分級延伸教學(xué)模式在生化教學(xué)實驗改革中的嘗試

李 華，孫書洪，亓樹艷，孔令洪，孔 宇

(西安交通大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710049)

0 引 言

生命科學(xué)是當(dāng)今發(fā)展較為活躍的一門學(xué)科，同時也是一門實驗性學(xué)科。人才培養(yǎng)時，不僅需要大量理論知識作為基礎(chǔ)，同時也需要配合扎實的實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)。我校生命學(xué)院生物工程專業(yè)一直十分重視實踐教育環(huán)節(jié)，但在學(xué)分整體壓縮的大背景下，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)也受到?jīng)_擊，如生物化學(xué)實驗課程學(xué)時由原有48學(xué)時調(diào)整為32學(xué)時。為不受課時變化的影響，同時深化理論課程中知識體系的理解以及幫助學(xué)生了解各種實驗技術(shù)在實際場景中的應(yīng)用，使學(xué)生充分感受到大學(xué)中所學(xué)知識的實用性和前瞻性,為此，提出了分級延伸教學(xué)模式理念，并在生物化學(xué)實驗課程中進行了應(yīng)用嘗試[1-2]。

1 分級延伸教學(xué)模式理念

分級延伸教學(xué)模式是指將實驗分為基礎(chǔ)型專業(yè)實驗、設(shè)計型綜合開放實驗和應(yīng)用型生產(chǎn)實習(xí)3種類別，以基礎(chǔ)型專業(yè)實驗和設(shè)計型綜合開放實驗培養(yǎng)學(xué)生能力為主體，同時配合應(yīng)用型生產(chǎn)實習(xí)過程中所遇實際問題的處理方法，將實驗室學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用于生產(chǎn)實際，使學(xué)生了解所學(xué)知識的實用性，進而形成以能力培養(yǎng)為主體，解決實際問題為導(dǎo)向的實驗教學(xué)培養(yǎng)模式。

2 分級延伸教學(xué)模式在生化實驗課程的實踐

在整個生物學(xué)實驗分級延伸教學(xué)模式中，以培養(yǎng)學(xué)生能力和創(chuàng)新思維為目的，進而構(gòu)建整個實驗教學(xué)體系。從3個具體方面，闡述分級延伸教學(xué)模式的理念[3]。

2.1 基礎(chǔ)型專業(yè)實驗內(nèi)容優(yōu)化

基礎(chǔ)性專業(yè)實驗內(nèi)容需緊貼生物化學(xué)基礎(chǔ)知識，按照整體知識章節(jié)可以分為糖類、脂肪、核酸、氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素、酶和酮體8個實驗?zāi)K。由于實驗課的總課時量為32學(xué)時，因此安排了5個必做實驗，4個選作實驗，每1年由學(xué)生或老師從選作實驗中選取一個實驗完成?；A(chǔ)專業(yè)實驗內(nèi)容的選擇，使學(xué)生在一定程度上可以根據(jù)自己的興趣選擇實驗內(nèi)容。除了對整個實驗安排進行優(yōu)化外，同時為緊跟新實驗技術(shù)迭代，特意對一些基礎(chǔ)實驗中具體方法進行及時更新，例如，在原先開設(shè)的生物化學(xué)實驗中，氨基酸分離，依然使用的是紙層析分離方法，該分離方法存在耗時長、試劑毒性大(需使用正丁醇、氨水等有毒有害試劑)、層析斑點有時存在不清晰或拖尾等缺點，因此，結(jié)合現(xiàn)代色譜學(xué)技術(shù)，將目前常用分析方法——毛細管電泳分析法，引入氨基酸分離。實驗中利用毛細管電泳儀-紫外檢測器聯(lián)用手段，以常見的4種氨基酸[組氨酸(His)，精氨酸(Arg)，半胱氨酸(Cys)，色氨酸(Trp)]為分離物，使學(xué)生能夠快速、準(zhǔn)確分離氨基酸混合物,結(jié)果見圖1[4-6]。

圖1 4種混合氨基酸在pH 7條件下的電泳分離圖

(a)氨基酸混合樣品(包含0.29 mmol/L His，1.14 mmol/L Arg，0.29 mmol/L Cys和0.14 mmol/L Trp);(b)半胱氨酸標(biāo)品(4.0 mmol/L)；(c)組氨酸標(biāo)品(1 mmol/L)；(d)色氨酸標(biāo)品(0.5 mmol/L)；(e)精氨酸標(biāo)品(4 mmol/L)。樣品壓力進樣0.5 p.s.i×5.0 s，40.0 mmol/L磷酸緩沖液(pH 7)，分離電壓20 kV，檢測波長200 nm

在新的實驗過程中，同學(xué)們根據(jù)理論學(xué)習(xí)到的氨基酸基礎(chǔ)知識(不同氨基酸各自不同的等電點、分子量等信息)和毛細管的分離原理相結(jié)合，選擇合適的緩沖溶液pH值，并且預(yù)測出4種氨基酸出峰順序。隨后結(jié)合分析化學(xué)知識，自己計算出兩種磷酸鹽緩沖溶液的混合比例，配制相應(yīng)pH值的緩沖溶液，以用于實驗的分離。最后將實驗結(jié)果和自己預(yù)測4種氨基酸的分離情況進行比較。通過利用毛細管電泳分離檢測氨基酸，不僅能夠使學(xué)生更加深入理解氨基酸兩性化合物的性質(zhì)和毛細管電泳儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理，而且能夠?qū)旧辖榻B儀器的基礎(chǔ)知識和實際應(yīng)用較好地結(jié)合在一起。

2.2 設(shè)計型綜合開放實驗對學(xué)生能力的提升

目前我校生物工程專業(yè)共開設(shè)4門設(shè)計型綜合開放實驗課程(共計192學(xué)時)。為與基礎(chǔ)性生物化學(xué)專業(yè)實驗課程相互促進，加強學(xué)生對已學(xué)知識的理解和應(yīng)用，在分離綜合開放實驗中，設(shè)計了研究型、綜合型實驗題目。例如酪氨酸酶的提取、分離、純化和活性測定、谷胱甘肽提取、檢測、分離純化和活性鑒定等實驗，從而使學(xué)生能力得到全面提升，具體情況如下[7-11]。

(1)實驗內(nèi)容綜合化與創(chuàng)新化。實驗內(nèi)容的綜合化主要是指，在實驗?zāi)康耐瓿蛇^程中，需要學(xué)生運用在基礎(chǔ)型專業(yè)實驗部分所學(xué)到的實驗設(shè)計思路和實驗方法，解決綜合開放實驗過程中遇到的困難和問題。重點在培養(yǎng)學(xué)生獨立運用已學(xué)知識解決問題的能力。例如“酪氨酸酶的提取、分離、純化和活性測定”綜合實驗中，涉及到生物化學(xué)中蛋白質(zhì)、酶、核酸等生物大分子物質(zhì)的特性，同時也綜合了分析化學(xué)在分離檢測方面的知識。實驗內(nèi)容創(chuàng)新化主要是指，在老師向?qū)W生公布實驗題目后，學(xué)生3或4人為1個課題小組，每個小組自行查閱文獻、設(shè)計實驗方案。實驗方案設(shè)計完成后，老師將對實驗方案的可行性和合理性進行審核，審核通過后，學(xué)生將按實驗方案開始實驗。整個實驗方案的確定，完全由學(xué)生查閱文獻獲得，因而經(jīng)常會有一些新方法和新思路。這樣不僅能夠增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和主動性，也能有效樹立學(xué)生的自信心。

(2)實驗過程自主化。綜合開放實驗一般安排在學(xué)期末或小學(xué)期，此時大部分考試已經(jīng)完成，學(xué)生能夠完全自主安排實驗時間，完成實驗。實驗周期一般為2周，2周的實驗時間內(nèi)，教師或助教會在整個實驗過程中對學(xué)生進行部分指導(dǎo)，指導(dǎo)內(nèi)容僅包括一些儀器的使用方法、實驗現(xiàn)象的提點、實驗過程中重點注意事項等。具體解決問題的方法和思路均由學(xué)生自己完成。

(3)實驗報告成果化。在基礎(chǔ)型專業(yè)實驗內(nèi)容報告中，報告內(nèi)容主要是對實驗過程的簡單復(fù)述、實驗數(shù)據(jù)的羅列和教師布置思考題的解答。而設(shè)計型綜合開放實驗結(jié)束后，要求學(xué)生按照專業(yè)科研報告形式對實驗進行分析，報告的主要內(nèi)容包括實驗方法、實驗現(xiàn)象與結(jié)果、討論和實驗的改進4個方面。通過類似專業(yè)科研報告的撰寫，使學(xué)生充分發(fā)揮自己的主觀能動性，加強學(xué)生查閱文獻或相關(guān)資料的能力。

(4)評價體系合理化。與基礎(chǔ)型專業(yè)實驗相比，設(shè)計型綜合開放實驗的評價體系要多兩個方面的評價項目。除了實驗過程表現(xiàn)和實驗報告外，同時加入了實驗設(shè)計和實驗答辯兩項。實驗評價體系在實驗開始前就會告知學(xué)生，實驗結(jié)果固然重要，但對實驗過程和結(jié)果的分析以及實驗操作才是主要的評價重心。實驗答辯的要求嚴(yán)格按照碩士生畢業(yè)答辯的要求規(guī)定，每個實驗小組準(zhǔn)備10 min答辯PPT，并且答辯分?jǐn)?shù)由學(xué)生和教師給定的分?jǐn)?shù)兩部分組成。這樣不僅可以避免教師單一評價體系的弊端，而且可以形成由教師、實驗技術(shù)人員、助教和學(xué)生四維一體的評價模式。由多維評價方式所帶來的大數(shù)據(jù)分析模式，使評價體系更加客觀，并且能夠真實反映學(xué)生在實驗過程中能力的培養(yǎng)與提高。

2.3 實驗教學(xué)與生產(chǎn)實習(xí)的閉環(huán)連接

實驗教學(xué)是同學(xué)們將理論課程中學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用到實際的第一次轉(zhuǎn)化。但這次轉(zhuǎn)化中涉及的問題復(fù)雜性較低，而且沒有考慮在實際情況下處理問題的成本、效率等關(guān)鍵點。為了彌補在實驗教學(xué)中出現(xiàn)的不足，特意按照實驗教學(xué)基本內(nèi)容分類，與對應(yīng)的公司企業(yè)聯(lián)系并帶領(lǐng)學(xué)生前往公司企業(yè)完成生產(chǎn)實習(xí)，使學(xué)生能切身感受到，實驗室所學(xué)方法在具體實際生活中是如何應(yīng)用的[12-13]。例如在實驗教學(xué)過程中，同學(xué)們學(xué)習(xí)過毛細管電泳、液相色譜、微生物檢測等實驗方法,因此，聯(lián)系了陜西首家第三方檢測機構(gòu)——陜西科儀陽光檢測有限公司，并特意安排學(xué)生進入公司的核心檢測部門，讓學(xué)生在實際中，再次學(xué)習(xí)液相色譜、氣相色譜-質(zhì)譜和微生物檢測等的操作與應(yīng)用。使學(xué)生意識到實際中遇到的問題和需要考慮的因素遠比實驗室中的復(fù)雜和細致得多[14-15]。這樣的生產(chǎn)實習(xí)，不僅能夠使學(xué)生因?qū)嶒炇覍W(xué)習(xí)到的技能應(yīng)用于實際而高興，也能激發(fā)學(xué)生對實驗和科研的熱情和興趣。

3 生物學(xué)實驗分級延伸教學(xué)模式的成果與思考

生物實驗分級延伸教學(xué)模式的開展，讓學(xué)生從理論走向了實踐，從實踐走向了實際，對學(xué)生查閱文獻的能力、實驗動手能力、綜合創(chuàng)新能力均有重要的意義。并且使教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)質(zhì)量均得到很大的提升。自開展分級延伸教學(xué)模式2年以來，學(xué)生能夠積極主動參加創(chuàng)新實驗，并作為負責(zé)人共申請校級創(chuàng)新實驗12余項，本科生參與發(fā)表SCI論文6篇。2年連續(xù)被學(xué)校評為“優(yōu)秀專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)隊”，每年有大概27%的應(yīng)屆畢本科畢業(yè)生被保送或考入北京大學(xué)、清華大學(xué)、香港理工大學(xué)等國內(nèi)一流高校的研究生。

生物學(xué)實驗分級延伸教學(xué)模式的開展是為了加強學(xué)生的動手能力、自主解決問題的能力和創(chuàng)新能力。2年的運行過程中有收獲，也發(fā)現(xiàn)一些問題，需要解決和完善。

3.1 基礎(chǔ)型專業(yè)實驗內(nèi)容的更新與自主化

目前，基礎(chǔ)型專業(yè)實驗的準(zhǔn)備工作，大部分還是由教學(xué)的實驗老師負責(zé)配制，導(dǎo)致一些學(xué)生在設(shè)計性綜合開放實驗中，經(jīng)常會出現(xiàn)溶液錯配的簡單錯誤。因此，基礎(chǔ)型專業(yè)實驗的試劑將改為主要由學(xué)生自己分組完成配制，教師或助教可從旁輔助完成。同時，隨著日新月異的科技發(fā)展，有必要將最新的科學(xué)技術(shù)引入到基礎(chǔ)型實驗上，加大選做實驗的比例，加快實驗內(nèi)容的更新速度，最大限度提高學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生對實驗和科研的熱情[16]。

3.2 實驗室和教師隊伍的建設(shè)

教學(xué)環(huán)節(jié)的成功，需要有一定的經(jīng)費支持，以保證實驗室的硬件能夠不斷地與時俱進。同時，進一步加強專業(yè)隊伍的建設(shè)。鼓勵和肯定實驗技術(shù)人員在教學(xué)方面的付出和努力，加強對實驗技術(shù)人員的培訓(xùn)、進修，有條件鼓勵去國外機構(gòu)考察學(xué)習(xí)，不斷提高實踐技術(shù)師資隊伍的整體素質(zhì)與水平。

4 結(jié) 語

生物學(xué)實驗分級延伸教學(xué)理念的實施，已初步取得了一些良好的教學(xué)效果。該理念將本科生的課內(nèi)實驗與生產(chǎn)實習(xí)有機地整合在一起，從原來單一的、線性的教學(xué)，轉(zhuǎn)變成為網(wǎng)狀和面狀的教學(xué)模式，從不同角度使學(xué)生動手能力、獨立解決問題能力和創(chuàng)新能力均得到鍛煉。今后將繼續(xù)完善分級延伸教學(xué)理念，努力克服和解決存在的問題，使本科生的教學(xué)質(zhì)量有更大的提高。