醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

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前言

目前，分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成為探討生命科學(xué)基本問題的最常見的手段，經(jīng)典的DNA提取、質(zhì)粒克隆和提取、核酸電泳、膠回收、蛋白提取與WesternBlot等常規(guī)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)成為醫(yī)學(xué)和生物學(xué)本科生需要掌握的基本技能[1-5]。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)傾向于孤立的講解和指導(dǎo)這些實(shí)驗(yàn)方法，側(cè)重按照實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)本身，僅僅是培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，而忽略了這些技術(shù)究竟能解決什么問題，以及如何在實(shí)際科研中具體應(yīng)用這些方法。事實(shí)上，后者對(duì)學(xué)生分析問題、解決問題更為重要，應(yīng)該是培養(yǎng)的重點(diǎn)[6]。以基于問題學(xué)習(xí)（Prob-lem-BasedLearning，即PBL)的教學(xué)模式在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到普遍認(rèn)同與廣泛應(yīng)用[7-10]。然而，在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中該方法存在一定難度，限制了其推廣和應(yīng)用。因?yàn)?，單?dú)一個(gè)技術(shù)往往解決不了一個(gè)真正的科學(xué)問題；此外，一個(gè)科學(xué)問題往往又涉及太多實(shí)驗(yàn)方法，是本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以全面覆蓋。另外，以問題導(dǎo)向，往往涉及多個(gè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備等方面也提出更高要求。從這個(gè)角度，選擇合適的科學(xué)問題，并加以科學(xué)引導(dǎo)成為PBL在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的難點(diǎn)問題[11]。本研究針對(duì)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的上述問題，嘗試通過證明"突變?chǔ)?catenin促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"，將DNA提取、質(zhì)粒克隆和提取、核酸電泳、蛋白提取與WesternBlot等常規(guī)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)有機(jī)整合起來(lái)，探討這種"PBL教學(xué)法"在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用和具體效果。

1醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課PBL教學(xué)科學(xué)問題的設(shè)置

針對(duì)教學(xué)大綱中涉及的DNA提取、質(zhì)?？寺『吞崛?、核酸電泳、蛋白提取與WesternBlot等要求，啟發(fā)并引導(dǎo)同學(xué)證明"突變?chǔ)?catenin促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"這一科學(xué)問題。具體分為：

（1）證明部分結(jié)腸癌細(xì)胞中存在β-catenin基因突變；具體實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括細(xì)胞培養(yǎng)、DNA的提取、PCR、膠回收和測(cè)序；

（2）證明突變的β-catenin促進(jìn)細(xì)胞增殖。具體實(shí)驗(yàn)技術(shù)包括DNA提取、PCR、載體構(gòu)建、質(zhì)粒提取、細(xì)胞轉(zhuǎn)染、WB和細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)。其中細(xì)胞培養(yǎng)、測(cè)序、載體構(gòu)建、細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)為示教或者觀看錄像；其余的實(shí)驗(yàn)則為學(xué)生具體操作。

2以"突變?chǔ)?catenin促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"為例的PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施及效果

我科室承擔(dān)臨床醫(yī)學(xué)本科生分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)。以往實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容包括DNA提取、質(zhì)?？寺『吞崛?、核酸電泳、膠回收、蛋白提取與WesternBlot等，這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)相對(duì)孤立的講解和實(shí)施。學(xué)生雖然能夠掌握每個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)本身，但是對(duì)這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)之間的聯(lián)系及利用它們解決科學(xué)問題缺乏深層的思考和理解。近年來(lái)，我科室嘗試以科學(xué)問題為導(dǎo)向，試圖將這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)整合到一起，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，培養(yǎng)分析、解決科學(xué)問題的能力。在具體實(shí)施時(shí)，任課教師首先介紹結(jié)腸癌的發(fā)病率及β-catenin突變?cè)诮Y(jié)腸癌演變中發(fā)揮重要作用。然后，拋出問題：如何證明"突變?chǔ)?catenin促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"。在引導(dǎo)下，將問題歸結(jié)為如何證明結(jié)腸癌細(xì)胞中存在β-catenin基因突變以及如何證明突變的β-catenin促進(jìn)細(xì)胞增殖。在此基礎(chǔ)上，將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為：

1）提取結(jié)腸癌HCT116細(xì)胞基因組DNA（結(jié)腸癌細(xì)胞株HCT116含有β-catenin突變），并通過PCR擴(kuò)增β-catenin突變區(qū)域；

2）電泳PCR產(chǎn)物并膠回收、測(cè)序并分析測(cè)序結(jié)果；

3）觀看載體構(gòu)建錄像，提取突變型β-catenin表達(dá)載體，酶切鑒定；

4）示教細(xì)胞培養(yǎng)和基因轉(zhuǎn)染；

5）提取蛋白，Westernblot實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)染效率；

6）示教MTT檢測(cè)細(xì)胞增殖。每堂課開始時(shí)，回顧前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容；結(jié)束時(shí)，提出下一個(gè)實(shí)驗(yàn)及目的。通過隨堂觀察學(xué)生的積極性，分析實(shí)驗(yàn)記錄完成的質(zhì)量以及期末考試檢測(cè)對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)本身的理解和運(yùn)用能力，評(píng)價(jià)PBL教學(xué)的效果。結(jié)果顯示，使用PBL教學(xué)后，學(xué)生的積極性大幅度提高，主要表現(xiàn)為學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)的比例增加，回答問題的準(zhǔn)確率提高，期末考試成績(jī)比以往也顯著提高。90%的學(xué)生對(duì)該P(yáng)BL教學(xué)的非常認(rèn)可，滿意度很高，大部分學(xué)生都認(rèn)為PBL教學(xué)提高了學(xué)習(xí)效率，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)主動(dòng)性和針對(duì)性，對(duì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論都有了很好的認(rèn)識(shí)。

3PBL教學(xué)在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)和存在問題

"突變?chǔ)?catenin導(dǎo)致Wnt信號(hào)異常、進(jìn)而促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"是一個(gè)常見的、廣為認(rèn)可的科學(xué)問題[18-21]，以此為問題的PBL教學(xué)，系統(tǒng)整合了教學(xué)大綱要求的常見分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，全面生動(dòng)的進(jìn)行分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得孤立的實(shí)驗(yàn)方法變得系統(tǒng)，并貼近實(shí)際應(yīng)用，提高了學(xué)生的主動(dòng)性、積極性，提高了學(xué)習(xí)效率，改善了教學(xué)效果。我們通過實(shí)際教學(xué)，總結(jié)出以"突變?chǔ)?catenin促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"為問題，開展PBL教學(xué)的優(yōu)越性和存在的問題，討論如下：

3.1以"突變?chǔ)?catenin促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"為問題的PBL教學(xué)

增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的整體把握和運(yùn)用作為一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)解決實(shí)際臨床和科研工作是根本目的。基于"突變?chǔ)?catenin促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"的課程設(shè)計(jì)，從教學(xué)效果上，首先鞏固了理論知識(shí)，貼近了未來(lái)臨床和科研工作，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。授課時(shí)，老師在講解理論背景的同時(shí)，不斷啟發(fā)學(xué)生自己提出問題、解決問題，最后由老師總結(jié)、點(diǎn)評(píng)。同時(shí)老師將指出這一機(jī)制實(shí)際的發(fā)現(xiàn)過程，通過這種啟發(fā)和比較的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生整體思考和解決問題的能力，為今后臨床和科研工作打下良好的基礎(chǔ)。

3.2PBL教學(xué)需要選好科學(xué)問題

通過作者的實(shí)踐表明，選好合理的科學(xué)問題是整合大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的關(guān)鍵。隨著分子生物學(xué)理論和技術(shù)的發(fā)展，有些科學(xué)問題可以通過更加先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)加以闡釋，完全開放或復(fù)雜的科學(xué)問題，可能將學(xué)生引入復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，超越本課程的要求和大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，反而起不到預(yù)期的效果。另一方面，過于簡(jiǎn)單的科學(xué)問題，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，也不能整合多個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，失去了整合和系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

3.3PBL教學(xué)需要要充足的準(zhǔn)備時(shí)間和配套的教學(xué)資源

由于PBL教學(xué)模式要求以學(xué)生為主體、強(qiáng)調(diào)自主學(xué)習(xí)，學(xué)生必須根據(jù)教師提出的問題進(jìn)行分析，查閱大量的資料，整理、組織所得到的結(jié)果。要取得預(yù)期的教學(xué)效果，學(xué)生需要充分調(diào)研結(jié)腸癌的發(fā)病率、發(fā)病機(jī)制、基因突變等理論知識(shí)，同時(shí)要提前預(yù)習(xí)和熟悉實(shí)驗(yàn)步驟。只有在理論和操作都有一定程度的理解的基礎(chǔ)上，才能有時(shí)間和精力理解這些方法內(nèi)在的聯(lián)系，也才能在掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)本身的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)活學(xué)活用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，PBL教學(xué)需要準(zhǔn)備的不僅是科學(xué)問題本身，還需要準(zhǔn)備解決科學(xué)問題本身所需的實(shí)驗(yàn)試劑和設(shè)備。從這個(gè)角度，選題的時(shí)候就必須考慮實(shí)驗(yàn)試劑的可行性。"突變?chǔ)?catenin促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"需要特殊的實(shí)驗(yàn)材料為β-catenin突變的細(xì)胞株，HCT116就屬于這樣一個(gè)細(xì)胞株，在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室屬于常見細(xì)胞株，且104-105個(gè)細(xì)胞就可以滿足一個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)需求，因此容易保證實(shí)驗(yàn)材料的供給。針對(duì)這樣的科學(xué)問題，實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備是可行的；但相比傳統(tǒng)的組織DNA提取，實(shí)驗(yàn)試劑的準(zhǔn)備工作量增加很多。實(shí)際操作中，可以考慮采用臨床驗(yàn)證過的組織標(biāo)本?；?突變?chǔ)?catenin促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖"的PBL教學(xué)中需要一些實(shí)驗(yàn)銜接不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)教學(xué)之間的空檔，如基因轉(zhuǎn)染、載體構(gòu)建等。這些內(nèi)容有學(xué)生獨(dú)立完成需要較高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和試劑保障，所以采用示教和視頻觀摩的方式，即保證了完整性，又降低了難度和保障需求。最后，PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)前后步驟（實(shí)驗(yàn)）之間緊密聯(lián)系，一個(gè)實(shí)驗(yàn)的失敗會(huì)導(dǎo)致后續(xù)實(shí)驗(yàn)的失敗或中斷。這就要求：第一，教員在實(shí)驗(yàn)試劑準(zhǔn)備方面要充分，及時(shí)準(zhǔn)備好備用樣本，保證實(shí)驗(yàn)繼續(xù)；第二，實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)階段，要有嚴(yán)格的對(duì)照和質(zhì)量控制，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，尋找針對(duì)性補(bǔ)救措施。

4PBL應(yīng)用于醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的展望

應(yīng)用PBL進(jìn)行醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)教學(xué)，能夠有效將需要掌握的分子生物學(xué)問題有機(jī)的整合起來(lái)，解決傳統(tǒng)教學(xué)的孤立地講授各個(gè)實(shí)驗(yàn)方法的弊端，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，增強(qiáng)了學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力。但PBL用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)同樣面臨一些問題。例如，如何選擇合適的科學(xué)問題，使得盡量涵蓋所要教授的方法的同時(shí)，又不引入太多其它實(shí)驗(yàn)方法；如何準(zhǔn)備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)器材和試劑、特別是如何解決學(xué)生前一個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗導(dǎo)致的后續(xù)實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)的問題。如何合理設(shè)計(jì)科學(xué)問題、充分準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試劑、綜合使用示教和操作，在保證教學(xué)進(jìn)度和內(nèi)容的基礎(chǔ)上提升教學(xué)質(zhì)量將是PBL教學(xué)發(fā)展的方向和主要解決的問題。

作者：楊國(guó)棟 韋夢(mèng)影 盧曉昭 晉亮 王姍 單位：第四軍醫(yī)大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室