劉娟娟，方澤民，袁 璟，肖亞中

(安徽大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，合肥 230601)

生物技術(shù)制藥課程是生物制藥相關(guān)專業(yè)的必修和核心課程，由基因工程制藥、動植物細胞工程制藥、抗體工程制藥和疫苗等知識模塊組成[1-4]，主要介紹基因工程、動植物細胞工程、抗體工程和酶工程等原理及其技術(shù)在生物技術(shù)藥物研制中的系統(tǒng)應(yīng)用，兼具理論性、實踐性和實用性，不僅知識點多、內(nèi)容抽象，而且專業(yè)性強、技術(shù)發(fā)展更新迅速。

生物技術(shù)制藥各教學(xué)模塊間雖相互獨立但緊密聯(lián)系，系統(tǒng)學(xué)習(xí)本課程可幫助學(xué)生構(gòu)建完整且系統(tǒng)的知識體系[5-6]。其中，基因工程制藥是生物技術(shù)藥物教學(xué)的基礎(chǔ)和核心模塊，相關(guān)原理和技術(shù)也是生物技術(shù)藥物研發(fā)和生產(chǎn)的核心[7]，其由上游和下游兩個基本流程構(gòu)成。前者為基因工程菌(細胞)的構(gòu)建，包括在體外將DNA片段與載體連接，形成重組DNA分子，并將其導(dǎo)入宿主菌或宿主細胞中復(fù)制、篩選、擴增；后者為基因工程菌(細胞)的大規(guī)模發(fā)酵、重組蛋白的表達和純化、以及制劑研制等[1,8]。本文以基因工程制藥為例，從課程的教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與應(yīng)用等環(huán)節(jié)對該課程進行課程分析和教學(xué)思考，供一線教師在教學(xué)中參考與借鑒，以共同改進生物技術(shù)制藥課程的教學(xué)水平和效果。

1 課程培養(yǎng)目標

安徽大學(xué)作為非醫(yī)學(xué)類院校，生物制藥專業(yè)設(shè)置在生命科學(xué)學(xué)院，生物技術(shù)制藥理論課程由二年級本科生學(xué)習(xí)?；诎不沾髮W(xué)“文理交融、理工互通、寓教于研”的人才培養(yǎng)理念，我們針對其中的基因工程制藥模塊設(shè)置的培養(yǎng)目標：經(jīng)過本門課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生熟練掌握基因工程制藥的基本概念和原理，真核和原核基因工程菌株的構(gòu)建、改造、篩選及鑒定等基本知識，以及基因工程制藥的基本技能和實踐能力；具備分析和解決基因工程藥物生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)測中常見問題的能力；學(xué)會追蹤了解生物制藥學(xué)科的前沿和發(fā)展方向。同時，在品質(zhì)培養(yǎng)方面加強學(xué)生安全意識和規(guī)范標準素養(yǎng)，培養(yǎng)愛崗敬業(yè)、求真存實、實踐創(chuàng)新和精益求精的品格。

2 進階式引導(dǎo)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計及應(yīng)用

為達到以上教學(xué)目標，教學(xué)過程分為基礎(chǔ)階段、進階階段和升階階段三步(圖1)。

圖1 進階式引導(dǎo)教學(xué)模式圖Figure 1 Model chart of stepwise guiding teaching

2.1 基礎(chǔ)階段夯實理論

要實現(xiàn)我國基因工程制藥的從跟跑，到并跑，最終實現(xiàn)領(lǐng)跑的目標，需要學(xué)生筑牢專業(yè)學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，并培養(yǎng)他們緊跟國際學(xué)術(shù)研究前沿的意識[9-10]。因此，我們在二年級基礎(chǔ)階段的理論課教學(xué)中構(gòu)建了雙語及案例教學(xué)課程內(nèi)容體系。

(1)理論與實例結(jié)合，融入雙語教學(xué)。前期，我們已經(jīng)建立了成熟的基因工程原理課程的教學(xué)方法。以基因工程原理為基礎(chǔ)，進一步引入代表性的重組蛋白藥物生產(chǎn)實例，將原理、技術(shù)和應(yīng)用進行有效整合，針對每一個研制和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，詳細講解流程和技術(shù)，并闡述其基本理論，最終將這些單獨環(huán)節(jié)集成為一個完整的體系(圖2)。例如，以胰島素制備為典型案例，將其制備過程分為表達載體和細胞構(gòu)建、發(fā)酵制備、分離純化、制劑制備及產(chǎn)品質(zhì)量檢驗等環(huán)節(jié)，通過“逐步分解滲透”，讓學(xué)生掌握完整的基因工程制藥原理與過程。同時，為克服學(xué)生對專業(yè)英語的心理障礙，幫助學(xué)生了解國際進展，在課堂教學(xué)過程中，通過中英文對照開展雙語教學(xué)，并結(jié)合生物技術(shù)詞典，解釋專業(yè)詞匯，讓學(xué)生逐步掌握相關(guān)術(shù)語的專業(yè)外語詞匯。(2)引入期刊論文，開展課堂討論?；蚬こ淘砘逎y懂，新技術(shù)層出不窮，加之本科生外語專業(yè)詞匯積累不足，會導(dǎo)致部分學(xué)生具有畏難情緒。為幫助學(xué)生克服外文期刊閱讀的抵觸心理，每兩次課引入一篇與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的研究性期刊論文。通過文獻的閱讀，學(xué)生們需要簡要解答如下問題：研究中涉及的科學(xué)問題是什么？針對此科學(xué)問題，如何設(shè)計實驗進行解答或驗證？研究結(jié)果是否回答了科學(xué)問題？研究的意義如何？例如，在講述蛋白質(zhì)藥物的表達系統(tǒng)選擇時，引入文獻“Balancing the expression and production of a heterodimeric protein:recombinant agkisacutacin as a novel antithrombotic drug candidate”，配合討論提綱提前發(fā)給學(xué)生。學(xué)生每兩人一組，課堂討論的主要問題有：為什么做，即文獻實驗?zāi)康氖鞘裁?怎么做，即作者如何完成上游構(gòu)建，選擇何種表達系統(tǒng)及何種分離純化技術(shù)，如何測試目標蛋白的生物學(xué)活性?得到了什么，即文章的亮點是什么?等等。課后需要形成讀書報告，作為平時作業(yè)交給老師批閱。課堂上老師選擇優(yōu)秀的讀書報告與學(xué)生交流、分析，通過這些訓(xùn)練進一步擴增學(xué)生的專業(yè)詞匯量，讓學(xué)生觸類旁通，掌握從期刊文獻中精準快速提取有用信息以及追蹤和綜合評價相關(guān)工作的能力，夯實理論基礎(chǔ)。

圖2 以胰島素為案例的基因工程制藥主要流程圖Figure 2 Main flow chart of genetic engineering pharmaceutics using insulin as an example

2.2 進階階段配套生產(chǎn)設(shè)計課程，實現(xiàn)原理與應(yīng)用的無縫銜接，培養(yǎng)學(xué)生制藥工藝創(chuàng)新能力

在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，我們注重教授學(xué)生基本原理，引導(dǎo)學(xué)生克服外語閱讀心理障礙，正確閱讀理解文獻，追蹤國際前沿進展。但是在基因工程制藥實際的工作中，研發(fā)人員要學(xué)會及時將文獻中的有用信息與現(xiàn)有的技術(shù)方法有效融合，攻克現(xiàn)有研發(fā)過程中的技術(shù)障礙，并設(shè)計出符合不同指標的工藝流程，滿足不斷發(fā)展的藥物研發(fā)需求。因此，在理論教學(xué)基礎(chǔ)上，我們給三年級生物制藥學(xué)生開設(shè)9學(xué)時的基因工程藥物生產(chǎn)設(shè)計配套課程，根據(jù)學(xué)生能力進行合適組隊，學(xué)生每3～4人一組，通過給學(xué)生設(shè)定若干課題，如利用大腸桿菌重組表達細菌酪氨酸酶，促紅細胞生成素編碼基因在昆蟲細胞中的表達等，讓學(xué)生通過文獻的檢索，收集并總結(jié)相關(guān)信息，主要包括課題的研究進展、研究內(nèi)容、研究方法和手段、參考文獻等。在這一過程中，學(xué)生通過合作查閱資料，弄清原理，合作交流制定方案后提交作業(yè)。學(xué)生在遞交報告后，需要通過PPT形式在課堂上口頭報告交流。匯報的內(nèi)容即是現(xiàn)有工藝流程、前沿研究進展、如何引進和融合新型生產(chǎn)方法和技術(shù)、研究中的注意事項等。在報告的過程中，其他學(xué)生通過提問參與討論。匯報的同學(xué)課后需要根據(jù)老師和同學(xué)的意見修改自己的報告，最終遞交老師，作為課程學(xué)習(xí)成績的一部分。如果在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生不能完成相關(guān)內(nèi)容的修改，課下老師會組織學(xué)生開展小規(guī)模討論，完成個別指導(dǎo)。在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生帶著目標和問題學(xué)習(xí)，不但充分調(diào)動了學(xué)習(xí)的主動性與積極性，而且給予他們自由發(fā)揮、集思廣益、開闊視野的空間，達到了良好的教學(xué)效果。這些信息和習(xí)慣雖然短期內(nèi)可能不被全部同學(xué)充分利用，但可以實現(xiàn)“關(guān)口前移”，盡早培養(yǎng)學(xué)生的科研思路和創(chuàng)新精神，激發(fā)大家獨立思考、嚴謹求實、互幫互助、精益求精的優(yōu)秀品質(zhì)。同時，不同學(xué)生在完成課題設(shè)計過程中，關(guān)注的知識點差異性大，在口頭報告環(huán)節(jié)，針對匯報人的提問非常自信，態(tài)度也非常積極，經(jīng)過熱烈的討論和辯論，大家都受益良多。

2.3 升階階段建立基因工程制藥創(chuàng)新實驗室，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

為了讓學(xué)生更好地理解基因工程在制藥行業(yè)的應(yīng)用，教學(xué)團隊在開設(shè)基因工程藥物生產(chǎn)設(shè)計課程基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計了36學(xué)時的基因工程制藥綜合實驗課[11-13]，授課的內(nèi)容主要包括目的基因的獲取和純化(小量提取、PCR足量擴增、DNA片段純化回收)、基因工程菌的制備(DNA片段和載體的酶切和連接、細菌轉(zhuǎn)化、重組質(zhì)粒的篩選和鑒定)、重組蛋白的表達和純化(表達條件的優(yōu)化、重組蛋白的純化和鑒定、重組蛋白的活性檢測)、蛋白藥物制劑的研制等，從而讓學(xué)生熟悉一套系統(tǒng)完整的基因工程制藥實驗體系。與常規(guī)教學(xué)配套實驗中每個實驗項目相對獨立不同，我們設(shè)計的每個實驗過程均是建立在前一個實驗成功的基礎(chǔ)之上。例如：如果學(xué)生基因組DNA提取失敗，學(xué)生即無法開展后續(xù)PCR擴增實驗，或者PCR未見目標大小條帶，他們就需要盡快分析原因，重新操作；如果重組表達載體構(gòu)建或轉(zhuǎn)化失敗，大腸桿菌轉(zhuǎn)化后未見菌落，學(xué)生需要合理安排時間，盡快分析原因后重新實驗，以獲得正確的重組轉(zhuǎn)化子，進而開展下一項實驗科目。

在實驗項目開展過程中，對設(shè)備占用少的項目，我們基本做到每位同學(xué)獨立實驗；而對實驗耗時長，對設(shè)備依賴程度高的項目，我們會將學(xué)生適當(dāng)分組，合作開展實驗。在目的基因的小量獲取和PCR足量擴增、基因工程菌的制備、DNA片段和載體的酶切和連接、細菌轉(zhuǎn)化等環(huán)節(jié)，我們確保每位同學(xué)都能夠操作實驗；而對大腸桿菌感受態(tài)細胞制備等實驗，因?qū)嶒炦^程中需要不定期測定細胞密度，對分光光度計的依賴程度較高，我們將5位同學(xué)分成一組，共享一臺設(shè)備，在不同的時間點由不同學(xué)生取樣檢測細胞密度，完成感受態(tài)細胞的制備過程；對重組蛋白的活性檢測實驗，針對選擇的重組蛋白可被多種底物檢測的特性，學(xué)生會被分成若干組，每組學(xué)生選擇同一種底物，視為平行實驗，在最優(yōu)條件下包括緩沖液種類、濃度和pH等進行檢測。這一設(shè)計也可以讓同學(xué)們之間彼此交流，互相協(xié)作借鑒，同時節(jié)約實驗成本。在實驗課過程中，實驗室對學(xué)生完全開放，學(xué)生自主安排時間。對有興趣進一步提升創(chuàng)新能力的學(xué)生，可提供實驗場所進行著重培養(yǎng)。通過對上述實驗內(nèi)容的改進和優(yōu)化，讓學(xué)生能夠系統(tǒng)、全面掌握基因工程藥物的研制過程。

2.4 進階式引導(dǎo)教學(xué)的效果評價

為了追蹤教學(xué)效果，基于各階段的教學(xué)目標，我們在每個階段均設(shè)置了相應(yīng)的評價體系(表1)。對基礎(chǔ)階段的教學(xué)實施過程性評價，每章內(nèi)容設(shè)置一次隨堂中英文測試題，測試內(nèi)容不僅包括講授的基本原理和技術(shù)，也包括文獻中的重點內(nèi)容，測試時間控制在20 min。另外，學(xué)期末設(shè)置一次課程總評，全面評價學(xué)生對所有內(nèi)容和知識點的掌握和靈活運用情況。通過過程性評價，學(xué)生對基因工程制藥各章節(jié)的知識點掌握均較好，最低分70～80分，最高分100分，平均分均在90分以上。期末總評顯示，所有同學(xué)成績均為合格以上，達到基礎(chǔ)階段的目標要求，其中40%以上為優(yōu)秀水平，不僅能全面了解基因工程藥物的發(fā)展歷程和前沿進展，還能熟練掌握基因工程藥物研發(fā)和生產(chǎn)中的基本單元操作、藥物的質(zhì)量控制和質(zhì)量管理等基本原理和理論知識；56%為良好水平，能較好掌握相關(guān)原理和理論；4%同學(xué)為合格水平。

表1 基因工程制藥進階式引導(dǎo)教學(xué)各階段評分標準Table 1 Scoring standards for each stage of stepwise guiding teaching in genetic engineeringpharmaceutics

進階階段主要對生產(chǎn)設(shè)計的完整性和可行性開展評價，具體包括背景綜述、方法的系統(tǒng)性和可行性、課題的預(yù)期結(jié)果及出現(xiàn)問題的解決方案，以及對撰寫材料的規(guī)范性，包括表述的規(guī)范性和寫作格式的規(guī)范性等。通過調(diào)研，100%的同學(xué)對選題的現(xiàn)有蛋白質(zhì)藥物的生產(chǎn)流程和最新進展均能較好掌握；73%以上的同學(xué)能夠根據(jù)基因工程藥物的工藝特點，在現(xiàn)有生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上融合入最新的技術(shù)，具備很好的藥物設(shè)計和制備能力，以及分析和解決藥物研發(fā)和生產(chǎn)中常見問題的能力，而且出具的生產(chǎn)設(shè)計報告科學(xué)完整，撰寫規(guī)范，達到優(yōu)秀水平；剩余27%的同學(xué)則均為良好水平。因此，進階階段的學(xué)習(xí)進一步鞏固了理論基礎(chǔ)，實現(xiàn)了理論與生產(chǎn)的銜接，提升了制藥工藝的創(chuàng)新能力。

升階階段的教學(xué)則主要施行實踐能力和結(jié)果評價，具體從實驗流程和儀器操作的熟練程度、實驗設(shè)計的合理性、實驗結(jié)果的準確性和分析能力、實驗報告的撰寫規(guī)范性、繪圖的準確和精確性，以及實驗室紀律的遵守程度等方面進行。重組蛋白的表達和純化實驗，若學(xué)生能熟練掌握重組表達菌的起始誘導(dǎo)OD600值的測定、加樣準確、熟練使用菌體破碎和蛋白純化設(shè)備，實驗結(jié)果顯示蛋白被表達、純化后變性膠電泳顯示蛋白條帶單一，實驗報告中對實驗原理、流程、結(jié)果和分析記錄詳實，則評價為優(yōu)秀；若基本掌握實驗流程和儀器操作，得到基本正確的實驗結(jié)果，實驗報告記錄詳實，則評價為良好；若基本掌握實驗方法，得到部分正確的實驗結(jié)果，實驗報告記錄詳實，則評價為合格。經(jīng)過此階段的學(xué)習(xí)，約45%同學(xué)熟練掌握了基因工程制藥所涉及的各個環(huán)節(jié)的實驗流程和儀器操作，實驗結(jié)果完全正確，達到優(yōu)秀水平；50%同學(xué)達到良好水平；5%同學(xué)為合格水平。所有同學(xué)的制藥實踐能力均得到較好鍛煉。

依托學(xué)校的調(diào)查問卷平臺，從近3年的探索和實踐來看，本進階式引導(dǎo)教學(xué)在各階段的教學(xué)資源豐富，有效地克服了學(xué)生的專業(yè)外語閱讀障礙，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)，課程也能較好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課堂氣氛活躍，教學(xué)效果較好。然而，初次實施時部分同學(xué)反映教學(xué)安排上難度偏大，因此，我們不斷調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，盡量做到重難點更突出。經(jīng)過改進后，學(xué)生的互動性明顯提高，能汲取更多的知識，學(xué)習(xí)效果也顯著提升(表2)。但因為本課程涉及的理論和技術(shù)難度都偏大，趣味性不足，后期需要進一步使教學(xué)內(nèi)容更生動，穩(wěn)步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性。另外，從近兩年生物制藥專業(yè)學(xué)生獲批的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目來看，經(jīng)過本進階式課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的創(chuàng)新能力也得到穩(wěn)步提升。例如，2020年學(xué)院共獲得13項國家級和25項省級項目，學(xué)習(xí)過本課程的學(xué)生的參與度為64%，分別各有4項主持項目與本課程相關(guān)；2021年學(xué)院共獲得15項國家級和30項省級項目，學(xué)習(xí)過本課程的學(xué)生的參與度為77.5%，分別有4項和9項主持項目與本課程相關(guān)。

表2 2019—2021年度基因工程制藥進階式引導(dǎo)教學(xué)效果調(diào)查統(tǒng)計表Table 2 Statistical investigation of the effect of stepwise guiding teaching in genetic engineering pharmaceutics in 2019-2021

3 結(jié)語

順應(yīng)時代需要，培養(yǎng)具備生物技術(shù)制藥創(chuàng)新能力的高素質(zhì)專業(yè)人才是高校生物制藥專業(yè)教學(xué)的重點[11]。本教學(xué)團隊從基因工程的基本理論和技術(shù)出發(fā)，不斷改革教學(xué)模式，適時結(jié)合藥物研發(fā)的各個流程環(huán)節(jié)，不斷引入先進的理論和方法，集理論性與應(yīng)用性為一體，通過進階式引導(dǎo)教學(xué)，從夯實理論的基礎(chǔ)階段到理論聯(lián)系生產(chǎn)設(shè)計的進階階段、再到實踐創(chuàng)新的升階階段，讓學(xué)生在積極、互動的氛圍中逐步掌握基因工程藥物的研發(fā)和生產(chǎn)，并提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和對外交流技能。然而，基因工程制藥課程模塊的進階式引導(dǎo)教學(xué)是一個系統(tǒng)工程，但因?qū)嵺`時間限制，我們還處于不斷地摸索總結(jié)當(dāng)中，雖然取得了較好的教學(xué)效果，但基因工程制藥的發(fā)展和應(yīng)用均異常迅速，比如CRISPR/Cas9技術(shù)的應(yīng)用等。我們將通過不斷更新和整合，進一步提高教學(xué)質(zhì)量，培育出順應(yīng)時代發(fā)展新需求的醫(yī)藥人才。