组织工程综合性实验教学模式的探索与实践

李栎 唐历波

[摘要]随着科学技术的发展，组织工程学这门新兴学科将成为临床医学的一个重要组成部分。因此，探索为临床医学专业本科学生开设组织工程课程的教学模式十分必要。本研究以培养临床专业创新性人才为教学目标，以组织工程器官-骨膜的制备移植为主线，将分散的实验串接成综合性实验。并通过学生、任课教师调查反馈以及学校教学督导意见对教学效果和教学目标的完成情况进行评价。

[关键词]组织工程;综合性实验;教学模式;临床医学

[中图分类号] R318.08          [文献标识码] A          [文章编号] 1674-4721（2020）5（b）-0191-04

Exploration and practice of comprehensive experimental teaching mode of tissue engineering

LI Li   TANG Li-Bo▲

Teaching and Research Section of Medical Tissue Engineering， School of Basic Medicine and Life Sciences， Hainan Medical University， Hainan Province， Haikou   571199， China

[Abstract] Tissue engineering， as a new subject， is becoming an important part of clinical medicine with the development of science and technology. Therefore， it is necessary to explore the teaching mode of tissue engineering course for undergraduate students majoring in clinical medicine. With the teaching goal of training innovative talents for clinical medicine specialty， taking the preparation and transplantation of tissue engineering organs-periosteum as the main line， this study combines many dispersive experiments into serial comprehensive experiments. The teaching effect and the completion of teaching objectives are evaluated according to the feedback and investigations from the students and teachers， as well as the teaching advices from the supervisors.

[Key words] Tissue engineering; Comprehensive experiment; Teaching mode; Clinical medicine

組织工程学是一门涵盖了细胞生物学、材料学、生物化学、再生医学、物理学等多门学科的前沿性交叉学科。组织工程学科的发展离不开大量高水平专业技术人才。目前，国内已有百所高等院校开设了这门课程或设立了研究机构，医学院校也纷纷开设这门课程，纵观国内院校，都将此课程设为选修课，很少有配套的实验教学[1-3]。而作为一门实践性很强的综合性学科，实验教学对于培养学生的动手能力和创新能力至关重要。2017年，基于培养岗位胜任力的创新性医学人才目标，我校为临床专业和生物技术专业（医药方向）开设了医学组织工程学，同时，为培养学生的动手能力和综合分析问题能力，本教研室也配套开展了实验课教学。在教学内容的设计上，本研究以组织工程器官制备为主线，融合组织工程三要素即种子细胞、支架材料和生长因子，将分散的各类实验串接成一个有机的整体，成功地建立了以骨膜这一人工组织制备为基础的医学组织工程综合性实验体系。通过两年的教学实践，本研究发现，综合性实验能将学生碎片化的理论知识有效地连贯起来，激发学生的积极性和主观能动性，有益于培养学生的创新思维能力和综合实践能力以及团队协作能力。

1开设组织工程综合性实验的必要性

1.1培养目标决定开设必要性

医学院校的课程体系相对固化，不利于对学生创新能力的培养。鉴于此，本校从2015年开始进行教学改革，建立了以培养创新性医学人才为导向的培养模式。在课程设置上，通过整合课程资源形成了器官-系统模块化教学模式。与此同时，不断整合前沿交叉学科，使学生在具备扎实的医学基础知识的同时也能了解医学领域前沿发展方向。

组织工程这门新兴学科的应用目标是从形态、结构和功能上对组织、器官丧失或功能障碍进行永久性地置换和替代，从而促进人体健康、长寿和提高生命的质量;随着学科研究的不断深入及应用的推广，组织工程将成为临床医学的一个重要组成部分。因此，为培养与时俱进的创新型医学人才，面向临床医学专业本科学生开设组织工程课程是十分必要的[4]。

1.2学科特点决定开设必要性

组织工程学是一门实践性很强的交叉性学科，与医学有着密切的关系，其最新的研究成果可以很快转化为医学实践。组织工程实验本身就是各门学科综合交叉应用的结果，包括支架材料的制备，细胞的分离与培养，组织或器官的体外构建。因此，开设综合性实验有利于学生系统地掌握本学科的特点和实验操作技能。

2组织工程综合性实验课程的教学目标及内容设计

2.1组织工程综合性实验课程的教学目标

基于人才培养的创新性，秉承互补、交融、渗透、承前启后、循序渐进的原则，紧紧围绕着临床创新班的培养目标;按照医学组织工程实验内容的复合型、实验方法的多元性、实验手段的多样性、实验设计的系统性[5]，本教研室制定了组织工程综合性实验课程的教学目标：即学生通过实验教学环节获取直观的认识，结合理论教学所获得的知识，发现问题、分析问题、并最终解释问题。从而达到加深对组织工程学科的较全面认识与深入的理解。

2.2组织工程综合性实验教学内容设计

骨缺损是临床常见疾病，大段骨缺损难以自愈合，需要进行骨组织修复。临床上常用自体骨移植采用拆东墙补西墙的方式进行修复。组织工程骨[6]体外构建为骨修复提供了良好的解决方案。在理论课的学习中，学生已认识到骨膜参与骨修复，为骨修复提供营养和引导作用，骨膜的移植往往能增加骨修复成功的概率[7-10]。因此，选择骨膜制备作为综合性实验设计材料与临床实践结合紧密，有利于临床专业学生创新性思维的培养。

本研究将6个既相互独立又相互关联的实验有机地串接成一个整体的综合性实验。实验涵盖了组织工程临床应用的基本流程，包括从种子细胞的分离、培养与鉴定，生物支架材料的制备及组织学鉴定，种子细胞与支架材料的复合及定向诱导分化，以及最终的组织工程产品体内植入及鉴定。整个综合性实验28学时。

2.2.1实验一：种子细胞的获取-脂肪干细胞的分离与培养  从麻醉的SD大鼠腹股沟侧分离脂肪组织，进行脂肪干细胞的分离与培养。为遵循实验动物使用的3R原则[11]，该实验动物缝合后饲养可用于后续的骨膜移植实验。

2.2.2实验二：支架材料的制备-猪小肠黏膜下层的制备  取新鲜的猪近端空肠，用物理方法去除黏膜层、浆膜层和肌层，而后用化学法和酶法进行脱细胞处理，最后经消毒处理获得骨膜制备的支架材料。

2.2.3实验三：种子细胞与小肠黏膜下层支架材料体外复合培养  本实验安排为学生自主设计性实验，包括种子细胞与支架材料复合条件的探索，三维立体培养和生物反应器的应用，生物相容性的体外检测方法。

2.2.4实验四：脂肪干细胞向成骨细胞诱导分化  采用小分子化合物将黏附在小肠黏膜下层脱细胞基質膜上的脂肪干细胞向成骨方向诱导，以及通过染色的方法鉴定是否诱导成功。最终制备出有功能的骨膜组织。

2.2.5实验五：骨缺损动物模型的制备及组织工程产品体内植入技术  将第一次实验保留的SD大鼠麻醉后，制备一侧的胫骨骨缺损模型，将复合了自体脂肪干细胞的小肠黏膜下层移植至缺损部位，手术缝合，注射抗菌素单独饲养。

2.2.6实验六：组织工程产品移植效果评价  包括移植后动物的行为观察，伤口愈合及炎症状况，4周后处死动物，选择两侧胫骨组织固定，冷冻切片，HE染色观察移植结果。

本实验为自主设计性实验，学生可分组做平行试验，组间或组内数据可以共享，最后学生通过数据统计分析得出结论。锻炼了学生综合分析问题和解决问题的能力以及团队协作能力。在教学方法上，本研究采用了混合式教学模式[12]，包括课堂讲授式、课堂讨论式以及实验过程中问题导向式[13]，引导学生发现问题并自主设计解决问题。

综合性实验的设计与应用对于提升学生综合素质具有重要意义，在实施过程中，还应注重教学的目的性、整体性和层次性，教学手段的先进性，从实验内容到教学方法紧密结合，相辅相成，引导学生层层深入学习[12]。经过六次综合性实验，学生完整地掌握了组织工程实验的基本流程，对组织工程产品在临床的应用有一个全面的认识，为将来临床科研工作打下了良好的基础。

3教学效果评价

经过两轮的课程实践，本研究分别对临床创新班和生物技术专业学生进行了问卷调查，共有82名学生参与了调查问卷，随机抽取15位同学做访谈交流，从实践与方法，设计与内容，情感态度与价值观三维目标对综合性实验进行评价[14]。同时，从学校教学督导层面及任课教师综合评价方面对组织工程综合性实验教学环节做出了全面评价。

3.1学生评价

通过学生调查反馈信息可知，学生对实验设计和实验内容表现出极大的兴趣。学生认为通过组织工程学综合性实验，加深了对医学组织工程的认识，培养了自身的科研思维，提升了实验操作技能，提高了对科研工作的兴趣。

实验教学目标是通过实验教学增强学生对理论理解与应用。学生应掌握一些基本的实验技能，包括细胞培养技术、细胞定向诱导分化技术、天然生物材料制备技术、细胞与支架材料复合技术;同时，培养学生科研思维及团队协作能力。根据综合性实验教学目标要求，参考苏小华等[15]设计的学生问卷调查表，对参与综合性实验的学生进行问卷调查，结果如表1。

反馈调查结果显示，综合性实验教学有助于学生对理论知识的理解与应用;60%以上的学生认为综合性实验做到了理论联系实际，有利于培养自己的实验动手能力;62.5%的学生认为提高了团队协作能力。大部分参与综合性实验的同学基本掌握了医学组织工程的基本理论和基本操作技能，锻炼了分析问题、解决问题的能力以及团队协作能力，达到了实验预期的教学目标。

另外，综合性实验为学生将来开展创新性实验打下了良好的基础。组织工程骨膜制备综合性实验以学生为主体，通过分组讨论，查阅资料和教师指导的方式进行教学活动的开展，给予了学生更大的发挥空间，调动了学生主观能动性，提高了学生的自主学习能力，有助于学生科研思维的培养。从教学反馈的信息可知，临床学生对于骨缺损大鼠模型制作、骨膜植入手术等与临床相关的实验兴趣度最高，为学生将来进入临床学习、提升自身的科研能力打下了良好的基础。

3.2教学督导评价

每轮实验课分别由学院层次和学校层次各进行一次教学督导听课，总体评价良好，学生参与的积极性较高，课堂讨论气氛活跃。教师授课注重启发式教学，以问题为导向引导学生参与讨论，自主设计并解决问题。

3.3带教教师评价

从课堂与学生的交流反馈情况以及实际教学效果考量教师作出客观评价。评价结果主要有两个方面，其一认为综合性实验给学生留下充分的想象空间，鼓励学生主动开展探究性实验。组织工程学科本身就是生命科学前沿交叉学科，在综合性实验实施过程中，总会出现一些难以预料的结果，学生在实验中学会了合理的解释实验结果并能进一步设计实验加以验证。其二学生能够按照实验指导书完成每一次独立的实验，整个实验流程也是根据组织工程学科特点的进行编排，实验结果真实可靠。同时，实验设计增加了动物的利用效率，节约了药品和试验准备工作，体现了实验设计合理性。

4存在问题及解决方案

组织工程学本身就是一门新兴的交叉学科，在医学院校开设这门课程的综合性实验没有可借鉴的经验，一切都需要不断的摸索和完善。在以往的教学实践中本研究遇到了以下几个方面的问题，并根据本校实际的教学条件提出了相应的解决方案。

4.1综合性实验与其他类型实验配套实施问题

实验教学是一个系统性工程，不仅包括基础性实验、经典实验，还包括创新性实验、综合性实验。这些实验既相互关联又自成体系。组织工程作为医学生培养体系中的一个创新性培养环节，如何与其他基础课程如生物化学、细胞生物学、分子生物学、细胞工程等有机地结合，形成具有自己特色的课程体系还是一个值得深入探究的课题。本研究在參照中国医科大学组织工程实验教学经验的基础上[16]，仅仅围绕临床创新班培养目标，有效利用前修学科的教学知识与技能，同时又避免教学内容的重复，建立了一个具有经典型实验、基础性试验、综合性实验和创新性实验编排模式，并与理论课相辅相成的独立的实验课教学体系。

4.2每个独立实验在时间上的衔接问题

组织工程骨膜的制备是一个完整的过程，将这个过程分解开形成每个独立的实验，在时间衔接上需要精心设计，由于每次实验课的时间是固定的，而细胞培养以及天然支架材料的制备需要一定的周期，与学生上课时间有所冲突。解决方案一方面调整学生上课时间，尽量集中开展试验;其次，在制定教学计划中，前两次实验安排有2周间隔时间，以保证有足够的细胞增殖时间。针对天然材料脱细胞处理需要连续处理3 d，可通过调整计划，将大部分处理步骤安排在晚上，以便学生错开上课时间，也可由实验辅助人员代为处理。

4.3实验室衔接问题

组织工程综合性实验牵涉专业实验室较多，包括细胞培养实验室、生物技术实验室、组织形态实验室、实验动物培养室和无菌手术实验室。综合实验室管理运作的难度较大，组建专业性的组织工程实验室是解决学生综合性实验课教学的有效方案，可参考国内外相关医学院校的先进经验，将综合性实验、创新性实验、学生毕业论文实验以及教师科研集中在一个平台，使得科研更好地为教学服务。

5小结与展望

尽管以组织工程器官制造为核心的组织工程综合性实验仅仅在两届学生中开设，但从教学督导反馈意见以及学生反馈的信息表明，综合性实验能极大地提高学生对本课程的学习积极性，引导学生主动探究临床实际问题，同时，也加深了学生对课堂理论知识的理解。其次，学生通过撰写实验报告，分组交流讨论等一系列教学活动，可以培养学生的分析问题能力和团队协作能力。总之，组织工程综合性实验在培养学生的科学素养，激发学生自主学习和团队协作研究，全面提升医学生科研能力等方面做了一次有益的尝试。

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（收稿日期：2019-08-15  本文编辑：任秀兰）