項目教學法在生物儀器分析類實驗課程中的實踐

趙偉睿 胡升 楊麗 梅樂和

［摘 要］ 傳統儀器分析類實驗課程通常采用單一儀器的驗證性或觀摩性實驗。這種教學模式的內容簡單且固化，缺乏對學生實驗方案設計，綜合分析和解決問題等高階能力和創新思維的培養；再加之大型分析儀器數量之多和教學時間的限制，實驗教學效果往往難求實效。為了克服傳統《生物化學儀器分析及檢測技術》教學模式不足，作者以生物工程領域常見問題分析為背景；通過建立涉及多種分析儀器且適合本科生的探索性實驗項目；采用基于項目導向的教學法來開展實驗教學。教學實踐表明，基于項目導向的實驗教學方法可以有效提升教學效果。該教學模式不僅可以促進學生對理論知識的理解；而且有助于培養學生的科學思維能力和綜合實驗能力。

［關鍵詞］ 生物化學儀器分析及檢測技術；項目導向；實驗教學；教學改革

［基金項目］2019年度浙大寧波理工學院校級教改項目“OBE理念下‘PBL教學法在《生物化學儀器分析及檢測技術》教學中的實踐與探索”（NITJG-201939）；2019年度浙大寧波理工學院校級教改項目“生物工程專業學生創新實踐能力培養體系建設與完善”（NITJG-201918）；2022年度浙大寧波理工學院專業綜合教改項目“以學生發展為中心的生物工程專業基礎課教學創新與實踐”；2021年度浙大寧波理工學院專業綜合教改項目“面向‘高質量應用型創新人才培養的教學改革與成果培育”

［作者簡介］ 趙偉睿（1983—），男，甘肅蘭州人，博士，浙大寧波理工學院生物與化學工程學院講師，主要從事生物工程研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-11-03

“生物化學儀器分析及檢測技術”是生物工程類專業的一門重要專業課程，是從事現代生命科學領域研發，生產和管理工作的必要知識儲備［1］。該課程主要講授現代生物化學分析儀器的原理、結構、用途和測試方法［2-3］，注重對分析方法的選擇和設計以及對測試結果科學意義的闡釋。該課程是一門理論與實踐緊密結合的課程，教學環節分為理論教學和實驗教學兩部分。其中實驗教學作為理論教學的延伸，對于學生理論聯系實際能力和綜合實踐能力培養起著至關重要的作用；也是應用型和創新型人才培養不可或缺的重要環節［4-6］。

然而傳統儀器分析實驗課程通常采用“單一分析儀器的驗證性或觀摩性實驗”［7-9］進行教學，在教學過程中通過教師先講授分析儀器的原理和結構、實驗要求、實驗步驟和演示實驗，隨后學生按照實驗講義完成實驗并進行實驗報告的撰寫。這種教學模式的實驗內容固化而且相對簡單，僅能簡單地訓練學生的基本操作技能，缺乏對學生自主學習能力、實驗方案設計能力、綜合分析能力和解決問題能力等高階能力和創新思維的訓練；同時由于分析儀器設備普遍價格較高且數量有限；加之課堂時間有限，而供學生進行實驗操作的資源和時間普遍不足，因此教學效果往往難求實效。

新一輪科技和產業革命的形成與發展對創新型人才培養提出了更高要求［10］。為了更好適應時代發展對人才培養的需求，做到以學生學習效果和發展為核心，課程團隊針對傳統“生物化學儀器分析和檢測技術”實驗教學中面臨的問題，對教學模式和方法進行了改革，采用綜合探究式項目教學法來重構課程實驗教學體系（圖1）；同時在項目實施過程中，采用靈活的教學時間，通過小組預約和老師協調的方式，在有限的儀器資源條件下，確保學生有充足的儀器資源和時間進行實驗操作，從而保證教學效果，讓學生在掌握分析儀器基本使用方法的基礎上，鍛煉實驗方案制定、分析和解決問題等高階能力。

一、基于探究項目式實驗教學體系

課程組采用的實驗教學體系和實施方式具體如圖1所示。具體為：（1）實驗項目構建。以生命科學和工程常見分析問題為背景，建立涉及多種分析儀器聯用且適合本科生的實踐型綜合性項目：如大腸桿菌綠色熒光蛋白表達情況分析、松針中總黃酮和花旗松素含量的測定、細菌谷氨酸脫羧酶基因表達情況分析等；（2）學生團隊組建。組建每組不超過4名學生的項目團隊以保證每名學生在實驗過程中得到充分的學習資源；（3）學生制定實驗方案。在老師發布項目任務和介紹項目背景后，學生團隊需要針對項目任務進行協同調研、分析和討論、設計出初步實驗方案，之后與教師討論并對方案進行修正，明確分析測定指標所需使用的分析儀器和實驗方法；（4）學習儀器使用方法。確定最終實驗方案后，學生可以通過線上視頻觀看以及在線下教師指導實踐操作的方式來學習分析儀器的使用方法和注意事項；（5）項目實施。學生在學會使用分析儀器的基礎上，根據制定的方案開展實驗，鼓勵學生利用所學知識解決實驗中遇到的問題，教師在過程中起引導和輔助作用；（6）實驗結果分析。學生自主處理和分析數據并撰寫規范的實驗報告；（7）項目總結。教師對實驗過程和報告進行評價并和學生一起找出項目實施和數據分析存在的問題，進而使學生進行總結和改進。

二、探究項目式實驗項目教學案例

下面以教學體系中“大腸桿菌綠色熒光蛋白表達情況分析”的實驗項目為例對教學設計和實施進行做簡要介紹。

1.教學設計：綠色熒光蛋白（GFP）在現代生物科學和工程研究中有重要的應用價值：如蛋白定位、啟動子活性、蛋白表達情況和蛋白相互作用研究，對其熒光強度進行分析也是現代生命科學與工程常見問題。GFP在藍色波長范圍的光激發下可發出肉眼可見的綠色熒光，這有利于激發學生的實驗熱情、提高學生學習的興趣和實驗體驗感。因此在光譜學實驗中，課程組設計了測定重組綠色熒光蛋白在大腸桿菌中表達情況的微課題。學生需要通過建立蛋白質含量標準曲線、GFP熒光強度與其蛋白含量標準曲線來完成對GFP標準品的濃度測定。菌體破胞液中總蛋白含量和GFP含量定量后，才能最終得出重組GFP在大腸桿菌破胞液中總蛋白所占的比例，并與SDS-PAGE電泳結果進行比對分析。整個實驗項目涉及紫外-可見分光光度計、熒光分光光度法、酶標儀等多個分析儀器的使用。學生需要對測定數據進行分析、做圖、評價實驗結果的合理性；學生需要明確整個實驗環節每一步實驗操作的目的和意義，才能建立起清晰的整體實驗邏輯關系進而較好的完成實驗，此實驗對于中低年級的本科生具有較高的挑戰度。

2.教學實施：教師首先通過動畫視頻向學生介紹GFP的發現歷史和應用價值，再向學生介紹實驗背景和目標和基本的研究思路。學生以小組為單位，通過查閱和分析文獻，明確如何測定菌體胞內總蛋白和GFP蛋白含量，GFP標準品蛋白濃度等問題。在此基礎上制定出具體實驗流程和方法及所需分析儀器的初步研究方案。在和教師對方案進行討論，修正和完善后，通過線上和線下結合的方式學習紫外-可見分光光度計、熒光分光光度計和酶標儀的使用方法。學生同時需要了解實驗室安全規章制度。上述準備工作完成后，學生與教師約定實驗時間并自主開展實驗；完成實驗后及時與老師一起分析獲得實驗數據是否合理。實驗過程中學生會遇到許多問題：例如GFP標準蛋白如何有效稀釋；如何確定合理的標準曲線范圍；熒光強度數據線性回歸效果不佳；儀器為什么沒顯示數據等問題。教師要與學生一起分析問題原因，采用引導的方式讓學生提出解決方案，從而充分鍛煉學生的分析和解決問題能力。實驗結束后，學生對實驗數據進行處理與分析，撰寫實驗報告，然后教師對實驗過程和報告進行評價和總結。完成整個實驗后，教師指導學生利用剩余的GFP蛋白進行作畫，并讓學生在藍光切膠儀下進行拍攝，在加強學生對GFP蛋白光致發光理解的基礎上，增加實驗的趣味性和學生的體驗感。

三、基于探究項目式實驗教學效果

通過4輪教學實驗與傳統驗證性實驗相比，基于探究項目式實驗教學更有助于學生深度學習；更有助于學生高價能力的培養和教學效果的提升，這主要表現在以下幾個方面。

1.改變了學生照著實驗講義按部就班的學習觀念。在實驗過程中，學生需要在教師講解實驗思路的基礎上，通過查閱文獻對實驗方案和步驟進行制定和優化。這有效促進了學生主動對實驗過程思考和理解，培養了學生的自主學習能力、分析和解決問題的能力。

2.實驗項目具有較強的綜合性。學生不僅需要掌握多種分析儀器的使用和一系列基本實驗操作，而且需要對實驗整體思路和方案，以及多門課程理論知識有較好的理解和貫通才能有效完成實驗任務，促進了學生綜合實驗思維和能力的培養。

3.采用開放式教學。開放式教學突破了時間與空間的限制，為學生提供寬松的環境和更多實驗學習時間，加強了學生對實驗知識和技能的掌握。很多組學生在實驗未能獲得理想結果情況下，通過分析和總結主動與教師約定重新實驗時間，表現出良好求知欲。

4.有助于激發學生的學習動力。當學生發現自己成功地理解整體實驗并通過自己的知識和信息來分析解決問題時，展現了明顯的成就感，這進一步提升了學生的學習動力和興趣。

5.促進了師生之間的交流；促進了師生關系的和諧；構建了教學相長的氛圍，培養了學生團隊合作意識。

很多畢業學生的反饋印證了該實驗教學模式對于提高學生綜合實踐能力的有效性。他們普遍認為該教學模式對其后期課程學習，研究生入學復試和在高校、企業中從事研發工作的起步階段有重大幫助。

結語

實驗教學改革和教學質量的提升，對大學生動手能力、創新能力和綜合素質的培養有重要作用。“生物化學儀器分析及檢測技術”實驗教學改革表明，基于探索項目導向的實驗教學方法可以有效提升高校生物化學儀器分析類課程的教學效果，具有良好的推廣價值。該實驗教學模式不僅加強學生對于分析儀器使用和相應實驗技術的掌握；而且可以有效加深學生對于理論課的理解；還有助于訓練學生的科學思維和綜合實驗能力。因此，進一步探索和優化基于實踐項目導向的實驗教學方法對于提升和完善高校的實驗教學具有重要意義。

參考文獻

［1］鄭昭容，趙春超，邵建華，等.新工科背景下生物儀器分析課程教學改革［J］. 現代農業科技，2020（23）：250-255.

［2］沙小梅，陳文美，張路正.新媒體在生物儀器分析教學改革中的實踐探索［J］.教育現代化雜志，2018，5（15）：68-69.

［3］甄貞，蒼晶，曲波，等.開展生物儀器分析實驗課教學實踐的體會［J］.教學與實踐，2015（5）：144-145.

［4］陳碧，韋巧艷.“儀器分析”實驗在食品生物技術專業應用型人才培養中的實效性研究［J］.廣西科技示范學院學報，2016，31（2）：139-141.

［5］陳國.生物技術儀器分析課程的特點與教學探索［J］.輕工科技，2014， 30（10）：125-126.

［6］王立成，王麗萍.生物儀器分析實驗課程的教學探討［J］.生命的化學，2020， 40（9）：1636-1640.

［7］胡茂志，王志峰，王赪胤.“現代生物儀器分析”課程實驗教學模式探索［J］.教育教學論壇，2021（46）：109-112.

［8］黃毅，馬林，陳紅英，等.生物儀器分析理論及實踐教學改革探索［J］.生物學雜志，2019，36（5）：108-111.

［9］朱曉薇，宋瓊，王春燕.轉型發展背景下《儀器分析》課程理實一體化改革與探索［J］.化學工程與裝備，2018（11）：334-335.

［10］韓文佳，楊桂花，陳嘉川，等.新工科背景下工科專業實驗教學體系的構建與實踐［J］.大學教育，2018（9）：61-63.

［11］ Mns Ehrenberg，羅文新，夏寧邵.綠色熒光蛋白：發現、表達和發展［J］.生物物理學報，2008，24（6）：422-429.

［12］汪軍玲，王松太.綠色熒光蛋白及其帶來的科學革命［J］.畜牧獸醫與飼料科學，2009，30（10）：143-144.

Abstract： The traditional instrument analysis courses usually adopted “single instrument verification or observation experiments”， which were simple and solidified， and lacked the cultivation of students innovative thinking and advanced abilities， such as designing experiment， and analyzing and solving problems. In order to overcome the shortcomings of the traditional teaching model， we adopted inquiry project-oriented teaching method to improving the experimental teaching effect. The experiments used in our inquiry project-oriented teaching were designed based on the background of common analytical problems in the field of bioengineering， which involving a variety of analytical instruments and suitable for undergraduates to study. The teaching practice showed that the project-based experimental teaching method could effectively improve the teaching effect， and the teaching mode could not only promote students understanding of theoretical knowledge effectively， but also help students to develop scientific thinking and comprehensive experimental ability.

Key words： Biochemistry instrument analysis and detection technology; project-oriented principle; experiment teaching; teaching reform