生命科學不同專業生物化學實驗課教學改革的探索與實踐

謝 青, 楊廣笑

(華中科技大學 生命科學與技術學院, 湖北 武漢 430074)

我校生命科學與技術學院成立于1984年,由成立之初的生物醫學工程和生物技術專業2個本科專業,發展到現在的生物醫學工程、生物技術、生物信息、生物科學和生物制藥5個本科專業,其中包括2個國家基地班,一個貝時璋菁英班和一個卓越工程師班[1]。生物化學實驗課是生物科學及其相關學科的重要專業基礎課之一[2-4],生物化學實驗課是我院所有本科專業的必修平臺課程。

我院的生物化學實驗課教學主要面臨以下幾個問題需要解決：交叉專業較多,如生物醫學工程、生物信息和生物制藥專業,學生需要學習的課程較多,實驗課課時嚴重不足；生物醫學工程專業的學生數學和物理等相關學科課程要求較高,而化學及其相關課程的實驗技能訓練較少,學生化學實驗技能比較薄弱,而生物科學與生物技術專業的學生化學知識與技能較強；學生對實驗課的認識不足；有些專業缺乏合適的實驗教材。多年來根據不同專業和學科特點,在按照教學大綱圓滿完成生物化學實驗課方面做了大量的探討[5-8],總結出了一套行之有效的適合不同專業的生物化學實驗教學模式。

1 調整教學大綱,根據專業不同安排實驗學時與實驗內容

生物化學實驗課一般在二年級開設,此時的學生已經在大一階段學習了無機化學、有機化學和分析化學的理論與實驗課。由于專業不同,我院各專業生物化學實驗課的課時也不盡相同。生物醫學工程、生物制藥專業和卓越工程師班的生物化學實驗課只有24學時,安排在大二的上學期完成；而生物科學、生物技術等專業是48學時,安排在大二的整個學年完成。 大二第一學期的24學時,各專業都是學習生物化學方面的相關知識和實驗技能,第二學期的24學時主要是學習生物技術的相關內容。大二第一學期的實驗課主要是為了配合理論知識的學習理解,按照生物化學的教學內容來安排實驗課內容。

為生物醫學工程、生物制藥專業和卓越工程師班安排的實驗內容和順序是“實驗一,3,5二硝基水楊酸法測定還原糖和總糖” “實驗二,Folin酚法測定血清蛋白質含量”“實驗三,醋酸纖維薄膜電泳法分離血清蛋白質”“實驗四,堿性磷酸酶米氏常數的測定”“實驗五,真核生物基因組DNA的提取”“實驗六,肝臟谷丙轉氨酶活力測定”。每個實驗為4學時。

生物技術等其他專業第一學期的實驗一、實驗二、實驗三和實驗六的內容同生物醫學工程專業,但不做實驗四,而是將實驗五的內容延伸為“實驗四,真核生物基因組DNA的提取、酶切和瓊脂糖電泳”共8學時。這樣,在第一學期的實驗課中,生物化學所涵蓋的糖類、氨基酸、蛋白質、核酸、酶等代謝內容都有涉及。生物技術等其他專業和基地班大二下學期還有24學時的生物化學實驗課,實驗內容分別為“實驗六,堿性磷酸酶測定米氏常數,不同溫度和pH值條件下堿性磷酸酶活性的測定”(8學時), “實驗七,聚丙烯酰胺凝膠電泳技術分離蛋白質”(8學時),“實驗八,柱層析技術分離氨基酸”(8學時),主要安排的是生物科學研究中常用的技術,打下堅實的專業基礎。

2 合理安排實驗順序,改革教學方法

所有專業的生物化學的第一個實驗都是“3,5二硝基水楊酸法測定還原糖和總糖”的實驗內容,這樣安排的目的，一方面可以和理論課教學在時間上相匹配,另一方面該實驗的步驟都是最基本的生物化學實驗技術, 有充分的時間可以使學生學習并掌握正確的實驗操作。 像生物醫學工程專業這樣化學技術比較薄弱的學生,經過反復練習,實驗技能普遍得到提高,為后續實驗內容的順利開展打下了很好的基礎。在每個實驗的講解過程中注意以點帶面,通過一個實驗讓學生對相關的實驗內容都有所了解。例如第2個實驗,安排Folin酚法測定血清蛋白質含量,在講解過程中通過提問等方式讓學生回答有幾種測定蛋白的方式,每種實驗方式的原理是什么,這樣在一問一答中不僅復習了蛋白質結構方面的特點,而且和學生一起總結生物物質含量的測定有幾種常用的方法。雖然只做了標準曲線法,但學生對外標法和內標法等方法也有了解。讓學生通過一個有代表性的實驗,掌握多種實驗方法和實驗設計。

3 根據專業不同有針對性地制作課件

針對每個實驗內容都做了微課視頻錄像,這對實驗教學很有幫助。按照專業不同,分別制作了不同的PPT課件。生物醫學工程專業學生第一個實驗“3,5二硝基水楊酸測定還原糖和總糖”實驗的PPT中,特意比較詳細地制作了有關分光光度計原理的機器內部構造的內容。還制作了微課視頻和虛擬實驗,讓學生提前預習正確的實驗操作方法,例如在真核生物基因組DNA的提取實驗教學中,如果學生操作不對,容易造成基因組DNA的降解。視頻的模擬可以讓學生很直觀地看到由于不正確操作所導致的結果,所以學生在自己的實驗中就會很小心地來完成,即使由于操作不當,導致A260/A280大于了2.0,學生在實驗報告中也會對實驗結果做出正確的總結,并分析自己的失敗是由哪幾步的失誤造成的。

4 將一些驗證性的實驗內容改成探究性實驗

生物技術和生物科學等專業和基地班的“實驗六,堿性磷酸酶測定米氏常數,不同溫度和pH值條件下堿性磷酸酶活性的測定” 是一個驗證性的實驗內容,但在教學方式上進行改革,把這個實驗作為探究性實驗內容來完成。這個實驗安排在大二的下學期,要求學生每4人一組,各小組提前學習了解“堿性磷酸酶的米氏常數”相關實驗內容及藥品的配制等實驗步驟,然后分工協作共同來完成藥品的配制。在實驗中學生會發現由于每次購買的堿性磷酸酶的活性或含量的差異,做出來的結果是與X軸基本平行的一條直線,找不到與X軸方向的交點,這樣通過作圖法就求不出米氏常數。引導學生溫習理論課學到的酶促反應的相關知識,從酶的活性、底物的量、反應是否完全等幾個方面來考慮,并重新設計實驗,經過多次修改實驗加樣參數,最終得出一條完美的曲線,然后再按照自己探究出來的最佳參數,完成不同溫度和pH值等對酶促反應影響的實驗內容。

5 因材施教,探索適合的教學方法和教學模式

生物化學實驗課采取小班教學,每班學生人數不超過24名,這樣就可以保證每個學生能夠獨立操作完成每個實驗。 根據專業的不同,課前講解的內容也不同,例如生物醫學工程等專業的學生重點強調實驗的原理和實驗操作中的關鍵點和注意事項,對于生物技術等專業的學生,還要提出一些延伸性的問題,拓展學生的視野。對于那些對實驗感興趣的學生,安排他們做“小老師”,這項制度在我院已延續了十幾年[9],培養了一大批優秀的生物科學后續人才,他們的專業知識和實驗技能得到了國內外專家的認可。同時“小老師”輔助實驗教學也是一個很好的教學方法,學生之間的互相指導和學習可以提高學生的學習興趣,也可以拉近教師和學生的距離。

生物化學實驗課的教材根據專業不同而不同,對于生物醫學工程、生物制藥和卓越工程師班用自編教材,而生物技術和生物科學等專業用出版教材,同時還給學生選定了一些參考書,以開闊學生的視野。

近幾年我校實行“責任教授制度”,生物化學和分子生物學教學團隊是第一批入選的教學團隊[10],每年學校也有經費投入,提高了一線教師的待遇。

幾十年來,在針對我院不同專業的生物化學實驗教學改革的實踐中積累了豐富的經驗, 取得了一定的成績,在湖北省大學生學生生物技能競賽中連續2屆學生的生物化學單項賽都取得了第一的成績。每年都有一批優秀的本科畢業生進入國內外著名的科研院所讀研深造。

我院實驗教學工作還有待進一步的改進[11-12]。

(1) 進一步深化實驗教學改革和課程建設。隨著生命科學與技術的發展和教育理念的更新,將不斷深化實驗教學改革,進一步培養學生參與實驗的興趣,增加生物學和其他學科相交叉的實驗內容，擴大設計性及創新性實驗的比例,同時以選修課或二課的方式提供一些自選實驗,培養學生的科學探索精神和創新能力。

(2) 加強教材建設。在不斷實踐的基礎上修訂現有的實驗教材,重新編寫新的適用于工科專業的生物學相關實驗課教材,通過教材建設凝練與推廣教學成果,提高人才培養的質量。

(3) 通過我院工科專業學生的生物學相關實驗課教學實踐,總結并摸索出一套比較完整的實驗教學方法,將某些生物學及其實驗課作為全校的公共平臺課,面向全校其他工科專業的學生開放。同時通過各種培訓和交流活動,積極推廣實驗教學經驗和成果。