知識，另一方面可以與中藥發(fā)展相結(jié)合，探索離體培養(yǎng)累積藥效成分的可能性，為緩解中藥的資源壓力提供新的思路。而在動物細(xì)胞工程部分增加的MTT實驗也可以增強學(xué)生對于“抗癌”這一詞匯的實際體會，了解體外實驗在新藥開發(fā)中的作用和意義。以上拓展性實驗也可以增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，有利于獨立思考的培養(yǎng)及動手能力的提高。

2.3促進學(xué)生能力提升，變傳統(tǒng)性評價為綜合性評價

傳統(tǒng)細(xì)胞工程實驗課的評價方式為教師結(jié)合操作成績和實驗報告給出學(xué)生的實驗成績[12]，但進行實驗課程改革后，原有的評價方式不足以反映學(xué)生的實際能力與學(xué)術(shù)水平。因此，筆者對課程的評價方式進行了修訂，從實驗方案設(shè)計及撰寫、實驗操作技術(shù)以及實驗結(jié)果報告三個方面進行綜合性評價。對于實驗方案，要求每組提交紙質(zhì)版的實驗設(shè)計方案，并采用PPT的形式對實驗方案進行詳述，教師評價和組間互評并行，各自權(quán)重為50%。實驗方案的評價指標(biāo)列于表1中，PPT的評價指標(biāo)列于表2中。對于實驗操作，要求組內(nèi)成員協(xié)同配合，有序完成方案中的全部操作，由教師對每組的實際操作進行評價，評價指標(biāo)列于表3中。對于實驗結(jié)果，采用實驗報告的形式進行匯報，由教師對實驗結(jié)果進行評價，評價指標(biāo)列于表4中。

3細(xì)胞工程實驗教學(xué)改革的效果評價

3.1探索性實驗有利于學(xué)生綜合科研能力的培養(yǎng)

在傳統(tǒng)的細(xì)胞工程實驗中，由教師提供實驗材料、講解實驗原理、演示實驗操作，學(xué)生只需要被動接受[13]，而細(xì)胞工程實驗教學(xué)改革中要求學(xué)生以小組為單位自行設(shè)計實驗，學(xué)生需主動查閱資料、獲取知識，并合理運用知識進行實驗設(shè)計，這有利于學(xué)生獨立科研能力的培養(yǎng)。實驗從設(shè)計到完成需綜合運用細(xì)胞工程中的多個知識點，可以幫助學(xué)生將知識點有機串聯(lián)，從而系統(tǒng)性的掌握知識。學(xué)生在設(shè)計實驗、PPT匯報及完成實驗的具體過程中均以小組為單位，組內(nèi)成員需協(xié)同配合、有條不紊的完成全部工作，這有利于學(xué)生團隊意識的培養(yǎng)。實驗設(shè)計方案及實驗報告均以書面形式提交，要求學(xué)生撰寫規(guī)范、條理清晰、文字流暢，這有利于學(xué)生科研論文寫作水平的提升。

3.2探索性實驗有利于激發(fā)學(xué)生的科研興趣及創(chuàng)新性

在探索性實驗開設(shè)過程中，學(xué)生通過自主選題、自行設(shè)計實驗，可有效提高學(xué)生的科研思維能力和實驗操作技能[14]。探索性實驗的內(nèi)容與本課程重要的理論知識相對應(yīng)，是學(xué)習(xí)鞏固理論知識的重要手段，又與行業(yè)需求相對接，具有良好的實用性。因此，對于本次教學(xué)改革，學(xué)生表現(xiàn)出濃厚的興趣，并能夠積極利用課余時間走進實驗室，學(xué)生在實驗過程中會遇到各種各樣的問題，在教師的指導(dǎo)下，通過自身的努力解決問題，并順利完成實驗，從而激發(fā)學(xué)生的科研興趣，并培養(yǎng)其創(chuàng)新性思維，而這些正是探索性實驗的意義所在。

3.3 綜合性評價更合理的考核學(xué)生的學(xué)習(xí)成效

在應(yīng)用探索性實驗進行細(xì)胞工程實驗教學(xué)改革過程中，實驗結(jié)果并不是評價學(xué)生實驗?zāi)芰Φ奈ㄒ恢笜?biāo)，更重要的是實驗的過程[15]。因此，筆者將多種評價方式相結(jié)合，對實驗設(shè)計、實驗過程以及實驗結(jié)果進行綜合評價，同時采用教師評價和相互評價相結(jié)合，在評價中還注重對學(xué)生在實驗過程中表現(xiàn)的職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力、團隊意識進行評價。這種綜合性的評價方式有助于激發(fā)學(xué)生的積極性，啟迪學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的精神，更為合理地對學(xué)生的學(xué)習(xí)成效進行考核[16]。

4展望

在細(xì)胞工程實驗課堂上，應(yīng)用探索性實驗大大提高了學(xué)生的實驗積極性，學(xué)生通過查閱文獻，利用各種教學(xué)資源，自主設(shè)計實驗、匯報PPT、開展實驗并提交報告，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。但也應(yīng)看到具體操作過程中存在的一些問題和困難，有些學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣了按部就班地完成實驗并取得陽性結(jié)果，突然改成自行設(shè)計實驗，會略顯能力不足、難以勝任。因此，教師應(yīng)合理規(guī)劃教學(xué)實驗內(nèi)容，做到難易適中，兼顧創(chuàng)新性與完整性，一方面培養(yǎng)學(xué)生自主處理問題的能力，另一方面關(guān)注學(xué)生自信心的培養(yǎng)。

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（收稿日期：2019-10-28? 本文編輯：陳文文）