組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

李櫟 唐歷波

[摘要]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，組織工程學(xué)這門新興學(xué)科將成為臨床醫(yī)學(xué)的一個重要組成部分。因此，探索為臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科學(xué)生開設(shè)組織工程課程的教學(xué)模式十分必要。本研究以培養(yǎng)臨床專業(yè)創(chuàng)新性人才為教學(xué)目標(biāo)，以組織工程器官-骨膜的制備移植為主線，將分散的實(shí)驗(yàn)串接成綜合性實(shí)驗(yàn)。并通過學(xué)生、任課教師調(diào)查反饋以及學(xué)校教學(xué)督導(dǎo)意見對教學(xué)效果和教學(xué)目標(biāo)的完成情況進(jìn)行評價。

[關(guān)鍵詞]組織工程;綜合性實(shí)驗(yàn);教學(xué)模式;臨床醫(yī)學(xué)

[中圖分類號] R318.08? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1674-4721（2020）5（b）-0191-04

Exploration and practice of comprehensive experimental teaching mode of tissue engineering

LI Li? ?TANG Li-Bo▲

Teaching and Research Section of Medical Tissue Engineering， School of Basic Medicine and Life Sciences， Hainan Medical University， Hainan Province， Haikou? ?571199， China

[Abstract] Tissue engineering， as a new subject， is becoming an important part of clinical medicine with the development of science and technology. Therefore， it is necessary to explore the teaching mode of tissue engineering course for undergraduate students majoring in clinical medicine. With the teaching goal of training innovative talents for clinical medicine specialty， taking the preparation and transplantation of tissue engineering organs-periosteum as the main line， this study combines many dispersive experiments into serial comprehensive experiments. The teaching effect and the completion of teaching objectives are evaluated according to the feedback and investigations from the students and teachers， as well as the teaching advices from the supervisors.

[Key words] Tissue engineering; Comprehensive experiment; Teaching mode; Clinical medicine

組織工程學(xué)是一門涵蓋了細(xì)胞生物學(xué)、材料學(xué)、生物化學(xué)、再生醫(yī)學(xué)、物理學(xué)等多門學(xué)科的前沿性交叉學(xué)科。組織工程學(xué)科的發(fā)展離不開大量高水平專業(yè)技術(shù)人才。目前，國內(nèi)已有百所高等院校開設(shè)了這門課程或設(shè)立了研究機(jī)構(gòu)，醫(yī)學(xué)院校也紛紛開設(shè)這門課程，縱觀國內(nèi)院校，都將此課程設(shè)為選修課，很少有配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1-3]。而作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的綜合性學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力至關(guān)重要。2017年，基于培養(yǎng)崗位勝任力的創(chuàng)新性醫(yī)學(xué)人才目標(biāo)，我校為臨床專業(yè)和生物技術(shù)專業(yè)（醫(yī)藥方向）開設(shè)了醫(yī)學(xué)組織工程學(xué)，同時，為培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和綜合分析問題能力，本教研室也配套開展了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計上，本研究以組織工程器官制備為主線，融合組織工程三要素即種子細(xì)胞、支架材料和生長因子，將分散的各類實(shí)驗(yàn)串接成一個有機(jī)的整體，成功地建立了以骨膜這一人工組織制備為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)體系。通過兩年的教學(xué)實(shí)踐，本研究發(fā)現(xiàn)，綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)軐W(xué)生碎片化的理論知識有效地連貫起來，激發(fā)學(xué)生的積極性和主觀能動性，有益于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和綜合實(shí)踐能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力。

1開設(shè)組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)的必要性

1.1培養(yǎng)目標(biāo)決定開設(shè)必要性

醫(yī)學(xué)院校的課程體系相對固化，不利于對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。鑒于此，本校從2015年開始進(jìn)行教學(xué)改革，建立了以培養(yǎng)創(chuàng)新性醫(yī)學(xué)人才為導(dǎo)向的培養(yǎng)模式。在課程設(shè)置上，通過整合課程資源形成了器官-系統(tǒng)模塊化教學(xué)模式。與此同時，不斷整合前沿交叉學(xué)科，使學(xué)生在具備扎實(shí)的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識的同時也能了解醫(yī)學(xué)領(lǐng)域前沿發(fā)展方向。

組織工程這門新興學(xué)科的應(yīng)用目標(biāo)是從形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上對組織、器官喪失或功能障礙進(jìn)行永久性地置換和替代，從而促進(jìn)人體健康、長壽和提高生命的質(zhì)量;隨著學(xué)科研究的不斷深入及應(yīng)用的推廣，組織工程將成為臨床醫(yī)學(xué)的一個重要組成部分。因此，為培養(yǎng)與時俱進(jìn)的創(chuàng)新型醫(yī)學(xué)人才，面向臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科學(xué)生開設(shè)組織工程課程是十分必要的[4]。

1.2學(xué)科特點(diǎn)決定開設(shè)必要性

組織工程學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的交叉性學(xué)科，與醫(yī)學(xué)有著密切的關(guān)系，其最新的研究成果可以很快轉(zhuǎn)化為醫(yī)學(xué)實(shí)踐。組織工程實(shí)驗(yàn)本身就是各門學(xué)科綜合交叉應(yīng)用的結(jié)果，包括支架材料的制備，細(xì)胞的分離與培養(yǎng)，組織或器官的體外構(gòu)建。因此，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生系統(tǒng)地掌握本學(xué)科的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)操作技能。

2組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容設(shè)計

2.1組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)

基于人才培養(yǎng)的創(chuàng)新性，秉承互補(bǔ)、交融、滲透、承前啟后、循序漸進(jìn)的原則，緊緊圍繞著臨床創(chuàng)新班的培養(yǎng)目標(biāo);按照醫(yī)學(xué)組織工程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的復(fù)合型、實(shí)驗(yàn)方法的多元性、實(shí)驗(yàn)手段的多樣性、實(shí)驗(yàn)設(shè)計的系統(tǒng)性[5]，本教研室制定了組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)：即學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)獲取直觀的認(rèn)識，結(jié)合理論教學(xué)所獲得的知識，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、并最終解釋問題。從而達(dá)到加深對組織工程學(xué)科的較全面認(rèn)識與深入的理解。

2.2組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

骨缺損是臨床常見疾病，大段骨缺損難以自愈合，需要進(jìn)行骨組織修復(fù)。臨床上常用自體骨移植采用拆東墻補(bǔ)西墻的方式進(jìn)行修復(fù)。組織工程骨[6]體外構(gòu)建為骨修復(fù)提供了良好的解決方案。在理論課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已認(rèn)識到骨膜參與骨修復(fù)，為骨修復(fù)提供營養(yǎng)和引導(dǎo)作用，骨膜的移植往往能增加骨修復(fù)成功的概率[7-10]。因此，選擇骨膜制備作為綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計材料與臨床實(shí)踐結(jié)合緊密，有利于臨床專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新性思維的培養(yǎng)。

本研究將6個既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)有機(jī)地串接成一個整體的綜合性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)涵蓋了組織工程臨床應(yīng)用的基本流程，包括從種子細(xì)胞的分離、培養(yǎng)與鑒定，生物支架材料的制備及組織學(xué)鑒定，種子細(xì)胞與支架材料的復(fù)合及定向誘導(dǎo)分化，以及最終的組織工程產(chǎn)品體內(nèi)植入及鑒定。整個綜合性實(shí)驗(yàn)28學(xué)時。

2.2.1實(shí)驗(yàn)一：種子細(xì)胞的獲取-脂肪干細(xì)胞的分離與培養(yǎng)? 從麻醉的SD大鼠腹股溝側(cè)分離脂肪組織，進(jìn)行脂肪干細(xì)胞的分離與培養(yǎng)。為遵循實(shí)驗(yàn)動物使用的3R原則[11]，該實(shí)驗(yàn)動物縫合后飼養(yǎng)可用于后續(xù)的骨膜移植實(shí)驗(yàn)。

2.2.2實(shí)驗(yàn)二：支架材料的制備-豬小腸黏膜下層的制備? 取新鮮的豬近端空腸，用物理方法去除黏膜層、漿膜層和肌層，而后用化學(xué)法和酶法進(jìn)行脫細(xì)胞處理，最后經(jīng)消毒處理獲得骨膜制備的支架材料。

2.2.3實(shí)驗(yàn)三：種子細(xì)胞與小腸黏膜下層支架材料體外復(fù)合培養(yǎng)? 本實(shí)驗(yàn)安排為學(xué)生自主設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，包括種子細(xì)胞與支架材料復(fù)合條件的探索，三維立體培養(yǎng)和生物反應(yīng)器的應(yīng)用，生物相容性的體外檢測方法。

2.2.4實(shí)驗(yàn)四：脂肪干細(xì)胞向成骨細(xì)胞誘導(dǎo)分化? 采用小分子化合物將黏附在小腸黏膜下層脫細(xì)胞基質(zhì)膜上的脂肪干細(xì)胞向成骨方向誘導(dǎo)，以及通過染色的方法鑒定是否誘導(dǎo)成功。最終制備出有功能的骨膜組織。

2.2.5實(shí)驗(yàn)五：骨缺損動物模型的制備及組織工程產(chǎn)品體內(nèi)植入技術(shù)? 將第一次實(shí)驗(yàn)保留的SD大鼠麻醉后，制備一側(cè)的脛骨骨缺損模型，將復(fù)合了自體脂肪干細(xì)胞的小腸黏膜下層移植至缺損部位，手術(shù)縫合，注射抗菌素單獨(dú)飼養(yǎng)。

2.2.6實(shí)驗(yàn)六：組織工程產(chǎn)品移植效果評價? 包括移植后動物的行為觀察，傷口愈合及炎癥狀況，4周后處死動物，選擇兩側(cè)脛骨組織固定，冷凍切片，HE染色觀察移植結(jié)果。

本實(shí)驗(yàn)為自主設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可分組做平行試驗(yàn)，組間或組內(nèi)數(shù)據(jù)可以共享，最后學(xué)生通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出結(jié)論。鍛煉了學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力。在教學(xué)方法上，本研究采用了混合式教學(xué)模式[12]，包括課堂講授式、課堂討論式以及實(shí)驗(yàn)過程中問題導(dǎo)向式[13]，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并自主設(shè)計解決問題。

綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計與應(yīng)用對于提升學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要意義，在實(shí)施過程中，還應(yīng)注重教學(xué)的目的性、整體性和層次性，教學(xué)手段的先進(jìn)性，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容到教學(xué)方法緊密結(jié)合，相輔相成，引導(dǎo)學(xué)生層層深入學(xué)習(xí)[12]。經(jīng)過六次綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生完整地掌握了組織工程實(shí)驗(yàn)的基本流程，對組織工程產(chǎn)品在臨床的應(yīng)用有一個全面的認(rèn)識，為將來臨床科研工作打下了良好的基礎(chǔ)。

3教學(xué)效果評價

經(jīng)過兩輪的課程實(shí)踐，本研究分別對臨床創(chuàng)新班和生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，共有82名學(xué)生參與了調(diào)查問卷，隨機(jī)抽取15位同學(xué)做訪談交流，從實(shí)踐與方法，設(shè)計與內(nèi)容，情感態(tài)度與價值觀三維目標(biāo)對綜合性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評價[14]。同時，從學(xué)校教學(xué)督導(dǎo)層面及任課教師綜合評價方面對組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)做出了全面評價。

3.1學(xué)生評價

通過學(xué)生調(diào)查反饋信息可知，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容表現(xiàn)出極大的興趣。學(xué)生認(rèn)為通過組織工程學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)，加深了對醫(yī)學(xué)組織工程的認(rèn)識，培養(yǎng)了自身的科研思維，提升了實(shí)驗(yàn)操作技能，提高了對科研工作的興趣。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)增強(qiáng)學(xué)生對理論理解與應(yīng)用。學(xué)生應(yīng)掌握一些基本的實(shí)驗(yàn)技能，包括細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞定向誘導(dǎo)分化技術(shù)、天然生物材料制備技術(shù)、細(xì)胞與支架材料復(fù)合技術(shù);同時，培養(yǎng)學(xué)生科研思維及團(tuán)隊協(xié)作能力。根據(jù)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)要求，參考蘇小華等[15]設(shè)計的學(xué)生問卷調(diào)查表，對參與綜合性實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果如表1。

反饋調(diào)查結(jié)果顯示，綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于學(xué)生對理論知識的理解與應(yīng)用;60%以上的學(xué)生認(rèn)為綜合性實(shí)驗(yàn)做到了理論聯(lián)系實(shí)際，有利于培養(yǎng)自己的實(shí)驗(yàn)動手能力;62.5%的學(xué)生認(rèn)為提高了團(tuán)隊協(xié)作能力。大部分參與綜合性實(shí)驗(yàn)的同學(xué)基本掌握了醫(yī)學(xué)組織工程的基本理論和基本操作技能，鍛煉了分析問題、解決問題的能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

另外，綜合性實(shí)驗(yàn)為學(xué)生將來開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。組織工程骨膜制備綜合性實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為主體，通過分組討論，查閱資料和教師指導(dǎo)的方式進(jìn)行教學(xué)活動的開展，給予了學(xué)生更大的發(fā)揮空間，調(diào)動了學(xué)生主觀能動性，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，有助于學(xué)生科研思維的培養(yǎng)。從教學(xué)反饋的信息可知，臨床學(xué)生對于骨缺損大鼠模型制作、骨膜植入手術(shù)等與臨床相關(guān)的實(shí)驗(yàn)興趣度最高，為學(xué)生將來進(jìn)入臨床學(xué)習(xí)、提升自身的科研能力打下了良好的基礎(chǔ)。

3.2教學(xué)督導(dǎo)評價

每輪實(shí)驗(yàn)課分別由學(xué)院層次和學(xué)校層次各進(jìn)行一次教學(xué)督導(dǎo)聽課，總體評價良好，學(xué)生參與的積極性較高，課堂討論氣氛活躍。教師授課注重啟發(fā)式教學(xué)，以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生參與討論，自主設(shè)計并解決問題。

3.3帶教教師評價

從課堂與學(xué)生的交流反饋情況以及實(shí)際教學(xué)效果考量教師作出客觀評價。評價結(jié)果主要有兩個方面，其一認(rèn)為綜合性實(shí)驗(yàn)給學(xué)生留下充分的想象空間，鼓勵學(xué)生主動開展探究性實(shí)驗(yàn)。組織工程學(xué)科本身就是生命科學(xué)前沿交叉學(xué)科，在綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，總會出現(xiàn)一些難以預(yù)料的結(jié)果，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會了合理的解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果并能進(jìn)一步設(shè)計實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。其二學(xué)生能夠按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成每一次獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，整個實(shí)驗(yàn)流程也是根據(jù)組織工程學(xué)科特點(diǎn)的進(jìn)行編排，實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠。同時，實(shí)驗(yàn)設(shè)計增加了動物的利用效率，節(jié)約了藥品和試驗(yàn)準(zhǔn)備工作，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計合理性。

4存在問題及解決方案

組織工程學(xué)本身就是一門新興的交叉學(xué)科，在醫(yī)學(xué)院校開設(shè)這門課程的綜合性實(shí)驗(yàn)沒有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，一切都需要不斷的摸索和完善。在以往的教學(xué)實(shí)踐中本研究遇到了以下幾個方面的問題，并根據(jù)本校實(shí)際的教學(xué)條件提出了相應(yīng)的解決方案。

4.1綜合性實(shí)驗(yàn)與其他類型實(shí)驗(yàn)配套實(shí)施問題

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個系統(tǒng)性工程，不僅包括基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，還包括創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)既相互關(guān)聯(lián)又自成體系。組織工程作為醫(yī)學(xué)生培養(yǎng)體系中的一個創(chuàng)新性培養(yǎng)環(huán)節(jié)，如何與其他基礎(chǔ)課程如生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞工程等有機(jī)地結(jié)合，形成具有自己特色的課程體系還是一個值得深入探究的課題。本研究在參照中國醫(yī)科大學(xué)組織工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[16]，僅僅圍繞臨床創(chuàng)新班培養(yǎng)目標(biāo)，有效利用前修學(xué)科的教學(xué)知識與技能，同時又避免教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)，建立了一個具有經(jīng)典型實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)性試驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)編排模式，并與理論課相輔相成的獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)體系。

4.2每個獨(dú)立實(shí)驗(yàn)在時間上的銜接問題

組織工程骨膜的制備是一個完整的過程，將這個過程分解開形成每個獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，在時間銜接上需要精心設(shè)計，由于每次實(shí)驗(yàn)課的時間是固定的，而細(xì)胞培養(yǎng)以及天然支架材料的制備需要一定的周期，與學(xué)生上課時間有所沖突。解決方案一方面調(diào)整學(xué)生上課時間，盡量集中開展試驗(yàn);其次，在制定教學(xué)計劃中，前兩次實(shí)驗(yàn)安排有2周間隔時間，以保證有足夠的細(xì)胞增殖時間。針對天然材料脫細(xì)胞處理需要連續(xù)處理3 d，可通過調(diào)整計劃，將大部分處理步驟安排在晚上，以便學(xué)生錯開上課時間，也可由實(shí)驗(yàn)輔助人員代為處理。

4.3實(shí)驗(yàn)室銜接問題

組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)牽涉專業(yè)實(shí)驗(yàn)室較多，包括細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、組織形態(tài)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)動物培養(yǎng)室和無菌手術(shù)實(shí)驗(yàn)室。綜合實(shí)驗(yàn)室管理運(yùn)作的難度較大，組建專業(yè)性的組織工程實(shí)驗(yàn)室是解決學(xué)生綜合性實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的有效方案，可參考國內(nèi)外相關(guān)醫(yī)學(xué)院校的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、學(xué)生畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)以及教師科研集中在一個平臺，使得科研更好地為教學(xué)服務(wù)。

5小結(jié)與展望

盡管以組織工程器官制造為核心的組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)僅僅在兩屆學(xué)生中開設(shè)，但從教學(xué)督導(dǎo)反饋意見以及學(xué)生反饋的信息表明，綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)軜O大地提高學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生主動探究臨床實(shí)際問題，同時，也加深了學(xué)生對課堂理論知識的理解。其次，學(xué)生通過撰寫實(shí)驗(yàn)報告，分組交流討論等一系列教學(xué)活動，可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問題能力和團(tuán)隊協(xié)作能力?？傊?，組織工程綜合性實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊協(xié)作研究，全面提升醫(yī)學(xué)生科研能力等方面做了一次有益的嘗試。

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（收稿日期：2019-08-15? 本文編輯：任秀蘭）