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研究型实验教学改革是高校实验课程改革的重要趋势,对学生创新能力的培养有重要的促进作用[1].为适应高等医学教育改革[2]和落实首都医科大学教育发展纲要,2010年我校启动了第4轮教育教学改革.我们的改革目标是按照素质教育的理念及本科生人才培养目标,从培养人才可持续发展的战略出发,积极探索以医学生物学知识教育为载体,重点培养学生2方面的能力,即:①善于学习,不断完善自我的能力.使学生获得善于利用书本,通过实践、网络等各种途径不断获取信息和学习新知识的能力.②不断发展创新的能力.使学生在学习的过程中具有不断发现问题、研究问题、解决问题的能力.
1 实验室重新布局并建立专职实验教学队伍
我校的医学生物学实验平台包括原生物化学、细胞生物学、遗传学和分子生物学4个学科的实验室,现统一归属医学生物实验室管理.我们认真分析了原有4门实验课程的内容、特点及相互之间的关联性,将原分设在不同学科的实验室合理规划,统筹安排使用.
经过重新布局与规划,医学生物学实验室现有学生实验室11间,细胞无菌操作实验室4间,学生课外创新实验室3间,实验准备室及办公室14 间.实验教学用实验室,经费由实验教学中心统一管理与调配,并与院(系)之间进行了分割.实验室配备了一流的仪器设备,实施了现代化的实验教学手段,并且配备了实验室专职教师及技术人员,大大提高了实验教学水平.
实验室现有专职教师和技术人员10人,其中教授1人,副教授2人,实验技术人员8人.实验教学授课教师实行专兼职结合,其中兼职教师28人,具有博士、硕士学位的教师占总人数的95%.
这种实验室布局及仪器设备的统一使用、实验室教师及实验员的专职配备,建立了强大的实验室综合功能及培养学生创新能力的功能,实验室承担全校4年、5年、7年制本科生,硕士、博士研究生,3年制高职生及成人专升本、专科生、外国留学生等多层次相关实验教学.
2 以整合、开放的原则重组实验教学内容
我们将原分散开设的生物化学、细胞生物学、遗传学和分子生物学实验内容优化重组,融合为一门独立的医学生物学实验课程.新的课程继承并发展了生物化学、细胞生物学、遗传学和分子生物学实验的核心内容,并且更加强调学科之间的交叉融合,更加重视新技术的应用,更加注重对学生创新能力的培养.
通过课程的学习,使学生系统掌握医学生物学实验的基本方法和技术,培养他们科学的思维、创新的意识以及独立思考、分析和解决问题的能力.在此基础上,2007年编写出版了配套的?医学生物学实验教程?的实验改革教材,并于2010年被评为北京市精品教材.2010年”医学生物学实验”课程获批为校级精品课程.2012年又出版了配套的英文实验教材———?医学生物学实验?.
2.1 以实验技能分类整合课程内容
查阅国内各细胞生物学、遗传学、分子生物学、生物化学实验教材,并参考了国外相关教材,虽然教学内容丰富,但实验题目繁多,而且重复性实验内容较多.我们经过反复梳理、筛选,按实验技能分类把医学生物学实验划分为细胞培养系列、电泳技术系列、核型分析实验系列、层析实验技术系列、生物大分子分离制备技术系列、生物活性物质测定系列等几大教学板块.在每个板块中,提炼最基础的原理、技能,要求学生必须认真加以训练和掌握;在此基础上,将不同的方法、技术加以分析比较,了解各自的优势、适用范围、相互间的区别与联系等,使学生真正做到举一反三、触类旁通.在实验教学过程中,还积极创造条件,使学生了解学科发展前沿的生化技术,了解科学发展动态.
我们将医学生物学的基础实验部分统一进行训练,主要进行通识性实验,整个基础实验部分的安排充分体现医学生物学实验技术中的实验特点,又考虑到基本理论知识、基本技能训练的系统性和完整性.开设目前最常用的医学生物技术实验内容,主要包括质粒提取、核酸的提取与回收、感受态细胞的制备、限制性内切酶切电泳、基因重组、阳性筛选、PCR 扩增、基因组DNA 的提取、总RNA 的提取和RTGPCR.基础实验部分主要是让学生学会并掌握医学生物学基本实验技术和无菌操作技术,为后续研究性实验课程内容的顺利开展奠定良好的基础.
在进行电泳技术板块教学时,把原分子生物学、遗传学和生物化学3门课程、4个题目的教学内容进行了重组.在同一课堂上,使用圆盘电泳槽、垂直板电泳装置,进行利用聚丙烯酰胺凝胶分离人血清蛋白、过氧化物同工酶、酯酶同工酶等电泳实验,学生不但掌握了电泳的基本原理、基本的实验装置和聚丙烯酰胺凝胶的制胶方法,同时也理解到在制胶过程中,如果加入SDS,就可以利用SDSG聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质的分子量,如果加入两性载体电解质,就可以利用等电聚焦电泳测定蛋白质的等电点. 我们还利用NA100多功能电泳仪(LKB 公司产)进行演示实验,并与传统电泳仪进行比较,可同时检测并纯化20个PCR产物,同时检查80个PCR 产物,改变电泳的方向,利用普通数码相机就可以记录下来实验结果.免去了切胶、纯化步骤,即省试剂又省时间.使学生了解到这种仪器的先进性及在科研中的用途.通过该板块教学,学生了解了电泳技术的发展过程.
对制胶、电泳、染色3个基本过程的不断改进,就是为了提高灵敏度,缩短电泳时间,简化操作程序,并扩大应用范围.
2.2 以研究性、综合性实验题目整合课程内容
开展研究性实验教学是培养学生创新精神的一种有效途径.以研究性实验题目整合实验课程内容就是为学生创设一种科学研究的情境和途径,让学生以类似科学研究的方式查阅文献资料、收集处理信息、设计实验方案、实施研究过程、做好观察记录、分析提取实验结果、按论文形式书写研究报告,或以其他方式表达、展示研究成果.这个过程既是学生主动获取知识的过程,也是运用已有知识解决实际问题的过程.
引导、鼓励学生在实验过程中进行方法的改进与技术路线的设计,这些方法技术上的创新的不断积累,使学生创新意识和创新精神由萌芽到成熟.
例如,用考马斯亮蓝法测定动物组织中蛋白质的含量(是所有医学院校基础医学和生物学科的必修实验内容),以往为节省时间,教师在实验课前为学生准备好动物组织匀浆样品、配好试剂,为学生准备好标准蛋白质溶液并安装完仪器,采用PPT给学生显示实验原理及操作流程.学生利用实验课时间测定蛋白质标准溶液、完成标准曲线的制作,进而进行目的蛋白的含量测定.这种教学设计只达到了传授考马斯亮蓝法测定动物组织中蛋白质含量原理和技术的目的.自2010年起,我们在2009—2013级5届临床7年班开设了”不同组织器官蛋白质分析”的研究题目.学生按科学研究的方式和程序通过查阅?生物化学?、?分子细胞生物学报?等刊物了解到,决定组织质地软硬程度、酶活性、受体结构、离子通道等的内在指标是蛋白质含量多少及变化情况.另外,一些文章还介绍了某些组织氨基酸的组成情况等.在此基础上,从整个实验方案设计到样品的前处理,再到标准溶液的配制与标定等全部程序均由学生自主完成.教师只起到导学、合作伙伴的作用.其导学作用是确定本课题学生应该掌握的实验理论、实验技能、实验仪器的性能、使用方法及对实验结果的要求,如3次滴定误差在0.02mL内等(各项要求形成文字发给学生).在学生书写研究报告前,以实践+反思的方式组织学生讨论.
通过这个实验,学生不仅学到了考马斯亮蓝法测蛋白质含量,酸水解经衍生化后用高压液相层析法测定氨基酸组成的原理与技术,还掌握了动物组织取样方法、组织匀浆制备方法、标准溶液配制、标定等一系列的实验技能,而且经历了科学研究的思维方法、工作方法的全面训练.通过实验,学生理解了进行科学研究一定要有严谨的科学态度、脚踏实地的工作作风、要善于与他人团结协作、爱护公物等.将塑造学生高尚的人格品质寓于专业知识的教育中,正是体现了素质教育的内涵.
我们还减少了验证性实验,增加综合性、设计性实验,开展研究式教学.在分子生物学实验技术教学的过程中,我们将以前的6个小实验合并在一起,注重实验教学的连续性.例如从细菌中提取载体质粒DNA、对目的基因及载体进行限制性内切酶的切割、目的片段与载体的体外连接、感受态细胞的制备、重组质粒的转化、重组子的筛选以及鉴定,整个实验连续进行,内容紧密衔接,环环相扣,较为完备地将分子生物学的上游技术综合到一系列实验中.
以”研究性”、”综合性”实验题目整合实验教学,可以激发学生的学习与研究兴趣.在以学研形式引导学生主动获取知识、运用已有知识解决实际问题的过程中,学生自然地提高了自身素质和实践能力.
3 改善平台的软件条件
创新课程平台建设,既要重视硬件条件建设,也要重视配套软件条件的完善[8].我们优化医学生物学实验软件条件的主要措施是:
(1)实验教学独立设课,强化实践教学环节,开设综合性、设计性实验项目,做好实验室开放工作.
(2)实验课程内容模块化,课程体系要内容新、水平高、效果好.在教学内容中要注重结合学科发展的前沿,注重结合科研实际,增强对科研工作的适应性.
(3)努力创造条件,把多媒体引入实验教学,在教学手段等方面推行多样化.医学生物学不仅内容丰富,涉及面广,发展迅速,而且涉及到亚显微、分子等微观水平,具有高度的综合性、复杂性和抽象性[9],因此,我们购买了细胞永久切片,通过电视展示给学生,并利用实验相关的网络视频资源进行教学,既便于教师讲解,又提高了实验教学效果,深受学生欢迎.
(4)转变学生实验教学的理念,树立以人为本、以掌握技术方法和服务科研为目标、以激发创新思维能力为核心的培养理念,培养学生的创造性思维能力和探索能力,以适应高科技时代的发展需要[10].
(5)有效建设医学生物学实验教学的软件条件,有利于培养学生的综合实验技能、综合应用生物化学、分子生物学、细胞学实验技术分析和解决实际问题的能力,以及通过实验进行创新的能力.
4 医学生物学实验室的体系规划
医学生的实践能力可以分解为基础性实践能力、综合性实践能力和创造性实践能力等3个层次[11].根据实践能力的分解,我们将实验室体系规划为基础课程实验室、综合实验中心、虚拟拓展实验室3种类型,并采取不同的方式进行建设和管理.
(1)基础课程实验室.根据课程教学需要建立的功能相对单一的实验室,完成培养方案和教学大纲规定的实验内容,以实施本学科专业所要求的基础性实践能力训练为主要任务,开设有关实验课程,如学习细胞培养、蛋白质变性、等电点测定、染色体分类等的基本技术.
(2)大型综合实验室.主要功能是根据高素质、高层次人才对创新实践能力的培养要求,开设教学实验模块和综合实践项目,支撑实验教学及相关创新实践活动,全面培养学生综合应用多学科知识解决复杂技术问题的科技创新能力.第二课堂、学生科研活动等均可以在综合实验室完成.
(3)虚拟拓展实验室.结合学校实际,采取虚拟拓展实验室的方式,建立开放共享机制和设备信息服务平台,拓展利用学校”十一五”_N___1_{的科技创新平台和科研公共服务体系及其他先进科研实验条件,充分发挥科研条件对高层次人才培养的支撑作用,实现大型先进科研设备及研究环境对本科生培养过程的开放共享,构建完善的本科生实践能力培养体系.学生毕业课题设计、实施、完成等过程均可在此实验室实施.
5 结束语
研究型医学生物学实验教学平台的系统规划与设计是一个充满挑战的新课题,目前还没有成熟的范例可循.只有通过不断的探索和实践,特别是要加强本科生实验室运行管理机制研究,努力实现良好建设效益,才能达到建设目标.