基于創(chuàng)新應用能力培養(yǎng)的生物化學實驗改革研究

姜山峰，王軍，高源，黨凱，牛衛(wèi)寧

（西北工業(yè)大學 生命學院，陜西西安 710072）

生物化學實驗是研究生物分子、生物過程和生物機能的重要途徑之一，在醫(yī)學、生物技術、生物制藥、農(nóng)業(yè)等領域有著廣泛的應用。隨著技術的進步，生物化學實驗逐漸發(fā)展成為一門綜合性學科，包括分子生物學、蛋白質化學、酶學、代謝途徑等多個方向?，F(xiàn)代生物化學實驗技術包括基因克隆、蛋白質純化、蛋白質結構分析、代謝途徑研究、細胞信號傳導研究等，這些技術在疾病診斷、藥物研發(fā)、食品安全等領域的應用也越來越廣泛。未來，生物化學實驗技術將繼續(xù)發(fā)展，為人們解決更多生物學和醫(yī)學上的難題提供更好的支持[1-4]。

因此，生物化學實驗教學在生物學科教學中有著不可替代的作用。生物化學實驗教學一方面能夠幫助學生理解生命現(xiàn)象的本質，學生通過實驗可以親手操作，感受生物化學反應的過程和結果，從而更深入地理解生物化學概念；另一方面能夠培養(yǎng)學生實驗操作能力和科學思維，使學生掌握實驗流程和實驗技術，提高實驗技能和實驗設計能力，了解科學的本質和科學研究的方法。然而，傳統(tǒng)實驗教學通常是按照固定的實驗流程和實驗內(nèi)容進行的，已經(jīng)不能滿足新工科建設要求，因此，開展綜合性、創(chuàng)新性的實驗教學改革勢在必行[5-7]。

1 傳統(tǒng)生物化學實驗教學存在的主要問題

1.1 實驗內(nèi)容缺乏層次化

傳統(tǒng)生物化學實驗教學要以實驗室實踐為主，一般只進行一些基礎的實驗操作，如DNA 提取、蛋白質分離和酶活性檢測等，而且各個實驗之間相互獨立，整個課程體系缺乏連貫性，學生不能形成良好的整體認知。特別是實驗結果以驗證性為主，枯燥乏味，缺乏科學研究的探索性，難以對學生形成吸引力。這種實驗教學內(nèi)容往往是基于教師的教學經(jīng)驗和教材的范圍進行選擇的，存在一定的單一性和重復性，缺乏多樣性和新穎性，往往不能滿足學生的學習需求，也無法激發(fā)學生的學習興趣和動力，不能很好地滿足學生個性化學習的需求，影響其知識和技能的掌握。而且，傳統(tǒng)生物化學實驗教學所使用的實驗儀器設備大多為老舊的設備，無法滿足現(xiàn)代生物化學實驗的需求。在這種情況下，學生難以了解現(xiàn)代生物化學實驗的實際操作過程和技術要求，難以掌握前沿的實驗技能和應用能力。

1.2 教學組織形式單一

在傳統(tǒng)生物化學實驗教學中，教學組織形式僅限于課堂教學，所有實驗要在規(guī)定時間內(nèi)完成講、學、練、做，這與科研生產(chǎn)中的實際情況不符。在課堂教學中，教師通過講授理論知識、舉例分析和課堂討論等方式，向學生介紹生物化學實驗的基本原理和實驗步驟，學生通過實際操作、觀察和記錄實驗數(shù)據(jù)等方式培養(yǎng)實驗技能。這種組織形式使得教學內(nèi)容多以基礎理論和實驗操作為主，缺少對實驗應用和實踐操作的引導和訓練。在這種情況下，學生難以將所學的實驗知識運用到實際生產(chǎn)和科研中，難以形成實際操作能力和創(chuàng)新能力。

1.3 學生參與度不足

現(xiàn)代生物化學實驗教學中引入了多種多樣的新型教學技術，通過采用多種教學形式與手段，如圖片、實例、視頻等方式，讓學生更加直觀和深刻地理解生物化學知識，但是，教師仍然是課堂教學的主導者，學生的主動性未得到充分調(diào)動。教學過程缺乏師生之間的互動，學生在實驗教學中往往處于被動接受知識的狀態(tài)，無法真正掌握實驗技能和理論知識，更難以發(fā)揮創(chuàng)造力和實踐能力。實驗教學要盡可能激發(fā)學生的興趣，使他們能夠積極參與實驗，通過引導學生進行思考，讓學生主動提出一些問題，積極探索，預測實驗結果，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的思維能力。

1.4 實驗教學效果難以評估

傳統(tǒng)的生物化學實驗教學存在難以評估的問題，一方面，教學設計存在缺陷，學生被要求完成一系列操作，很少有機會思考實驗背后的科學原理和意義，只對知識進行片段性學習和記憶。這種教學方式難以有效評估學生對實驗原理的理解和掌握程度，而且許多傳統(tǒng)生物化學實驗教學缺乏針對性，無法直接評估學生的能力水平。例如，有些實驗一次性完成，難以驗證學生掌握的科學知識和技能。另一方面，傳統(tǒng)生物化學實驗教學主要是通過實驗報告和實驗成績等形式來評估學生的實驗能力和實驗水平，教學效果往往過于依賴實驗結果的成功與否，無法全面評價其實驗能力和創(chuàng)新能力，導致評估結果不夠準確和全面。此外，評估結果未能及時反饋給學生，導致學生不了解自己的實驗能力和實驗水平，未及時作出調(diào)整，重復出現(xiàn)同樣的錯誤。

2 綜合性和創(chuàng)新性實驗教學改革

2.1 將基礎性實驗操作融入綜合性和創(chuàng)新性實驗

生物化學實驗作為研究生命科學領域的重要技術之一，是生物學的基礎課程之一。將基礎性實驗操作融入綜合性和創(chuàng)新性實驗，是生物化學實驗的一種新型教學模式，它改變了傳統(tǒng)的實驗教學模式，把各學科之間的知識有機結合起來，通過實驗讓學生在實踐中掌握綜合性和創(chuàng)新性的生物化學實驗技能[8-9]。

綜合性和創(chuàng)新性實驗教學改革，是在原有實驗教學內(nèi)容的基礎上向高階性發(fā)展。生物化學實驗的基礎實驗主要包括氨基酸和蛋白質的結構與性質、酶的結構與功能、核酸的結構與功能、代謝產(chǎn)物的分析等內(nèi)容。這些基礎實驗是生物化學實驗的基石，不僅有助于學生鞏固生物化學的基礎知識，還能讓學生在實踐中掌握實驗技能。綜合性實驗主要是將多個基礎實驗有機結合起來，通過綜合實驗來培養(yǎng)學生的實踐操作能力、創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力，如通過α-淀粉酶的分離純化、鑒定和米氏常數(shù)測定實驗，讓學生系統(tǒng)地掌握酶活力測定、疏水層析和離子交換柱層析、聚丙烯稀酰胺凝膠電泳以及紫外分光光度法等技術。創(chuàng)新實驗主要是通過開展一些具有新穎性和前沿性的實驗，促進學生創(chuàng)新思維的發(fā)展，如通過基因克隆、蛋白表達、RNAi、基因組編輯等技術，探究細胞、生物體中的基因和代謝途徑的分子機制，培養(yǎng)學生創(chuàng)新應用能力。

2.2 課題式和開放式的教學形式

在傳統(tǒng)的生物化學實驗教學中，教學組織形式受限于課時及實驗室的使用情況，需在規(guī)定的時間內(nèi)完成有限的教學任務，且只能在課堂開展教學。課題式和開放式的教學組織形式，能夠有效優(yōu)化實驗教學，提高學生的實踐能力[10-13]。課題式教學是一種以課題為組織形式，以學生為主體，強調(diào)探究和創(chuàng)新，促進學生全面發(fā)展的教學形式。在實驗教學中，可以將實驗內(nèi)容設置為一個課題，由學生自主選擇研究方向，完成實驗內(nèi)容，提高學生的自主性和主動性，增強學生的實踐能力。同時，課題式教學可以使學生更好地學習知識，促進學生綜合運用知識，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。通過課題式教學，學生可以深入了解實驗內(nèi)容，強化對理論知識的理解和掌握，提高實驗技能和實踐能力，如設置飲食中營養(yǎng)素含量的測定實驗，可以讓學生通過測定不同食物中的營養(yǎng)素含量來了解飲食中的營養(yǎng)均衡問題，例如測定蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素等含量。

開放式教學是一種注重學生實踐、體驗、自主探究和自主學習的教育模式，強調(diào)的是學生的自主性和創(chuàng)新能力。在實驗教學中，教師可以將實驗課堂打造成為開放的學習環(huán)境，學生可以根據(jù)自己的興趣和實際情況選擇實驗內(nèi)容和實驗操作方法，不僅提高學生的學習興趣和參與度，還可以培養(yǎng)學生的自主學習能力和探究能力。在實驗教學中，教師引入課題式和開放式教學，可以取長補短，優(yōu)化實驗教學，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。教師通過設計并提供多個選題和由學生自主確定實驗方案的方式，激發(fā)學生的學習興趣和主動性。學生自主選擇研究方向，根據(jù)實際情況選擇實驗內(nèi)容和實驗操作方法。在實驗過程中，教師引導學生根據(jù)實驗結論進行分析和總結，形成總結報告。課題式教學和開放式教學需要培養(yǎng)學生的自主性，教師主要作為指導者、輔助者，為學生提供必要的資源和支持，例如實驗器材、文獻資料、實驗指導等。在實驗環(huán)節(jié)結束后，教師可以對學生的總結報告進行指導，引導學生深入思考實驗結果所表明的問題和意義，發(fā)掘實驗內(nèi)容的深層次含義。

將課題式教學和開放式教學兩種教學形式應用到實驗教學中，能夠促進學生綜合能力的提升，培養(yǎng)學生自主學習和創(chuàng)新的能力，使學生增加實踐經(jīng)驗和提高實踐能力，更好地掌握理論知識和實驗技能。同時，實驗教學的課題設置也需要結合學生的實際情況和實際要求，進行創(chuàng)新和變革，使實驗教學更符合學生的需求。

此外，教師通過帶學生到課題組觀摩學習，幫助學生了解學科前沿知識和實踐操作。教師通過將部分課題內(nèi)容以競賽的方式展開，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，使學生在實踐中發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，鍛煉學生交流、合作、互助的能力。

2.3 以學生為中心的教學方法

使用傳統(tǒng)的教學方法，學生的參與度不足，不能充分發(fā)揮實驗課程的優(yōu)勢。實驗課程是激發(fā)學生興趣、調(diào)動學生參與創(chuàng)新活動積極性的有效途徑。生物化學實驗教學內(nèi)容與教學組織形式的改革需要通過以學生為主體的教學方法來實現(xiàn)教學預期目標。以學生為中心的教學方法是以學生的需求和興趣為出發(fā)點進行教學設計，讓學生成為學習的主體，教師成為學習的引導者和幫助者。教師根據(jù)學生的興趣、需求、能力方面的差異，設計和實施教學活動，以提高學生的學習效果和發(fā)展?jié)摿ΑＵn程通過實驗探究式教學法、問題驅動式教學法以及展示活動來提高學生在教學過程中的參與度，培養(yǎng)學生的應用創(chuàng)新能力。實驗探究式教學法強調(diào)學生自主探究、感知與思考，通過設計生物化學實驗，讓學生在實踐中探索實驗結果，利用學生的求知欲來激發(fā)學生的主觀能動性。問題驅動式教學法通過設問題，讓學生自主查閱文獻，開展小組討論、實驗觀察等活動，進行交流，激發(fā)學生的問題意識，提高學生分析問題和解決問題的能力。展示活動則是通過展覽、報告等形式，讓學生充分展示自己的實驗成果，讓其他學生和教師能夠更好地理解實驗內(nèi)容和思路。

2.4 以能力為導向的考評方式

課程的教學目標是學生能力的提升。單一的實驗報告考評不能及時反饋學生學情，對于學生實驗能力與科研思維提升的作用有限。建立考核與指導并重、實時向學生反饋的考評方式，能夠更為有效地提升教學效果[14]。

在進行考評方式改革時，一方面，保留了實驗報告的評價方式。實驗報告作為評價實驗教學的主要方法之一，不僅能夠提高學生的寫作能力，同時也對學生的實驗操作能力、理解能力等方面進行評價。另一方面，制定綜合評價體系，對學生的綜合能力進行考評。教師針對不同的實驗內(nèi)容，可以設定不同的能力指標，如實驗設計能力、實驗操作能力、數(shù)據(jù)分析能力等。此外，在實驗教學中，學生的參與度和合作能力也是非常重要的，應該注重評價學生的團隊合作精神，提高學生綜合思考和協(xié)作能力。通過制定能力達標的具體表現(xiàn)和相應的得分標準，教師在觀察學生的實驗操作、數(shù)據(jù)記錄和分析的過程中，評估他們的能力表現(xiàn)，并按照考評標準給予相應的評分。根據(jù)考評結果，教師及時向學生反饋其能力表現(xiàn)和存在的不足之處，幫助他們提高實驗能力。以能力為導向的實驗教學考評方式，可以更加客觀、公正地評價學生的實驗能力，促進學生能力的全面提升。

3 教學效果

綜合性和創(chuàng)新性的生物化學實驗教學，對于生物學專業(yè)學生的專業(yè)素質和實踐能力的培養(yǎng)具有重要作用。近年來，通過對生物化學實驗教學進行綜合性和創(chuàng)新性改革，其教學效果得到了顯著提升，不僅體現(xiàn)在學生的實驗成績、教學滿意度、目標完成度等教學指標上，更重要的是學生的創(chuàng)新應用能力得到了有效提升。

一方面，綜合性和創(chuàng)新性實驗教學模式的引入，使得生物化學實驗教學更加貼近實際應用。在傳統(tǒng)的實驗教學中，學生只是進行簡單的實驗操作，難以體現(xiàn)生物化學實驗的綜合性和創(chuàng)新性。而在綜合性和創(chuàng)新性實驗教學中，通過引入不同學科領域的知識和實踐技能，使學生能夠更好地理解生物化學實驗的相關概念和應用方法，學生的知識水平和實驗技能得到提高，拓寬了學生的視野，提高了學生的綜合素質。另一方面，創(chuàng)新性實驗教學激發(fā)了學生的創(chuàng)新思維，提高了學生的實踐能力。在實驗過程中，學生需要自主設計實驗方案，探索未知領域，從而培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。這種創(chuàng)新能力的提高能夠鼓勵和幫助學生參加學科競賽。近年來，西北工業(yè)大學生命學院學生在中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、國際遺傳工程機器大賽中屢創(chuàng)佳績，參賽人員的覆蓋面也越來越廣。

4 結語

綜合性和創(chuàng)新性生物化學實驗教學從教學內(nèi)容、教學組織形式、教學方法及考評方式等方面開展改革，注重理論與實踐相結合、知識與能力并重、創(chuàng)新性和實用性相統(tǒng)一，培養(yǎng)學生現(xiàn)代科學思維，有效促進學生知識、能力、素質的全面提升，在生物化學實驗教學中發(fā)揮著不可替代的作用。