细胞工程实验教学中学生创新能力的培养

齐凤慧，崔丽婷，左行翔，詹亚光

（东北林业大学 生命科学院，哈尔滨 150040）

细胞工程实验教学中学生创新能力的培养

齐凤慧，崔丽婷，左行翔，詹亚光

（东北林业大学 生命科学院，哈尔滨 150040）

细胞工程作为科学研究的一种手段，已经渗入到生物工程的各个方面，已成为必不可少的配套技术。该文旨在培养学生掌握基本技术之后的创新能力，在实验内容的设计上，采用实验项目、理论教学与科研项目成果相结合的教学方式，增设综合性实验，加强实验技术和方法的结合，注重科研成果在教学中的应用，启迪学生的科学思维和创新意识。通过教学改革，学生能够自行设计改装生物反应器，并用于植物细胞的培养。

水曲柳；创新能力；细胞工程；教学实践

细胞工程是生物工程的一个重要方面。它应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的意愿在细胞水平上进行遗传操作及大规模的细胞和组织培养，从而获得某种有用的物质［1-2］。细胞工程这门课程是一门实践性和应用性很强的学科［3］，包含大量的实验操作技术，容易使学生产生抽象感和枯燥感［4］。因此，实验教学对细胞工程课程授课效果具有至关重要的作用［5］。本文通过多年实践探索，现就细胞工程实验教学改革以及如何在实验教学中培养学生的创新能力进行探讨。

1 细胞工程实验教学改革

1.1 实验内容实行模块化教学，培养学生综合实验能力和创新能力

在教学过程中，根据本校的特色，将实验内容进行归类。以树木为实验材料，分成6个模块，包括细胞工程的基础技术、植物组织培养及快速繁殖技术、植物细胞悬浮培养技术、植物体细胞胚胎发生、植物原生质体的分离与融合和植物细胞生物反应器与细胞次生代谢。每个模块中包含若干个实验项目，各模块之间做到融会贯通，如表1所示。

在实验内容的设计上，采用实验项目、理论教学与科研项目成果三结合的教学方式，增设综合性实验，加强实验技术和方法的合理综合，注重科研成果在教学中的应用，启迪学生的科学思维和创新意识。在具体操作上，采用双周上课的方式。具体表现在以下3个方面。

1）实验项目中加强基本技术的训练

从6个模块中，选择了20个实验项目，每个实验项目相互独立，有利于专项培养学生基本技能。这样可以使学生熟练掌握各实验操作技术、又可以保证下一个实验顺利进行。

2）按实验内容的内在联系设置综合实验项目，培养学生综合实践能力。

表1 实验项目

如“模块二:植物组织培养及快速繁殖技术”中，将分散的6个实验项目组合成一个综合性实验，从母液的配制、培养配制与灭菌，到外植体消毒接种及愈伤组织诱导、分化、生根，最后移栽。通过这样一个完整的训练，不但使学生学到了最基本的培养基配置方法、外植体消毒接种、愈伤组织诱导、器官分化、移栽等基本实验技术，更重要的是学生在掌握基本技术的同时，培养学生对基本技术和方法综合运用的能力。

3）按实验内容的内在联系设置设计实验项目，培养学生设计实践能力。

如“模块三:植物细胞悬浮培养技术”中，通过模块二的学习，学生能够掌握无菌操作及细胞诱导技术，在模块三让学生用模块二诱导得到的愈伤组织为材料，设计在不同培养基种类或不同植物生长调节剂下，细胞的生长量变化情况。在“植物细胞超低温保存”实验中，要求学生设计不同的温度梯度，或不同的降温时间等条件，统计细胞的成活率。学生通过自己设计、预测结果、采集数据、获得结论，按自定方案完成，可提高学生的设计实践能力。

1.2 进行开放式实验教学，为学生提供创新实验平台

由于细胞工程实验进行模块式教学和将科研成果的引入，使得整个过程的连续性无法完全在课堂上实现，还需要在课外完成大量的准备和统计工作，这就需要给学生提供一个可操作的平台。因此，将实验室进行开放，可以更好地培养学生的实践能力和创新能力，也有助于培养学生的科研能力和自我管理能力［8］。将细胞工程实验安排在细胞与分子生物学教学实验室上课，这个实验室面积为270.93 m2，由3个教学室，2个准备室以及可容下8台超净工作台的接种室和培养室等组成，配有恒温水浴箱、离心机、低温高速离心机、梯度PCR仪、凝胶成像系统、振荡培养箱、杂交炉、超纯水系统、制冰机、紫外分光光度计、自动灭菌锅、8台双人超净工作台、细胞融合仪等设备，可在满足细胞工程实验教学的同时为学生提供一个良好的创新实验平台。采用周一至周五全天开放的制度，学生可随时来实验室对实验进行准备、操作、观察、记录等，遇到问题时也可以随时找到老师进行指导。这样有利于培养学生的科研兴趣，提高创新能力。

1.3 考核制度

传统实验教学的实验成绩往往以实验报告为主，这样造成学生对实验操作过程不够重视［9］。因此，将实验课的成绩作为学生的平时成绩，占总成绩的20。20分的考评成绩包括内容如表2所示。

表2 实验课评分表

其中实验报告是指每个实验项目结束后，针对这一单独实验进行统计分析。1）实验操作指每个实验项目中所要掌握的操作技术，如无菌操作是否规范、外植体的接种、原生质体分离及融合、生物反应器的操作以及液相色谱的掌握等。2）课外准备是指在课堂上无法完成的部分，因为实验操作需要无菌，所使用的培养基以及器材等需要提前灭菌，这些工作都要在课外完成。3）数据统计是指每个实验操作完成后，在培养过程中对植物的生长状况进行观察、记录，以及实验结束后的数据统计分析。4）参加课外实验是指由于实验课学时有限，不能所有的实验都在课堂上完成，学生利用课余时间在实验室开放的时候来实验室做实验。5）实验汇总是指在所有的实验完成后，将五个模块的内容联系起来汇总为一篇研究论文。6）结果汇报是将研究论文内容做成PPT的形式，各小组由一名同学进行汇报，下面的同学可以进行提问。

通过上述的改革与实践，可有效提高细胞工程实验教学的质量和水平，同时可大大提高学生的综合素质和创新能力。

2 将科研成果引入到实验教学中，加强学生创新能力的培养

引入科研、教改成果，使实验内容与科研应用项目密切联系，充分体现基础与前沿、经典与现代相结合。目前国内各大高校均开展大学生创新实验项目，鼓励学生申报，重视研究性教育［6］，让学生在课外之余参加科研项目，开展学术科技作品竞赛［7］，以科研促进本科教学。这样，可以在本科实验教学中锻炼学生的科研能力和创新能力，充分发挥学生的主观能动性，让他们明白自己即是学生又是研究者。因此，在细胞工程实验教学中，将老师的一些科研成果引入进来，在几个模块中实现，这样各实验项目既独立（使学生在课堂上容易操作）又相互联系构成一个整体。如模块二中“植物外植体消毒、接种及愈伤组织诱导”，通过这个实验项目得到愈伤组织后，再通过模块三中“植物细胞悬浮培养与生长量的测定”中获得悬浮细胞，最后通过模块六的“植物生物反应器大规模培养”和“HPLC法检测植物细胞次生代谢产物含量”这两个项目完成整个内容。在这个过程中，学生得到了最基本的实验技能的锻炼，如培养基的配制、外植体的消毒及接种；同时又对学生的实验设计和综合能力进行了锻炼，如细胞悬浮培养与生长量的测定中培养时间的设计，植物生物反应器大规模培养中培养条件的设计等；此外学生的分析能力和科研能力得到了提高，因为在整个实验结束后，学生要对实验结果、数据进行分析整理，提交实验报告和科学论文。因此，经过这样一个完整的训练过程后，学生可尽早地接触科研的研究，既掌握了新知识、新技术、新方法，又激发了学生对科学实验的兴趣，使其综合素质及创新能力得到了锻炼和提高，为以后从事科学研究奠定了良好的基础。

3 学生自行设计生物反应器用于细胞培养

通过实验课的学习，学生自行设计，将试剂瓶改装成简易生物反应器，如图1所示，并利用该生物反应器建立了水曲柳细胞培养体系。将水曲柳细胞接种到WPM+0.15 mg/L 2，4-D+0.1 mg/L BA+20 g蔗糖［10］的培养基中，培养15 d称其干重，细胞增重7.8 g/L。

图1 生物反应器培养水曲柳细胞

4 结束语

通过几年的不断探索与尝试，本院基本上形成了一套比较完整、稳定的“植物细胞工程”实验体系，在实验教学中，注重技术操作性、实践性和综合性应用，收到了良好的效果。但生物学专业的实验教学改革与完善是一个长期的系统工程，本院将进一步总结经验，完善实验教学，提高实验教学质量，以适应强化本科教育综合能力培养的需要，达到在教学中进行科研，并提高对学生的创新能力的培养。

［1］李志勇.细胞工程［M］.北京:科学出版社，2003.

［2］宋思扬，楼士林.生物技术概论［M］.北京:科学出版社，2003.

［3］李立群，郑锦娟，马长珍，等.植物细胞工程实践教学改革探索［J］.实验技术与管理，2011，28（2）: 148-150.

［4］代建丽.植物细胞工程教学改革初探［J］.科教文汇，2011（2）:33-37.

［5］姚子昂.细胞工程实验教学的改革与实践［J］.科技资讯，2010（3）:152.

［6］李勇，贺庆棠.国外研究型大学教学模式的优势及借鉴［J］.中国高等教育，2009（1）:60-62.

［7］潘娌妮，吴蕾蕾.浅谈大学生科研创新能力的培养［J］.西北医学教育，2009，17（1）:20-21.

［8］张以顺，黎茵陈，云风黄，等.构建本科实验教学与科学研究互动模式，实现科学研究与实验教学的有机嵌合［J］.高校教育研究，2009（3）:89-90.

［9］黄素华.《植物细胞工程》课程探索与改革［J］.龙岩学院学报，2007，2（2）:82-83.

［10］丁小萌，严俊崎，周博，等.水曲柳愈伤组织诱导及悬浮细胞体系的建立［J］.中国农学通报，2013，29（25）:21-25.

Culturing Innovation Ability of Students in the Teaching of Cell Engineering Experements

QI Fenghui，CUI Liting，ZUO Xingxiang，ZHAN Yaguang
（College of Life Sciences，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Cell engineering，as a research technique，has been used in the every aspect of bioengineering.Cell engineering has been contributing to human being in agriculture，forestry，horticulture and medical sciences，etc.In order to cultivate innovation ability of students，some measures were adopted.The teaching contents combined experiment projects with theory teaching and research achievements.Some comprehensive experiments were introduced to inspire the scientific thinking and consciousness of innovation of students.As a result，students could design and adapt the bioreactors and use them in plant cell culturing.

fraxinus mandshurica；innovation ability；cell engineering；teaching practice

G642.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.050

2014-12-10；修改日期：2016-06-25

东北林业大学大学生科研训练项目（2012059）；黑龙江省高等学校教改项目（JG2014010584）。

齐凤慧（1976-），女，博士，高级工程师，主要从事植物细胞工程方面的研究。