医学分子生物学实验教学

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前言

目前，分子生物学实验技术已经成为探讨生命科学基本问题的最常见的手段，经典的DNA提取、质粒克隆和提取、核酸电泳、胶回收、蛋白提取与WesternBlot等常规分子生物学实验技术成为医学和生物学本科生需要掌握的基本技能[1-5]。然而，传统的教学倾向于孤立的讲解和指导这些实验方法，侧重按照实验步骤完成实验本身，仅仅是培养了学生的动手能力，而忽略了这些技术究竟能解决什么问题，以及如何在实际科研中具体应用这些方法。事实上，后者对学生分析问题、解决问题更为重要，应该是培养的重点[6]。以基于问题学习（Prob-lem-BasedLearning，即PBL)的教学模式在国内外已经得到普遍认同与广泛应用[7-10]。然而，在分子生物学实验教学中该方法存在一定难度，限制了其推广和应用。因为，单独一个技术往往解决不了一个真正的科学问题；此外，一个科学问题往往又涉及太多实验方法，是本科实验教学常规实验技术难以全面覆盖。另外，以问题导向，往往涉及多个实验，在实验材料准备等方面也提出更高要求。从这个角度，选择合适的科学问题，并加以科学引导成为PBL在分子生物学实验教学中的难点问题[11]。本研究针对本科实验教学中出现的上述问题，尝试通过证明"突变β-catenin促进结肠癌细胞增殖"，将DNA提取、质粒克隆和提取、核酸电泳、蛋白提取与WesternBlot等常规分子生物学实验有机整合起来，探讨这种"PBL教学法"在分子生物学实验教学中的应用和具体效果。

1医学分子生物学实验课PBL教学科学问题的设置

针对教学大纲中涉及的DNA提取、质粒克隆和提取、核酸电泳、蛋白提取与WesternBlot等要求，启发并引导同学证明"突变β-catenin促进结肠癌细胞增殖"这一科学问题。具体分为：

（1）证明部分结肠癌细胞中存在β-catenin基因突变；具体实验技术包括细胞培养、DNA的提取、PCR、胶回收和测序；

（2）证明突变的β-catenin促进细胞增殖。具体实验技术包括DNA提取、PCR、载体构建、质粒提取、细胞转染、WB和细胞增殖实验。其中细胞培养、测序、载体构建、细胞增殖实验为示教或者观看录像；其余的实验则为学生具体操作。

2以"突变β-catenin促进结肠癌细胞增殖"为例的PBL实验教学实施及效果

我科室承担临床医学本科生分子生物学实验课的教学。以往实验课的教学内容包括DNA提取、质粒克隆和提取、核酸电泳、胶回收、蛋白提取与WesternBlot等，这些实验技术相对孤立的讲解和实施。学生虽然能够掌握每个实验技术本身，但是对这些实验技术之间的联系及利用它们解决科学问题缺乏深层的思考和理解。近年来，我科室尝试以科学问题为导向，试图将这些实验技术整合到一起，在培养学生动手能力的同时，培养分析、解决科学问题的能力。在具体实施时，任课教师首先介绍结肠癌的发病率及β-catenin突变在结肠癌演变中发挥重要作用。然后，抛出问题：如何证明"突变β-catenin促进结肠癌细胞增殖"。在引导下，将问题归结为如何证明结肠癌细胞中存在β-catenin基因突变以及如何证明突变的β-catenin促进细胞增殖。在此基础上，将实验设计为：

1）提取结肠癌HCT116细胞基因组DNA（结肠癌细胞株HCT116含有β-catenin突变），并通过PCR扩增β-catenin突变区域；

2）电泳PCR产物并胶回收、测序并分析测序结果；

3）观看载体构建录像，提取突变型β-catenin表达载体，酶切鉴定；

4）示教细胞培养和基因转染；

5）提取蛋白，Westernblot实验验证转染效率；

6）示教MTT检测细胞增殖。每堂课开始时，回顾前一个实验的内容；结束时，提出下一个实验及目的。通过随堂观察学生的积极性，分析实验记录完成的质量以及期末考试检测对实验技术本身的理解和运用能力，评价PBL教学的效果。结果显示，使用PBL教学后，学生的积极性大幅度提高，主要表现为学生预习和复习的比例增加，回答问题的准确率提高，期末考试成绩比以往也显著提高。90%的学生对该PBL教学的非常认可，满意度很高，大部分学生都认为PBL教学提高了学习效率，调动了学习主动性和针对性，对分子生物学实验和理论都有了很好的认识。

3PBL教学在分子生物学实验教学中的优势和存在问题

"突变β-catenin导致Wnt信号异常、进而促进结肠癌细胞增殖"是一个常见的、广为认可的科学问题[18-21]，以此为问题的PBL教学，系统整合了教学大纲要求的常见分子生物学实验方法，全面生动的进行分子生物学实验教学，使得孤立的实验方法变得系统，并贴近实际应用，提高了学生的主动性、积极性，提高了学习效率，改善了教学效果。我们通过实际教学，总结出以"突变β-catenin促进结肠癌细胞增殖"为问题，开展PBL教学的优越性和存在的问题，讨论如下：

3.1以"突变β-catenin促进结肠癌细胞增殖"为问题的PBL教学

增强学生对知识的整体把握和运用作为一门实验科学，运用分子生物学技术解决实际临床和科研工作是根本目的。基于"突变β-catenin促进结肠癌细胞增殖"的课程设计，从教学效果上，首先巩固了理论知识，贴近了未来临床和科研工作，增强了学生学习的兴趣。授课时，老师在讲解理论背景的同时，不断启发学生自己提出问题、解决问题，最后由老师总结、点评。同时老师将指出这一机制实际的发现过程，通过这种启发和比较的教学方法，培养学生整体思考和解决问题的能力，为今后临床和科研工作打下良好的基础。

3.2PBL教学需要选好科学问题

通过作者的实践表明，选好合理的科学问题是整合大纲规定的实验技术、调动学生学习积极性的关键。随着分子生物学理论和技术的发展，有些科学问题可以通过更加先进的实验技术加以阐释，完全开放或复杂的科学问题，可能将学生引入复杂的实验技术，超越本课程的要求和大部分学生的学习能力，反而起不到预期的效果。另一方面，过于简单的科学问题，无法调动学生的兴趣，也不能整合多个实验技术，失去了整合和系统的优势。

3.3PBL教学需要要充足的准备时间和配套的教学资源

由于PBL教学模式要求以学生为主体、强调自主学习，学生必须根据教师提出的问题进行分析，查阅大量的资料，整理、组织所得到的结果。要取得预期的教学效果，学生需要充分调研结肠癌的发病率、发病机制、基因突变等理论知识，同时要提前预习和熟悉实验步骤。只有在理论和操作都有一定程度的理解的基础上，才能有时间和精力理解这些方法内在的联系，也才能在掌握实验技术本身的基础上实现活学活用。实验教学中，PBL教学需要准备的不仅是科学问题本身，还需要准备解决科学问题本身所需的实验试剂和设备。从这个角度，选题的时候就必须考虑实验试剂的可行性。"突变β-catenin促进结肠癌细胞增殖"需要特殊的实验材料为β-catenin突变的细胞株，HCT116就属于这样一个细胞株，在分子生物学实验室属于常见细胞株，且104-105个细胞就可以满足一个小组的实验需求，因此容易保证实验材料的供给。针对这样的科学问题，实验材料准备是可行的；但相比传统的组织DNA提取，实验试剂的准备工作量增加很多。实际操作中，可以考虑采用临床验证过的组织标本。基于"突变β-catenin促进结肠癌细胞增殖"的PBL教学中需要一些实验衔接不同实验技术教学之间的空档，如基因转染、载体构建等。这些内容有学生独立完成需要较高的实验平台和试剂保障，所以采用示教和视频观摩的方式，即保证了完整性，又降低了难度和保障需求。最后，PBL实验教学前后步骤（实验）之间紧密联系，一个实验的失败会导致后续实验的失败或中断。这就要求：第一，教员在实验试剂准备方面要充分，及时准备好备用样本，保证实验继续；第二，实验的每一个阶段，要有严格的对照和质量控制，保证及时发现问题，寻找针对性补救措施。

4PBL应用于医学分子生物学实验课教学的展望

应用PBL进行医学分子生物学教学，能够有效将需要掌握的分子生物学问题有机的整合起来，解决传统教学的孤立地讲授各个实验方法的弊端，提高教学效率和教学质量，促进学生学习的主动性，增强了学生灵活运用知识的能力。但PBL用于实验教学同样面临一些问题。例如，如何选择合适的科学问题，使得尽量涵盖所要教授的方法的同时，又不引入太多其它实验方法；如何准备相应的实验器材和试剂、特别是如何解决学生前一个实验失败导致的后续实验无法继续的问题。如何合理设计科学问题、充分准备实验设备和试剂、综合使用示教和操作，在保证教学进度和内容的基础上提升教学质量将是PBL教学发展的方向和主要解决的问题。

作者：杨国栋 韦梦影 卢晓昭 晋亮 王姗 单位：第四军医大学生物化学与分子生物学教研室