“专创融合”背景下生物医学综合实验体系的构建

胡祖权，曾丽娜，彭建，曾柱，彭晓燕

（1.贵州医科大学 生物与工程学院，贵州贵阳 550025；2.贵州医科大学 贵州省高等学校免疫细胞与抗体工程研究中心，贵州贵阳 550025）

生物医学作为生物技术和基础医学的交叉融合学科，以强大的生物科学类课程作为基础和支撑，培育学生的科研思维和科学精神，使学生了解新兴生物技术在医学领域的巨大潜力，激发学生探究科技前沿的内生动力，进而为以解决临床问题为目标的科学研究提供训练有素的高素质科研人才。

实验教学是高校课堂教学过程中不可或缺的一个环节，不仅是培养学生将理论知识与动手操作相结合的重要过程，也是拓展学生学术视野和培养学生创新实践能力的有效途径[1-2]。但是，传统的“一课一实验”的“分块”教学体系存在分散、重复等问题[3]，学生仅能掌握基本的实验操作技能，不能训练分析和解决实际问题的综合能力。在“专创融合”背景下，依托实验室平台和科研团队的创新人才培养模式体现核心素养体系的内涵[4]，树立“专创融合”教育理念对培养综合型人才尤为重要[5]，而科研反哺教学能够为创新性实验教学提供助力，有效提升课程内容的前沿性、实用性和趣味性，促进创新创业教育与专业教育深度融合发展，助力拔尖创新人才的培养[6-8]。因此，基于科研成果构建的大综合实验教学体系，将不同专业课程的知识有机结合，能够培养学生发现、分析和解决实际问题的综合能力，对培养高质量的生物医学人才起到重要作用。

1 大综合实验规划背景

贵州医科大学生物技术专业为“双万计划”国家级一流本科建设专业，要实现学生高质量培养这一目标，一是要将创新创业教育与专业教育有机融合，二是要将科学研究与教学实践相结合，三是要使培养过程与培养目标相吻合。同时，贵州医科大学生物医学工程硕士专业包括生物力学与力学免疫学、健康大数据与系统生物医学、生物材料三个研究方向，但招收的部分工科背景硕士生仅有生物或医学基础知识，严重制约医理工交叉人才的培养，需要在课程学习阶段加强生物医学相关实验操作的培训。因此，课程团队选择适用于设计大综合实验的科研成果，根据教学规律优化实验方案，将专业课程的知识串联形成一个较完整的实验教学体系，一方面培养本科生综合运用专业知识分析解决实际问题的能力，另一方面训练研究生的生物医学基础操作技能。

2 大综合实验体系构建思路及教学内容规划

单链抗体是一种基因工程抗体，即抗体重链可变区和轻链可变区通过一段连接肽连接形成融合蛋白。噬菌体展示技术不仅可用于基因工程抗体的高通量筛选，还可用于抗体的体外成熟以及抗体治疗靶标的鉴定。单链抗体及其融合蛋白原核表达载体的构建、表达及检测应用是很好的生物医学大综合实验教学素材，不仅能够让学生熟悉在生物医学领域广泛应用的抗体的特性，而且可以了解体外分子进化和噬菌体展示等前沿理论及技术，激发学生的好奇心和求知欲[9]。

在前期科研工作中，科研团队利用噬菌体展示技术筛选得到抗镰刀菌单链抗体FvSG7 及其编码基因，并证实其可与碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，AP）在大肠杆菌中融合表达，用于快速检测玉米等样品中镰刀菌的侵染情况[10-11]。基于此科研成果开设大综合实验，让学生首先利用生物信息学课程的知识，从NCBI 数据库中检索FvSG7 的编码基因，并设计特异引物；再利用基因工程原理课程的基因克隆技术，通过PCR 扩增获得目的基因，同时提取含有AP 基因的pDAP2/S 载体，再利用限制性核酸内切酶切割目的基因和载体，在T4 DNA 连接酶的作用下组装得到重组载体pDAP2/S-FvSG7，制备大肠杆菌感受态细胞并导入重组质粒DNA，再利用PCR 鉴定阳性转化子；接着利用微生物工程课程的知识将重组大肠杆菌发酵，大量表达FvSG7-AP 融合蛋白；利用生化分离与分析技术课程的分离纯化技术获得较纯的融合蛋白；利用蛋白质与酶工程课程的知识分析融合蛋白中单链抗体和AP 的活性；最后利用食品安全检测课程和生物技术与疾病诊断课程的知识，将FvSG7-AP 应用于发展样品的快速免疫检测方法。简而言之，通过生物信息学检索分析抗镰刀菌单链抗体基因，利用基因工程操作构建到原核表达载体中，转化大肠杆菌，发酵大量生产单链抗体融合蛋白，并应用于免疫学检测，从而将专业课程串联形成较完整的生物技术上中下游知识体系。

3 大综合实验的教学实施

根据实验室的仪器设备、大综合实验体系的构建思路、实验教学规律和学生认知过程，课程团队制定教学大纲和教学计划，编写生物医学大综合实验指导教材，并及时更新实验方法和技术操作。面向2018 级生物技术专业本科生开设此课程，共120 学时，其中实验原理和体系的讲解及文献研讨12 学时，生物信息学分析4 学时，基因工程操作获得重组菌48 学时，发酵罐的操作学习及重组蛋白诱导表达16 学时，融合蛋白提取、纯化及检测32 学时，融合蛋白的应用8 学时。从2019 年开始，面向研究生开设此课程，共40 学时，包括基因工程操作20 学时，融合蛋白表达及应用20学时，通过使用试剂盒，在较少学时内完成教学。在教学过程中，每位教师带教本科生20～24 名或研究生12～20 名，并安排1～2 名高年级研究生辅助教学，学生4 人一组。这样，在实验过程中既保障每位学生都能够熟练实验操作，又能够保证实验教学进度。

在实验原理和体系的讲解中，由授课教师引导学生回顾大综合实验涉及的相关理论知识，强调实验操作过程中的安全注意事项及实验操作要点，并概述大综合实验的整体设计方案，学生提前掌握大综合实验的技术路线，在学习和操作过程中目标更明确。对于每一次实验课，教师需要详细讲解技术原理、实验方案、实验仪器使用和操作注意事项，并全程、全方位指导实验操作，学生则需要详细记录实验过程及结果。在课程结束后，要求学生按论文格式撰写实验报告，培养学生的分析总结能力，训练学生的系统性思维。

为了充分调动学生的学习积极性，增加学生对实验课的重视程度，该课程设置有全方位、全过程的考核体系，重在培养学生的综合素质。采用平时成绩与实验报告相结合的考核制度，其中平时成绩占比40%，包括出勤情况、文献阅读研讨、学习态度、实验操作、实验记录和团队协作等内容；实验报告成绩占60%，主要是通过实验报告综合考查学生对实验数据的处理、实验结果的分析以及归纳总结和表述等方面的能力。

4 结语

生物医学大综合实验课程对任课教师的专业素养提出了更高要求，训练了学生的系统性思维和创新创业能力，培养了学生严谨求实的科学态度和团队协作精神，既有利于本科生开展后续的实习实践和毕业论文设计等，也有利于研究生尽快独立开展科研活动。

课程团队后续还将从五个方面持续改进：一是继续加强师资引进和培训，不断提升教师在“专创融合”教育和课程思政教学方面的能力；二是不断完善大综合实验的课程内容和教学体系，使其更好地融入“专创融合”教育；三是科研团队通过噬菌体展示技术已获得前列腺癌和新型冠状病毒的特异单链抗体[12-13]，可在现有快速免疫检测模块基础上增加疾病靶向诊疗模块，给学生提供更多选择、探索和创造的空间；四是开展虚拟仿真实验，解决微观瞬时实验过程不可见等教学瓶颈问题[14]；五是充分利用教育部批准的健康医药现代产业学院的平台优势，加强与产业导师合作，更好地促进“专创融合”教育及创新成果的转化应用。