自主創新性分子醫學實驗課程體系建設的探索與實踐

趙魯杭， 鄒 玲， 霍朝霞， 于曉虹， 翁登坡

（浙江大學醫學院，杭州310058）

0 引 言

新時代高等教育的目的是培養有知識、有能力、有素質、有覺悟的新型建設人才，高校教育，以本為本，建設具有中國特色、世界一流的本科教育［1］，歸根到底還是人才培養機制的問題。提高人才培養的質量，建立高水平的人才培養體系，特別是學生的創新性思維和能力培養體系，應該作為創新人才培養的主要著力點［2］。

科學實驗是獲取客觀知識最重要的途徑，高校的實驗教學是理論和實踐相結合，培養學生實驗技能和創新能力的重要方式［3-4］。傳統的實驗教學以驗證式教學為主，即學生按照指定的實驗內容和指定的實驗技術路線完成實驗，不利于激發學生的學習興趣和主觀能動性，學生的參與度和探索熱情不高。這種實驗教學已不能滿足新時代人才培養的要求。信息時代科學技術的迅猛發展和社會經濟的變革所帶來的沖擊，使得學生對自身能力的培養需求也發生了巨大的變化。堅持一切從社會和學生的需求出發，注重對學生創新能力、探索精神以及實踐能力的綜合培養具有重要的意義［5］。創新性實驗在培養學生的創新思維、創新意識和創新精神，提高學生的創新實踐能力方面發揮著不可或缺的作用［6］。因此，加強創新性實驗教學體系建設，促進信息技術與實驗教學的深度融合，提高實驗教學質量和實踐育人水平，推動實驗教學的改革與創新顯得尤為重要［7］。

1 分子醫學實驗教學的現狀

我校基礎醫學院作為國家醫學類試點學院，教育部雙一流學科建設A類學院，在學科建設方面取得了顯著的成績，也擁有深厚科研實力的教師力量儲備。醫學院的人才培養目標是培養具有創新性能力的醫學研究性人才［8］，為服務于這個目標，幾乎所有的實驗課程在加強實驗教學內容綜合性和實驗技術先進性的基礎上，增加了自主創新性實驗設計的實驗項目，目的是培養學生的文獻閱讀能力、實驗設計能力、自主創新能力和科研思維能力，但是多數學科的實驗教學尚未建立真正意義上的自主創新性實驗課程體系，主要原因是實驗課程設置的時間周期較短，通常一個學期最多設置8周課程，在這樣的時間空間里要完成自主創新性實驗項目的設計并加以實施是非常困難的。

分子醫學實驗是一門教改整合實驗課程，通過將生物化學、分子生物學及遺傳學等課程實驗教學內容進行整合，形成了相互關聯、相互交叉的系列性、綜合性實驗教學內容。通常分子醫學相關的自主創新性實驗內容較多、耗時較長，在現有實驗課程體系下很難真正開展［9］。為使學生能夠在有限時間空間里學習和體驗自主創新性實驗的過程，需要對原有實驗課程體系進行改革。為此，進行了混合式教學模式下的學生自主創新性實驗課程體系建設的探索性實踐。

2 自主創新性分子醫學實驗課程體系改革

分子醫學實驗課程共64學時，8周課程，每周8學時。原實驗課程體系是56學時綜合性實驗（7周）+8學時自主創新性實驗設計的答辯及課堂討論。學生的自主創新性實驗只停留在理論設計、答辯和討論上，無法真正開展實踐活動。建立自主創新性實驗課程體系，通過對實驗技術方法進行改進，以及利用本實驗課程網站上豐富的線上實驗教學資源，通過線上線下混合式教學結合演示性教學等方式，在滿足實驗教學大綱要求的前提下，壓縮了綜合性實驗教學內容的時間。自主創新性實驗課程體系設計為：32學時綜合性實驗教學內容+32學時學生自主創新性實驗。在學期開始時布置自主創新性實驗任務，學生可以完全自主選擇實驗項目內容，也可以在教師提出科學問題主題的情況下進行相關實驗內容的設計。學生在前4周進行綜合性實驗項目的同時自行完成自主實驗項目的設計，經答辯、修改后敲定實驗設計方案，于后4周完成自主性實驗項目的研究，包括實驗材料的準備、實驗試劑的配制和實驗項目內容的實施。

3 新舊分子醫學實驗課程體系教學內容的比較

自主創新性分子醫學實驗課程體系壓縮了固定實驗教學內容的時間，為自主性實驗的開展提供了時間空間（見表1）。

表1 兩種分子醫學實驗課程體系教學內容的安排和比較

4 部分自主創新性實驗項目內容及實施過程

4.1 教師引導的自主性實驗項目

由帶教老師提出科學問題和研究主題內容，學生通過查閱文獻，設計出實驗研究方案和并加以實施。

項目1小GTPase在自噬中的生物學功能。通過從小GTPase與自噬受體相互作用的角度，嘗試揭示自噬小體形成的分子機制。主要實驗內容包括：①構建小GTPase的原核和真核表達載體；②帶有GST標簽的小GTPase重組蛋白的純化；③利用免疫共沉淀技術，分析小GTPase和受體的相互作用；④利用激光共聚焦顯微鏡技術分析小GTPase和自噬受體在哺乳動物細胞內的亞細胞共定位，以進一步證明二者在細胞內的相互作用。

項目2特異性參與能量匱乏誘導自噬基因的機制研究。以模式生物釀酒酵母為研究材料，通過敲除不同的基因，顯微鏡觀察能量匱乏條件下自噬的發生情況，從而研究特異性參與能量匱乏誘導自噬的新基因。主要實驗內容包括：①不同組選擇需要敲除的目標基因（如BNA1-5、Ypt53、Gtr1、Mig1、Acs1、AIF1、Sir2和Rck2），分別設計同源重組引物；②利用PCR技術，擴增同源重組片段并回收DNA片段；③利用同源重組技術，對目標基因進行靶向敲除；④通過提取酵母基因組DNA，檢測基因是否敲除；⑤利用熒光顯微鏡技術分析敲除基因對能量匱乏誘導自噬發生的影響。

4.2 學生完全自主選擇的實驗項目

首先由學生提出一個感興趣的科學問題，通過與老師溝通和討論，決定該問題是否具有研究的必要性和可行性。在確定自主研究項目主題后，學生通過查閱文獻，制定詳細的實驗計劃和方案。通過課堂匯報、答辯和討論過程，修改和完善研究計劃后加以實施。部分自主性實驗項目有：①對成纖維細胞及胚胎干細胞（ES）中常見基因表達水平差異的測定；②茶氨酸與咖啡因對急性酒精肝保護作用影響研究；③不同濃度CCCP對Hela細胞線粒體自噬的影響；④紅景天對小鼠紅細胞2，3-二磷酸甘油酸含量的影響；⑤蘋果中多酚氧化酶的提取及抑制劑對PPO活性的影響比較；⑥不同品系瓜果中SPS含量差異對甜度影響探究；⑦探究JP3 JP4蛋白在腦發育過程中的表達；⑧脫氫乙酸及其鈉鹽類物質對蠶豆根尖細胞遺傳毒性的研究；⑨無機砷對NB4細胞LC3I和LC3II蛋白表達的影響。

4.3 自主性創新性實驗的實施過程

（1）由3～5個學生自由組合形成一個團隊，并提出一個科學問題（可與老師探討所提問題是否具有科學研究的意義）。

（2）確定實驗項目研究主題后，團隊成員分工合作，通過查閱相關文獻，確定實驗項目研究的方案。

（3）課堂上進行開題報告，匯報實驗選題的基本思路和實驗方案，通過課堂討論，提出修改意見或建議。

（4）在開題報告的基礎上，帶教老師與每個實驗組的學生進行反復地討論和修改，最終確定探究性實驗的實施方案。

（5）學生自主完成實驗項目的研究，包括實驗試劑的配制、實驗材料和器材的準備及實驗操作等，并撰寫研究論文。

5 教學效果與建議

5.1 教學效果

一流的本科教育需要建設一流的課程，所謂一流就是需要體現“兩性一度”［10］，以培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維能力為目標，課程的項目內容需要體現先進性和創新性，而且要有一定的難度［11］，這也是建設自主創新性實驗課程體系的目標和初衷。通過自主創新性實驗設計和實施，學生學習了什么樣的問題才是一個科學問題，并且學習和掌握了如何通過文獻檢索建立實驗方案，探究這個科學問題的實驗結果。整個項目的實施過程中，學生經歷了獨立思考、分工合作、匯總思路、相互配合等心路歷程，在很大程度上培養了學生的創新能力和團隊合作精神。自主創新性實驗課程體系表面看似乎是壓縮了一些線下的實驗項目內容，但學生在自主性實驗過程學到了更多的實驗技術和方法。自主創新性實驗完成后，除了要求提交實驗研究的論文外，每個學生還需要提交一份感想和體會，并對整個課程體系提出意見和建議。

課程結束后，通過問卷調查的形式針對整個自主創新性實驗課程體系的教學安排、對創新性思維和能力培養、對綜合實驗能力培養等方面的作用進行調查。從回收的180份問卷調查的統計結果看，學生對自主創新性實驗課程體系的總體評價很高，實驗教學效果非常好（見圖1）。很多學生表示這是他們上過的最有意義的實驗課，自主創新性實驗項目就像是自己種植的小樹苗，看著它們不斷地長大并開花結果，即使有些自主創新性實驗最后的實驗結果不是很理想，但學生從中獲得了寶貴的經驗教訓，通過總結，加深了體會，也在學習中得到了鍛煉與成長。

5.2 自主創新性實驗課程體系可持續發展的建議

自主創新性實驗通常具有實驗過程耗時較長、實驗消耗經費相對較高、實驗材料和試劑多樣、帶教老師工作量大、超課時工作等特點，還涉及實驗室的有序開放等問題，這些問題能否得到很好的解決關系到創新性實驗課程體系的可持續發展問題［12］。如何妥善地解決新的實驗課程體系實施過程中遇到的各種問題，有效地調動教師和實驗室工作人員開展創新性實驗教學的積極性，是每個高校教學管理部門需要認真思考的問題［13-14］。建議對于開設自主創新性實驗的課程在實驗教學經費上給予一定的增加，教師和實驗室工作人員的工作量增加一定的系數，健全和完善實驗室的有序開放或預約管理機制，不斷改進和完善學生和教師的考核評價體系，確保創新性實驗教學課程的可持續發展。

6 結 語

加強高校創新性人才培養體制建設是新時代高校本科教育重要內容之一，也是國家可持續發展戰略、科教興國戰略、人才培養戰略、科技強國戰略的必然要求［15］。實驗教學作為創新性人才培養的重要途徑之一，不同的學科如何根據各自的特點，探索建立各具特色的自主創新性實驗課程體系，是值得認真思考的問題。