中医药院校分子生物学实验教学体系改革初探

李芳赫,刘玥芸,李丽娜,张晓燕,张玉婷,张 前,魏 鹏

(北京中医药大学中医学院科研中心, 北京 102488;△通讯作者)

中医药发展离不开传承,亦离不开创新,而创新离不开现代科技手段尤其是分子生物学实验。分子生物学是遗传学和生物化学等多交叉学科发展融合的结果,其核心是在分子水平上研究遗传物质的结构和功能。作为面向基础医学、临床医学及中医药学相关专业研究生开设的一门公共选修课,分子生物学实验是医学领域科学研究必备的实验技能。尽管中医学与分子生物学是不同时代的学科产物,有着不同的思想体系,但二者间存在千丝万缕的联系。分子生物学实验无疑是推动中医药走向现代化、世界化的催化剂。因此,如何整合和完善分子生物学实验教学体系,培养学生科学的创新、逻辑、独立思考和自主学习能力,对中医药现代化发展至关重要。学生进一步学习基因研究技术等进阶课程奠定良好基础的同时,为中医药现代化创新提供必备的研究基础和实践支撑,全方位提升科研功底、科学素养和品德修为。

1 中医药院校医学分子生物学实验的教学现状

1.1 理论和实验体量大,但课时有限

由于分子生物学实验涉及诸多分子生物学的基础知识,而实验会占据大部分课程时间。教师若仅讲授实操步骤,难以使学生学习科研人员是如何进行实验设计、掌握相关的分子生物学知识、理解实验原理及试剂的作用。甚至有些重要的理论只能利用实验操作间歇去阐述,理论课时明显不足。而且分子生物学实验的前沿性使其涉及较为庞大的实验体量,因此实验课时也较为有限,极大限制了学生实验技能的扩展。以蛋白质互作的实验为例,就涉及表面等离子共振、融合蛋白沉降、蛋白沉降、免疫共沉淀、蛋白质片段互补分析以及邻近蛋白标记等多种技术[1]。

1.2 教学内容抽象,缺乏直观理解

分子生物学具有多学科交叉融合、抽象性、前沿性等特点,既有综合性很强的理论基础,又有广泛的实验应用背景。但传统教材涵盖的知识点与现代科研实验紧密关联度相对较少,现代科研实验亦无法涵盖全面的分子生物学理论基础。学生存在对理论知识兴趣不高的现象[2]。其次,由于分子生物学知识点较抽象,碎片化信息过多,学生很多知识没有消化,无法构建知识框架体系,进而导致其理解偏差。

1.3 选课学生存在理论储备不足且操作经验少的情况

郭淑贞等教师对中医院校86名选修实验课的学生分子生物学背景知识进行调研,发现90.7%的学生在选课前缺乏分子生物学基础知识,仅有少数学生系统了解相关理论背景[2]。这表明中医院校学生的分子生物学基础普遍较薄弱。此外,实验操作机会有限。尽管课程限制了选课人数,以期保证每位学生均有操作的机会,但为了精准有效合理的分配课时,教师要提前购买试剂耗材、组织取材、制备样品等,以期保证学生完全掌握某一实验。但学生并未参与此过程,仅参与课程相关的实验部分[2]。而学生在正式实验时,则需要他们同时具备独立检索文献、制定方案、制备样品、统计实验结果等综合能力。加之部分学生尚未接触过分子生物学实验或既往使用经验不足,存在抵触和依赖心理,对动手操作有畏难情绪或依赖有经验的学生完成,形成越畏难越依赖他人操作的现象[3]。

2 中医药院校分子生物学实验教学体系的构建与思考

2.1 实验理论、实验课时的增加

医学分子生物学实验是紧密围绕中心法则展开的实验课程,故传统实验课时相对不足。若教师仅讲授某一实验原理及操作步骤,学生难以理解实验背后的科研构思。因此,教师在原有理论和实验课时的基础上应增加理论课时[4],从DNA复制、损伤、修复、重组、转录后加工、蛋白质合成等重要理论知识点进行详细赘述,加强学生科研基础功底,同时增加实验课时。由于实验操作机会有限,教学组可设计调查问卷,将未进行过实验操作或对实验不熟悉的学生与有一定实验基础的学生进行分班教学,更好地克服学生怵实验的心理。

2.2 实验教学内容的完善

2.2.1 梳理教学内容,构建知识框架 分子生物学因涉及多学科交叉,涵盖内容广泛,知识点复杂,基本概念繁多,对于中医院校基础较薄弱的学生理解和掌握起来较为抽象和困难。因此,教师在教学过程中以中心法则为主线,有利于增加教学的整体性和连贯性[4,5],结合中医基础、中药药理学等相关中医药研究,将分子生物学重点知识与中医药科研进行梳理和联系。按中心法则,课程具体可分为三部分内容:①DNA复制,讲解DNA复制的一般特性、DNA半保留复制实验以及参与DNA复制的主要酶和蛋白质的结构和功能,介绍PCR技术及其原理与DNA复制的关系、DNA测序技术的原理及作用。②转录和逆转录,讲述mRNA、密码子、反密码子、cDNA、启动子、终止子、外显子和内含子的含义。教师从PCR逐步引入RT-PCR、qPCR、qRT-PCR技术原理以及四者间的区别和联系;重点讲解qRT-PCR技术及原理。③蛋白质翻译,阐释tRNA、rRNA、mRNA、蛋白质、抗体的结构和作用,介绍不同检测蛋白质方法的异同,如Western blot、免疫组化、免疫荧光、免疫共沉淀等蛋白质检测方法的原理、优势及区别,重点讲解其中SDS-PAGE凝胶电泳、非连续系统及抗原抗体特异性反应的原理及实验操作。教师通过中心法则将各知识点串联起来,方便学生对理论的理解,有利于学生熟悉掌握实验原理,加深对文献的理解,并能更好地设计课题,优化实验方案。

2.2.2 教学内容和科研进展相结合 在分子生物学实验教学过程中,教师将最前沿的科研成果和实验方法有效融入教学实验中,重点讲解最常用的实验方法以突出重点,还要涉及进阶实验以扩宽广度。例如:教师在讲解Western blot实验时,可递进介绍Western Blot技术的进展更新,从化学显色法到化学发光/荧光法、In-Cell/On-Cell Western和单细胞Western Blot法,讲述不同进展的优势和劣势,扩展学生科研思路的宽度和广度。同时,通过前沿文献中图表举例分析,让学生直观理解图表含义、教学实验内容及所对应的结果,使其通过实验教学的内容体会实际面临的科研过程,并设置课堂提问环节和布置课后思考题,让学生切实感受到为自己而学,加强了学生对课程的参与感和投入感。

2.3 分子生物学实验教学模式的改革探索

2.3.1 教研结合,将前沿技术与科研实例引入教学,做好课程规划建设 结合学科前沿性强的特点,教师引入前沿文献,结合文献结果图进行讲解,形成以研究成果即实例为导向的学习(CBL)教学模式。此举一方面让学生更直观地观察到实验的具体应用场景,增加其对实验的整体印象;另一方面,可以提升学生的实验思路,方便学生及时优化或调整实验过程,主动寻找实验失败或不理想的原因,及时调整实验方案,增加其科研探索的自主性。同时,教研组整合现有教师资源和素材,吸引更多的青年教师加入分子生物学实验教学团队,做好课程规划建设,最终形成以科研实例为核心,以科研问题为导向,以授课教师为桥梁,以选课学生为主体的自主创新式教学模式[5]。

2.3.2 引入科研问题-实验原理-视频导学-实验操作-结果分析结合,实现引导式教学 在分子生物学理论和实验教学过程中,教师增加以科研问题为中心的学习(PBL)教学模式[5],采用科研问题-实验原理-视频导学-实验操作-结果分析相结合的方式,实现实验任务导向式教学:①引入科研工作场景中经常面对的问题,先让学生思考,激发求知欲。②提前规划板书内容,可配简图,有利于学生了解知识构架梗概。③通过多媒体教学设备,播放实验操作视频、实验原理的动画,使分子生物学中抽象的实验变得更形象具体。④力争让每位学生亲自参与实验操作,增强学生操作能力。⑤进行结果分析,培养学生主动思考的能力,并要求学生正确对待结果,客观分析数据。遗传物质是DNA的系列实验,亦是科学家们忠于严谨的实验结果进行客观分析得出来的,未受到当时权威观点左右。若学生未得到理想的结果,教师鼓励学生分析原因,使教学实验过程更贴近真实的实验过程。

2.3.3 多种教学模式融入分子生物学实验教学,提高学生自主学习能力和创新性 教师将虚拟仿真实验系统和小规模限制性在线课程(SPOC在线课程)纳入分子生物学实验教学中,提高学生学习的主导性,锻炼学生主动学习和持续学习能力。虚拟仿真实验系统中储存海量的实验教学资源,并可随时扩充新实验方法。学生可以对实验相关课程进行预习,对抽象的理论原理及实验流程有更为直观的观感,同时培养自主学习的能力和创新性,有效缓解现有课时无法满足的情况,并增加学生对整个实验过程的熟悉程度[6]。

SPOC近年来也得到了快速发展。研究者通过对传统教学和异步SPOC在线课堂授课的考试成绩进行比较,发现开展异步SPOC在线课堂授课后学生的平均分整体提高,且优良以上的比例大幅提高[7]。SPOC分为三大流程:①课前准备:教师提前将在线教学资源上传至平台,让学生提前预习。②你问我答:学生对困惑问题进行提问,教师有针对性地讲解,突出重点知识的讲解,与学生进行互动。③课后延展:教师通过线下平台,设置课后讨论或小测验,学生查阅资料后,进行知识延展学习或完成测试,方便学生对知识点的回顾和扩展。

2.3.4 借助生物信息学技术,与分子生物学实验相结合,促进生物大数据时代的发展 教师在分子生物学实验教学过程中融入生物信息学相关理论教学,帮助学生进一步理解、掌握及扩展分子生物学知识[8],例如在基因和蛋白质教学中融入相关数据库。又如,在介绍检测蛋白质常用技术如免疫印迹、免疫荧光时,教师可讲解HPA数据库(https://www.proteinatlas.org/)的应用,尤其是蛋白质在细胞、组织上的表达定位情况,可帮助学生了解相关蛋白较为前沿的研究,逐步将现代生物信息手段合理融入分子生物学实验教学中,由单纯的实验研究转向为生物信息和实验研究相结合的科学研究,使科学研究更富有逻辑性、整体性和系统性,开拓学生科研思路。

2.3.5 强化分子生物学在中医药研究中的地位和作用,推动中医药现代化发展 中医学以整体观念、辨证论治为指导,具有悠久的历史和丰富的临床经验。在中医院校的分子生物学实验教学过程,教师增加中医药相关的分子生物学实验研究,强调现代分子生物学实验在中医药研究中的地位及作用,有助于中医院校的学生扩展科研视野,更好地用现代科技内涵阐释中医基础理论,推动中医药现代化发展;同时,加强教材建设,开发制定适合中医药院校研究生使用的分子生物学理论和实验教学大纲及教材,增加中医药院校学生科研思维的培养,满足学生后续科研工作的需要。

3 展望

目前各中医药大学均已为研究生开设了分子生物学实验这门课程,得到了学生和导师的一致认可。但现阶段,本课程仍存在诸多不足:①理论和实验课时有限。课程应增加教学时长,同时教师应给予学生更多动手操作的机会。②选课学生分子生物学基础参差不齐,不少研究生在本科阶段尚未接触过分子生物学,教学同步性较差。③教学内容和教学模式亟待改进。教师应打牢基础,构建知识框架;紧跟前沿,加强教研结合;引入虚拟仿真实验系统等教学模式,推动中医院校中医药实现现代化。基于此,教师在教学中采用以科研案例为开端,激发学生科研兴趣,使学生“乐学”;以科研问题为导向,开拓学生科研思路,使学生“会学”;以分子生物学实操为基础,提升学生操作技能,使学生“学会”;以中医药发展为主旨,开阔学生科研视野,使学生“学通”。