淺談在生物化學(xué)實驗中培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理與分析能力

盧 彥, 張冬梅, 楊榮武

(南京大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 南京 210093)

對于剛剛進(jìn)入生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)的本科學(xué)生來說，生物化學(xué)及其實驗是一門非常重要的基礎(chǔ)課程[1]。隨著21世紀(jì)生物科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在人才培養(yǎng)中，塑造學(xué)生實踐能力顯得尤為重要[2, 3]。生化實驗課程中所傳授的各種基本實驗技能與理念，為培養(yǎng)學(xué)生良好的實驗素養(yǎng)打下了堅實的基礎(chǔ)。學(xué)生在進(jìn)行生化實驗中，不僅要接觸到各種實驗現(xiàn)象，而且獲得了大量的數(shù)據(jù)，因此培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的統(tǒng)計與分析，成為生化實驗教學(xué)中不可或缺的環(huán)節(jié)[4]。據(jù)此，本文對生化實驗教學(xué)中遇到的數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果處理問題進(jìn)行了如下的歸納與總結(jié)：

1 建立數(shù)據(jù)與單位的概念

對于剛接觸生化實驗課程的學(xué)生來說，建立計量單位的敏感認(rèn)知是非常必要的，尤其是生化實驗中經(jīng)常出現(xiàn)的如mol/L，g/L，體積百分比，質(zhì)量百分比等容易混淆的單位。我們以課堂設(shè)問的形式啟發(fā)學(xué)生自覺地關(guān)注這些單位。尤其是在實驗中，那些由教師提早配置好的溶液其單位和濃度往往被學(xué)生忽略。我們發(fā)現(xiàn)如果教師在準(zhǔn)備工作時認(rèn)真填寫標(biāo)簽，并且在實驗初期便要求學(xué)生做好已配溶液的信息記錄，上述情況會有所改善。

例如，在某些需要用到大量不同濃度溶液或buffer的實驗中，如“用正交法測定幾種因素對酶活力的影響”這個生化實驗中，需要用到各種不同pH值的緩沖液。經(jīng)過對比筆者發(fā)現(xiàn)，相對于直接使用教師配制好的溶液，讓每組學(xué)生自己配制所有溶液，錯誤使用溶液的情況較少，且浪費現(xiàn)象會減輕。但是該實驗時間相對延長，且學(xué)生在后期也會逐漸失去開始做實驗時的耐心。如果讓學(xué)生按大組自由合作，每小組的學(xué)生只負(fù)責(zé)配制一種溶液，不但錯誤和浪費現(xiàn)象會減少，而且大組學(xué)生間能表現(xiàn)出更好的團(tuán)隊合作精神。

此外，筆者在教學(xué)中經(jīng)常看到學(xué)生們由于時間匆忙隨手把實驗數(shù)據(jù)記在書上，廢紙上，或者干脆不記錄，之后又因為找不到或想不起來原始數(shù)據(jù)而無法得到實驗結(jié)果。因此，我們要求學(xué)生詳細(xì)記錄原始數(shù)據(jù)：原始數(shù)據(jù)不允許用鉛筆記錄；在記錄發(fā)生錯誤時，要保持錯誤數(shù)據(jù)的可見；原始數(shù)據(jù)必須附在實驗報告中。一般通過一個學(xué)期的實驗課程訓(xùn)練，學(xué)生就可以做到認(rèn)真對待原始數(shù)據(jù)，并養(yǎng)成隨時認(rèn)真記錄數(shù)據(jù)的好習(xí)慣。

2 有效數(shù)字的計算

實驗中我們往往需要記錄很多數(shù)值，并對其進(jìn)行計算，但是記錄時應(yīng)該選取幾位，運算時應(yīng)該保留幾位，是實驗數(shù)據(jù)處理中的一個重要問題，據(jù)此有效數(shù)字的概念被引入了。有效數(shù)字的定義是：測量結(jié)果中可靠的幾位數(shù)字加上有誤差的一位數(shù)字。由此可知，有效數(shù)字的最后一位數(shù)字是不確定的，且有效數(shù)字的位數(shù)，表示了測量所能達(dá)到的準(zhǔn)確程度，這也與所用的測量工具有關(guān)。所以當(dāng)測量儀器和被測量選定后，測量值的有效數(shù)字位數(shù)就已經(jīng)確定了[5]。

根據(jù)筆者調(diào)查，本科學(xué)生一般在初中就已經(jīng)掌握了有效數(shù)字的數(shù)學(xué)概念，但是在實際運用時往往會被忽略，如計算“牛奶中蛋白質(zhì)的百分比含量的實驗”中，學(xué)生不知道如何取舍有效數(shù)字或者干脆“想當(dāng)然或憑感覺地”保留小數(shù)點后一到兩位有效數(shù)字。為了避免上述情況的出現(xiàn)，教師在授課時應(yīng)該幫助學(xué)生回憶有效數(shù)字的定義和運算公式。例如，有效數(shù)字在進(jìn)行運算時，應(yīng)使結(jié)果具有足夠的有效數(shù)字，不能少算，也不能多算，少算了會帶來附加誤差，降低了結(jié)果的準(zhǔn)確程度；多算了也不會減小誤差。有效數(shù)字運算取舍的原則是運算結(jié)果保留一位可疑數(shù)字。在講實驗緒論時，教師通過課堂設(shè)問的方式，引導(dǎo)學(xué)生注意實驗中的有效數(shù)字，鼓勵他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)有效數(shù)字運算，該方法培養(yǎng)學(xué)生利用豐富的信息網(wǎng)絡(luò)資源獨立解決問題的能力。在實驗課程進(jìn)行時，可以通過作業(yè)講評的方式，參照實驗中的具體實例，再次強(qiáng)調(diào)有效數(shù)字的重要性。例如，在“動物肝臟中DNA的提取實驗”中，由于用分光光度計上測量溶液的濃度時得到的讀數(shù)為4位有效數(shù)字，所以計算DNA得率時，多數(shù)學(xué)生保留4位有效數(shù)字。但是他們忽略了開始稱量肝臟用的是普通臺天平，只能獲得3位有效數(shù)字，因此正確答案應(yīng)該保留3位有效數(shù)字。

如教學(xué)實驗中經(jīng)常采用吸光度法測定含量，需要繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：A=K×C+b，并通過公式求出直線的相關(guān)系數(shù)r。K值與b值的有效數(shù)字由吸光度值A(chǔ)和濃度C決定，溶液濃度的有效數(shù)字由配置方法決定，一般為4位。吸光度A值，在有的測量儀器上為3位有效數(shù)字，大多數(shù)的儀器為4位。所以，K在一般情況下應(yīng)與吸光度A的有效位數(shù)相同；常數(shù)b代表是直線的截距，其小數(shù)點后保留的位數(shù)要和吸光度值相同。此時，相關(guān)系數(shù)r就需要保留4位有效數(shù)字。

3 運用計算機(jī)處理化學(xué)實驗數(shù)據(jù)

在生化教學(xué)實驗中，經(jīng)常需要對大量的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、整理、分析和計算，并需要用圖表進(jìn)行更為直觀演示，最終解釋實驗現(xiàn)象并得到實驗結(jié)果和實驗結(jié)論。目前初級階段的處理實驗數(shù)據(jù)的方法，還是以手工記錄整理分析數(shù)據(jù)為主, 因此在標(biāo)準(zhǔn)方格坐標(biāo)紙上描點并作圖成為生化實驗的基本功之一。但是，這種方法效率較低，工作量大，主觀因素在很大程度上影響了實驗結(jié)果，因此非常容易出現(xiàn)誤差。隨著現(xiàn)代軟件技術(shù)的發(fā)展，運用計算機(jī)技術(shù)處理生化實驗數(shù)據(jù)具有簡單、快速的特點，且其生成的圖表準(zhǔn)確且不乏精美，同時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更利于存檔和交互使用。目前，便于在生物領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的相關(guān)軟件有Excel、Origin、Prism以及C語言程序等。例如， Excel是常用辦公軟件Microsoft Office中的組件之一， 因此它具有普及性，該軟件界面親和，簡單易學(xué)上手快，同時具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和計算功能，可以直觀形象地用各種圖形來描繪實驗結(jié)果。Excel在處理實驗數(shù)據(jù)時，常用的功能有：表格制作、函數(shù)運算和圖形演示等。如前文提到的吸光度測定法，初學(xué)者就偏好使用Excel作圖，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線(A=K×C+b)和相關(guān)參數(shù)。Origin軟件是一款在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)處理、分析和圖像繪制的工具軟件，具有處理數(shù)據(jù)速度快、操作簡單等優(yōu)點[6]。Prism是一款用戶體驗較好的統(tǒng)計學(xué)軟件，自帶的各種柱形圖與分組圖，更利于結(jié)果統(tǒng)計分析與繪圖，它還可以自動繪制各種生存曲線，同時藥物理化試驗和毒性試驗中常用的IC50參數(shù)，就可以用該軟件自動計算得到。因此prism是一款專業(yè)應(yīng)用性強(qiáng)的生物統(tǒng)計繪圖軟件[7]。

4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析

生物統(tǒng)計學(xué)是一門探討如何從不完整的信息中獲取科學(xué)可靠的結(jié)論從而進(jìn)一步進(jìn)行生物學(xué)實驗研究的設(shè)計、取樣、分析、資料整理與推論的科學(xué)[8]。目前生物統(tǒng)計學(xué)的方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到生物科學(xué)的各個研究領(lǐng)域，可以說任何一個與樣本相關(guān)的實驗都離不開生物統(tǒng)計學(xué)的統(tǒng)計方法[9]。目前我校的生物化學(xué)實驗課程一般作為一門理科基礎(chǔ)課程被安排在大二的學(xué)習(xí)課程中，因此很少有學(xué)生在此之前學(xué)習(xí)過統(tǒng)計學(xué)相關(guān)的課程。當(dāng)他們遇到實驗當(dāng)中的數(shù)據(jù)處理問題，如可疑的數(shù)據(jù)的取舍，組間的比較等時，往往會不知所措。此時，實驗教師的合理指導(dǎo)便顯得尤為重要。

在實驗教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對數(shù)據(jù)處理中的基本術(shù)語與涵義不十分清楚，在使用上容易出現(xiàn)差錯，因此明確的定義處理數(shù)據(jù)所用到的基本術(shù)語與涵義便顯得尤為重要。我們將常見的生化實驗統(tǒng)計學(xué)名詞列舉如下表1所示：

表1 生化實驗統(tǒng)計學(xué)名詞

表2 3，5-二硝基水楊酸測定未知糖溶液

由于統(tǒng)計的過程非常重要，為了加強(qiáng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力，教師在設(shè)計實驗時應(yīng)該刻意的加入需要統(tǒng)計學(xué)處理的實驗方案。如在“利用3，5-二硝基水楊酸測定總糖和還原糖的實驗”中[10]，除了讓學(xué)生學(xué)習(xí)常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作外，可以增加未知糖的樣本數(shù)量，未知糖的測定設(shè)計如表2。該實驗組即設(shè)定了3個重復(fù)樣本，也設(shè)置了不同的稀釋組別，為以后數(shù)據(jù)統(tǒng)計留下了豐富的樣本數(shù)據(jù)源。根據(jù)上述實驗結(jié)果，通過求平均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差，可以分析實驗誤差的大??；通過做t檢驗，可以比較組間的差異；還可以對可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和取舍。同時教師還可以引導(dǎo)學(xué)生使用各種統(tǒng)計學(xué)軟件，用帶bar的曲線圖來顯示數(shù)據(jù)的離散度，如前文提及的prism軟件，從而啟發(fā)學(xué)生對數(shù)據(jù)偏差的認(rèn)知。

實驗教學(xué)不僅是教師指導(dǎo)下的操作模仿，更是需要對實驗中出現(xiàn)的誤差進(jìn)行系統(tǒng)的分析，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的、科學(xué)處理。在教學(xué)實踐中教師需要激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的重視程度，使學(xué)生認(rèn)識到只有對實驗中誤差進(jìn)行系統(tǒng)的分析，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的、科學(xué)的處理，才能更好地完成實驗，也才能更好地進(jìn)行探究和創(chuàng)新。綜上所述，在生物化學(xué)實驗中，教師應(yīng)該重視培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理與分析能力。教師可以通過課堂講解與課后練習(xí)結(jié)合的方式，培養(yǎng)學(xué)生建立數(shù)據(jù)與單位的概念，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會有效數(shù)字的計算，同時引導(dǎo)學(xué)生使用基本的軟件工具分析處理數(shù)據(jù)，最終得到可靠合理的實驗結(jié)果，并能對實驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)定量與分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]李登文，石雪芹，趙玉紅，等. 生命科學(xué)導(dǎo)論及實驗精品課程建設(shè)探索[J]. 高等理科教育，2012,3: 101-103.

[2]郭恒俊, 高 崢, 李 菡, 等. 深化生物化學(xué)實驗教學(xué)改革培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才[J]. 實驗室科學(xué), 2011,3:32-34.

[3]史 鋒, 周楠迪, 田亞平. 淺談生物化學(xué)實驗教學(xué)在高校生物化學(xué)教學(xué)中的作用[J]. 教育教學(xué)論壇, 2011,21:247-248.

[4]楊俊英, 張桂琴. 實驗設(shè)計方案及其統(tǒng)計分析方法的選擇[J]. 中華物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)雜志, 2001,6:378-381.

[5]孫毅坤, 方 穎, 付欣彤, 等. 實驗記錄中有效數(shù)字問題探討[J]. 首都醫(yī)藥,2010,14:17.

[6]張明熹, 李鋒鋒, 王慶輝, 等. 計算機(jī)軟件在物理化學(xué)實驗中的應(yīng)用[J]. 化工時刊, 2009,11:76-77.

[7]于 童, 白喜云, 解曉晶, 等. 應(yīng)用GraphPad Prism 5.0軟件計算藥物的EC50[J]. 藥學(xué)進(jìn)展,2012,4:180-183.

[8]張小輝, 祁艷霞, 曹平華. 《生物統(tǒng)計學(xué)》教學(xué)效果的探討[J]. 成功(教育版), 2010,11:37-38.

[9]李春喜, 邵 云, 姜麗娜. 生物統(tǒng)計學(xué)(第4版)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2008 .

[10]陳鈞輝, 李 俊，張?zhí)剑? 生物化學(xué)實驗(第4版)[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2008.