案例教学在高校细胞工程课的应用

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细胞工程是高等院校生物技术等专业本科生在高年级开设的必修专业课［１，２］。课程内容是结合细胞生物学、发育生物学、遗传学及分子生物学等学科的理论与方法，在细胞的水平上，按照人们的需要和设计对细胞的遗传性状进行修饰或改造，以获得具有产业化价值或其他利用价值的细胞或细胞相关产品的综合技术体系［３］。细胞工程是一门更加注重实际应用的课程，在教学过程中重点培养学生勤于思考的能力和实验操作的动手能力，鼓励其探索如何将所学专业知识用于实践。细胞工程所涉及的技术方法很多，如细胞的遗传修饰、细胞融合、细胞和组织培养、克隆技术、胚胎操作、材料工程等多学科领域［３］。细胞工程在生命科学、医学、材料学等领域应用广泛，如广为人知的克隆动物、疫苗的制备与生产、育种与繁殖等［４］。因此，教师结合应用案例开展教学可帮助学生更好地掌握理论知识、培养对生命科学的兴趣［５，６］。本文以“诱导型多能干细胞（ｉｎｄｕｃｅｄｐｌｕｒｉｐｏｔｅｎｔｓｔｅｍｃｅｌｌｓ，ｉＰＳＣｓ）的获取与应用”为例，开展细胞工程案例教学的授课工作，设计了全新的教学模式，结课后通过问卷调查的方式评价学生反响与教学效果，为优化高校专业课的课程教学体系提供参考和思路。

１教学准备

细胞工程课程内容涉及生命科学和医学最新前沿进展，学习过程中需要学生具备扎实的专业基础知识、追踪实时要点新闻的好奇心［２，７］。在开课前，授课教师主动告知本次课程内容为“诱导型多能干细胞（ｉｎｄｕｃｅｄｐｌｕｒｉｐｏｔｅｎｔｓｔｅｍｃｅｌｌｓ，ｉＰＳＣｓ）的获取与应用”，并安排预习工作，提前将相关资料发予学生，鼓励学生借阅专业书籍、查阅网络资料、互相交流讨论，以达到理想的教学效果。

２案例设计

诱导型多能干细胞（ｉＰＳＣｓ）是指在体外通过基因改造、ＲＮＡ干扰或者生物化学途径等方式处理体细胞，使得体细胞脱离原有已分化状态，最终获得具有多潜能分化能力的干细胞［８］。ｉＰＳＣｓ的诞生基于体细胞克隆的成功。通过长达数十年的研究，科学家们已掌握了体细胞克隆技术：在显微镜下，通过将供体细胞的细胞核吸出，注射到去核的受体细胞中，在一定条件下将“杂合”细胞培养至桑葚胚阶段后移植入假孕的母体（部分动物不需要此项操作），使其进一步发育至完整个体［９］。体细胞克隆技术最广为人知的是高等哺乳动物克隆羊“多莉”的诞生，而在这之前来自剑桥大学的发育生物学家ＳｉｒＪｏｈｎＧｕｒｄｏｎ教授因成功克隆非洲爪蟾为核移植技术奠定了重要基础。我国科学家在该研究领域也一直有突出贡献，如早年间的朱洗院士、童第周教授等；近年来，蒲慕明院士、孙强教授团队在制备克隆猴疾病模型上也取得了重大进展［１０］。克隆动物的成功使人们认识到，已分化细胞的细胞核仍然具有全能型，通过某些特殊处理，可以使其变成未分化的“干细胞”状态。这也给人们提示，既然细胞核具有全能性，是否有更简单的办法让其回复到原始状态？日本科学家山中伸弥（ＳｈｉｎｙａＹａｍａｎａｋａ）通过病毒载体将四个关键基因（Ｏｃｔ３／４，Ｓｏｘ２，ｃ－Ｍｙｃ，ａｎｄＫｌｆ４）整合到小鼠成纤维细胞基因组中，成功将其逆转成为干细胞状态，通过几个经典实验：体外细胞扩增、体内畸胎瘤的形成以及嵌合体小鼠的制备，证明了逆转后的细胞具有典型的胚胎干细胞特征，由此诞生了“诱导型多能干细胞”并开启了其飞速发展和应用的时代。此项技术被命名为体细胞重编程（ｓｏｍａｔｉｃｃｅｌｌｒｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ）［８］。随后，科学家们建立了多种细胞重编程方法，如利用干扰ＲＮＡ技术、基因编辑技术以及化学方法等。值得一提的是，北京大学邓宏魁教授建立的化学重编程方法，通过在培养体系中添加小分子化合物来干预细胞中关键信号通路，获得了多能干细胞。两位殿堂级科学家在不同层面、通过不同方式证明了体细胞的“全能”性。２０１２年，诺贝尔生理学或医学奖授予了ＳｉｒＪｏｈｎＧｕｒｄｏｎ和ＳｈｉｎｙａＹａｍａｎａｋａ［１１］。现在全球各地实验室已经可用成熟的技术体系获得不同来源的ｉＰＳＣｓ。鉴于其优越的增殖和分化能力，ｉＰＳＣｓ在发育学、再生医学以及药学等领域都有着广阔的应用前景。比如，科学家可以通过ｉＰＳＣｓ定向分化来体外模拟胚胎的发育过程，进而研究调控机制。而ｉＰＳＣｓ最具影响力的用途就在于可定向分化为人们所想要的人体功能细胞，进而用于疾病治疗，比如可分化得到多种神经元治疗老年痴呆、帕金森等神经退行性疾病；也可以获得功能肝脏细胞、胰岛β细胞等来治疗消化系统常见疾病［１２］。干细胞与生殖生物学国家重点实验室的周琪院士，在推动我国ｉＰＳＣｓ的疾病治疗方面作出了巨大贡献，使得ｉＰＳＣｓ用于临床治疗相关疾病有法可依、有章可循。ｉＰＳＣｓ的制备和应用涉及了细胞工程核心理论和技术体系，是本课程案例教学的典型示范。

３实施方法

３.１课前预习

教师提前将文献资料发予学生，让学生结合关键词通过教科书、互联网查询相关知识。事先了解内容包括但不限于：干细胞的特征，干细胞的全能性，细胞分化，克隆动物，ｉＰＳＣｓ，人工心脏／肝脏组织，重要疾病的细胞治疗，科学家（如朱洗，童第周，蒲慕明，邓宏魁）。

３.２课堂提问

围绕上述案例，教师设计与课程相关的问题，采取提问－回答－讲评－答疑的方式，将相关知识点融会贯通。设计问题内容如下：什么是干细胞，干细胞的主要特征是什么？干细胞全能性和多能性的区别是什么？什么是克隆动物？从细胞角度阐述克隆原理。简述体细胞克隆过程。ｉＰＳＣｓ是什么？主要特征是什么？简述ｉＰＳＣｓ与克隆技术的异同点。有哪些途径可以获得ｉＰＳＣｓ细胞？

３.３实施过程

教师介绍本次课的主要内容，讲述学生需要掌握的知识点，对学生进行分组（每组不超过３人，确保每名学生有发言机会），随后简要介绍ｉＰＳＣｓ是什么，并围绕这一概念开始提问环节。各组学生进行抽签回答设定问题。学生讲述完成后，教师鼓励其他学生进行内容补充，对回答内容进行点评，并引出知识要点。学生针对讲述内容进行提问，教师答疑。

３.４小组讨论

内容讲述完毕后，为了巩固所学知识，教师鼓励学生发散思维，安排讨论环节，设定讨论主题如下：ｉＰＳＣｓ的潜在应用场景有哪些？讲述具体应用案例？制备ｉＰＳＣｓ涉及哪些细胞工程的技术方法？小宝方晴子学术造假事件与学术诚信。

４教学效果评价

在完成授课内容后，教师以问卷调查方式征求学生意见，分析数据评价教学效果。

４.１问卷调查

教师设计问卷调查，主要围绕以下几个方面内容展开：对案例教学法的接受程度；案例教学的实施过程；改进的具体方法和建议。内容涵盖学生对这种授课方式的满意程度，是满意、接受、一般还是不喜欢？是否可以通过案例教学掌握课程基本理论、拓展知识、能否形成长久记忆？课堂氛围是活跃还是容易冷场？预习与资料查询是否占用太多课余时间？是否能锻炼思维、提高决策判断能力、具体事物的分析能力？是否建议在细胞工程授课过程中推广至更多内容？

４.２学生成绩评价

教师通过比较学生成绩来分析教学效果。成绩包括课堂表现、问题讨论与分析能力、翻转课堂答辩部分。教师将开展了案例教学的班次与前几届未开展的班次进行比较，并分析数据。

４.３教学结果综合评判

本次授课对象为我校２０１８级生物技术四年制专业学生，共计２２人。教师通过对问卷调查结果进行分析，得到以下结论：①９５.５％的学生对案例教学表示接受，课堂氛围整体较为活跃；②８１.８％的学生认可本次教学方式并表示满意，其余表示接受；③７２.７％的学生表示可更好地掌握理论知识、锻炼思维；④８１.８％的学生认为通过问题讨论可发散思维、提高问题分析能力；⑤９５.５％的学生认为案例教学值得推广，并建议可适当减少翻转课堂教学。教师发现，相比较翻转课堂，学生对案例教学更感兴趣，上课时反应更加积极。课程成绩综合得分与上一级比较，差异无统计学意义。

５教学总结

通过学生在课堂的陈述表现、对问题的思考能力、对讨论内容的分析能力，问卷调查结果以及最后成绩，评判教学效果如下：案例教学方式得到了多数学生的认可，学生课前准备充分、课堂氛围活跃，可以较好地回答设定的问题，部分学生有自己的认识和理解，围绕讨论问题可以提出较为新颖的观点，取得了良好的讨论效果。细胞工程通常开课于大三下学期或者大四上学期。多数学生处于就业方向选择或者考研备考状态，是人生的转折点。教师通过探索学生接受度更高的教学方式，进一步激发学生对本专业的兴趣。总体而言，细胞工程是一门注重实践的课程，通过具体案例教学可帮助学生更好掌握并应用理论知识，拓展思维，激发创造力，最终实现大学教育目标。

参考文献：

［１］王娟，潘效红，高雪，等.《细胞工程》课程教学改革与实践［Ｊ］.科学咨询，２０２２（４）：３４－３６.

［２］巩慧玲，袁惠君，王艳玲.基于ＯＢＥ理念的“细胞工程”课程教学探索［Ｊ］.教育教学论坛，２０２２（３６）：１０３－１０６.

［３］邓宁，周燕，张守全，等.动物细胞工程［Ｍ］.北京：科学出版社，２０２１：１.

［４］王征旭，曹俊霞，武立华，等.研究生《干细胞生物学》课程的教学设计与实践［Ｊ］.中华医学教育探索杂志，２０２２（６）：６５９－６６３.

［５］刘正杰，董玉梅，林春.项目式教学法在“细胞工程”实践教学中的应用［Ｊ］.教育教学论坛，２０２０（２４）：１５６－１５９.

［６］董昊炜，袁浩，赵春燕，等.案例式教学在医学节肢动物教学中的实践［Ｊ］.基础医学教育，２０２２，２４（１１）：８２５－８２８.

［７］付燕燕，李风，朱冬梅，等.课程思政在医学院校生物技术专业课程链中的应用初探［Ｊ］.卫生职业教育，２０２２，４０（９）：６４－６６.

［８］李鑫，王加强，周琪.体细胞重编程研究进展［Ｊ］.中国科学（生命科学），２０１６，４６（１）：４－１５.

［９］韩梅，袁超，郭婷婷，等.哺乳动物手工克隆的研究进展［Ｊ］.生物技术通报，２０２０，３６（３）：５４－６１.

［１０］２０１８年度中国科学十大进展［Ｊ］.中国基础科学，２０１９，２１（１）：１－６.

［１１］孟姝，田勇.细胞重编程：再生医学研究的革命性突破—写在２０１２年诺贝尔生理学或医学奖颁布之际［Ｊ］.生物化学与生物物理进展，２０１２，３９（１１）：１０６１－１０６５.

［１２］于兵，李文林.干细胞生物学的课程设计和实践［Ｊ］.中国继续医学教育，２０１９，１１（８）：４４－４６.

作者:陈费 刘清桂 王敏君 单位:海军军医大学基础医学院细胞生物学教研室