以慕課為基礎在生物化學實驗課程中引入情景設計式開放實驗

盧彥，張冬梅，李俊，劉新建，汪水娟

(南京大學 生命科學學院，南京 210000)

生物化學實驗課程是一門與生命科學相關的專業基礎必修課。實驗內容主要是針對生物功能分子，如核酸、蛋白質、多糖、維生素和酶，進行分離純化、定性定量和活力測定等多維度的實驗，同時該課程還涉及了生化研究中的常用儀器，如分光光度計、分析天平、電泳裝置和層析裝置等的操作。因此，生物化學實驗綜合了操作性、驗證性和綜合性等實驗項目，通過實驗訓練，有助于學生通過掌握生化的主要方法與技術，進一步加深對書本理論知識的理解和記憶，同時通過反復操作樣品試劑和儀器設備，形成肌肉記憶，提高協調性和動手能力。

在生物化學實驗課程授課過程中，傳統授課方法是由教師講解過程，并演示實驗關鍵步驟，再由學生完成實驗。由于課時有限，往往教師的課堂演示無法充分展示實驗進行的動態與狀態。在早些年，考慮到這些問題，本教研室已經完成實驗演示的課程錄影工作，但是由于課堂放映時間有限，課后學生自學不及時，存儲播放介質缺乏，同時實驗項目與器材更新快，實驗錄影并沒有起到預想的效果。

慕課(MOOC)，即大規模在線開放課程(Massive Open Online Course)，是指受教育者通過互聯網獲取免費學習資源，進行有效學習的一種開放網絡課程集合。同時，慕課還匯集了課程視頻、閱讀材料、測試題及交流論壇等方面的功能。因此，慕課具有規模大、開放程度高、學習時間靈活和學習資源豐富等一系列特征，能夠在一定程度上促進學生自主學習，并提升師生之間的交流與互動的效率[1]。基于此，我們在2018 年底上線了南京大學第一個實驗操作型慕課——生物化學實驗[2]，經過兩年多的線上線下教學實踐，我們總結了以相關慕課為基礎的實驗教學改革經驗，即以情景設計式開放實驗為特色的生化實驗課程。

一 情景設計式與自由開放實驗

“開放實驗”是檢驗學生課堂學習效果的有效手段，通常會作為考試實驗或生化高階實驗的一部分[3]。但是在“前慕課”時期，由于學時的壓縮導致學生實驗操作減少，無法獨立展示實驗設計，因此，通常只能給少數選修高級生化實驗課程的學生開放。隨著慕課的開放和小規模限制課程(SPOC)(學校專有課程)的線上線下同步化，學生可以先行學習大部分生化實驗的原理和操作，充分了解生化實驗室的現有裝備，為設計開放實驗奠定了堅實的基礎。

基于此，我們首先進行了自由開放實驗的教學改革嘗試。在這個實驗設計中，我們對學生的要求是在慕課演示的實驗儀器和裝備范圍內，即給予學生充分的自由度，甚至還可以申請購買額外的試劑樣品和申請使用科研儀儀器。在改革嘗試中，學生和教師皆投入了大量的物力和精力，取得了良好的教學效果。學生通過開放實驗，從原理和步驟設計，學會了按需求查閱文獻，從結果分析實踐了生物統計操作，尤其從失敗中總結了大量的經驗，進一步體會了生命科學研究的不易。學生自主設計的開放實驗項目選取見表1。

由表1 可知，學生對于自由設計實驗的態度決定了實驗設計的優劣，大部分學生還是選擇簡單改變實驗樣本，而多維度分析，尤其是參數優化、條件選擇等在自主選項中并不多見，但這些參數上的微調往往才是研究工作者日常面對的困境和難題。有少數學生的實驗設計考慮全面，如“蘋果酶促褐變的影響因素及酶促褐變對蘋果營養價值的影響”，但在實驗過程中，由于缺乏對實驗整體耗費時間缺乏認識，往往復雜的實驗最終無法完成的。

表1 自由開放實驗項目選取

針對以上自由開放實驗的缺陷，我們在不同生源中，根據學生基礎、學科特點及學時規劃，進一步改革和完善開放實驗，引入情景設計，以期滿足不同專業學生的學習要求。所謂情景設計，即以真實實驗過程為基礎，設計實驗中的障礙、問題、缺陷和不足，引導學生設計實驗，解決問題并進行實踐。

二 情景設計式開放實驗的實例

情景設計不僅明確了自主實驗的目的，優化了實驗實施過程，同時還調動了任課教師的參與性，鼓勵學生針對性地查閱文獻，加強師生互動。圖1 為情景設計實驗的基本流程。下面我們將以醋酸纖維薄膜電泳分離血清蛋白質為例，具體說明該開放實驗的設計與完成過程。

醋酸纖維薄膜電泳由于操作簡便、分辨力高和電泳時間短等優點，在很多方面被廣泛應用。同時，醋酸纖維素薄膜電泳也被列為生物化學實驗教學中的經典實驗之一，在慕課中有詳細的實驗過程和講解。其主要的實驗目的為：①掌握血清蛋白質各組分的等電點、相對分子量和酸堿性等基本性質；②學習電泳分離蛋白質的基本操作；③了解如醋酸纖維薄膜等薄膜電泳介質的屬性，同時和其他蛋白質電泳方法進行比較。該實驗的過程緊湊、結果明確且完成度較好，但是從以往的實驗過程中也發現了很多主觀和客觀問題，筆者從圖1 方法中收集到一些典型的情景，例如，①實驗中使用的緩沖溶液-巴比妥/巴比妥鈉緩沖液(pH=8.6，離子強度0.06 mol/L)，屬于麻醉類藥品，普通渠道無法采購獲得，而且在本實驗中用量較大存在安全隱患。②用于替換的磷酸、硼酸緩沖溶液分離度差，電泳條帶模糊。③人血清為生物管制類制品，涉及醫學倫理和傳染源性危害，較難獲得。④醋酸纖維薄膜因市場需求不足導致工廠停產。筆者將這些問題呈現給學生，并要求學生結合實際實驗結果，擬定針對且不僅限于以上4 點的情景進行實驗重設計或優化設計。從上交的實驗設計中，發現學生們還提出了其他問題。如，點樣量的控制、電泳條件優化和計算機處理分析等各種實驗遇到的瓶頸，并給出了相應的解決方案，如圖2 所示。

圖1 情景設計式開放實驗的基本流程

圖2 學生擬定的解決方案

匯總以上開放實驗的結果，得到了如下結論。

1)pH 為8.6 的磷酸緩沖液與硼酸緩沖液的分離效果相當，都可以用以取代原巴比妥緩沖液。

2)文獻中采取的訂書機或濾紙點樣法不可行，效果差。

3)如圖3(a)所示，雞蛋清液離心后取上清，采用一定比例的雞清和水混合作為血清的替代品，電泳實驗可行，且電泳效果優于血清。

4)由于電泳條帶不清晰，硝酸纖維薄膜不適合在本體系里使用，其原因可能是介質的電荷影響。

5)如圖3(b)所示，牛血清不適合替代人血清，因此電泳條帶較少，且區分度差，可能是由于牛血清中含非蛋白雜質較多影響電泳，此外本實驗采用的牛血清經過了細胞無害化處理，也可能導致電泳后呈現的蛋白質條帶較少。

6)牛奶中粗提取的酪蛋白不適合作為蛋白質電泳上樣，主要是酪蛋白不易溶解于水，如圖3(c)所示，用堿性溶液助溶，則酪蛋白易發生水解，產生大量碎片肽鏈，電泳條帶不可見。

從實驗整體情況分析，約有一半實驗組沒有得到與實驗預設一致的結果，大部分的學生能在結果不理想的時候積極調整實驗設計，進一步優化實驗步驟。但也有少部分學生不能很好地理解開放實驗的容錯性，對結果表示沮喪，擔憂實驗“不成功”帶來的負面影響。此時需要任課老師積極介入，如解釋“陰性”結果也是一種結論。并鼓勵他們在課后，通過結合來自各方的信息，如文獻、平行實驗組等，分析實驗數據，在得到確實的結論后，從橫向和縱向展開有效的討論，給出合理化的建議。以上實驗過程經過充分的組間交流和工作匯報，不僅豐富了學生的實驗“實戰訓練”，同時也為今后的教學工作提供了優化改進的線索。

例如，“牛奶中提取和純化酪蛋白”是生化實驗課程中的一次基礎實驗，完成該實驗后，部分學生對自己提取的酪蛋白產物是否能作為目標蛋白產生了興趣，于是積極設計了相關實驗。由于前期缺乏對酪蛋白的基本物化性質的考察，在實驗過程中無法得到足夠的酪蛋白溶液，因此預實驗沒有電泳(染色)成功。于是在二次實驗時，該組同學補充了其他溶解性較好的商品化蛋白質，如牛血紅蛋白和牛血清白蛋白作為平行參照(圖3(c))。雖然沒有獲得設想中的單一條帶，但是學生們在實驗報告中加入了積極的討論和思考，摘抄如下“①在清水(約50 mL)中所取酪蛋白(約2 g)不易溶解，溶解度過低從而導致在溶液中酪蛋白含量過少，導致酪蛋白電泳效果不好。加堿溶液后溶解度會變高，但此次實驗所加堿溶液濃度和量(0.16 g NaOH 溶于10 mL 去離子水)較少，效果提升不明顯，最終酪蛋白溶液濃度仍然很低，所以酪蛋白的電泳結果是空白，幾乎沒有酪蛋白存在。②點樣過多，醋酸纖維薄膜上牛血紅蛋白和牛血清白蛋白的量過多，從而使電泳條帶很寬。③在配置蛋白質溶液時，沒有精確稱量蛋白質固體質量和蒸餾水的體積，導致對蛋白質溶液濃度沒有定量，濃度或高或低，電泳結果十分不理想。④根據文獻、牛血紅蛋白等電點高于牛血清白蛋白，牛血紅蛋白所帶電荷少于牛血清白蛋白，因此在實驗結果中可以明顯看到，在相同電泳條件下，牛血清白蛋白的條帶擴散范圍更廣，而牛血紅蛋白的條帶則相對集中。該差異也有可能是因為初始點樣時兩種蛋白的量不同而造成的。(19 級醫學院李粵)”

圖3 醋酸纖維薄膜實驗情景設計實驗結果摘選

目前在生物化學實驗課程開放實驗中我們設計了兩種情景，除上述的醋酸薄膜纖維電泳實驗以外，我們還提供了“牛奶中酪蛋白提取”的實驗框架，具體提供了以下常見實驗情景，如提取實驗中蛋白質在等電點時不沉淀，抽濾時無法抽干，粗提成品發黃和酪蛋白成品粘度高等。

三 情景設計式開放實驗的效果

在2018—2020 學年中，我們對350 名參加開放實驗的同學進行了無記名的問卷調查。結果顯示，有大部分的學生(85.7%)用于準備開放實驗設計的時間在3～5個小時，而有預習常規實驗習慣的同學僅有8.29%，說明開放實驗加強了學生自主學習的動力。同時，100%的學生都表示在設計實驗時需要不斷查閱資料，小組討論，進行改進，說明了該實驗促進了學生自我提高的意識。有71.4%的學生認自主實驗設計作為考核手段，新穎、全面且難度不大。有90.0%學生認為，情景式自主實驗選題難度中等，可以邊學邊提高，當然也有10%的學生認為選題比較難，需要花費一定精力，該調查結果與我們的預期基本一致?？紤]到時間耗費因素，我們鼓勵組隊完成有一定復雜度的實驗設計。以上調查結果顯示，實驗改革探索初顯成效，值得推廣。

四 情景設計式開放實驗的經驗與反思

情景設計式開放實驗既可以增加傳統實驗課程刻板、教條的印象，又可以彌補自由開放實驗的線索過多，角度過寬的缺點。但是該實驗要求課外補充資料的質量和信息量到達一定的基數，另外對任課教師相關經驗的要求較高。對于前一點，我們以慕課做為支持，除了有詳細的實驗原理、完整的實驗步驟，還有進一步的結果討論和分析，甚至有實驗常見問題分析，這都是可以作為引導型設計實驗的線索。同時我們還可以在慕課的網頁討論中增加相應的情景式設問，調動學生積極反思。不可否認，不同學習基礎和態度決定了開放性實驗設計和成果的展現，少部分學生積極性高，愿意與教師互動，愿意多付出時間與行動，展現出了優質、甚至更出人意料的原創設計。但大部分的學生囿于各種既定思維，無法完成全面深度思考，設計的實驗浮于表面、流于形式，更有甚者只做簡單的抄襲。對于這些有問題的實驗設計，最好的解決方式是采用多輪提交和修改：開學初期布置任務—中期收取protocol—臨期修改及公開討論—最終版，在往復修回過程中，需要任課教師積極參與，形成良好的討論氛圍，利用微信、QQ 或各種教學即時溝通軟件是重要且有效的手段之一。同時，建立研究小組或團隊，進行公開的演講和討論，也是優化實驗設計的必要的輔助手段。此外，高年級或研究生教學助理對于開放實驗的順利開展起到了關鍵作用，同時也加強教學助理應對各種實驗突發情況的處理能力。

五 結束語

高等教育應該引導學生開放性的思考，而不是一味地尋找正確答案。從實踐出發，逐漸讓學生認識到高階的研究工作通常沒有現成的標準答案，只有“因地制宜”式的更好選擇。指導學生于細微中發現問題，溯本追源，進一步設計方案解決問題，是深化實驗教學改革的重要方向。同時培養學生直面問題，并鍛煉脫逃于研究困境的能力，也是塑造當今社會創新型人才的關鍵。