“專創(chuàng)融合”背景下生物醫(yī)學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建

胡祖權(quán)，曾麗娜，彭建，曾柱，彭曉燕

（1.貴州醫(yī)科大學(xué) 生物與工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.貴州醫(yī)科大學(xué) 貴州省高等學(xué)校免疫細(xì)胞與抗體工程研究中心，貴州貴陽(yáng) 550025）

生物醫(yī)學(xué)作為生物技術(shù)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的交叉融合學(xué)科，以強(qiáng)大的生物科學(xué)類課程作為基礎(chǔ)和支撐，培育學(xué)生的科研思維和科學(xué)精神，使學(xué)生了解新興生物技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的巨大潛力，激發(fā)學(xué)生探究科技前沿的內(nèi)生動(dòng)力，進(jìn)而為以解決臨床問(wèn)題為目標(biāo)的科學(xué)研究提供訓(xùn)練有素的高素質(zhì)科研人才。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校課堂教學(xué)過(guò)程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，不僅是培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)與動(dòng)手操作相結(jié)合的重要過(guò)程，也是拓展學(xué)生學(xué)術(shù)視野和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的有效途徑[1-2]。但是，傳統(tǒng)的“一課一實(shí)驗(yàn)”的“分塊”教學(xué)體系存在分散、重復(fù)等問(wèn)題[3]，學(xué)生僅能掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，不能訓(xùn)練分析和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。在“專創(chuàng)融合”背景下，依托實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)和科研團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式體現(xiàn)核心素養(yǎng)體系的內(nèi)涵[4]，樹立“專創(chuàng)融合”教育理念對(duì)培養(yǎng)綜合型人才尤為重要[5]，而科研反哺教學(xué)能夠?yàn)閯?chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供助力，有效提升課程內(nèi)容的前沿性、實(shí)用性和趣味性，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育深度融合發(fā)展，助力拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[6-8]。因此，基于科研成果構(gòu)建的大綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將不同專業(yè)課程的知識(shí)有機(jī)結(jié)合，能夠培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，對(duì)培養(yǎng)高質(zhì)量的生物醫(yī)學(xué)人才起到重要作用。

1 大綜合實(shí)驗(yàn)規(guī)劃背景

貴州醫(yī)科大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)為“雙萬(wàn)計(jì)劃”國(guó)家級(jí)一流本科建設(shè)專業(yè)，要實(shí)現(xiàn)學(xué)生高質(zhì)量培養(yǎng)這一目標(biāo)，一是要將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育有機(jī)融合，二是要將科學(xué)研究與教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合，三是要使培養(yǎng)過(guò)程與培養(yǎng)目標(biāo)相吻合。同時(shí)，貴州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程碩士專業(yè)包括生物力學(xué)與力學(xué)免疫學(xué)、健康大數(shù)據(jù)與系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)、生物材料三個(gè)研究方向，但招收的部分工科背景碩士生僅有生物或醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，嚴(yán)重制約醫(yī)理工交叉人才的培養(yǎng)，需要在課程學(xué)習(xí)階段加強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作的培訓(xùn)。因此，課程團(tuán)隊(duì)選擇適用于設(shè)計(jì)大綜合實(shí)驗(yàn)的科研成果，根據(jù)教學(xué)規(guī)律優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，將專業(yè)課程的知識(shí)串聯(lián)形成一個(gè)較完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，一方面培養(yǎng)本科生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，另一方面訓(xùn)練研究生的生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)操作技能。

2 大綜合實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建思路及教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃

單鏈抗體是一種基因工程抗體，即抗體重鏈可變區(qū)和輕鏈可變區(qū)通過(guò)一段連接肽連接形成融合蛋白。噬菌體展示技術(shù)不僅可用于基因工程抗體的高通量篩選，還可用于抗體的體外成熟以及抗體治療靶標(biāo)的鑒定。單鏈抗體及其融合蛋白原核表達(dá)載體的構(gòu)建、表達(dá)及檢測(cè)應(yīng)用是很好的生物醫(yī)學(xué)大綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材，不僅能夠讓學(xué)生熟悉在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的抗體的特性，而且可以了解體外分子進(jìn)化和噬菌體展示等前沿理論及技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲[9]。

在前期科研工作中，科研團(tuán)隊(duì)利用噬菌體展示技術(shù)篩選得到抗鐮刀菌單鏈抗體FvSG7 及其編碼基因，并證實(shí)其可與堿性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，AP）在大腸桿菌中融合表達(dá)，用于快速檢測(cè)玉米等樣品中鐮刀菌的侵染情況[10-11]。基于此科研成果開設(shè)大綜合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生首先利用生物信息學(xué)課程的知識(shí)，從NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索FvSG7 的編碼基因，并設(shè)計(jì)特異引物；再利用基因工程原理課程的基因克隆技術(shù)，通過(guò)PCR 擴(kuò)增獲得目的基因，同時(shí)提取含有AP 基因的pDAP2/S 載體，再利用限制性核酸內(nèi)切酶切割目的基因和載體，在T4 DNA 連接酶的作用下組裝得到重組載體pDAP2/S-FvSG7，制備大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞并導(dǎo)入重組質(zhì)粒DNA，再利用PCR 鑒定陽(yáng)性轉(zhuǎn)化子；接著利用微生物工程課程的知識(shí)將重組大腸桿菌發(fā)酵，大量表達(dá)FvSG7-AP 融合蛋白；利用生化分離與分析技術(shù)課程的分離純化技術(shù)獲得較純的融合蛋白；利用蛋白質(zhì)與酶工程課程的知識(shí)分析融合蛋白中單鏈抗體和AP 的活性；最后利用食品安全檢測(cè)課程和生物技術(shù)與疾病診斷課程的知識(shí)，將FvSG7-AP 應(yīng)用于發(fā)展樣品的快速免疫檢測(cè)方法。簡(jiǎn)而言之，通過(guò)生物信息學(xué)檢索分析抗鐮刀菌單鏈抗體基因，利用基因工程操作構(gòu)建到原核表達(dá)載體中，轉(zhuǎn)化大腸桿菌，發(fā)酵大量生產(chǎn)單鏈抗體融合蛋白，并應(yīng)用于免疫學(xué)檢測(cè)，從而將專業(yè)課程串聯(lián)形成較完整的生物技術(shù)上中下游知識(shí)體系。

3 大綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)施

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備、大綜合實(shí)驗(yàn)體系的構(gòu)建思路、實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律和學(xué)生認(rèn)知過(guò)程，課程團(tuán)隊(duì)制定教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃，編寫生物醫(yī)學(xué)大綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材，并及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)操作。面向2018 級(jí)生物技術(shù)專業(yè)本科生開設(shè)此課程，共120 學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)原理和體系的講解及文獻(xiàn)研討12 學(xué)時(shí)，生物信息學(xué)分析4 學(xué)時(shí)，基因工程操作獲得重組菌48 學(xué)時(shí)，發(fā)酵罐的操作學(xué)習(xí)及重組蛋白誘導(dǎo)表達(dá)16 學(xué)時(shí)，融合蛋白提取、純化及檢測(cè)32 學(xué)時(shí)，融合蛋白的應(yīng)用8 學(xué)時(shí)。從2019 年開始，面向研究生開設(shè)此課程，共40 學(xué)時(shí)，包括基因工程操作20 學(xué)時(shí)，融合蛋白表達(dá)及應(yīng)用20學(xué)時(shí)，通過(guò)使用試劑盒，在較少學(xué)時(shí)內(nèi)完成教學(xué)。在教學(xué)過(guò)程中，每位教師帶教本科生20～24 名或研究生12～20 名，并安排1～2 名高年級(jí)研究生輔助教學(xué)，學(xué)生4 人一組。這樣，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中既保障每位學(xué)生都能夠熟練實(shí)驗(yàn)操作，又能夠保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度。

在實(shí)驗(yàn)原理和體系的講解中，由授課教師引導(dǎo)學(xué)生回顧大綜合實(shí)驗(yàn)涉及的相關(guān)理論知識(shí)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的安全注意事項(xiàng)及實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)，并概述大綜合實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)方案，學(xué)生提前掌握大綜合實(shí)驗(yàn)的技術(shù)路線，在學(xué)習(xí)和操作過(guò)程中目標(biāo)更明確。對(duì)于每一次實(shí)驗(yàn)課，教師需要詳細(xì)講解技術(shù)原理、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)儀器使用和操作注意事項(xiàng)，并全程、全方位指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生則需要詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果。在課程結(jié)束后，要求學(xué)生按論文格式撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生的分析總結(jié)能力，訓(xùn)練學(xué)生的系統(tǒng)性思維。

為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重視程度，該課程設(shè)置有全方位、全過(guò)程的考核體系，重在培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。采用平時(shí)成績(jī)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告相結(jié)合的考核制度，其中平時(shí)成績(jī)占比40%，包括出勤情況、文獻(xiàn)閱讀研討、學(xué)習(xí)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)記錄和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)占60%，主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告綜合考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析以及歸納總結(jié)和表述等方面的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

生物醫(yī)學(xué)大綜合實(shí)驗(yàn)課程對(duì)任課教師的專業(yè)素養(yǎng)提出了更高要求，訓(xùn)練了學(xué)生的系統(tǒng)性思維和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，既有利于本科生開展后續(xù)的實(shí)習(xí)實(shí)踐和畢業(yè)論文設(shè)計(jì)等，也有利于研究生盡快獨(dú)立開展科研活動(dòng)。

課程團(tuán)隊(duì)后續(xù)還將從五個(gè)方面持續(xù)改進(jìn)：一是繼續(xù)加強(qiáng)師資引進(jìn)和培訓(xùn)，不斷提升教師在“專創(chuàng)融合”教育和課程思政教學(xué)方面的能力；二是不斷完善大綜合實(shí)驗(yàn)的課程內(nèi)容和教學(xué)體系，使其更好地融入“專創(chuàng)融合”教育；三是科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)噬菌體展示技術(shù)已獲得前列腺癌和新型冠狀病毒的特異單鏈抗體[12-13]，可在現(xiàn)有快速免疫檢測(cè)模塊基礎(chǔ)上增加疾病靶向診療模塊，給學(xué)生提供更多選擇、探索和創(chuàng)造的空間；四是開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，解決微觀瞬時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可見等教學(xué)瓶頸問(wèn)題[14]；五是充分利用教育部批準(zhǔn)的健康醫(yī)藥現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)導(dǎo)師合作，更好地促進(jìn)“專創(chuàng)融合”教育及創(chuàng)新成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。