探究式生物化學實驗教學的探討與實踐

童春義 劉斌

(湖南大學生物學院 湖南長沙 410082)

隨著生物及其相關(guān)學科的深入研究,作為生物技術(shù)類專業(yè)基礎(chǔ)課程之一的生物化學,其理論、實驗技術(shù)和方法均得到了飛速發(fā)展,這就要求生物化學的實驗教學作出相應(yīng)的調(diào)整,以適應(yīng)新形勢下學科創(chuàng)新的需要和培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新性生物技術(shù)人才的需求。傳統(tǒng)的生物化學實驗大多是一些驗證性實驗,課程內(nèi)容單一,實驗?zāi)Ｊ铰浜?注重知識的傳授,卻忽視學生綜合能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高。湖南大學從2003年就開始實施的大學生創(chuàng)新訓練(SIT)計劃,大大吸引了學生參與科研創(chuàng)新的興趣和能力,特別是作為實驗性學科的生物技術(shù)專業(yè),到大三時已有80%以上的學生參與甚至承擔了相關(guān)課題,故而純粹的操作實驗已遠遠不能滿足學生對理論知識的掌握和對實驗技能提高的要求。如何在吸引學生積極完成課程實驗的同時,進一步提升學生的實驗技能、創(chuàng)新思維以及設(shè)計能力,是值得我們思考和實踐的。為此,我們以湖南大學2011級-2012級生物技術(shù)專業(yè)生物化學實驗(二)為教學實踐主體,嘗試改變單純以驗證性實驗為主的教學模式,提出將探究思維和實驗設(shè)計能力融入整個教學課堂中的教學方式與方法,以期建立符合新形勢發(fā)展的探究式生物化學實驗教學模式。

1 傳統(tǒng)生物化學實驗教學的優(yōu)缺點分析

傳統(tǒng)的生物化學實驗教學注重知識傳遞和操作能力的培養(yǎng)[1],故而內(nèi)容全是驗證性試驗,從四大生物物質(zhì)性質(zhì)檢測到代謝反應(yīng)模擬分析。如目前各高校普遍開設(shè)的蛋白質(zhì)性質(zhì)顯色鑒定實驗和唾液淀粉酶的測定等等。這類實驗的優(yōu)點在于其簡潔、成熟、可操作性強,鍛煉了學生進行簡單實驗操作能力,并從生物物質(zhì)基本性質(zhì)、生物化學基本原理以及最基本的分析方法上讓學生較直觀的認識和理解生物物質(zhì)以及生物化學理論知識。然而,由于這類實驗只是對基本操作的簡單重復(fù),學生很難從此類實驗中得到實際工作以及研究工作所需的實驗操作能力和實驗設(shè)計思維,更難獲得創(chuàng)新思想和能力。

2 探究式教學在生物化學實驗教學中的實踐應(yīng)用

2.1 什么是探究式教學

探究式教學法,就是在教師引導(dǎo)下,學生運用己學過的知識和技能,把自己當作新知識的探索者和發(fā)現(xiàn)者,通過實驗等方式親自發(fā)現(xiàn)問題、探索問題和解決問題的一種方法[2]。探究式教學應(yīng)用于生物化學實驗教學,即是將生物化學實驗課程作為一個整體,根據(jù)教學目的、要求和學生的認識規(guī)律,遵循驗證性實驗、技能性實驗、設(shè)計性實驗到實驗設(shè)計逐步深入的原則,積極引導(dǎo)學生通過觀察實驗、練習操作、查閱文獻、討論交流等多種活動,探究生物化學理論知識、掌握研究生物化學規(guī)律的手段,發(fā)展從基本操作到創(chuàng)新思維的實踐與探索能力,從而完成教學任務(wù)。

2.2 探究式教學具體實施方案

根據(jù)探究式教學方法的宗旨,課程突出“以學生為主體、以教師為主導(dǎo)”,在課程內(nèi)容設(shè)置、實驗過程安排、實驗結(jié)束考核等方面進行改革和創(chuàng)新。具體實施方案如下:

2.2.1 合理設(shè)置課程內(nèi)容,全方位鍛煉學生能力

課程內(nèi)容設(shè)置方面,遵循驗證性實驗、技能性實驗、設(shè)計性實驗到實驗設(shè)計逐步深入,全面鍛煉學生能力的原則。生物化學實驗(一)主要以驗證性實驗為主,讓學生對生物化學實驗有基本的概念和認識;生物化學實驗(二)以技能性實驗與設(shè)計性實驗相結(jié)合,突出鍛煉學生對生物化學實驗?zāi)芰蛯嶒炘O(shè)計能力。生物化學實驗(二)一共安排八次課,每次4個課時,共設(shè)置了7次操作實驗和1次設(shè)計實驗。其中SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳法測定蛋白質(zhì)分子量和濾紙層析法分離和鑒定氨基酸為驗證性實驗,重點讓學生驗證蛋白質(zhì)檢測中的經(jīng)典方法,學習生化實驗中如何進行蛋白質(zhì)和氨基酸分離分析;維生素C含量測定和植物組織中過氧化氫活力測定為技能性實驗,重點讓學生學會并掌握使用常見分析儀器分光光度儀測定生物物質(zhì)和酶活力;酮體生成和利用定性測定和血液中谷丙轉(zhuǎn)氨酶活力測定為設(shè)計性實驗,重點讓學生弄清楚如何通過實驗原理來設(shè)計實驗,實驗設(shè)計的好壞對實驗結(jié)果的影響等等;最后一次課,要求學生總結(jié)生物化學實驗課堂中學到的實驗技能,結(jié)合生物化學理論課中學到的知識點,設(shè)計一個實驗,可以是現(xiàn)有實驗原理、方法的改進,也可以是運用生化知識設(shè)計的新實驗,還可以是聯(lián)系生活的一些生化知識的運用,重點考查學生查閱資料、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題以及提出創(chuàng)新觀點的能力。

2.2.2 完善實驗前中后輔導(dǎo),切實解決學生操作問題

將實驗前講解、實驗中輔導(dǎo)、實驗后分析三者相結(jié)合,突出實驗前提醒、實驗中指正、實驗后分析的重要性,及時規(guī)范學生實驗操作,培養(yǎng)學生解決問題的能力。其中,實驗前的講解,以提問的形式檢查督促學生實驗前預(yù)習實驗和引導(dǎo)他們思考實驗原理、實驗細節(jié)以及實驗難點,如維生素C測定實驗中樣品用堿處理的原因,酮體生成定性測定實驗中顯色前加入三氯醋酸的作用等等;實驗過程中,指導(dǎo)老師觀察每一組的實驗情況,及時糾正學生不規(guī)范的操作,以及隨時回答學生提出的問題,并幫助學生分析出現(xiàn)問題的原因等等。如移液器的使用,在使用前,著重介紹如何規(guī)范使用移液器,使用完之后如何放置等等,并在實驗過程中,隨時提醒學生移液器的使用及擺放,讓學生從一開始使用就養(yǎng)成規(guī)范的實驗操作習慣;實驗后的實驗報告分析,對普遍存在的問題在課堂上進行分析、講解,對單個出現(xiàn)的問題,及時指出,并幫助其分析原因,如在做維生素C標準曲線時,發(fā)現(xiàn)有位同學在用EXCEL作曲線時,沒有考慮到濃度間距,從而擬合出來的方程與同組同學的差異很大。通過讓她比較分析她的曲線圖和方程與其他同學的差異,找出問題所在,并進一步教會她科學合理使用數(shù)據(jù)軟件作曲線。

2.2.3 加強團隊合作與組長負責制,鍛煉合作與領(lǐng)導(dǎo)能力

由于實驗室條件有限,分組人數(shù)偏多(4-5人一組),造成每組總有幾名學生只看不動手。為了充分調(diào)動各組成員積極參與實驗,并使每個同學在實驗中均能得到鍛煉,可在小組安排和實驗內(nèi)容方面進行一定的調(diào)整。具體措施包括:采取組長負責制,每次實驗每組推選組長一名,由組長安排組員進行實驗;在實驗教材的基礎(chǔ)上,增加一些內(nèi)容,使每個同學都能得到鍛煉,如維生素C的測定,實驗教材中只有用紫外分光光度法,在實際實驗中,我們增加了高錳酸鉀滴定法。組長制的采用,使每個同學都有機會作為組長安排實驗,既鍛煉了學生團結(jié)合作的精神,也挖掘了學生的領(lǐng)導(dǎo)才能。而通過增加一部分實驗,不僅讓原本空閑的人也動起來,而且兩種方法比較,讓學生增強方法選擇的意識,當一種方法條件不成熟時,就可以選擇其他方法代替,能夠變通地解決實際碰到的問題。

2.2.4 充分利用實驗間隙,培養(yǎng)學生總結(jié)歸納能力

生物化學實驗一個特點就是,實驗過程中等待的時間比較多,如何解決實驗間隙中學生無所事事的現(xiàn)象,這也是實驗教學中的重要任務(wù)。為了提高學生探索實驗,培養(yǎng)總結(jié)歸納能力,可以在實驗間隙,與學生一起討論實驗中的得失、實驗過程中細節(jié)的把握、實驗理論的深化等等,使原本無所事事的等待時間,成為總結(jié)實驗操作細節(jié)、將實驗與理論結(jié)合的討論會,為將來獨立進行科研培養(yǎng)良好習慣。如在SDS-聚丙烯酰胺電泳實驗中,分離膠冷凝時間中,有長達1小時的等待時間,這時安排學生先對凝膠構(gòu)成、制膠過程進行總結(jié)和討論,然后派代表在全班介紹從中碰到的問題和經(jīng)驗介紹,通過總結(jié)和討論,這樣不僅使學生加深聚丙烯酰胺凝膠的認識和制膠過程中細節(jié)的把握,還能真正弄明白凝膠電泳的原理,完全掌握凝膠電泳的操作技巧。

2.2.5 舉行實驗匯報會,鍛煉學生實驗設(shè)計能力

改變以前實驗考核只考基本實驗操作的方式,以實驗設(shè)計匯報會的形式進行考核。設(shè)計實驗考核程序包括學生動手設(shè)計實驗、制作PPT答辯介紹設(shè)計實驗、老師答辯前指導(dǎo)和答辯現(xiàn)場評點等環(huán)節(jié)。其中,設(shè)計實驗內(nèi)容:設(shè)計一個在實驗室條件下、能在3-4個課時完成的生化實驗;基本要求:結(jié)合所學生化知識和操作技能,課題不限,兩人一組;考核方式:學生答辯并按照實驗教案的格式提交實驗報告并做成幻燈片的形式進行現(xiàn)場匯報、老師現(xiàn)場評點并按一定的評分表進行評分;考核意義:規(guī)范學生實驗操作,鍛煉學生創(chuàng)新思維,培養(yǎng)學生自主選題,為接下來的SIT、課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計等其他課程奠定基礎(chǔ)。通過兩個星期的準備和現(xiàn)場答辯,絕大部分同學都能夠結(jié)合所學生化知識設(shè)計出符合要求的實驗,體現(xiàn)了實驗操作與生化知識的融合。其中,一部分同學提出所作實驗的改進方案,如有位同學在“丙酮生成利用定性測試”實驗的基礎(chǔ)上,針對實驗過程中一些現(xiàn)象的不明確性,提出了具體而完善的解決方案;一部分同學能將所學生化知識與實際生活相結(jié)合,提出一些非常有趣而具有一定深度的課題,如針對市面上發(fā)芽馬鈴薯不能吃的現(xiàn)象,提出“不同狀態(tài)馬鈴薯中龍葵素含量的測定”方案,希望通過測定不同狀態(tài)馬鈴薯中毒素-龍葵素含量來指導(dǎo)判斷什么狀態(tài)下馬鈴薯不能食用的難題等等。

2.3 探究式實驗教學應(yīng)用總結(jié)與建議

通過兩個年級的教學嘗試,探究式教學方式得到本校生物技術(shù)專業(yè)學生歡迎和學校督導(dǎo)團老師的普遍認可。反饋信息顯示,學生反映此種方式改變以前做實驗按照實驗教材依葫蘆畫瓢的做法,而是有意識去思考實驗理論的意義、實驗操作的細節(jié)問題和實驗方法的擴展應(yīng)用,加深了所做實驗與學過的生化理論知識的聯(lián)系,更好的理解了理論課堂內(nèi)容,激發(fā)了他們對生物學科的學習興趣。實驗教學過程中,越來越多的學生主動與老師交流實驗中碰到的困難并提出有效解決方案,而不是被動地等老師來解決。

根據(jù)教學嘗試中碰到的一些問題,學生和老師提出了一些改進意見,主要集中在實驗條件的改善和新方法的引進上。為此我們在以后的實驗教學中進行以下改進:(1)向?qū)W校申請,適當增加儀器數(shù)量,減少同組人數(shù),每組2-3人;(2)增加實驗設(shè)計的課時,減少驗證性實驗的課時,使同學們不僅可以自己設(shè)計實驗,還能將設(shè)計的實驗實際操作一遍,以改進方案;(3)進一步增加師生互動環(huán)節(jié),讓學生參與到課程內(nèi)容設(shè)置上來,選擇更多符合學生興趣的實驗;(4)引進一些新技術(shù)、新方法、新應(yīng)用,如生化檢測試劑盒的應(yīng)用等。

3 探究式生物化學實驗教學實踐的體會與思考

生物化學作為生物技術(shù)專業(yè)學生專業(yè)學習的一個入門課程,生物化學實驗亦是生命科學研究最基本的實驗方法。生物化學實驗教學的重要任務(wù)就是如何讓學生掌握這些基本方法,在以后的工作和研究中游刃有余的去使用,以及如何使學生充滿興趣地進入生命科學領(lǐng)域。從實踐結(jié)果可以看出,探究式教學嘗試突出了對學生從動手能力、思考能力以及應(yīng)用能力各方面的培養(yǎng),取得了非常好的效果。該方法改變傳統(tǒng)教學中存在的單純操作鍛煉和知識傳授的局限,為學生提供了一個打牢基礎(chǔ)實驗操作能力和發(fā)揮自主創(chuàng)造能力的平臺,激發(fā)了學生創(chuàng)新意識與愿望,培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神與實踐能力的教學目的。

將探究式教學引入整個生物技術(shù)專業(yè)實驗教學中,使學生主動地學習和掌握生物技術(shù)專業(yè)所需的實驗技能和思維,符合生命科學研究與應(yīng)用并重的特性,為培養(yǎng)高層次研究人才奠定堅實基礎(chǔ)。

[1]張翠微.基礎(chǔ)生物化學實驗教學中滲透實驗設(shè)計思想的探索[J].文理導(dǎo)航·教育研究與實踐,2013,7(12):85-86.

[2]何嘉媛,王璇,劉恩山.基于論證探究式教學模型的行動研究[J].生物學通報,2013,48(11):21-27.