案例教学法在现代生物工程综合实验教学中的应用

陈 涵，杨佳平，高 云，孙铭娟，卢小玲

(海军军医大学基础医学院生物化学与分子生物学教研室， 上海 200433； △通讯作者)

分子生物学技术是当前生命科学发展最重要的前沿领域技术之一，也是生命科学和医学重要的研究工具。目前，包括海军军医大学在内的三所军医大学均设置了分子生物学技术相关的理论和实验课程。其中，针对生物技术、药学等专业，海军军医大学专门开设了现代生物工程综合实验这一门综合性的理论实验课程。该课程以重组DNA技术作为主线，包含了基因克隆、基因表达、蛋白纯化和蛋白检测等当前主流且实用的分子生物学实验技术。

1 背景介绍

案例教学法是一种将真实案例引入课堂，引导学生围绕案例进行分析、研究、探讨的一种启发式、互动式的教学方法。美国哈佛大学最早将该教学法运用于教学实践[1]。该方法在教学过程中能够起到翻转课堂的效果，使得学生获得更多自主学习的机会，并让课程思政贯穿教学全过程。现代生物工程综合实验作为一门综合性的理论实践课程，其教学目标包含了培养学生独立思考、将理论技术与操作技能相结合的能力。因此，我们选择将案例教学法引入现代生物工程综合实验。两者结合后能够让学生从实际案例出发，结合对案例的具体分析完成对相关分子生物学理论的深入思考。例如，教师通过生物战剂在战争中的应用等一些现实或假想的案例，让学生思考“这些生物战剂在检测过程中有何必要性？通过何种技术方法可以检测出这些生物战剂？”而这些问题能够让学生更好地认识相关技术理论的必要性和重要性，从而自主完成理论联系实际的过程。

2 案例教学法适用于现代生物工程综合实验的教学过程和教学模式

首先，案例教学能够使分子生物学技术相互分离的知识点成为一个有机整体。现代生物工程综合实验包含了从“创伤弧菌VvhA编码基因获取”到“综合实验生物信息学相关操作”总共7个大实验。而每个大实验由2-3个小实验所组成，涵盖大量分子生物学的基础知识和专业应用，内容丰富、难度较高，需要学生对生物化学、分子生物学和生物信息学有足够的基础知识，搭建出盛放新知识的“木桶”。传统灌输式教学的课堂授课模式使不同的知识点相互分离，无法成为一个有机的整体。而案例教学通过具体的情境能够使不同知识点相互联系、有机结合。现代生物工程综合实验以海洋创伤弧菌溶细胞素(VvhA)的检测作为主线，本身就是将不同的分子生物学技术进行融合的一个综合性案例。该综合性案例的实施，能够将基因克隆技术、基因表达技术、基因检测技术、蛋白纯化技术以及蛋白检测分析技术融合成为一个有机整体。

其次，在分子生物学技术理论与实践教学过程中，案例教学更好地融入“为战育人”的教学理念。作为军事医学人才培养基地，军医大学在传授相关医学知识的同时，也承担了 “为战育人”的使命。对于现代生物工程综合实验而言，除了要传授传统的分子生物学技术理论与操作等知识，更要突出海洋军事医学的特色。本课程所采用的海洋创伤弧菌溶细胞素(VvhA)本身就是能够拓展学生视野，突出“向海图强”特色的出色案例。这一综合性案例的应用，能够使学员更好地了解分子生物学相关技术在未来战场中的可能应用场景，加强了战场中的生物安全意识，符合适应未来战争的复合型医学人才的培养目标。

3 案例教学法有助于加强和提高现代生物工程综合实验的教学效果

以教师为中心的传统教学法具有向学生快速、高效、无差别传授知识的特点，虽然存在一定不足，但是在面对“大教室”“大班化”教学时，仍具有无法取代的重要地位。而案例教学法虽然有种种优势，但是在授课效率上依旧存在天然短板。所以我们将两者融合，在加入了多媒体课件的传统讲授模式中穿插进行案例教学将最大化利用两者的优势，以提高教学的整体质量和效果。

3.1 案例教学法可以提高学生的学习动力和积极性

我们以现代生物工程综合实验中“VvhA编码序列的pPEI-SUMO重组载体的构建”为例，这部分的主要内容是为了让学生掌握酶切连接和重组连接两种构建重组载体的方式。教师通过传统讲授法快速将DNA连接酶与DNA重组酶所代表的连接策略和连接方法等相关的知识点灌输给学生；然后，顺势引出“快速构建pPEI-SUMO重组载体”的案例，要求学生根据实验方法分成两个小组，就选择哪一种方法更有优势进行一次小辩论，提出自己小组实验方法更快速的理由，通过辩论提高学生的表达、沟通和合作能力，充分激发学生的学习兴趣；最后，再通过计时赛的方式让两个小组通过实验证明己方的观点，通过寓教于乐减少知识灌输带来的乏味感，让学生学习的积极性得到最大化的调动。

3.2 案例教学法可以培养学生发现科学问题的能力

与传统讲授法中将答案直接告诉学生不同，案例教学法可以将问题转化成学生学习的动力，引导学生思考，培养学生发现问题和解决问题的能力。当讲授“pPEI-SUMO-VvhA重组子的鉴定”相关实验内容时，教师无需直接告诉学生重组子鉴定的目的，而可以虚构一个“未鉴定重组子可能出现的实验结果”的案例，让学生结合前期所学知识去讨论、去设想，通过“思维实验”引导学生预估实验可能的结果和问题，让教学过程融入学生自身的讨论和发现。教师通过这种形式培养学生严谨的科学思路和科学思维，实现发现问题-解决问题-再发现问题-再解决问题的完整科研过程。

4 案例教学法在现代生物工程综合实验中的实施应用

本文以本教研室自编教材《分子生物学技术实验教程》中“实验五、VvhA基因及蛋白产物的快速检测”为例，选取海洋创伤弧菌为该节教学案例，呈现案例教学在现代生物工程综合实验教学中的实施过程。

4.1 教学准备

案例教学法对学生的课堂参与度要求较高，需要学生完成课程的预习和前期知识点的复习。同时为提高教学效率，教师应提前说明案例讨论所需知识，并给予教材或文献目录，减少课堂查阅资料的时间。此外教师应该提前做好分组准备，以便案例分析过程中分组讨论的环节可以顺利进行。实验准备方面则应该考虑到学生自主设计实验所有可能使用的仪器和试剂，以确保实验设计的可操作性。

4.2 案例简介

海洋创伤弧菌是一种海洋来源的的革兰氏阴性弧菌，嗜盐，毒力较强，被称为“海洋中的无声杀手”。海鱼、牡蛎、螃蟹、贝类和鲸体等海洋生物都有可能携带该细菌。主要有两种感染途径，一种是进食生的或未经加工熟的贝甲类海产品(尤其是牡蛎)，其危害不在于其引起胃肠炎，而在于其引起的蜂窝组织炎和败血症，死亡率高达50%以上。另一种感染途径是破损的肢体接触海水，或海产品刺伤皮肤而感染。细菌通过破损的皮肤快速传播，并导致严重的肌炎和肌膜炎引发严重的坏疽，继而发生败血[2]。

2017年1月10日傍晚，广州一男子在处理鱼的时候，右手不慎被鱼刺扎伤，当时未重视，未及时处理伤口，结果第二天突发高烧、右手发肿发黑。12日晚，该男子在医院确诊感染了海洋创伤弧菌，并于次日凌晨进行了紧急截肢手术。

2017年6月，宁波一男子在食用了烤生蚝、烤鱼等大量烧烤后开始感觉腹胀难受、胸闷气喘，体温上升至38.6 ℃，随后还出现了气促、呼吸衰竭等症状，被家人急忙送医，到达医院时已出现意识不清、低血压性休克、急性肾功能衰竭等症状。医生立即对其实施抢救，并化验其血液。三天后该男子确诊为海洋创伤弧菌感染。

4.3 案例互动设计

授课教师在完成案例介绍后，应结合案例适时提出下列课堂提问和课堂实验要求：①要求学生结合前期所学知识，简要回答海洋创伤弧菌的致病原理和主要致病因素？②因为大量海产品都有携带创伤弧菌的可能，生活中我们应如何预防创伤弧菌感染？③有哪些方法可以快速对海产品中的海洋创伤弧菌进行侦检？④要求学生利用课程前期重组表达的海洋创伤弧菌溶细胞素(VvhA)蛋白及对应编码基因自主设计实验。实验目的：检测样品中是否存在海洋创伤弧菌；实验方法：基因检测(qPCR技术)或蛋白质检测(BLI技术)，学生分组完成。

学生在课堂上应积极配合教师完成案例的分析和讨论，同时需要完成下列课堂任务：①复习重组DNA技术实验方法，同时在课前完成基因检测技术和蛋白质检测技术的预习；②根据前期下发资料和文献，通过小组讨论回答课堂提问，并根据观点完成实验分组；③以小组形式拟定实验计划并以不超过3 min的课堂展示进行汇报；④根据实验计划在教师指导下完成自主实验，并完成组间评比。

4.4 完整教学流程

首先，教师通过多媒体和讲授法完成背景知识的介绍，同时给出案例：海洋创伤弧菌，确认学生充分熟悉案例后按照循序渐进的原则进行启发式提问。例如当学生对预防创伤弧菌感染的方式存在困惑时，教师可以通过“传染病传播的三个基本条件”将讨论引导向“传染源”从而启发学生关注创伤弧菌的侦检，随后通过学生回答的情况按照课前安排将学生分成两个实验组。分组后由教师完成实验目的和实验方法的布置，再由学生展开实验设计的讨论，期间主讲教师和辅助教师及时给予学生指导，纠正学生的错误思路，尤其重点关注可能出现的生物安全隐患，确保每一份实验设计的安全性。同时讨论结束后，教师应要求学生以组为单位进行课堂展示，充分展现两组的实验方法差异性和实验目的的同一性，将课堂思政融入授课的全过程。随后让学生按照实验设计进行自主实验，教师在过程中仅给予操作指导，对实验内容和实验方向不予干涉。实验结束后，教师根据实验结果和实验用时给予评价并要求学生完成自我评价和组间互评。

4.5 案例教学教学评价与结果分析

完成案例教学后，教师应对教学效果进行及时的反思和总结。教学评价的内容应该包括课堂实施效果、学生参与度、学生案例报告以及课程末学习成绩。除此之外，教师应设立平行教班，分别予以传统教学法授课与案例教学法授课。通过主观的学生评教制度和客观的期末成绩对比相结合的方式，实现对案例教学法教学效果的结果分析。授课教师应通过结果分析及时修改和更新教学案例和授课流程，以完善案例教学的教学质量。

我们以本课程案例教学的两组教班课程成绩为例(表1)。根据平时成绩可知，在课堂参与方面，案例教学班优于传统教学班；根据综合作业完成情况可知，虽然案例教学班与传统教学班的成绩差距无统计学意义，但案例教学班的标准差更小，成绩更加稳定；就总评成绩来说，案例教学班的整体水平要高于传统教学班。而上述的这些结果都说明实施案例教学切实有效地提高了现代生物工程综合实验的教学效果。

表1 案例教学班与传统教学班课程成绩 (分)

在现代生物工程综合实验授课过程中，案例教学的加入是提高教师教学质量和学生学习质量的一剂良药。但案例教学法加入课程的时机和案例内容的选择还缺少系统化、标准化的实施方法，这就要求教师有较丰富的教学经验和完善的教学评价机制。此外在案例教学的实施过程中还应该注意以下几点：①教师要在实施案例教学前需针对案例查阅大量内容，确保教学内容的完整性和可靠性；②教师选择案例时要难易适中，提问时循序渐进，利用启发式问题引导学生思考；③教师应该注重传统教学和案例教学相融合，将两种教学方法取长补短，实现教学质量的提升；④案例教学实施过程中可能出现种种问题，需要通过学校、教师和学生的共同努力来克服。