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生物制药本科核心实验课程整合与方法探索

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  • 更新时间2020-12-16
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【摘要】生物制药专业作为应用研究导向性学科,实验教学在整个教学体系中占有十分重要的地位。结合我校生物制药专业核心实验课程的设置和教学模式,通过对实验项目的优化整合、教学方式及考核测评方式的改革与实践,逐步形成满足生物制药专业人才培养的核心实验教学体系。

 

  【关键词】生物制药实验课程整合教学方式考核

 

  随着现代生命科学与生物技术的快速发展,生物医药已发展成为最具前景的支柱产业。全球医药市场的重心正逐步从化学制药转向生物制药,因此,为了适应产业发展对人才的迫切需求,更好地培养创新型、应用型生物制药专门人才成为目前高校需要不断研究和探索的问题。生物制药专业作为应用性学科,应用导向强,要求学生知识、技术、科学思维能力全面发展,因此,其实验教学的地位举足轻重,特别是专业核心实验课程体系的建设和改革是教学改革的重点。根据我校生物制药专业培养方案对人才培养的目标和要求以及CDIO工程教育模式理念[1],结合现有核心实验课程的设置和教学模式,对其实验教学内容、教学手段及考核方式等方面进行了改革与思考,为本专业下一步人才培养方案的修订提供参考意见。

 

  1生物制药专业核心实验课程教学中存在的问题

 

  为更好地了解本专业核心实验课程的教学质量与效果,我们从实验教学内容、教学方法、考核方式等方面设置了调查问卷,通过对2015级、2016级生物制药专业学生进行的调查问卷分析,表明目前本专业实验课程教学中存在的主要问题包括以下几个方面。

 

  1.1实验课教学内容我校生物制药专业核心课程共10门,共开设39个实验项目,共计208学时,其中《发酵工程》实验2个,《基因工程》实验3个,《细胞工程》实验3个,《酶工程》实验3个,《生物制药设备》实验5个,《生物制药工艺学》实验2个,《生物药物分析》实验4个,《药剂学》实验6个,《药理学》实验7个,《生物药剂学与药物动力学》实验4个。就以上课程实验教学内容而言,其中验证性实验占绝大部分,部分实验内容陈旧,与理论课内容联系不紧密,与现实生物制药产业生产研究脱节,缺乏设计性、综合性大实验;并且由于实验设置时课程间缺乏沟通,基础性实验项目重复率高,造成一定的人力物力和教学时间的浪费;同时,各课程实验项目相对独立,缺乏系统性和连贯性,学生难以将整个生物制药的过程融会贯通,形成大的产业格局。

 

  1.2实验课教学模式目前依旧采用传统的实验课教学模式,讲义内容将实验原理、材料、实验步骤等详细写出,由实验教师根据讲义内容进行逐一讲解,相关的实验材料准备及预实验工作由实验教师提前完成,学生只需根据讲义内容按部就班完成实验流程即可,整个学习过程几乎不需要思考,没有给学生设置出思考与想象空间,让他们思考为什么这么做、下一步该做什么、该提前准备什么,实验成果有什么现实用途。学生趋于形式化学习,忽略了实验课上学生的主体地位,难以调动学生的积极主动性,也无法真正做到启发学生发现问题、解决问题、合理规划的能力。由于学生只做了实验项目的关键部分,也难以全面了解和掌握整个实验流程,导致对实验的整体设计一知半解。

 

  1.3实验课考核方式目前实验课的考核方式单一,以学生的实验报告为主体,但是实验报告内容单一冗长,抄袭度高,学生过分注重阳性实验结果,认为出现阴性结果就是实验失败,并没有进行合理的分析讨论。因此单纯的实验报告难以帮助学生真正掌握实验内容,教师也难以从中知悉学生的真正学习情况,在专业实验教学中非常有必要建立一套客观、全面、有效的实验考核评价标准

 

  2生物制药专业核心实验教学体系改革的探索

 

  2.1实验项目创新优化整合在专业整体实验教学体系设计上,我们以生物药物的研发为导向,按照生物制药产业实际研发步骤调整现有实验课程的先后顺序,进行整合,有效规划实验课学时,构建了一套实用技能培训式实验—验证性实验—综合性实验—创新性实验的实验教学体系。实用技能培训式实验及验证性实验可在大学二年级实验教学中开展,在先修课程《生物化学》《分子生物学》《微生物学》《药物化学》等专业基础课程基本完成的情况下学习规范的实验技能,间之以学习《生物制药设备》;综合性、创新性大实验主要在三年级集中开展,借助期间《基因工程》《发酵工程》《细胞工程》《酶工程》《生物制药工艺学》《生物药物分析》等专业核心理论课程的授课,构建创新性、综合性大的实验教学项目,推进实验教学改革,使学生在学习专业理论知识的同时开展规模化创新性综合性大实验。虽然实验周期较长,但学生可以以理论知识为指导,把理论与实际有效结合,实现理论到实践的无缝衔接,可以深入理解,巩固提高融会贯通所学知识。

 

  通过近3年对学生实验课过程的观察,我们发现大多数学生对最基本的实验操作及实验仪器的掌握程度远远不够,经过一个假期就会出现例如无菌操作不规范甚至不正确操作等现象,因此有必要将以下内容以《实验操作基本技能培训》课程的形式纳入到整个实验课程教学体系中[2]。在专业所有实验课之前,以2~3人为一个实验小组,集中6~8学时安排以上课程,对学生进行最基本的实验技能和实验室安全意识培训,使其建立整体的实验观念。具体实验内容可以包括移液枪、离心机、高温高压灭菌锅、pH计、电子天平等常用仪器的正确使用和维护,药品、培养基的正确配制,危化品的正确使用与注意事项,超净工作台的无菌操作,细胞培养相关设备仪器的清洗消毒,废液废品的正确处理等。严格要求学生熟练掌握这些基本技能并严格进行技能操作考核,为后续实验课程的顺利开展打下坚实的基础。同时督促引导学生建立良好的实验室安全卫生习惯,共同维护实验室安全和良好的卫生环境。与此匹配,为进一步检验学生对以上内容的掌握情况,在后续实验课程的每一次开展前,进行10 min的技能讨论与汇报,促进学习效果的提高。

 

  综合性、创新性大实验以基因工程药物的研发为主线,分为上游和下游两个模块,上游以基因工程实验内容为主体,包括引物的设计、目的基因的获取、表达载体的选择与构建、克隆转化、筛选鉴定、诱导表达;下游则涵盖了细胞工程、发酵工程、酶工程、工艺学、药剂与药代动力学等课程的实验内容,包括发酵罐的使用、发酵过程的调控、分离纯化、蛋白检测及鉴定、活性检测及药理、毒理、药代、药效等动物细胞实验[2,3]。具体实验内容拟以重组人干扰素的制备为主线,重新编排实验讲义,将各门核心实验课程有机整合,将整个生物制药过程串联起来,具有较强的系统性与综合性,更有利于学生了解和掌握整套技术流程,增强学生的连贯性认识和知识的综合运用能力。同时以开放实验的形式向全校对基因工程药物研发感兴趣的同学开放实验室,尽可能多地增加学生参与实验设计与实验准备的机会,大大提升学生查阅资料、综合分析、构建科研项目的创新创业能力。

 

  验证性实验作为整个实验体系的衔接桥梁而存在,对核心实验项目进行整合后,依然可以选择性保留3~4个验证性实验,例如酵母细胞的固定化,溶菌酶的制备,阿司匹林肠溶片的含量测定等。综合性大实验周期长,不确定因素较多,难度也相对较大,而验证性实验相对于综合性实验来说,实验结果比较直观确定,未知影响因素较少,可以帮助学生理解理论知识并掌握一定的实验技术,同时了解实验基本思路建立的方法,帮助学生从成功的实验中树立信心。

 

  在整合实验前期,我们做了初步尝试以探索其可行性,由教师与学生进行双向选择,最终由2014级、2015级、2016级生物制药专业15名学生和5位教师共同参与,以重组人干扰素的制备为综合性、设计性实验项目,开展实验教学。首先由学生以团队或个人形式查阅相关文献资料,提出整体设计方案,与带教老师讨论修改后确定最后的实验方案。这个过程能够让学生充分的体验“构思、设计、实施、运行(CDIO)”的整个环节。在此过程中,学生初步掌握了科学信息检索与整理归纳的能力,充分调动了学生的主观能动性,锻炼了学生的科研思维及设计能力。通过不同年级三个批次学生的实践与摸索,重组人干扰素的制备实验项目基本成型,学生认可度高,普遍认为这样的综合性实验项目比独立基础性实验项目的教学效果好,参与度高,对知识的系统性把握度高,得到了系统的实践锻炼。

 

  2.2实验教学方式的改进①利用多媒体进行课堂教学,将关键的实验操作以线上视频的形式重复播放[4],在老师巡回指导的同时,方便学生反复学习,掌握要点。②采用线上线下混合式教学,利用多样化的自媒体方式加强与学生的课内外互动,包括e-教学平台、微课、专业网站、微信群等。③加强专业虚拟仿真实验平台建设,尽可能还原整个生物药物的研发生产过程,包括相关设备的内部构造以及参数调控等。这样的教学方式具有直观性、趣味性和可重复性,可有效提高教学质量和效果。④适当精简实验讲义的内容,只列出实验的关键试剂耗材与实验步骤,在授课过程中学会“放手”,加强引导,激发学生的逻辑思维能力与自主设计能力,充分调动学生在课堂上的参与性与主体性。⑤学生实验多以小组形式进行,每组人数限定为2~3人,这样既可以保证每位同学都能亲自进行实验操作,又能够锻炼学生的分工协作能力与团队合作精神。

 

  2.3实验考核方式的改革传统的实验课考核模式主要以学生提交实验报告为主,报告内容单一,大同小异,难以帮助学生真正掌握实验内容。从考核方式上,我们采用多元化形式,首先对学生的报告内容及格式严格要求,将报告中对实验现象的观察、解释及数据处理、综合讨论分析作为考察评判重点[5],包括原始数据的记录与处理,实验现象的规范描述,实验结果的分析等[6],要求学生准确把握实验的重点及难点;其次在实验课程结束时开展知识竞赛或实验技能竞赛,作为实验考核的加分点,在提升学生活跃度的同时巩固教学效果。

 

  目前,已有多门实验课增加了讨论课环节,由学生自由组合,3~4人为一组,通过查阅文献资料,集中讨论学习,推选一人介绍专业相关的最新进展或技术,其余学生以书面报告形式完成。调查分析显示,讨论课作为考核方式的一种,学生接受度高,认为有助于提升学习效果,在掌握现有实验技术的同时,可以学习前沿新知识新技术,拓展视野,开放思维。

 

  3小结

 

  生物制药专业作为应用性学科,实验教学改革举足轻重。针对我校生物制药专业实验教学中存在的问题,紧贴CDIO工程教育模式中“构思,设计,实施和运行”的理念[1],我们对实验内容及实验教学方式、考核方式进行了初步的改革,通过具体实践摸索,以上方法可运用于生物制药专业今后的实验教学中。我们以基因工程药物研发为主线,将课程有机结合,建立实用技能培训式实验—验证性实验—综合性实验—创新性实验的实验教学体系,增强专业技术的连贯性与系统性,增强学生的主体地位,最大程度地给予学生动手实践的机会,帮助学生进行探索式主动学习。利用多媒体、自媒体等多种平台,结合线上、线下相结合改进教学方式,对学生加强引导点拨,而不是填鸭式教学,提高教学质量。采用多样化的考核方式,巩固学习效果。在此过程中,教师常常要引导学生正确面对失败,耐心分析解决问题,明白科学研究不可能每次都是成功的,树立坚强而认真的科学精神。总之,通过一系列的改进与实施,使学生不仅能够掌握一定的专业知识与实验技能,更能具备发现问题、分析问题、解决问题的能力,从而真正成为具有良好的科学素养、较强的创新和实践能力的应用型人才。

 

  参考文献

 

  [1]李健,韩增胜,栗坤.围绕CDIO人才培养模式的基因工程课程教学改革[J].教育教学论坛,2019,11(14):143-144.

 

  [2]魏娜.基因工程实验课程教学改革研究[J].科教文汇,2018,15(1):73-74.

 

  [3]郑晟,武国凡,王娟,等“.生物技术制药综合实验”教学改革初探[J/CD].高校生物学教学研究(电子版),2019,9(1):45-48.

 

  [4]李慧玲,程玉鹏,刘莉莉,等.生物技术制药实验教学方法初探[J].才智,2012,23:192.

 

  [5]姚庆收,张秀丽,秦加阳,等.基于生物制药上、下游技术为一体的实验教学改革研究[J].卫生职业教育,2014,32:101-112.

 

  [6]王舒宁,张阔,张旺倩,等.生物制药学实验教学之初探[J].药物生物技术,2018,25(2):157-159.