多元教學模式在生物化學實驗課程的探索與實踐

程欲 張捷平 王鶴 吳世代

[摘 要]生物化學實驗是生命科學領域重要的實踐課程，以理論授課為基礎的教學模式難以調動學生的積極性，難以激發學生的科學精神、創新能力和創造性思維。作者通過優化實驗課程教學模式，在驗證性實驗教學中以關鍵問題為牽引，夯實學生的理論基礎與技能基礎，引導學生構建知識體系;在探究性實驗教學中以自主探索為主線，激發學生的興趣，調動學生主動思考的積極性，實現從理論到實驗再到理論的良性循環;利用信息化平臺良好的實時性和互動性，拓展知識，模擬實驗過程，不斷提升學生自主學習和分析研究的能力;同時科學優化實驗課程評價標準，精準監測學生學習的過程及效果，及時提供合理建議。

[關鍵詞]驗證性實驗;探究性實驗;生物化學實驗課程;實驗教學模式

[中圖分類號] G640 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）12-0098-03

生物化學是一門依托化學基本理論與技術研究生物體的綜合性學科，是揭示生命活動的重要工具學科，也是生命科學的前沿科學，具有很強的實驗性[1]。因此，生物化學課程教學應該重視將理論知識與動手實踐相結合，引導學生利用現有基礎理論在驗證性實驗中提高操作的準確性，從探究性實驗中歸納總結理論知識，進一步提升分析問題和解決問題的能力，培養科研的思維與能力。

目前，我國生物化學實驗教學主要采取以授課為基礎（lecture-based learning，LBL）的教學模式[2]。實驗課程前期由實驗教輔人員準備實驗材料及相關儀器，任課教師串講實驗內容，課內學生依照實驗指導書上的既定步驟完成基本教學任務。全過程更多的是在重復示教的內容，學生沒有切實參與到實驗的準備與設計中，缺乏主動思考與探究，很難對操作實踐有科學認識，更談不上科研思維的形成。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》將學生的科學精神、創新能力和創造性思維等放在突出培養的地位[3]。因此，要優化實驗課程中較為單一的LBL教學模式，體現以學生為主體的教育理念，提升學生參與實驗實踐的興趣，針對不同實驗類型采用不同的教學模式和方法[4-6]，以期收獲更好的教學效果，并在完成實驗課程具體大綱任務的同時，細化實驗課考核機制的相關評定指標，使其更具可操作性[5-8]。

一、深化對驗證性實驗的掌握，打牢理論基礎

開展驗證性實驗有助于加強學生對理論知識的深刻理解與重塑拓展，是實驗性科學重要的人才培養環節。生物化學實驗課程一般在大學二年級開設，此階段的學生有一定基礎理論知識積累，但實驗技能相對較弱。作為后續專業課的理論與技術基礎，實驗課程教學需要循序漸進，以LBL教學模式作為基礎，聯系生物化學理論部分講授的知識點，開設以扎實掌握實驗基礎技能、鞏固理論體系為目的的驗證性實驗，通過授課教師的引導，使學生熟悉實驗技術路線，鍛煉基本實驗技能與儀器操作規范，進而將學習重心逐步推進到利用所學理論知識分析實驗結果。

比如“堿性磷酸酶Km值的測定”這一實驗，需要學生從理論知識和實驗操作兩個層面做好充分準備才能夠順利完成實驗：在理論知識層面，回顧“酶促反應動力學”相關知識（如米-曼方程、Km、林-貝作圖法）、數據處理（如借助Excel工具）;在實驗操作層面，學習并掌握微量加樣器、移液管和分光光度計的使用等基本實驗技能。通過引導學生回答“實驗中底物液、血清、緩沖溶液、顯色劑的作用是什么？反應實際體積是多少？”這一連串的問題，幫助學生認識實驗基本原理和厘清實驗整體設計思路，并適時地結合討論“Km在酶促反應動力學中的意義是什么？測定值Km為何用吸光度A值代表酶促反應速率？”這樣的問題來強化學生對理論知識的認識。學生實際動手能力的差異，使得實驗呈現的原始數據各不相同，這也增加了實驗數據的分析空間。驗證性實驗在成熟的反應體系及規定的反應條件下，其最終結果存在明確的參考范圍（指標）。學生可以通過后期的數據分析，以結果反推實驗過程，反思具體操作中的得失，查漏補缺，同時與其他同學橫向比較多組實驗數據，總結不同實驗數據間的差異，挖掘實驗深層規律。

驗證性實驗是以教師講授關鍵問題為引導，梳理實驗項目整體技術路線，講解、示范具體實驗操作技術，提示容易出錯（忽略）的“關節點”;學生通過規范化的訓練，系統地鍛煉實驗思維與技術，通過不斷地練習和總結經驗，將理論知識與實驗相聯系，從而構建自己的知識結構體系。

二、開放探究性實驗，推動知識轉化

經過多次驗證性實驗的訓練，學生能夠較為熟練地掌握基本操作技能，了解了實驗思路的推進過程，形成了初步的實驗思維，基本具備了將生物化學實驗課程主導權從教師移交給學生的條件。課程后期（接近全程的2/3階段），教師布置學生組建學習小組，安排開放性實驗項目，提升學生的實驗綜合能力。學生需要通過小組協作完成查閱資料、擬定實驗計劃、設計項目技術路線、預約實驗室及儀器設備、配置實驗試劑、實施具體實驗操作以及獲取實驗數據后進行處理分析等一系列具體的探究性實踐操作。

現以“電泳法分離血清脂蛋白”這一實驗項目為例加以說明。教師提前1個月將實驗題目布置給學生，同時安排他們組建每組3～4人的實驗小組并選定負責人。探究性實驗需要學生自主查閱資料，包括不同生物來源的血清、電泳類型、基本原理、具體實施步驟等。具體實驗方案擬訂好后，學生與教師討論其可行性，待方案較為成熟后方可開始推動實驗的具體實施。教師提供不同生物材料的血清（如牛、羊、鼠、兔等），實驗小組各選至少2種血清材料進行實驗。電泳類型可選擇醋酸纖維薄膜、聚丙烯酰胺、瓊脂糖等類型。學生在預先掌握實驗原理的基礎上，可以聯系實驗教輔人員利用課余時間準備實驗試劑，預約實驗室及相關儀器設備。在確保實驗安全的前提下，教師監督學生完成具體實驗檢測操作。不同類型的電泳對血清脂蛋白的分離效果存在差異，通常需要重復3～5次實驗，才能得到較為滿意的實驗數據（圖譜）。最后提交的實驗報告，需要學生闡述完整的實驗原理、操作步驟、分析實驗數據（圖譜）。通過前期準備，學生需要能夠理解并解釋實驗現象所呈現的一系列相關問題，比如不同實驗來源的血清的差異是什么？同種來源的血清在飽食與饑餓狀態下分離的脂蛋白是否存在差異？怎樣提高實驗數據（圖譜）的分辨率？哪些實驗技術可以分離脂蛋白？

探究性實驗的過程較為煩瑣，尤其是多因素的影響會導致更多不確定性的出現;通過實驗試劑的配制，學生的主動性得到提高;執行儀器與實驗室的預約制度，有助于培養學生的科研規范意識;后期復雜的實驗結果分析，拓展了學生理論知識的深度。這一系列實驗實踐，需要教師與學生共同投入大量的時間與精力。翻轉了課程主導權，給學生留出操作空間，也使得學生通過實驗體會更加深刻，能力提升更加顯著。這樣的教學有助于真正實現從理論到實驗再到理論的良性循環，激發學生投入實驗的熱情，展現學生的科研思路與鉆研精神。

三、依托信息化平臺，拓展學用能力

隨著學生的成長、進步，能力培養需要從培養基礎實驗技能轉變為培養科研思維。然而，受限于基礎實驗條件的更新速率，我們需要借助現代虛擬仿真和微課實驗教學來豐富、完善生物化學實驗課程內容。加強信息化平臺的有效應用，有利于拓展實驗類型，節省實驗耗材成本，使學生可以反復學習、操練。部分本科階段較少接觸的分子生物學實驗，如“熒光定量PCR”“Sanger 雙脫氧法測序”“蛋白質印跡（Western blotting）”等技術，部分實際開設的實驗，如“堿性磷酸酶Km值的測定”“凝膠層析”“飽食與饑餓小鼠肝糖原的比較”等實驗，都可以讓學生通過信息化平臺，利用碎片化時間，不受空間限制，多次模擬具體實驗過程，最大限度地助力學生實現知識的內化。

實驗技能的掌握是一個熟能生巧的過程。例如，微量加樣器的使用需要從主體結構開始了解儀器的構成，量程的選擇，取液、放液的手勢，移液槍頭的更換等過程。這些內容僅靠實驗課前教師的講解，學生是無法現場全盤消化吸收并付諸實踐的。學生借助信息化平臺開展預先學習，儲備相關知識技能，可以將有限的課時高效率地應用于關鍵部分的學習。

實驗結果的“可視化”方面，也是信息化平臺的強項。現以“基因組DNA的提取與驗證”這一實驗為例加以說明。由于分子生物學實驗過程存在“量少”“不可見”的特點，教師在講授具體實驗操作時，學生對于“DNA是否已經提取”“體系是否加樣”“體系是否充分混勻”等問題難以把握，教師單憑描述很難將具體感受傳遞給學生。而虛擬實驗的動畫呈現形式，能夠通過特定實驗操作手法幫助教師很好地將“不可見”的物質展現出來。學生只要遵循操作規范，就能保證實驗過程的準確性和結果的可預見性。

探究性實驗對學生知識的需求量很大，信息檢索的運用為學生迅速打開科研思路、確立具體的操作方案和分析實驗困境提供了支持。同時，信息化平臺還可以助力打破“課堂”的界限，讓實驗的思路隨時隨地得以實踐和驗證，讓實驗團隊的溝通交流變得實時、順暢。

四、優化實驗評價方式，提升教學效果

課程評價是檢驗課程教學實施效果的有效手段，始終貫穿于實驗教學的全過程。生物化學教學實踐目的不同，成績評定方式有所不同，評價構成占比也有所差異。其中驗證性實驗作為生物化學實驗基礎課程的主體，占課程總成績的比例為60%，探究性實驗作為有效提升能力的部分則占40%。

驗證性實驗階段，以考查學生實驗基礎技能為主要任務，成績以教師評定為準。主要從基礎實驗技術規范（如微量加樣器、移液管、容量瓶、勻漿器等操作規范），實驗儀器如分光光度計、電泳儀、離心機等，數據處理合理性，實驗報告書寫規范等方面進行評定。其具體評分標準如表1所示。

探究性實驗階段，以考查學生實驗思路的完整性和分析能力為主要任務，成績由教師與學生共同評定。教師評定部分主要從實驗的設計、準備、操作、結果方面評定，其具體評分標準如表2所示。學生評定部分主要從實驗參與度、實驗結果貢獻率、團隊協作能力方面進行評定，其具體評分標準如表3所示。

五、結語

隨著我國對教育教學投入的增加，學生實驗實踐類課程的早期介入，實驗基礎技能在實驗教學實踐中逐步前移至中學階段、信息平臺。這樣的教育大背景將會弱化驗證性實驗培養基礎實驗技能的教學功能。因此，在后續的探索實踐中我們會針對講授的專業、實驗教學的師生比例、基礎實驗室條件，適時地調整成績評定權重，以適應科研能力培養的需求。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 付曉紅，許志臻，閆小晶，等. 生物化學與分子生物學實驗教學改革初探[J].中華醫學教育探索雜志，2019（2）：131-134.

[2] 楊衛東，康飛，馬溫惠，等.整合LBL、PBL、CBL、TBL和RBL等多種教學方法進行核醫學教學[J].標記免疫分析與臨床，2019（10）：1775-1777，1791.

[3] 國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作小組辦公室.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）[EB/OL].（2010-07-29）[2021-10-13].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A01/s7048/201007/t20100729_171904.html.

[4] 閆國棟，程瑛琨，周毓麟，等.生物化學實驗教學課程化體系與方法的改革探索[J].高校生物學教學研究（電子版），2015（1）：41-46.

[5] 謝青，楊廣笑.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[J].實驗技術與管理，2018（9）：211-213.

[6] 謝青，楊廣笑.對探究性實驗課建設的思考與實踐：以生物化學實驗課為例[J]. 高校生物學教學研究（電子版），2019（5）：45-47.

[7] 岳紅，張淑芳，田小海.高校生物化學教學現狀分析與改革創新研究[J].創新創業理論研究與實踐，2019（19）：16-17.

[8] 周義發，孫琳，蘇紀勇，等.生物化學綜合實驗課程改革探索[J]. 實驗室研究與探索，2019（11）：191-196，208.

[責任編輯：龐丹丹]

[收稿時間]2021-11-01

[基金項目]福建中醫藥大學教育教學改革研究項目（XJJGY1904）。

[作者簡介]程欲（1986-），女，福建福州人，碩士，講師，研究方向：糖尿病抗氧化機制。