国家一流本科专业建设背景下生物技术综合实验教学改革探索

周于婷,陈 萍,欧阳永长,周文渠,邓小亮,冉欣如

(1广州医科大学生命科学学院生物技术系, 广州 511436; 2广州医科大学生命科学学院生物学实验中心; 3广州医科大学生命科学学院生物化学与分子生物学教研室; △通讯作者)

教育部2019年启动一流本科专业建设双万计划,旨在通过一流专业遴选和建设工作,推动高等教育质量革命,全面提高人才培养质量,全面振兴本科教育,实现高等教育内涵式发展。双万计划实施以来,笔者所在的广州医科大学21个招生专业(除2022年新办专业基础医学之外)中已有17个专业获批国家级一流本科专业建设点,占比为81%。2022年出炉的中国内地高校国家级一流本科专业精度排行榜中,广州医科大学排名全国第22位、全国独立建制医科院校第3位、广东省高校第1位。笔者所在学校于2005年创办生物技术专业。该专业2014年获批广东省应用型人才培养示范专业,2020年获批广东省一流专业立项建设,2021年获批国家一流本科专业建设点和生物学一级学科博士点。

依托我校医学主体学科优势,培养创新型生物技术人才是生物技术专业教育的宗旨,对于我国增强科技实力、促进生物技术产业发展、发展国民经济等方面具有重大的战略性意义。生物技术是一门理论与实验紧密结合的学科,二者缺一不可。生物技术综合大实验是一门重要的综合性实验技能课程,属于学生培养大纲中的能力强化阶段。在国家一流本科专业建设的新形势下,生物技术综合大实验作为生物技术专业本科三年级学生核心必修课,在专业人才培养中扮演着极其重要的角色。在打好专业理论基础的前提下,将研究型教学模式应用于生物技术综合大实验课程,业已取得不错的教学效果:学生科研思维和实践能力得到很大提升,近3年学生获得多项国家级大学生创新创业科研项目和学科竞赛奖项[1]。本文系统分析了笔者所在学校生物技术专业生物技术综合大实验的课程设置以及课程开设过程中存在的突出问题,提出了新形势下该课程改革的方案,并对现有改革成效进行了分析和总结。

1 课程安排

抗体工程是现代生物技术的重要组成部分,其研究成果已广泛地应用于生命科学及临床医学各领域,并为新药开发、疾病诊断及防治开拓新的前景。作为一门技术为主的课程,抗体工程的实践教学意义尤为重要。因此,教师在教学过程中摸索出抗体工程综合性实验教学,独立开设实验课程,即生物技术综合大实验,形成与理论教学有机结合又相互独立的实验教学体系[2]。本实验课程以胶体金法制备新型冠状病毒抗原检测试剂盒为主题,要求学生掌握抗体制备相关技术,包括纳米抗体制备和人源化抗体制备两条主线,共64学时。现阶段的实验内容主要包括载体构建、抗体表达纯化、抗体鉴定、抗体应用四大环节,另外还有相关基础技能实验前后贯穿串联成一个综合大实验,整个实验流程历时2个月左右,与实际科学研究基本一致。针对抗体工程技术发展的特点,教师设计以贯穿单克隆抗体制备全过程为核心的综合性实验课程系统,以培养学生综合分析、解决问题及创造性思维的能力为目标,巩固基础技能实验,突出应用综合性实验,加强创新性的研究实验。

2 教学模式

该课程采用分组模式,每组4-5名学生,配备1名教师引导。以小组为单位,教师在课前讲解研究背景和实验设计框架,以单克隆抗体制备和胶体金试纸条制备为主线,研究抗体从产生-表达-功能的整个过程。实验方法涵盖分子克隆、细胞培养与转染、细菌培养与蛋白纯化、SDS-PAGE电泳、Western blot、胶体金标记、ELISA、SPR等技术。实验课期间,学生需独立完成并上交实验计划书、中期汇报PPT、实验报告、实验操作视频等。这些指标将作为最终成绩评定的参考依据。分小组教学的目的就是尽量使得每位小组成员都能参与实验设计、准备、讨论和PPT制作等过程中,加强学生对本门课程实验内容的认识,同时增加学生实验动手的机会。该课程涉及的实验技术类似于我国高校开设的分子生物学和生物化学实验技术综合体,因此学生在自主研究过程中可以进一步巩固和应用生物技术常用实验技术。该课程在内容设计上不仅体现了很强的综合性和连续性,而且紧密结合生物技术前沿领域实验研究进展[3]。

3 实验内容

实验内容是影响实验教学效果的关键因素。生物技术综合大实验课程体系在内容选择上注重科学性、系统性、应用性、创新性、连贯性以及高阶性。第一环节为质粒构建及表达,包括PCR扩增目的基因、质粒提取及酶切、质粒重组、质粒转化及筛选等常规分子克隆实验步骤。第二环节为纳米抗体和人源化抗体表达,分别在原核表达系统和真核表达系统中进行。第三环节通过SDS-PAGE、Western blot、ELISA等常规蛋白检测手段对制备的蛋白抗体进行检测。第四环节包括两个实验:①制备胶体金试纸条,主要为胶体金标记和试纸条组装;②SPR方法研究蛋白质相互作用。

4 实验教学中存在的主要问题

生物技术综合大实验是一门具有极强的实践性、实用性和综合性的学科。学生通过抗体工程先修课程学习抗体工程的相关知识,在该实验课程中通过实践操作学习抗体制备等内容,既可促进对理论知识的吸收理解,还可提升实验操作水平和激发自身科研兴趣。经过生命科学学院及课程教学团队的多年努力,课程建设取得了一定的成果,但仍然存在一些问题亟待解决。

4.1 硬件方面

4.1.1 经费投入相对不足 生物技术综合实验所需的一些仪器设备价格较为昂贵。然而高校经费相对紧张,暂时无法购置这些仪器设备,所以只好将某些实验步骤所需物品简化成商品化的成品,间接影响了教学效果[4]。

4.1.2 师资力量相对薄弱 课程教学团队人数偏少、学生分组人数过多、实验室拥挤等现象导致出现教师兼顾不到位、学生动手机会减少等问题,直接影响了教学效果。

4.1.3 实验教材缺乏 尽管国内多所医学院校开设了类似的实验课程,但目前市面上未见契合该课程的相关实验教材。学生没有明确的教材可以参考,有些相对复杂的实验需要依靠教师提供的实验方案进行实际操作。

4.2 软件方面

4.2.1 实验时间合理安排有难度 由于该实验为连续性综合性实验,课程按周开展,排课需要照顾到学生其他课程的授课时间,有时可能造成不同实验之间时间跨度太大,实验内容无法有机结合,学生对前面的实验内容早已遗忘的现象。

4.2.2 实验进度难以统一 由于学生对实验课程的重视程度、积极性和动手能力不同,有些组因偶然因素导致实验失败,无法如期完成规定的实验内容,需要课外花费额外时间重复实验;而另外有些学生可能因操作不当反复导致细胞污染,多次重复无果,最终影响实验进度,导致科研信心受到打击。

4.2.3 教学手段单一 随着多媒体教学等先进技术手段的发展,单纯以传统讲授的教学方式难以激发学生的科研兴趣,尤其是分子生物学等学科较为抽象,加上学生分组人数过多、动手机会较少,那些主观能动性较弱的学生就可能产生惰性,缺乏学习的动力。

5 课程改革的主要举措

5.1 开展教材建设

高质量的实验教材是保证实验效果的关键。我们已组织相关学科具有副高以上职称的教师研讨和编写生物技术综合大实验的实验教材,通过教材建设凝练与推广教学成果,提高创新人才培养的质量。

5.2 增加硬件投入

近年来,本校生物技术专业加大资金投入,加强人才队伍建设,新购置一批实验仪器设备,引进大批专业教职人员,在硬件上极大地满足了教学需要,同时,进一步完善师资队伍建设,将教学与科研并重,积极与抗体研发生产相关企业合作(譬如与深圳普瑞金、百济神州等药企签订教学实习基地协议),掌握抗体开发相关专业技术。

5.3 改革实验内容

整个实验教学过程中采用启发式和讨论式教学,始终重视学生综合素质的培养,提高学生自主分析和解决问题的能力,培养学生良好的科研创新能力。鉴于目前实践课时仍然有限,部分实验内容需要精简。例如,为了实验顺利进行,胶体金标记实验和试剂盒组装这两个步骤需要使用商品化的半成品。因此在实验过程中,教师可以适当引导学生深入考虑该这两部分实验内容应该如何合理设计以及开展。后续可以根据学生的意见和想法,结合课程实际情况,完善和丰富实验内容,从而增加课程的趣味性、高阶性和挑战性。

5.4 增加实践课程学时

由于该课程实践性强且实验内容繁多,教师需确保每一环节既有核心内容,又能保证基础技能培训到位。目前实践学时已从48学时增加到80学时,后续会根据实验内容量对学时数进行进一步调整[5]。实践课时的增加有助于每一次实验课时间的间隔安排得更加合理,尽可能减少学生实验过程中不必要的等待。

5.5 引导学生自主实验设计

在实验开展之前,教师会对整个课程概况以及与本实验相关的理论及实验知识和设计方案进行讲解。然后,学生自行分组讨论,并在教师的引导下,利用教学实验室的各种条件自行完成实验的设计和实施。“教师科学问题引领,学生自主设计和实施”的研究型教学模式能够帮助学生形成独立开展科学研究的基本素质,包括统筹规划综合性、设计性实验和优化实验方案;分析实验中出现的问题和提出应对方法;独立思考能力、批判性思维、合作交流能力等[6]。研究型教学模式的应用不仅能使学生受益,还能减轻实验课程中教师及教辅的工作量[7]。

综上所述,本轮实验课程改革取得了良好的成效,不仅巩固了学生的实验技能,而且激发了学生的科研兴趣,锻炼了学生科研能力和创新思维,满足生物医学卓越人才的培养要求,为生物技术实验课程改革提供宝贵的经验。不少学生反馈,该课程的科研训练使其获得了前所未有的成就感。同时这门课程吸引了大量优秀学生进入实验室,提前接触科学研究和开展科技创新项目。现阶段生物技术综合大实验课程仍然还有许多方面需要总结经验教训,今后应多学习借鉴其他院校的改革经验,进一步深入探索和完善课程改革,大力促进课程的内涵式发展,争取未来取得更好的教学效果,培养更多优秀的生物医药创新人才。