中医药院校细胞工程实验课程改革的探索

刘颖 徐文娟 何平

[摘要]细胞工程实验是中医药院校生物制药专业学生的一门专业必修课。传统教学中实验学时较少、与实际应用相脱离，且缺少与中医药的有机结合。本文以我校目前进行的细胞工程实验课程改革为基础，分析改革的意义、目的、必要性以及取得的进展，并对未来的课程发展做出展望，以期为更好地在中医药院校中开展细胞工程实验课程提供参考。

[关键词]细胞工程;生物制药;中医药;改革

[Abstract] Cell engineering experiment is one of the most important compulsory courses for college students majoring in biopharmaceutics at traditional Chinese medicine universities. In the traditional teaching method， the credit hours are very limited， the experimental contents break away from the practical application and lack the combination with Chinese medicine. Based on the innovation of cell engineering experiment in Beijing University of Chinese Medicine， this paper analyzed the meaning， objective， necessary， and progress of this innovation， and discussed the course development in the future， in order to lay a foundation for the innovation of cell engineering experiment in traditional Chinese medicine universities.

[Key words] Cell engineering; Biopharmaceuticals; Traditional Chinese medicine; Innovation

细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的方法，通过类似于工程学的步骤，在细胞整体水平或细胞器水平上，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质以获得新型生物或特种细胞产品的一门综合性科学技术[1]。广义的细胞工程包括所有的生物组织、器官及细胞离体操作和培养技术。狭义的细胞工程则是指细胞融合和细胞培养技术。细胞工程是生物工程的重要组成部分，与酶工程、蛋白质工程、发酵工程、基因工程以及生化工程彼此联系、相互影响，广泛涉及到农业、医药、环境、轻工业、食品、能源等多个领域[2]。因此许多综合性大学及农林院校的生物工程专业、生物制药专业都将其作为本科生学士学位必修课程开设[3]。

细胞工程实验课有助于加深对细胞工程基础理论的理解，是对课堂教学效果的进一步巩固和提升[4]。该课程具有实践性强的特点，对学生动手能力的培养、科研思维的训练以及创新能力的培养都大有裨益。因此，我校生物制药专业自2003年招生以来，虽然课程体系几经调整，但细胞工程实验课一直是本科生的专业必修课程。

中医药院校的生物制药专业，应培养适应中医药发展需要，具有较高的科学素养和创新能力，能利用现代生命科学与技术从事中药生物技术相关领域的科学研究、产品开发和产业经营的专门人才[5]。因此，中医药院校生物制药专业的主干课程应体现中医药特色，与中药发展相结合。虽然国内外已经出版了一些有关细胞工程的实验教程[6]，但内容多以植物细胞工程及动物细胞工程的基本操作为主，并没有体现与中医药的有机结合。因此，本文结合中医药院校生物制药专业本科生的培养特点和要求，以及本校生物制药学科建设的实际需求，对细胞工程实验教学的内容及授课方式进行探讨，以期为该课程的教学改革以及生物制药学科建设提供参考。

1生物制药专业细胞工程实验传统教学模式

我校生物制药专业细胞工程的课程设置为54学时，其中36学时为理论课，18学时为实验课（第五学期）。实验课程每次3学时，分别开设以下6个内容：①植物组织培养实验室介绍及玻璃器皿的清洗;②植物组织培养基的配制及高压灭菌;③植物愈伤组织的诱导;④植物细胞悬浮培养;⑤动物细胞培养液的配制及过滤除菌;⑥动物细胞的传代培养。

细胞工程实验课的传统教学重点是培养学生的无菌操作[7]，所开设的6次课程中有4次需要进入超净工作间进行实践操作。授课教师做好课前准备，包括：超净工作间的紫外线消毒、接种器械的高温高压灭菌、玻璃器皿的消毒等。在课堂教学过程中授课教师首先讲解实验目的、原理、材料及步骤，并配合动作示范;然后学生分组进入超净工作间进行实验，教师从旁指导，并给每个学生的操作打分;实验结束后学生提交实验报告，教师结合操作成绩和实验报告给出学生的实验成绩。该教学模式简单，易于量化，框架清晰，但学时有限，且实验均为验证性实验，学生掌握的知识点单一，缺乏对理论知识的系统性认识，也不利于激发学生的科研兴趣。

此外，传统的细胞工程实验教学中主要注重植物细胞工程与动物细胞工程的基本操作[8]，并未利用中医药院校的传统优势，体现中医药特色。虽然实验结果的重复性良好，但不利于启发学生的创新性思维，为将来从事相关科学研究打好基础[9]。

2细胞工程实验教学改革的探索

为解决传统细胞工程实验中存在的上述问题，激发学生的创新性思维，变被动学习为主动学习，更好地将细胞工程理论知识付诸实践，同时体现中医药特色，与中藥发展相结合，笔者尝试对细胞工程实验教学进行了探索性改革。

2.1激发学生创新思维，变验证性实验为探索性实验

传统细胞工程实验中，植物细胞工程部分采用已知配方的MS培养基对胡萝卜小块组织进行愈伤组织诱导，该实验条件成熟，操作可控，90%以上的学生均能观察到正确的实验现象[10]。但不利于学生深刻理解细胞脱分化的理论基础，也不利于学生主动获取知识及独立设计实验能力的培养。因此，我们将验证性实验转变为探索性实验。在理论教学课堂上布置好实验教学的改革方案，请学生自由结组，每组选择一种药用植物为外植体材料，查阅文献并根据课堂学习的理论知识自行设计实验方案。最终，30名学生自行结成5组，分别以甘草、柴胡、一叶萩、金银花、银杏为实验材料，将诱导培养基中生长素与分裂素的种类及配比作为重点考察对象，设计正交实验。然后由各组学生按照自己设计的实验方案分工合作，配制培养基并完成外植体接种，汇总实验结果并提交实验报告。

传统的动物细胞工程實验采用DMEM培养基对Hela细胞进行传代培养，也存在植物细胞工程中类似的问题，即：操作模式化，且缺乏与中医药的联系。因此，笔者结合自己的日常科研工作对动物细胞工程实验进行了调整。对以上5组学生分别提供Hela、BGC823、A549、U87、K562等肿瘤细胞系，同时提供大宗药材甘草中的两种最常见黄酮类化合物甘草苷及异甘草苷，由学生自行设计MTT实验方案，在学习培养动物细胞的基础上尝试进行中药成分的细胞毒活性筛选，并掌握MTT的基本实验方法。每组同学分工合作，汇总实验结果、分析实验数据，并提交实验报告。

2.2鼓励学生开拓，变传统细胞工程实验为中医药特色实验

传统细胞工程实验中未考虑到中医药大学的培养特色，因此实验安排参照综合性大学细胞工程的实验内容[11]。笔者在本次实验改革中，强调将细胞工程理论知识付诸实践，同时体现中医药特色，与中药发展相结合。因此，在植物细胞工程实验中学生选择外植体材料的范围是北京中医药大学药草园中的药用植物甘草、柴胡、一叶萩、金银花和银杏。在获得愈伤组织后，有兴趣的同学可利用课余时间对其进行扩大培养，并鼓励学生依据药典方法对愈伤组织中的有效成分进行含量测定。此部分内容为拓展性训练，一方面可以帮助学生更好地理解细胞工程理论课中植物细胞大规模培养及其应用的相关知识，另一方面可以与中药发展相结合，探索离体培养累积药效成分的可能性，为缓解中药的资源压力提供新的思路。而在动物细胞工程部分增加的MTT实验也可以增强学生对于“抗癌”这一词汇的实际体会，了解体外实验在新药开发中的作用和意义。以上拓展性实验也可以增强学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习，有利于独立思考的培养及动手能力的提高。

2.3促进学生能力提升，变传统性评价为综合性评价

传统细胞工程实验课的评价方式为教师结合操作成绩和实验报告给出学生的实验成绩[12]，但进行实验课程改革后，原有的评价方式不足以反映学生的实际能力与学术水平。因此，笔者对课程的评价方式进行了修订，从实验方案设计及撰写、实验操作技术以及实验结果报告三个方面进行综合性评价。对于实验方案，要求每组提交纸质版的实验设计方案，并采用PPT的形式对实验方案进行详述，教师评价和组间互评并行，各自权重为50%。实验方案的评价指标列于表1中，PPT的评价指标列于表2中。对于实验操作，要求组内成员协同配合，有序完成方案中的全部操作，由教师对每组的实际操作进行评价，评价指标列于表3中。对于实验结果，采用实验报告的形式进行汇报，由教师对实验结果进行评价，评价指标列于表4中。

3细胞工程实验教学改革的效果评价

3.1探索性实验有利于学生综合科研能力的培养

在传统的细胞工程实验中，由教师提供实验材料、讲解实验原理、演示实验操作，学生只需要被动接受[13]，而细胞工程实验教学改革中要求学生以小组为单位自行设计实验，学生需主动查阅资料、获取知识，并合理运用知识进行实验设计，这有利于学生独立科研能力的培养。实验从设计到完成需综合运用细胞工程中的多个知识点，可以帮助学生将知识点有机串联，从而系统性的掌握知识。学生在设计实验、PPT汇报及完成实验的具体过程中均以小组为单位，组内成员需协同配合、有条不紊的完成全部工作，这有利于学生团队意识的培养。实验设计方案及实验报告均以书面形式提交，要求学生撰写规范、条理清晰、文字流畅，这有利于学生科研论文写作水平的提升。

3.2探索性实验有利于激发学生的科研兴趣及创新性

在探索性实验开设过程中，学生通过自主选题、自行设计实验，可有效提高学生的科研思维能力和实验操作技能[14]。探索性实验的内容与本课程重要的理论知识相对应，是学习巩固理论知识的重要手段，又与行业需求相对接，具有良好的实用性。因此，对于本次教学改革，学生表现出浓厚的兴趣，并能够积极利用课余时间走进实验室，学生在实验过程中会遇到各种各样的问题，在教师的指导下，通过自身的努力解决问题，并顺利完成实验，从而激发学生的科研兴趣，并培养其创新性思维，而这些正是探索性实验的意义所在。

3.3 综合性评价更合理的考核学生的学习成效

在应用探索性实验进行细胞工程实验教学改革过程中，实验结果并不是评价学生实验能力的唯一指标，更重要的是实验的过程[15]。因此，笔者将多种评价方式相结合，对实验设计、实验过程以及实验结果进行综合评价，同时采用教师评价和相互评价相结合，在评价中还注重对学生在实验过程中表现的职业素养、创新能力、团队意识进行评价。这种综合性的评价方式有助于激发学生的积极性，启迪学生思考，培养学生学以致用的精神，更为合理地对学生的学习成效进行考核[16]。

4展望

在细胞工程实验课堂上，应用探索性实验大大提高了学生的实验积极性，学生通过查阅文献，利用各种教学资源，自主设计实验、汇报PPT、开展实验并提交报告，提高了学生自主学习能力和解决问题的能力，有利于培养学生的创新能力。但也应看到具体操作过程中存在的一些问题和困难，有些学生已经习惯了按部就班地完成实验并取得阳性结果，突然改成自行设计实验，会略显能力不足、难以胜任。因此，教师应合理规划教学实验内容，做到难易适中，兼顾创新性与完整性，一方面培养学生自主处理问题的能力，另一方面关注学生自信心的培养。

[参考文献]

[1]李志勇.细胞工程[M].北京：科学出版社，2010：7.

[2]张银.生物技术在制药工程中的应用[J].化工设计通讯，2019，45（2）：192.

[3]高强国，杨劲，李玉红.生物技术专业细胞工程课程设计与实践[J].中国医药导报，2017，14（28）：137-139.

[4]张英，李莉，祝万菊，等.基因与细胞技术大实验教学改革探析[J].黑龙江畜牧兽医，2014（9）：189-191.

[5]邢黎明，于远望，唐志书，等.制药工程专业本科课程体系研究[J].中国中药杂志，2012，37（14）：2186-2189.

[6]叶希韵，孙剑华.细胞工程实验课程拓展型教学体系的建立[J].实验室研究与探索，2008，27（11）：96-97，112.

[7]李波，焦德志，孙婴宁.高校生物技术专业基因与细胞工程大实验教学的实践[J].黑龙江畜牧兽医，2017，（7）：259-261.

[8]李莉，张丽颖，张英，等.浅谈反转课堂教学在《细胞工程》综合实验中的应用与实践[J].生命的化学，2017，37（4）：669-673.

[9]傅明辉，张宏梅.基于OBE教育模式的细胞工程实验教学改革的探讨[J].广东化工，2018，45（18）：193-194.

[10]郭云贵，唐业刚，王泽琼，等.着眼应用人才培养打造动物细胞工程高效课堂[J].黑龙江畜牧兽医，2018（7）：242-243.

[11]徐德宏，谭朝阳.中医药院校医学细胞生物学教学改革探索[J].中国继续医学教育，2017，9（8）：5-7.

[12]郑斌，董华泽，朱金苗.制药工程实验教学的改革探索与实践[J].教育教学论坛，2018（15）：275-276.

[13]夏觅真，薛绍礼，王怡，等.动物细胞工程实验教学改革[J].基础医学教育，2018，20（12）：1100-1102.

[14]杨旭，钱红梅，程立宝.园艺植物组織培养实验教学改革与创新探索[J].西南师范大学学报（自然科学版），2019（9）：129-132.

[15]张清祥.探索实验教学载体，培养学生实践创新能力[J].实验技术与管理，2012，29（2）：130-133.

[16]侯洁，张翠丽，吴大畅，等.提高生物制药专业本科生创新能力的教学改革方法初探[J].中国医药导报，2013，10（27）：143-145.

（收稿日期：2019-10-28  本文编辑：陈文文）