國(guó)家一流本科專業(yè)建設(shè)背景下生物技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

周于婷,陳 萍,歐陽(yáng)永長(zhǎng),周文渠,鄧小亮,冉欣如

(1廣州醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)系, 廣州 511436; 2廣州醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中心; 3廣州醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室; △通訊作者)

教育部2019年啟動(dòng)一流本科專業(yè)建設(shè)雙萬(wàn)計(jì)劃,旨在通過一流專業(yè)遴選和建設(shè)工作,推動(dòng)高等教育質(zhì)量革命,全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,全面振興本科教育,實(shí)現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展。雙萬(wàn)計(jì)劃實(shí)施以來,筆者所在的廣州醫(yī)科大學(xué)21個(gè)招生專業(yè)(除2022年新辦專業(yè)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)之外)中已有17個(gè)專業(yè)獲批國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn),占比為81%。2022年出爐的中國(guó)內(nèi)地高校國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)精度排行榜中,廣州醫(yī)科大學(xué)排名全國(guó)第22位、全國(guó)獨(dú)立建制醫(yī)科院校第3位、廣東省高校第1位。筆者所在學(xué)校于2005年創(chuàng)辦生物技術(shù)專業(yè)。該專業(yè)2014年獲批廣東省應(yīng)用型人才培養(yǎng)示范專業(yè),2020年獲批廣東省一流專業(yè)立項(xiàng)建設(shè),2021年獲批國(guó)家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)和生物學(xué)一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)。

依托我校醫(yī)學(xué)主體學(xué)科優(yōu)勢(shì),培養(yǎng)創(chuàng)新型生物技術(shù)人才是生物技術(shù)專業(yè)教育的宗旨,對(duì)于我國(guó)增強(qiáng)科技實(shí)力、促進(jìn)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)等方面具有重大的戰(zhàn)略性意義。生物技術(shù)是一門理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的學(xué)科,二者缺一不可。生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)是一門重要的綜合性實(shí)驗(yàn)技能課程,屬于學(xué)生培養(yǎng)大綱中的能力強(qiáng)化階段。在國(guó)家一流本科專業(yè)建設(shè)的新形勢(shì)下,生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)作為生物技術(shù)專業(yè)本科三年級(jí)學(xué)生核心必修課,在專業(yè)人才培養(yǎng)中扮演著極其重要的角色。在打好專業(yè)理論基礎(chǔ)的前提下,將研究型教學(xué)模式應(yīng)用于生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)課程,業(yè)已取得不錯(cuò)的教學(xué)效果:學(xué)生科研思維和實(shí)踐能力得到很大提升,近3年學(xué)生獲得多項(xiàng)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)[1]。本文系統(tǒng)分析了筆者所在學(xué)校生物技術(shù)專業(yè)生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)置以及課程開設(shè)過程中存在的突出問題,提出了新形勢(shì)下該課程改革的方案,并對(duì)現(xiàn)有改革成效進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1 課程安排

抗體工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分,其研究成果已廣泛地應(yīng)用于生命科學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域,并為新藥開發(fā)、疾病診斷及防治開拓新的前景。作為一門技術(shù)為主的課程,抗體工程的實(shí)踐教學(xué)意義尤為重要。因此,教師在教學(xué)過程中摸索出抗體工程綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué),獨(dú)立開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程,即生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn),形成與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合又相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[2]。本實(shí)驗(yàn)課程以膠體金法制備新型冠狀病毒抗原檢測(cè)試劑盒為主題,要求學(xué)生掌握抗體制備相關(guān)技術(shù),包括納米抗體制備和人源化抗體制備兩條主線,共64學(xué)時(shí)?，F(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括載體構(gòu)建、抗體表達(dá)純化、抗體鑒定、抗體應(yīng)用四大環(huán)節(jié),另外還有相關(guān)基礎(chǔ)技能實(shí)驗(yàn)前后貫穿串聯(lián)成一個(gè)綜合大實(shí)驗(yàn),整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程歷時(shí)2個(gè)月左右,與實(shí)際科學(xué)研究基本一致。針對(duì)抗體工程技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn),教師設(shè)計(jì)以貫穿單克隆抗體制備全過程為核心的綜合性實(shí)驗(yàn)課程系統(tǒng),以培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、解決問題及創(chuàng)造性思維的能力為目標(biāo),鞏固基礎(chǔ)技能實(shí)驗(yàn),突出應(yīng)用綜合性實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)創(chuàng)新性的研究實(shí)驗(yàn)。

2 教學(xué)模式

該課程采用分組模式,每組4-5名學(xué)生,配備1名教師引導(dǎo)。以小組為單位,教師在課前講解研究背景和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架,以單克隆抗體制備和膠體金試紙條制備為主線,研究抗體從產(chǎn)生-表達(dá)-功能的整個(gè)過程。實(shí)驗(yàn)方法涵蓋分子克隆、細(xì)胞培養(yǎng)與轉(zhuǎn)染、細(xì)菌培養(yǎng)與蛋白純化、SDS-PAGE電泳、Western blot、膠體金標(biāo)記、ELISA、SPR等技術(shù)。實(shí)驗(yàn)課期間,學(xué)生需獨(dú)立完成并上交實(shí)驗(yàn)計(jì)劃書、中期匯報(bào)PPT、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作視頻等。這些指標(biāo)將作為最終成績(jī)?cè)u(píng)定的參考依據(jù)。分小組教學(xué)的目的就是盡量使得每位小組成員都能參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備、討論和PPT制作等過程中,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)本門課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的認(rèn)識(shí),同時(shí)增加學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手的機(jī)會(huì)。該課程涉及的實(shí)驗(yàn)技術(shù)類似于我國(guó)高校開設(shè)的分子生物學(xué)和生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)綜合體,因此學(xué)生在自主研究過程中可以進(jìn)一步鞏固和應(yīng)用生物技術(shù)常用實(shí)驗(yàn)技術(shù)。該課程在內(nèi)容設(shè)計(jì)上不僅體現(xiàn)了很強(qiáng)的綜合性和連續(xù)性,而且緊密結(jié)合生物技術(shù)前沿領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)研究進(jìn)展[3]。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的關(guān)鍵因素。生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)課程體系在內(nèi)容選擇上注重科學(xué)性、系統(tǒng)性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性、連貫性以及高階性。第一環(huán)節(jié)為質(zhì)粒構(gòu)建及表達(dá),包括PCR擴(kuò)增目的基因、質(zhì)粒提取及酶切、質(zhì)粒重組、質(zhì)粒轉(zhuǎn)化及篩選等常規(guī)分子克隆實(shí)驗(yàn)步驟。第二環(huán)節(jié)為納米抗體和人源化抗體表達(dá),分別在原核表達(dá)系統(tǒng)和真核表達(dá)系統(tǒng)中進(jìn)行。第三環(huán)節(jié)通過SDS-PAGE、Western blot、ELISA等常規(guī)蛋白檢測(cè)手段對(duì)制備的蛋白抗體進(jìn)行檢測(cè)。第四環(huán)節(jié)包括兩個(gè)實(shí)驗(yàn):①制備膠體金試紙條,主要為膠體金標(biāo)記和試紙條組裝;②SPR方法研究蛋白質(zhì)相互作用。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要問題

生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)是一門具有極強(qiáng)的實(shí)踐性、實(shí)用性和綜合性的學(xué)科。學(xué)生通過抗體工程先修課程學(xué)習(xí)抗體工程的相關(guān)知識(shí),在該實(shí)驗(yàn)課程中通過實(shí)踐操作學(xué)習(xí)抗體制備等內(nèi)容,既可促進(jìn)對(duì)理論知識(shí)的吸收理解,還可提升實(shí)驗(yàn)操作水平和激發(fā)自身科研興趣。經(jīng)過生命科學(xué)學(xué)院及課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的多年努力,課程建設(shè)取得了一定的成果,但仍然存在一些問題亟待解決。

4.1 硬件方面

4.1.1 經(jīng)費(fèi)投入相對(duì)不足 生物技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)所需的一些儀器設(shè)備價(jià)格較為昂貴。然而高校經(jīng)費(fèi)相對(duì)緊張,暫時(shí)無(wú)法購(gòu)置這些儀器設(shè)備,所以只好將某些實(shí)驗(yàn)步驟所需物品簡(jiǎn)化成商品化的成品,間接影響了教學(xué)效果[4]。

4.1.2 師資力量相對(duì)薄弱 課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)人數(shù)偏少、學(xué)生分組人數(shù)過多、實(shí)驗(yàn)室擁擠等現(xiàn)象導(dǎo)致出現(xiàn)教師兼顧不到位、學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)減少等問題,直接影響了教學(xué)效果。

4.1.3 實(shí)驗(yàn)教材缺乏 盡管國(guó)內(nèi)多所醫(yī)學(xué)院校開設(shè)了類似的實(shí)驗(yàn)課程,但目前市面上未見契合該課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教材。學(xué)生沒有明確的教材可以參考,有些相對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)需要依靠教師提供的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)際操作。

4.2 軟件方面

4.2.1 實(shí)驗(yàn)時(shí)間合理安排有難度 由于該實(shí)驗(yàn)為連續(xù)性綜合性實(shí)驗(yàn),課程按周開展,排課需要照顧到學(xué)生其他課程的授課時(shí)間,有時(shí)可能造成不同實(shí)驗(yàn)之間時(shí)間跨度太大,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)法有機(jī)結(jié)合,學(xué)生對(duì)前面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容早已遺忘的現(xiàn)象。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)進(jìn)度難以統(tǒng)一 由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的重視程度、積極性和動(dòng)手能力不同,有些組因偶然因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗,無(wú)法如期完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,需要課外花費(fèi)額外時(shí)間重復(fù)實(shí)驗(yàn);而另外有些學(xué)生可能因操作不當(dāng)反復(fù)導(dǎo)致細(xì)胞污染,多次重復(fù)無(wú)果,最終影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度,導(dǎo)致科研信心受到打擊。

4.2.3 教學(xué)手段單一 隨著多媒體教學(xué)等先進(jìn)技術(shù)手段的發(fā)展,單純以傳統(tǒng)講授的教學(xué)方式難以激發(fā)學(xué)生的科研興趣,尤其是分子生物學(xué)等學(xué)科較為抽象,加上學(xué)生分組人數(shù)過多、動(dòng)手機(jī)會(huì)較少,那些主觀能動(dòng)性較弱的學(xué)生就可能產(chǎn)生惰性,缺乏學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

5 課程改革的主要舉措

5.1 開展教材建設(shè)

高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)教材是保證實(shí)驗(yàn)效果的關(guān)鍵。我們已組織相關(guān)學(xué)科具有副高以上職稱的教師研討和編寫生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教材,通過教材建設(shè)凝練與推廣教學(xué)成果,提高創(chuàng)新人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

5.2 增加硬件投入

近年來,本校生物技術(shù)專業(yè)加大資金投入,加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè),新購(gòu)置一批實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備,引進(jìn)大批專業(yè)教職人員,在硬件上極大地滿足了教學(xué)需要,同時(shí),進(jìn)一步完善師資隊(duì)伍建設(shè),將教學(xué)與科研并重,積極與抗體研發(fā)生產(chǎn)相關(guān)企業(yè)合作(譬如與深圳普瑞金、百濟(jì)神州等藥企簽訂教學(xué)實(shí)習(xí)基地協(xié)議),掌握抗體開發(fā)相關(guān)專業(yè)技術(shù)。

5.3 改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用啟發(fā)式和討論式教學(xué),始終重視學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng),提高學(xué)生自主分析和解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生良好的科研創(chuàng)新能力。鑒于目前實(shí)踐課時(shí)仍然有限,部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要精簡(jiǎn)。例如,為了實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行,膠體金標(biāo)記實(shí)驗(yàn)和試劑盒組裝這兩個(gè)步驟需要使用商品化的半成品。因此在實(shí)驗(yàn)過程中,教師可以適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生深入考慮該這兩部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)該如何合理設(shè)計(jì)以及開展。后續(xù)可以根據(jù)學(xué)生的意見和想法,結(jié)合課程實(shí)際情況,完善和豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,從而增加課程的趣味性、高階性和挑戰(zhàn)性。

5.4 增加實(shí)踐課程學(xué)時(shí)

由于該課程實(shí)踐性強(qiáng)且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容繁多,教師需確保每一環(huán)節(jié)既有核心內(nèi)容,又能保證基礎(chǔ)技能培訓(xùn)到位。目前實(shí)踐學(xué)時(shí)已從48學(xué)時(shí)增加到80學(xué)時(shí),后續(xù)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容量對(duì)學(xué)時(shí)數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整[5]。實(shí)踐課時(shí)的增加有助于每一次實(shí)驗(yàn)課時(shí)間的間隔安排得更加合理,盡可能減少學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中不必要的等待。

5.5 引導(dǎo)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)開展之前,教師會(huì)對(duì)整個(gè)課程概況以及與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論及實(shí)驗(yàn)知識(shí)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行講解。然后,學(xué)生自行分組討論,并在教師的引導(dǎo)下,利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的各種條件自行完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施?！敖處熆茖W(xué)問題引領(lǐng),學(xué)生自主設(shè)計(jì)和實(shí)施”的研究型教學(xué)模式能夠幫助學(xué)生形成獨(dú)立開展科學(xué)研究的基本素質(zhì),包括統(tǒng)籌規(guī)劃綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案;分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題和提出應(yīng)對(duì)方法;獨(dú)立思考能力、批判性思維、合作交流能力等[6]。研究型教學(xué)模式的應(yīng)用不僅能使學(xué)生受益,還能減輕實(shí)驗(yàn)課程中教師及教輔的工作量[7]。

綜上所述,本輪實(shí)驗(yàn)課程改革取得了良好的成效,不僅鞏固了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能,而且激發(fā)了學(xué)生的科研興趣,鍛煉了學(xué)生科研能力和創(chuàng)新思維,滿足生物醫(yī)學(xué)卓越人才的培養(yǎng)要求,為生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程改革提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。不少學(xué)生反饋,該課程的科研訓(xùn)練使其獲得了前所未有的成就感。同時(shí)這門課程吸引了大量?jī)?yōu)秀學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,提前接觸科學(xué)研究和開展科技創(chuàng)新項(xiàng)目?，F(xiàn)階段生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)課程仍然還有許多方面需要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),今后應(yīng)多學(xué)習(xí)借鑒其他院校的改革經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步深入探索和完善課程改革,大力促進(jìn)課程的內(nèi)涵式發(fā)展,爭(zhēng)取未來取得更好的教學(xué)效果,培養(yǎng)更多優(yōu)秀的生物醫(yī)藥創(chuàng)新人才。