细胞工程案例与探究式课堂教学的探索与实践

2019-02-15郑仁朝

生物学杂志 2019年1期

柯霞,郑仁朝

(浙江工业大学生物工程学院，杭州 310014)

细胞工程是结合现代生命科学理论和生物技术的综合性学科，代表着生物技术与工程相结合的发展方向和研究热点。应用细胞生物学及分子生物学的原理和方法，在细胞水平上研究并改造生物的遗传性状，以期获得目标性状的细胞或生物体，既是现代生物技术的重要组成部分，同时也是现代生物学研究的重要技术工具[1]。内容涉及细胞培养、细胞融合、染色体工程、胚胎工程及转基因技术等基本操作技术，并将特定技术应用于农作物改良育种、人工繁殖、生物制品、医药产品开发、干细胞与组织工程等多个领域，在医药、农业、环境、食品等多个领域中发挥越来越重要的作用[2]。

浙江工业大学生物工程学院是浙江省第一个和全国较早设立生物工程学科和专业的学院，本校生物工程专业秉持教学与浙江省经济互动的宗旨，坚持与时俱进，以“立足浙江生物产业，培养创新型人才，引领浙江工业生物技术发展”为目标，已形成了“教学与科研并举，产-学-研耦合机制完善”的特色。细胞工程作为生物工程及生物技术本科专业的大类基础主干课程，已在我院开设十余年，建立了较为完整的教学体系，其教学目的在于：1)引导学生了解细胞工程在生物学科中的地位及发展情况；2)帮助学生理解细胞工程的基本理论依据；3)使学生理解并熟悉动植物细胞培养的基本操作技术及相关典型产品的制备流程；4)激发学生对细胞工程相关领域专业知识的认知兴趣；5)突出学生能力和素质培养，为学生今后从事生物学领域的相关研究及与细胞工程有关的生物技术产业工作奠定良好的理论和技术基础。笔者结合几年的教学探索，从细胞工程课程特点出发，结合课堂教学的具体改革实践，浅谈细胞工程教学的几点体会，以期提高细胞工程的课堂教学效果。

1 阶梯式引入课程内容，搭建合理知识结构体系

根据约翰·M·科勒(John M Keller)教授所提出的ARCS模型[3]，如果在教学实践中能够将教学设计与影响学生的学习心理的重要因素包括注意(Attention)、贴切性(Relevance)、自信心(Confidence)和满足(Satisfaction)等进行合理匹配，就能够有效激发与维持学生学习动机，该模型被广泛应用于多种教学实践中，获得良好的教学效果[4]。细胞工程作为一门综合性、实践性课程，其理论知识涵盖面广，融合多个学科的技术交叉,合理规划教学内容、及时补充新知是细胞工程课程建设的长期任务[5]。此外，相较于其他生命科学、生物技术等专业，细胞工程课程一般安排在学生完成各类基础课之后[6]，但该课程在我院作为一门大类基础课程，其授课对象为刚接触生物工程专业的本科二年级学生，基础知识结构相对薄弱。在前期教学实践中，学生仅接触了普通生物学及生物化学两门专业课，对充分理解课程内容有较大难度，若未建立合理的课程导入体系，会直接影响课程的教学质量[7]。因此，围绕ARCS动机设计的思路，在细胞工程教学实践中，设计了教学内容的阶梯式引入模式(图1)，包括第一阶段基础理论框架的搭建，第二阶段案例式导学、第三阶段自主探究式讨论交流三个层次的递进式组织结构，将教学内容逐层加深。此外，在课堂交流过程中，学生参与课堂教学的主动式学习实践也逐层递进。具体教学内容设计如下：在第一阶段教学实践中，采取抓重点放次要的原则，以教师主讲教学模式为主，主要针对细胞生物学相关的经典理论知识以“细胞结构与功能、细胞的增殖与分化、细胞的衰老与死亡”等基本生命科学命题作为重点讲述，在此基础上增加了细胞工程技术的基本操作规范，包括细胞实验室的设置、常用设备仪器的配置、无菌操作技术等，并拓展至动植物细胞基本培养方法，包括细胞接种、传代、计数等，借助简易“微课”和“慕课”教学手段[7]，通过制作图文并茂的讲解微视频，使学生从直观上更容易认识细胞工程实验室的基本配置和基本操作过程。随后，将授课内容的主体部分设置在第二、三阶段，抽取细胞工程技术中的典型产品及关键技术作为案例模块，引入案例式、探究式教学模式，通过对细胞工程典型产品开发过程中所涉及的实际问题的探讨与交流，引导学生从被动式地知识认知转变为主动式地探究并分析内在机理，帮助学生在搭建合理的知识理论框架的同时，培养其综合应用能力。

图1 阶梯式引入课程内容的设计Figure 1 Design of curricular content in depth step by step

2 追踪科技前沿，优化教学内容，拓展教学平台

近年来，细胞工程领域涉及的干细胞、组织工程、转基因动植物等相关的前沿领域进展迅猛，新知识、新理论、新技术不断涌现，教材内容相对滞后于本行业领域的发展。面对迅猛发展的生命科学的前沿技术，结合学科发展，细胞工程的授课内容每年都会根据最新研究进展和教学体会予以更新，如选取诺贝尔生理学或医学奖中多项与细胞工程课程内容相关的重大科研成果作为教学实例，从科学问题的研究角度出发，论述特定技术的研发过程，引导学生探索、预测和构想未来发展的新方向。此外，随着公共信息资源平台的日益完善，尝试建立了微信公众号的分享平台，并通过组群建设实现了细胞工程领域最新资讯的实时分享，激发了学生的课外思考。此外，在课程实践的探究式教学阶段，针对课程典型案例中所涉及的关键技术难点问题，课后分享针对性较强、结合生产实际的经典科研文献作为教学的补充材料，并通过多种中文期刊检索网站和中国国家知识产权局专利检索网站的介绍，鼓励学生检索自己感兴趣的研究论文和专利，通过课前准备及课堂分享交流，拓展了教学内容的广度和深度。

3 融合学案导学与探究式教学模式，提高学生自主学习能力

细胞工程课程内容涵盖面广，各章节的逻辑相关性较弱，理论表述少，应用技术细节多，传统教学方式中，单纯凭借教师口述讲授具体工艺的操作流程及关键控制点，无法调动学生的兴趣及自主学习动力，仅依赖简单记忆难以实现知识要点的系统掌握。新的教学手段，如基于OBE(Outcomes-based Education)与整合思维等教学理念模式为细胞工程教学改革注入了新的活力[8]。结合细胞工程课程的教学内容特点，其专题性强，结合生活实际及科研的前沿领域，笔者在李志勇主编的《细胞工程学》教材中抽取了理论难度较大的典型细胞工程技术实例，包括“细胞融合” “单克隆抗体的制备” “转基因生物反应器” “干细胞与组织培养” “胚胎工程” “染色体工程”等章节作为第二阶段的教学内容，通过引入问题推进式的PBL教学方法，以生活中紧密相关的现象为着手点，综合采用启发式、比较式、互动式和讨论法等多种教学方式[9]，激发学生的积极性，引导学生在初步了解了细胞工程的理论体系、思维方式和研究方法的基础上，进一步拓展相关技术操作实践及关键点。以细胞融合课堂专题为例，学案设计如图2所示。

首先，从番茄和土豆的融合植株 “泡马豆”为案例引出课程的核心词“细胞融合”，随后引导学生展开联想，将天然存在的细胞融合现象与动植物的杂交过程进行比较及归纳，引出课程的核心问题“如何解决远缘杂交的不亲和性？”，从而引入细胞融合技术在实现新品种选育中的重要意义，激发学生对细胞融合技术的求知欲，从而顺势对课程核心内容的进行逐层展开，包括细胞融合的定义、基本原理及关键操作步骤等，帮助学生建立细胞融合技术相关的基本知识框架。此外，在课程最后，通过分享人造细胞“辛西娅”案例，进一步将课程内容触及至最新研究领域，激发学生对生命科学前沿技术的兴趣，并鼓励其在课后进行深入调研，在课后作业中通过打分的形式体现其参与度及完成度。

图2 细胞融合课程中PBL教学模式的学案设计Figure 2 Learn case design for PBL teaching in cell fusion section

此外，将课程内容中相对浅显、贴近生活又能够激发学生主动学习的细胞工程课程内容相关的典型产品包括“组织工程皮肤”“植物新品种培育”“人工种子制备”及“性别控制技术”等专题作为探究式讨论的教学内容，以学生自学的翻转课堂教授模式安排在课程的第三阶段。以人工组织工程皮肤为例，学案设计如下：在课前预习阶段要求学生在借助课本及辅助材料(相关网站、视频及学案)，尝试解决“什么是组织工程”“组织工程皮肤构建的基本要素包括哪些”“其相关的技术路线和方法是什么”“除人工皮肤以外，组织工程的相关产品还包括哪些部分”等问题，使学生初步了解即将新授课程内容，并提高自主获取知识的能力；在课堂中，要求每组学生围绕导学题展开充分讨论，并在此环节借助案例式教学法组织学生在课堂中分享对组织工程皮肤的具体应用实例，最后由教师对本节课的难点和重点做归纳小结。

4 完善课程考核体系，注重学生综合能力的培养

科学的考核方式对于提高学生的学习积极性和教学效果具有重要的作用[10]。考虑到细胞工程课程内容知识点多而散，记忆比重大的特点，我校基础大类课程的成绩评定方式将平时成绩的所占比例提高至50%，引导学生重视平时学习，防止期末突击应付考试。在本课程中，平时考核主要包括考勤(10%)，课堂表现(20%)及课后作业(20%)三个部分。其中，在课堂表现方面主要针对教学第三阶段探究式及案例分享阶段的表现，由学生互评方式进行统一打分。此外，参照前期报道的教学经验[11]，平时作业内容中，将传统“教师出题，学生被动回答”的作业模式改为学生自主归纳每堂课程的大纲、重点与难点，教师在每节课前将上一堂课作业内容反馈于学生，并结合自己的专题以小论文的形式对讲述内容进行凝练提升，从而综合性考核了学生的平时表现。在期末复习及考核阶段，首次提出了“一页纸”考核模式，允许学生在复习过程中将课程内容的重点与难点小结用笔记录在一张A4纸上，带入考场，在减轻学生期末复习阶段记忆压力的同时也激发了学生的总结归纳能力。实践证明，该模式受到学生的一致好评，在教学改革实施两年以来，考试质量分析结果表明，相较于未实行教学改革的大班授课的平行班级，小班化授课的改革对象班级其总体优秀率从7.76%提升至24.6% ，不及格率从7.14%下降至2.19%，教学成效显著。