案例教學(xué)法在現(xiàn)代生物工程綜合實驗教學(xué)中的應(yīng)用

陳 涵，楊佳平，高 云，孫銘娟，盧小玲

(海軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室， 上海 200433； △通訊作者)

分子生物學(xué)技術(shù)是當(dāng)前生命科學(xué)發(fā)展最重要的前沿領(lǐng)域技術(shù)之一，也是生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)重要的研究工具。目前，包括海軍軍醫(yī)大學(xué)在內(nèi)的三所軍醫(yī)大學(xué)均設(shè)置了分子生物學(xué)技術(shù)相關(guān)的理論和實驗課程。其中，針對生物技術(shù)、藥學(xué)等專業(yè)，海軍軍醫(yī)大學(xué)專門開設(shè)了現(xiàn)代生物工程綜合實驗這一門綜合性的理論實驗課程。該課程以重組DNA技術(shù)作為主線，包含了基因克隆、基因表達、蛋白純化和蛋白檢測等當(dāng)前主流且實用的分子生物學(xué)實驗技術(shù)。

1 背景介紹

案例教學(xué)法是一種將真實案例引入課堂，引導(dǎo)學(xué)生圍繞案例進行分析、研究、探討的一種啟發(fā)式、互動式的教學(xué)方法。美國哈佛大學(xué)最早將該教學(xué)法運用于教學(xué)實踐[1]。該方法在教學(xué)過程中能夠起到翻轉(zhuǎn)課堂的效果，使得學(xué)生獲得更多自主學(xué)習(xí)的機會，并讓課程思政貫穿教學(xué)全過程。現(xiàn)代生物工程綜合實驗作為一門綜合性的理論實踐課程，其教學(xué)目標包含了培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、將理論技術(shù)與操作技能相結(jié)合的能力。因此，我們選擇將案例教學(xué)法引入現(xiàn)代生物工程綜合實驗。兩者結(jié)合后能夠讓學(xué)生從實際案例出發(fā)，結(jié)合對案例的具體分析完成對相關(guān)分子生物學(xué)理論的深入思考。例如，教師通過生物戰(zhàn)劑在戰(zhàn)爭中的應(yīng)用等一些現(xiàn)實或假想的案例，讓學(xué)生思考“這些生物戰(zhàn)劑在檢測過程中有何必要性？通過何種技術(shù)方法可以檢測出這些生物戰(zhàn)劑？”而這些問題能夠讓學(xué)生更好地認識相關(guān)技術(shù)理論的必要性和重要性，從而自主完成理論聯(lián)系實際的過程。

2 案例教學(xué)法適用于現(xiàn)代生物工程綜合實驗的教學(xué)過程和教學(xué)模式

首先，案例教學(xué)能夠使分子生物學(xué)技術(shù)相互分離的知識點成為一個有機整體?，F(xiàn)代生物工程綜合實驗包含了從“創(chuàng)傷弧菌VvhA編碼基因獲取”到“綜合實驗生物信息學(xué)相關(guān)操作”總共7個大實驗。而每個大實驗由2-3個小實驗所組成，涵蓋大量分子生物學(xué)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)應(yīng)用，內(nèi)容豐富、難度較高，需要學(xué)生對生物化學(xué)、分子生物學(xué)和生物信息學(xué)有足夠的基礎(chǔ)知識，搭建出盛放新知識的“木桶”。傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)的課堂授課模式使不同的知識點相互分離，無法成為一個有機的整體。而案例教學(xué)通過具體的情境能夠使不同知識點相互聯(lián)系、有機結(jié)合。現(xiàn)代生物工程綜合實驗以海洋創(chuàng)傷弧菌溶細胞素(VvhA)的檢測作為主線，本身就是將不同的分子生物學(xué)技術(shù)進行融合的一個綜合性案例。該綜合性案例的實施，能夠?qū)⒒蚩寺〖夹g(shù)、基因表達技術(shù)、基因檢測技術(shù)、蛋白純化技術(shù)以及蛋白檢測分析技術(shù)融合成為一個有機整體。

其次，在分子生物學(xué)技術(shù)理論與實踐教學(xué)過程中，案例教學(xué)更好地融入“為戰(zhàn)育人”的教學(xué)理念。作為軍事醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)基地，軍醫(yī)大學(xué)在傳授相關(guān)醫(yī)學(xué)知識的同時，也承擔(dān)了 “為戰(zhàn)育人”的使命。對于現(xiàn)代生物工程綜合實驗而言，除了要傳授傳統(tǒng)的分子生物學(xué)技術(shù)理論與操作等知識，更要突出海洋軍事醫(yī)學(xué)的特色。本課程所采用的海洋創(chuàng)傷弧菌溶細胞素(VvhA)本身就是能夠拓展學(xué)生視野，突出“向海圖強”特色的出色案例。這一綜合性案例的應(yīng)用，能夠使學(xué)員更好地了解分子生物學(xué)相關(guān)技術(shù)在未來戰(zhàn)場中的可能應(yīng)用場景，加強了戰(zhàn)場中的生物安全意識，符合適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的復(fù)合型醫(yī)學(xué)人才的培養(yǎng)目標。

3 案例教學(xué)法有助于加強和提高現(xiàn)代生物工程綜合實驗的教學(xué)效果

以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)法具有向?qū)W生快速、高效、無差別傳授知識的特點，雖然存在一定不足，但是在面對“大教室”“大班化”教學(xué)時，仍具有無法取代的重要地位。而案例教學(xué)法雖然有種種優(yōu)勢，但是在授課效率上依舊存在天然短板。所以我們將兩者融合，在加入了多媒體課件的傳統(tǒng)講授模式中穿插進行案例教學(xué)將最大化利用兩者的優(yōu)勢，以提高教學(xué)的整體質(zhì)量和效果。

3.1 案例教學(xué)法可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和積極性

我們以現(xiàn)代生物工程綜合實驗中“VvhA編碼序列的pPEI-SUMO重組載體的構(gòu)建”為例，這部分的主要內(nèi)容是為了讓學(xué)生掌握酶切連接和重組連接兩種構(gòu)建重組載體的方式。教師通過傳統(tǒng)講授法快速將DNA連接酶與DNA重組酶所代表的連接策略和連接方法等相關(guān)的知識點灌輸給學(xué)生；然后，順勢引出“快速構(gòu)建pPEI-SUMO重組載體”的案例，要求學(xué)生根據(jù)實驗方法分成兩個小組，就選擇哪一種方法更有優(yōu)勢進行一次小辯論，提出自己小組實驗方法更快速的理由，通過辯論提高學(xué)生的表達、溝通和合作能力，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；最后，再通過計時賽的方式讓兩個小組通過實驗證明己方的觀點，通過寓教于樂減少知識灌輸帶來的乏味感，讓學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性得到最大化的調(diào)動。

3.2 案例教學(xué)法可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題的能力

與傳統(tǒng)講授法中將答案直接告訴學(xué)生不同，案例教學(xué)法可以將問題轉(zhuǎn)化成學(xué)生學(xué)習(xí)的動力，引導(dǎo)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。當(dāng)講授“pPEI-SUMO-VvhA重組子的鑒定”相關(guān)實驗內(nèi)容時，教師無需直接告訴學(xué)生重組子鑒定的目的，而可以虛構(gòu)一個“未鑒定重組子可能出現(xiàn)的實驗結(jié)果”的案例，讓學(xué)生結(jié)合前期所學(xué)知識去討論、去設(shè)想，通過“思維實驗”引導(dǎo)學(xué)生預(yù)估實驗可能的結(jié)果和問題，讓教學(xué)過程融入學(xué)生自身的討論和發(fā)現(xiàn)。教師通過這種形式培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)思路和科學(xué)思維，實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問題-解決問題-再發(fā)現(xiàn)問題-再解決問題的完整科研過程。

4 案例教學(xué)法在現(xiàn)代生物工程綜合實驗中的實施應(yīng)用

本文以本教研室自編教材《分子生物學(xué)技術(shù)實驗教程》中“實驗五、VvhA基因及蛋白產(chǎn)物的快速檢測”為例，選取海洋創(chuàng)傷弧菌為該節(jié)教學(xué)案例，呈現(xiàn)案例教學(xué)在現(xiàn)代生物工程綜合實驗教學(xué)中的實施過程。

4.1 教學(xué)準備

案例教學(xué)法對學(xué)生的課堂參與度要求較高，需要學(xué)生完成課程的預(yù)習(xí)和前期知識點的復(fù)習(xí)。同時為提高教學(xué)效率，教師應(yīng)提前說明案例討論所需知識，并給予教材或文獻目錄，減少課堂查閱資料的時間。此外教師應(yīng)該提前做好分組準備，以便案例分析過程中分組討論的環(huán)節(jié)可以順利進行。實驗準備方面則應(yīng)該考慮到學(xué)生自主設(shè)計實驗所有可能使用的儀器和試劑，以確保實驗設(shè)計的可操作性。

4.2 案例簡介

海洋創(chuàng)傷弧菌是一種海洋來源的的革蘭氏陰性弧菌，嗜鹽，毒力較強，被稱為“海洋中的無聲殺手”。海魚、牡蠣、螃蟹、貝類和鯨體等海洋生物都有可能攜帶該細菌。主要有兩種感染途徑，一種是進食生的或未經(jīng)加工熟的貝甲類海產(chǎn)品(尤其是牡蠣)，其危害不在于其引起胃腸炎，而在于其引起的蜂窩組織炎和敗血癥，死亡率高達50%以上。另一種感染途徑是破損的肢體接觸海水，或海產(chǎn)品刺傷皮膚而感染。細菌通過破損的皮膚快速傳播，并導(dǎo)致嚴重的肌炎和肌膜炎引發(fā)嚴重的壞疽，繼而發(fā)生敗血[2]。

2017年1月10日傍晚，廣州一男子在處理魚的時候，右手不慎被魚刺扎傷，當(dāng)時未重視，未及時處理傷口，結(jié)果第二天突發(fā)高燒、右手發(fā)腫發(fā)黑。12日晚，該男子在醫(yī)院確診感染了海洋創(chuàng)傷弧菌，并于次日凌晨進行了緊急截肢手術(shù)。

2017年6月，寧波一男子在食用了烤生蠔、烤魚等大量燒烤后開始感覺腹脹難受、胸悶氣喘，體溫上升至38.6 ℃，隨后還出現(xiàn)了氣促、呼吸衰竭等癥狀，被家人急忙送醫(yī)，到達醫(yī)院時已出現(xiàn)意識不清、低血壓性休克、急性腎功能衰竭等癥狀。醫(yī)生立即對其實施搶救，并化驗其血液。三天后該男子確診為海洋創(chuàng)傷弧菌感染。

4.3 案例互動設(shè)計

授課教師在完成案例介紹后，應(yīng)結(jié)合案例適時提出下列課堂提問和課堂實驗要求：①要求學(xué)生結(jié)合前期所學(xué)知識，簡要回答海洋創(chuàng)傷弧菌的致病原理和主要致病因素？②因為大量海產(chǎn)品都有攜帶創(chuàng)傷弧菌的可能，生活中我們應(yīng)如何預(yù)防創(chuàng)傷弧菌感染？③有哪些方法可以快速對海產(chǎn)品中的海洋創(chuàng)傷弧菌進行偵檢？④要求學(xué)生利用課程前期重組表達的海洋創(chuàng)傷弧菌溶細胞素(VvhA)蛋白及對應(yīng)編碼基因自主設(shè)計實驗。實驗?zāi)康模簷z測樣品中是否存在海洋創(chuàng)傷弧菌；實驗方法：基因檢測(qPCR技術(shù))或蛋白質(zhì)檢測(BLI技術(shù))，學(xué)生分組完成。

學(xué)生在課堂上應(yīng)積極配合教師完成案例的分析和討論，同時需要完成下列課堂任務(wù)：①復(fù)習(xí)重組DNA技術(shù)實驗方法，同時在課前完成基因檢測技術(shù)和蛋白質(zhì)檢測技術(shù)的預(yù)習(xí)；②根據(jù)前期下發(fā)資料和文獻，通過小組討論回答課堂提問，并根據(jù)觀點完成實驗分組；③以小組形式擬定實驗計劃并以不超過3 min的課堂展示進行匯報；④根據(jù)實驗計劃在教師指導(dǎo)下完成自主實驗，并完成組間評比。

4.4 完整教學(xué)流程

首先，教師通過多媒體和講授法完成背景知識的介紹，同時給出案例：海洋創(chuàng)傷弧菌，確認學(xué)生充分熟悉案例后按照循序漸進的原則進行啟發(fā)式提問。例如當(dāng)學(xué)生對預(yù)防創(chuàng)傷弧菌感染的方式存在困惑時，教師可以通過“傳染病傳播的三個基本條件”將討論引導(dǎo)向“傳染源”從而啟發(fā)學(xué)生關(guān)注創(chuàng)傷弧菌的偵檢，隨后通過學(xué)生回答的情況按照課前安排將學(xué)生分成兩個實驗組。分組后由教師完成實驗?zāi)康暮蛯嶒灧椒ǖ牟贾?，再由學(xué)生展開實驗設(shè)計的討論，期間主講教師和輔助教師及時給予學(xué)生指導(dǎo)，糾正學(xué)生的錯誤思路，尤其重點關(guān)注可能出現(xiàn)的生物安全隱患，確保每一份實驗設(shè)計的安全性。同時討論結(jié)束后，教師應(yīng)要求學(xué)生以組為單位進行課堂展示，充分展現(xiàn)兩組的實驗方法差異性和實驗?zāi)康牡耐恍?，將課堂思政融入授課的全過程。隨后讓學(xué)生按照實驗設(shè)計進行自主實驗，教師在過程中僅給予操作指導(dǎo)，對實驗內(nèi)容和實驗方向不予干涉。實驗結(jié)束后，教師根據(jù)實驗結(jié)果和實驗用時給予評價并要求學(xué)生完成自我評價和組間互評。

4.5 案例教學(xué)教學(xué)評價與結(jié)果分析

完成案例教學(xué)后，教師應(yīng)對教學(xué)效果進行及時的反思和總結(jié)。教學(xué)評價的內(nèi)容應(yīng)該包括課堂實施效果、學(xué)生參與度、學(xué)生案例報告以及課程末學(xué)習(xí)成績。除此之外，教師應(yīng)設(shè)立平行教班，分別予以傳統(tǒng)教學(xué)法授課與案例教學(xué)法授課。通過主觀的學(xué)生評教制度和客觀的期末成績對比相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對案例教學(xué)法教學(xué)效果的結(jié)果分析。授課教師應(yīng)通過結(jié)果分析及時修改和更新教學(xué)案例和授課流程，以完善案例教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。

我們以本課程案例教學(xué)的兩組教班課程成績?yōu)槔?表1)。根據(jù)平時成績可知，在課堂參與方面，案例教學(xué)班優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)班；根據(jù)綜合作業(yè)完成情況可知，雖然案例教學(xué)班與傳統(tǒng)教學(xué)班的成績差距無統(tǒng)計學(xué)意義，但案例教學(xué)班的標準差更小，成績更加穩(wěn)定；就總評成績來說，案例教學(xué)班的整體水平要高于傳統(tǒng)教學(xué)班。而上述的這些結(jié)果都說明實施案例教學(xué)切實有效地提高了現(xiàn)代生物工程綜合實驗的教學(xué)效果。

表1 案例教學(xué)班與傳統(tǒng)教學(xué)班課程成績 (分)

在現(xiàn)代生物工程綜合實驗授課過程中，案例教學(xué)的加入是提高教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的一劑良藥。但案例教學(xué)法加入課程的時機和案例內(nèi)容的選擇還缺少系統(tǒng)化、標準化的實施方法，這就要求教師有較豐富的教學(xué)經(jīng)驗和完善的教學(xué)評價機制。此外在案例教學(xué)的實施過程中還應(yīng)該注意以下幾點：①教師要在實施案例教學(xué)前需針對案例查閱大量內(nèi)容，確保教學(xué)內(nèi)容的完整性和可靠性；②教師選擇案例時要難易適中，提問時循序漸進，利用啟發(fā)式問題引導(dǎo)學(xué)生思考；③教師應(yīng)該注重傳統(tǒng)教學(xué)和案例教學(xué)相融合，將兩種教學(xué)方法取長補短，實現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的提升；④案例教學(xué)實施過程中可能出現(xiàn)種種問題，需要通過學(xué)校、教師和學(xué)生的共同努力來克服。