淺談如何利用科研平臺開展本科細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

祝珊珊 劉敏 畢麗偉 李海浪 陳仲巍

1.廈門醫(yī)學(xué)院藥學(xué)系藥物檢測中心，福建 廈門 361026

2.廈門醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系，福建 廈門 361026

作為醫(yī)學(xué)院校必修的主干課程，細(xì)胞生物學(xué)是生命科學(xué)學(xué)科中專業(yè)性強(qiáng)、前沿性強(qiáng)、研究性強(qiáng)的核心課程。該課程不僅能在客觀上延伸本科生對生命現(xiàn)象的認(rèn)知，也能在主觀上促進(jìn)學(xué)生對生命問題的思考。細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生對細(xì)胞生物學(xué)課本知識的探索與發(fā)現(xiàn)。然而傳統(tǒng)的高校本科細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)手段往往較為單一，本科生基礎(chǔ)課程量大、課程分布較廣、時間跨度長等特點(diǎn)導(dǎo)致大部分學(xué)生在本科三年級才有機(jī)會學(xué)習(xí)細(xì)胞生物學(xué)課程和實(shí)驗(yàn)。

科研平臺集中了高校的高端儀器資源，主要為教師科研項(xiàng)目的開展提供軟硬件支持，是高校生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，這些平臺卻很少為本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。隨著21世紀(jì)生命科學(xué)的迅猛發(fā)展，細(xì)胞生物學(xué)的學(xué)科體系不斷壯大，與腫瘤學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、基因工程學(xué)、免疫學(xué)等學(xué)科的交叉更加緊密，全球醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)與應(yīng)用創(chuàng)新型研究都離不開細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。在目前的本科生教育中，學(xué)生對細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能的掌握程度普遍落后于理論課程，嚴(yán)重影響了學(xué)科教學(xué)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生融會貫通理論知識的重要手段，目的是培養(yǎng)學(xué)生掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技能，具備良好的科學(xué)研究思維。利用科研平臺的專業(yè)技術(shù)人員和儀器資源，對細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行延伸，形成系統(tǒng)連貫的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對培養(yǎng)學(xué)生的科研思維和創(chuàng)新能力具有重要作用。因此，如何利用科研平臺與細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合形成新的授課方式將成為目前高校實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的新課題。本文將從培養(yǎng)學(xué)生掌握細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能、結(jié)合大型儀器平臺開放使用等方面對此提出相關(guān)建議。

一、科研平臺是本科細(xì)胞生物學(xué)課程實(shí)驗(yàn)的延伸

課堂實(shí)驗(yàn)是按照教學(xué)大綱設(shè)計(jì)，根據(jù)課時進(jìn)行的學(xué)生驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是提高學(xué)生的動手能力。對于細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)而言，課程設(shè)置集中在細(xì)胞復(fù)蘇、培養(yǎng)、顯微觀察、有絲分裂染色等較為基礎(chǔ)的細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生先掌握細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)技能，再在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依托學(xué)校教改實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過科研平臺細(xì)胞學(xué)儀器設(shè)計(jì)適合本科生的研究性實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，從學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能的掌握程度、研究方向和科研熱點(diǎn)等角度展開，以解決本科生高端儀器使用不多的問題，形成科研平臺儀器與學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)共贏的局面。這一系列延伸教學(xué)可提高學(xué)生的科研認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。我校藥學(xué)系2018 級生物制藥專業(yè)學(xué)生的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，通過延伸課堂，利用學(xué)生課余時間，將課堂上70%冰乙醇固定好的細(xì)胞樣品，通過科研平臺的流式細(xì)胞儀進(jìn)行細(xì)胞DNA周期實(shí)驗(yàn)操作，加深了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，啟蒙了學(xué)生對細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的認(rèn)知。細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)在科研平臺的延伸課堂如表1所示。

二、以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目入駐科研平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目是《教育部 財政部關(guān)于“十二五”期間實(shí)施“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”的意見》中提出的指導(dǎo)思想。這份指導(dǎo)意見承載著國家和高校對新一代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的寄托。近年來，大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目申報數(shù)量不斷攀升，作為一所本科醫(yī)學(xué)院校，廈門醫(yī)學(xué)院（以下簡稱“我校”）每年立項(xiàng)的項(xiàng)目數(shù)約70 項(xiàng)。這些項(xiàng)目是否依托于指導(dǎo)教師的研究課題或基于科研平臺的儀器設(shè)計(jì)成為學(xué)術(shù)委員會評審時關(guān)注的焦點(diǎn)，原因是有前期的研究思路，并且有平臺支撐的學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目能夠順利執(zhí)行和實(shí)施。因此，科研平臺在推動學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目實(shí)施中發(fā)揮了重要的作用。細(xì)胞生物學(xué)作為醫(yī)學(xué)院校的基礎(chǔ)學(xué)科，與之相關(guān)的細(xì)胞學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不僅能培養(yǎng)學(xué)生將生命科學(xué)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)方法相聯(lián)系的思想，還能幫助學(xué)生掌握分析問題和解決問題的能力。例如，湖南師范大學(xué)生物學(xué)教研室對多年的細(xì)胞生物學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的總結(jié)表明，大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對細(xì)胞生物學(xué)的教學(xué)具有積極的作用，能促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。這說明大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩者是相互促進(jìn)、相輔相成的關(guān)系。

三、根據(jù)平臺教師課題項(xiàng)目設(shè)計(jì)具體細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

科研平臺是高校科研工作的主場，其具有精良的儀器設(shè)施和優(yōu)秀的師資隊(duì)伍。通過結(jié)合平臺教師科研項(xiàng)目的細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)模式，可突破單一教師進(jìn)行教學(xué)的局限性。來敏、鞏紅冬在實(shí)驗(yàn)課程中引入“科研式”教學(xué)法（項(xiàng)目教學(xué)法），強(qiáng)調(diào)利用教師的科研課題帶動學(xué)生進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。而我們在細(xì)胞生物學(xué)的實(shí)驗(yàn)課上，通過平臺教師的中藥皂苷抗癌項(xiàng)目，開展中藥皂苷單體抑制細(xì)胞活性實(shí)驗(yàn)，從藥物處理細(xì)胞前后圖形對比，到細(xì)胞的吸光值變化，以及使用流式細(xì)胞儀測定細(xì)胞凋亡，讓學(xué)生體驗(yàn)完整的實(shí)驗(yàn)流程。而在細(xì)胞轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)染的質(zhì)粒也與教師的課題相關(guān)，教師先利用專業(yè)知識講述質(zhì)粒構(gòu)建、DNA 擴(kuò)增環(huán)節(jié)的知識點(diǎn)和原理（這種展示是利用網(wǎng)絡(luò)平臺通過flash動畫演示DNA 聚合酶聚合在引物和DNA 單鏈上，根據(jù)堿基配對原則將不同的堿基配對后引起DNA 鏈的不斷延伸的動態(tài)模式），讓學(xué)生加深認(rèn)識，再通過熒光顯微鏡觀察細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率，以及下游的基因和蛋白表達(dá)實(shí)驗(yàn)。將完整的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)給學(xué)生，可以提高學(xué)生對科研實(shí)驗(yàn)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性。

四、借鑒其他高校的經(jīng)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以打開學(xué)生思維的大門，教會學(xué)生融會貫通理論知識，并培養(yǎng)學(xué)生掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技能，具備良好的科學(xué)研究思維。為了有效調(diào)動學(xué)生對細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)的求知欲望和學(xué)習(xí)潛能，我們的實(shí)驗(yàn)課程也會借鑒其他學(xué)校優(yōu)秀的課程改革方法。如山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的植物營養(yǎng)學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在授課過程中，利用國家級科研平臺的實(shí)驗(yàn)儀器，開展植物營養(yǎng)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有效提高了相關(guān)專業(yè)本科生的科研實(shí)踐能力,加大了對本科生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)力度。科研平臺如何在本科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課中發(fā)揮作用，需要教師和平臺一起努力。例如，教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)大綱時，可增加具有連貫性的實(shí)驗(yàn)。由教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)，由學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)方案和時間安排，再由任課教師檢查實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是否具備可行性，可行性佳的項(xiàng)目可與科研平臺溝通確定實(shí)驗(yàn)時間。再如，在藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生提取的植物單體需要進(jìn)一步做藥理實(shí)驗(yàn)時，可以先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，較合理的方案就可以利用科研平臺的細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成藥理的細(xì)胞活性實(shí)驗(yàn)。增加更深層次的實(shí)驗(yàn)過程不僅可以讓學(xué)生積累實(shí)驗(yàn)技能，還可以激發(fā)其科研興趣，使其對感興趣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究和驗(yàn)證，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

五、通過校外檢測項(xiàng)目加強(qiáng)學(xué)生的細(xì)胞學(xué)儀器操作能力

2020年，教育部科技司副司長張國輝在高校科研實(shí)驗(yàn)室安全現(xiàn)場檢查啟動暨培訓(xùn)會上指出：科研實(shí)驗(yàn)室是服務(wù)社會的重要平臺。高校高精端儀器資源豐富，對于中小型企業(yè)來說，利用高校的儀器可以省去自身購買大型儀器的費(fèi)用。并且，隨著我校網(wǎng)絡(luò)共享儀器平臺的建立，科研平臺的儀器在網(wǎng)上可以查詢、注冊、預(yù)約使用，讓人對儀器的規(guī)模和狀態(tài)一目了然，預(yù)約和使用程序簡單。另外，我校預(yù)約平臺增加了大型儀器的送樣檢測項(xiàng)目，校內(nèi)外用戶可通過預(yù)約系統(tǒng)申請樣品檢測。隨著樣品量的增加，通過儀器培訓(xùn)的學(xué)生可以參與檢測樣品的預(yù)處理，如在前期流式細(xì)胞周期的檢測中，能熟練使用流式細(xì)胞儀的學(xué)生可以參與送檢樣品的DNA 周期檢測的項(xiàng)目。這些實(shí)操經(jīng)驗(yàn)加深了學(xué)生對細(xì)胞生物學(xué)知識的應(yīng)用，加強(qiáng)了對學(xué)生儀器操作技能的鍛煉。

六、在科研平臺細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)施中出現(xiàn)的問題

學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平的提高離不開教師對實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)，而好的實(shí)驗(yàn)儀器對教師在實(shí)驗(yàn)課程中的開發(fā)也起著積極的作用。利用科研平臺進(jìn)行細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解決了平時實(shí)驗(yàn)課無法使用貴重儀器的問題，但是也有新的問題出現(xiàn)。例如，科研平臺的使用需要調(diào)節(jié)管理人員、儀器設(shè)備和學(xué)生三者的時間。由于我校周四下午統(tǒng)一不安排學(xué)生課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要在周四下午進(jìn)行，但是如果只在這一個下午時間內(nèi)對全校各年級開放授課，調(diào)節(jié)難度較大。

另外，還有經(jīng)費(fèi)問題。利用科研平臺進(jìn)行學(xué)生課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，綜合成本較高，主要體現(xiàn)在試劑保存和儀器運(yùn)行保養(yǎng)上。例如，在細(xì)胞凋亡實(shí)驗(yàn)中，需要用到Hoechst33342 染色液、Annxin-V-FITC 試劑盒或PI 染色液；或者在細(xì)胞蛋白表達(dá)的實(shí)驗(yàn)中，需要用到抗體、PVDF 膜等材料，按整個專業(yè)的學(xué)生人數(shù)來算，耗費(fèi)量是很大的。我們主要的降費(fèi)手段是開源節(jié)流：開源即開放對外檢測服務(wù)項(xiàng)目；節(jié)流即試劑耗材采用國產(chǎn)試劑，如碧云天公司的凋亡試劑和proteintech公司的抗體。

七、結(jié)語

在傳統(tǒng)模式中，科研實(shí)驗(yàn)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)是兩個不同的實(shí)驗(yàn)研究，科研平臺的優(yōu)質(zhì)資源通常無法服務(wù)于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，特別是在高職類院校，這導(dǎo)致大量昂貴的儀器資源被浪費(fèi)。而利用科研平臺對在校大學(xué)生的某一門實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，國內(nèi)已有多所高校進(jìn)行了探索與實(shí)踐，如重慶交通大學(xué)利用平臺模擬實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)紅外視頻監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)改革，太原理工大學(xué)機(jī)械工程科研平臺對本科生機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)的改革，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)借助科研平臺開展基因工程實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革等。高校科研平臺是推動科技發(fā)展的重要基地，是辦好高等學(xué)校的基本條件之一。我校作為一個新建本科高校，自2016 年升格為本科院校以來，生源質(zhì)量大幅度提高，但是由于缺乏碩士學(xué)位點(diǎn)，科研平臺的使用率還不夠高。利用科研平臺的軟硬件設(shè)施，面向?qū)W生需求，面向課題研究，設(shè)計(jì)合理的開放性細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，定制個性化科研實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，不僅可以促進(jìn)教師加強(qiáng)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和科研素養(yǎng)的提升，而且可以滿足學(xué)生對科研操作能力的迫切需求，并帶動科研平臺資源利用率的提高。