淺談本科生創新實踐能力培養體會

張曉雨 楊超 郜業蜜 張巨彪 閆名峰

摘要：科研思維和創新能力是當代生物醫學大學生亟待擁有的素質。本文作者結合自己參與“大學生創新實驗計劃”項目一年的經歷，從學生角度淺談大學生創新性實驗對學生科研素質和創新能力的影響，以期為完善大學生創新實驗制度提供參考依據。

關鍵詞：生物學;大學生;創新性試驗

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）18-0070-04

一、引言

2006年11月教育部啟動國家大學生創新性實驗計劃，該計劃是在國家層面實施直接面向大學生立項的創新訓練計劃，旨在培養大學生創造性思維，培養學生提出問題、分析問題、解決問題的能力，建立高校創新文化，是新形勢下推動人才培養工作的一項重要舉措[1]。蚌埠醫學院生物科學系以國家大學生創新實驗計劃為指導，安排實施該項目，旨在培養大學生創新意識與創新能力，培養思維創新、技術創新專業型人才，為學生今后的發展奠定良好基礎。筆者作為項目成員參與并完成了校省級重點創新性實驗項目“喹唑啉類化合物抗腫瘤活性的初步篩選及作用機制的探究”。現就此談談我組成員參與蚌埠醫學院生物科學系大學生創新性實驗項目的收獲與體會。

二、項目實施模式

（一）項目申請

蚌埠醫學院生物科學系本著興趣驅動的原則，首先向全系學生宣傳我系教師的科研方向，學生可以根據自己的興趣與相關教師交流溝通，在老師的引導下學生開始查閱相關資料、選題、設計。為了實現其選題目標的成功和高質量，每一組學生數量應有限，且他們應該具備一定的專業知識。大學一年級處于創新實驗計劃項目的基礎理論學習階段，因而該項目主要成員應從大二學年或大三學年的學生中挑選。系部本著學生自愿報名、導師擇優錄取的原則，鼓勵學科交叉融合，鼓勵申請者由3～5人聯合申報，每個創新實驗項目組至少有1名專業教師為指導[2]。我們實驗組根據自身的科研興趣開展了“喹唑啉類化合物抗腫瘤活性的初步篩選及作用機制的探究”項目計劃，共有2個專業5名同學參與。

（二）實驗過程

研究項目確立以后，我們馬上根據研究目的查閱資料，設計實驗方案。首先以SMMC7721細胞為模型，在導師指導下從細胞復蘇開始，逐步進行細胞培養，細胞種板，加藥，通過MTT法測定藥物在不同濃度下作用24h、48h、72h后SMMC7721細胞的活性，并通過拍照觀察細胞形態變化，以DMSO作為陰性對照，吉西他濱作為陽性對照，篩選抑制率高且細胞毒性較小的藥物。在此基礎上利用流式細胞術研究藥物對細胞周期及凋亡的影響，進一步通過蛋白質免疫印跡等方法探究優效藥物的作用機制。在每個階段結束時，定期開展小組相關文獻和實驗進度匯報，并對項目目標的實現程度進行評估（基本實驗方案設計見表1）。

（三）結題答辯

申請結題首先通過院系的預答辯，然后參加校級答辯。本組成員合理分工，小組成員2人制作PPT，2人整理實驗數據，1人查閱相關文獻，小組成員根據結題要求如實匯報項目實施進展、取得的實驗成果及項目實施過程中的收獲與體會等。

三、國家創新訓練計劃對本科生全面素質的提升

21世紀隨著生物學的快速發展，已滲透到醫療、農業、食品、環保等各個領域[3]。傳統生物學教學觀念和教學方式主要是以教師為中心，學生是被動的信息接受者，基本是通過講座、講義、筆記、實習和一些多媒體教學，已經不能很好地滿足現代生物學教學的需要。本科生參與科研創新性實驗重點從以教師為中心到以學生為中心的學習，不但可以提高大學生創新意識和實踐能力，還可以進一步提高學生的自主學習能力、自我規劃管理能力、科研素養和團隊協作能力，促進自身全面發展，為今后參與科研活動奠定良好基礎。

（一）自主學習能力

本研究的項目完全根據學生的興趣來確立的，所以學生的主動性和參與性很強。對分析相關專業文獻有著很大的熱情，在整個過程中潛移默化地培養了學生的自主學習能力[4]。

同時，在研究過程中學生能感受到老師的鼓勵，更自信地進行自主學習。積極的方法論會激發學生更有效地獲取知識，在我們進行創新實驗的過程中，導師非常注重發揮學生的主觀能動性，堅持學生是學習的主體，鼓勵、增強我們的學習動力、批判性思維。參與項目前，我們只是知道自己對抗腫瘤藥物的研究感興趣，但是我們對實驗內容一無所知，所以導師根據我們的情況首先對我們展開了小組文獻檢索的教學，詳細介紹了中國知網、NCBI（National Center for Biotechnology Information）、萬方等數據庫的使用方法，為我們自主學習專業知識打開了渠道。在實驗之前，老師并不是直接把實驗流程告訴我們，而是讓我們先上網查閱資料和視頻，根據自己的研究目的設計實驗。然后根據研究方案做好實驗前的準備，進一步開展預試驗。預試驗中會出現很多想想不到的問題，于是我們根據這些問題進一步討論分析，查閱文獻或者向導師尋求幫助，然后進一步準備實驗。實驗結束后，老師要求我們整理實驗數據，自己寫一份實驗總結論文，剛剛接觸論文的我們對于論文的寫作格式一竅不通，甚至連導入參考文獻名都不會，經過小組同學在一起討論學習，上網查閱優秀論文和計算機操作教程，慢慢學會了寫論文。經過了一個實驗項目的培養，我組成員已熟練掌握文獻檢索的步驟，了解論文撰寫的基本要求，自主學習能力得到了明顯的提高。

（二）創新思維能力

創新是一個民族的靈魂，是一個國家發展的動力。參與創新實驗之前，我們僅僅從書本和課堂上攝取實驗理論知識。進入實驗室之后，導師常教育我們不能機械式學習書本知識，不僅要扎實學習專業知識，還要在實驗過程中勤思考、敢提問，尤其啟發我們在實驗中發現新的研究切入點，根據實驗現象提出一些創新性的問題，這樣才有可能開創出創新性的領域或者途徑。比如圖1，我們根據這個實驗結果，可以初步看出化合物M4，M5和M6對肝癌細胞SMMC7721都有作用，但是作用不盡相同。根據這個圖片結果，不同同學會有不同的見解，甚至是一些創新性見解。在實驗過程中，導師提示我們在多濃度、多時間段進行細胞活性檢測和毒性檢測，以尋找藥物的最佳作用濃度和時間;并根據實驗現象提出藥物可能導致的細胞的行為變化。在小組匯報時，導師提示我們自主查閱最新相關文獻，及時調整實驗計劃、拓寬實驗視野、擴展實驗思路。在導師的幫助下，我組成員的科研思路已逐步形成，創新思維得到了很大的鍛煉。

（三）科研思維能力

惡性腫瘤作為世界上第二大致死性疾病，設計、合成、篩選出針對腫瘤發生機制的多環節作用的新型抗腫瘤藥物已成為目前國內外關注的焦點。那么如何選題是我們面臨的第一個問題，在導師的引導下，我們認識到小分子靶點藥物是目前抗腫瘤的藥物的主要研究方向。而根據文獻報道，第一個小分子靶點藥物吉非替尼就是在喹唑啉類藥物PD153035的基礎上改造出來的，但是長期使用會產生耐藥性。而喹唑啉是一種雜環類化合物，結構多變，所以我們想能不能在喹唑啉活性母核的基礎上改造，合成篩選出活性更、高毒性更小，選擇性更強的小分子靶點藥物呢？基于這種假設我們的選題“喹唑啉類化合物抗腫瘤活性的初步篩選及作用機制的探究”就產生了。

導師幫助我們聯系合作團隊開展新性喹唑啉化合物的合成。同時，我們這邊緊鑼密布地開始查閱文獻，設計抗腫瘤藥物體外篩選及作用機制研究方案。對文獻分析發現，體外抗腫瘤藥物篩選的基本思路和方法是：首先抗腫瘤藥物活性篩選，用到的主要方法是MTT比色法和形態觀察法;在此基礎上對活性高的化合物進行毒性測試，實驗方法主要是乳酸脫氫酶活性測試（LDH）和形態觀察法;在此基礎上對活性較高毒性較小的藥物進行作用機制的初步研究，主要是根據前期的實驗結果考察藥物對細胞增殖和凋亡的影響，用到的方法主要是流式細胞術和免疫印跡。在此基礎上我們擬定實驗方案，開始實驗準備并進行實驗。

實驗前我組成員將所有的實驗儀器用具進行滅菌，配置好實驗所需試劑。首先進行細胞培養：從液氮罐中取出凍存細胞，37℃水浴1分鐘復蘇，然后在5% CO2、37℃恒溫培養箱中培養。待細胞生長狀態良好時，進行細胞種板和加藥，加藥24h、48h、72h后進行形態學觀察，再加MTT4h后加SDS，隔夜測酶標。細胞種6孔板，提蛋白進行Western blot分析蛋白表達量。

我們預期的實驗結果是：將藥物作用于細胞之后，細胞的形態特征、增殖、凋亡都有明顯變化。而且，在不同藥物作用時間梯度和藥物濃度梯度，各項指標都有明顯的變化。我們會從中選出藥物作用效果好且細胞毒性小的藥物做進一步的實驗。并將此藥物重新設置更為細化的濃度梯度和時間梯度，選出最適作用時間和最適作用濃度，并將細胞收集做流式細胞分析，在此基礎上裂解細胞提取蛋白進行Western blot，以此初步分析藥物作用機理。

經多次重復實驗后，整理實驗數據，并對實驗結果和實驗過程中出現的問題進行分析討論。在導師指導下，小組成員一起對實驗過程進行反思，總結，進行小組匯報，由導師給出意見和建議，最后進行結題匯報。

通過對比預期結果和實際結果，我們感覺自己的科研思維存在很大的局限性。在設計整個實驗時，沒有客觀考慮到實驗課題的優劣性，也沒有很好的結合實際情況，盡量避免實驗時間不充分的弊端等，導致實驗結果和預期結果存在較大差異。與此同時，我們對于意料之外的實驗結果重點分析，學習到了更多的知識。

從選題，設計研究方案，實驗前準備，預試驗，實驗，根據實驗結果開展下一步實驗，再實驗，對研究結果總結分析，結題匯報，這個一個流程下來，所有參加的小組成員科研思維有了極大的提高。

（四）科研實踐能力

首次參與科研實踐活動，我組成員缺乏實驗經驗，對實驗室安全、實驗儀器使用、實驗試劑配制等不太了解。細胞培養初期，我們試驗選取的SMMC 7721細胞需要用90%RPMI1640培養基+10%胎牛血清（FBS）+1%雙抗（青霉素+鏈霉素），但是由于我們初次培養細胞，錯用了DMEM培養基，導致細胞生長狀態極差，使實驗進度被耽擱。加上惰性貪玩，經常忘記寫實驗記錄，所以每次接觸新實驗之后，都不能很好地掌握實驗流程和實驗儀器的正確使用，例如初期使用微量移液器時，我們總是忘記打出液體時按到第二檔，之前也從未了解過懸浮細胞和貼壁細胞的培養方法。由于以前沒有接觸過細胞培養，所以對細胞培養的無菌要求認識不足，導致細胞經常染菌。在導師的悉心指導下，我們從細胞培養學起，反復實驗，逐漸熟悉了藥物篩選及藥物作用機制研究的基本流程。同時，我們實際的實驗結果沒有預期實驗那樣盡如人意。在實際操作中，我們發現藥物的最佳作用濃度和最佳作用時間往往沒有明顯的相關性，且細胞毒性結果顯示一些作用效果較好的藥物細胞毒性也較大。我們通過查閱資料，分析造成這個結果的原因：抗癌藥物作用機理主要是通過抑制癌細胞增殖和促進細胞凋亡，且隨著藥物作用時間的延長，不管是效果較好的藥物還是效果較差的藥物，都能有效的抑制癌細胞增殖。這也解釋了為什么作用時間和作用濃度沒有很好的相關性。我們反復實驗不斷分析，科研實踐能力顯著增強。經過一年半的實驗學習，我組成員已經可以獨立設計實驗方案，熟練完成整個實驗操作，掌握多種實驗儀器的使用，并利用SPSS軟件分析實驗結果，收獲頗多。

（五）團隊協作能力

沒有優秀的個人，只有優秀的團隊。21世紀，是知識經濟、信息經濟發展的時代，團隊發展與合作以及資源的開發與共享越發重要。一個優秀的大學生應該具備高度的責任感和團隊凝聚力。我們課題組包括生物科學和生物技術兩個專業的5名同學，從互不相識到團結合作，為實現課題實驗目標共同努力。實驗前我們進行合理細致的分工，實驗中不斷磨合，實驗后經常在一起討論實驗設計與實驗操作細節，相互學習，互相配合，增加了我們之間的互動，培養增進了友誼。實驗間隙，小組成員建立了微信群和QQ群，經常在群里交流自己的實驗心得，資源共享，一起解決實際的日常問題，分析我們自身的優缺點。我們實驗組團結一致，積極主動，各司其職，為我組實驗的圓滿完成盡到了自己的應有的責任，具體分工見表2[5]。

四、結語

大學生創新實驗對拓寬我們本科生的視野，培養我們的創新思維和動手操作能力有重要意義——幫助學生學習和應用學科內容，發展創新性和批判性思維能力，并獲得終身學習、交流能力，以及團隊協作能力等[6]。積極參與國家大學生創新訓練計劃，大學生應具備一定的專業知識基礎和高度的責任感，以興趣為前提，認真學習實驗操作技能，有意識地培養科研思維。善于提出、剖析、解決問題，及時跟上時代發展的腳步，在導師的指導下不斷完善實驗方案，與團隊共進步[7]。