優(yōu)化實驗設(shè)計 提高學(xué)生的實驗興趣

沈喜 朱景紅 浦銅良 易靜 向云 張華 馮虎元

摘要：近年高校的發(fā)展中，實踐教學(xué)的加強(qiáng)和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)已經(jīng)成為當(dāng)前大學(xué)教育改革的重點。分子生物學(xué)作為一門實踐性較強(qiáng)的學(xué)科，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)的各個領(lǐng)域。通過對實驗設(shè)計、實驗材料、實驗報告等各方面的優(yōu)化改進(jìn)，將基礎(chǔ)實驗與科研應(yīng)用和專業(yè)發(fā)展前沿緊密結(jié)合。在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維，促進(jìn)學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，不斷提高實踐和創(chuàng)新能力，這也為學(xué)生后續(xù)的工作和科研打下了扎實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué);分子生物學(xué)實驗;優(yōu)化設(shè)計;綜合能力

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）24-0251-02

分子生物學(xué)是一門實驗性很強(qiáng)的自然學(xué)科，從分子水平闡述生命活動的規(guī)律、揭示生命的本質(zhì)，逐步廣泛地應(yīng)用于生命學(xué)科的各個領(lǐng)域。從實踐意義上來說，其實驗教學(xué)對提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實踐能力有著理論教學(xué)不可替代的特殊作用。這就對高校教師如何從基礎(chǔ)教學(xué)入手，有效引導(dǎo)學(xué)生運用基礎(chǔ)理論知識，不斷提高發(fā)掘、探索和解決科學(xué)問題的能力提出了更高的要求。

下面，就以本實驗教學(xué)中心分子生物學(xué)實驗中一個經(jīng)典的實驗——“western blotting檢測人血清IgG”為例來探討如何優(yōu)化實驗設(shè)計，達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)科研思維的目的。

一、實驗中待優(yōu)化的問題

Western Blotting（蛋白質(zhì)免疫印跡法）是分子生物學(xué)、生物化學(xué)和免疫遺傳學(xué)中常用的一種實驗方法，經(jīng)常用來定性地研究目的蛋白的分子量，或者定量檢測目的基因蛋白水平的表達(dá)[1]。

在本實驗的課程安排中，采用Western Blotting技術(shù)來定性地研究人類血清的主要抗體成分——IgG的相對分子質(zhì)量。雖然經(jīng)過幾年的實踐，該實驗效果良好，但是發(fā)現(xiàn)實驗設(shè)計中仍存在以下值得優(yōu)化的問題：第一，通過實驗只能獲得目的蛋白IgG的相對分子量;由于實驗內(nèi)容未深入到定量實驗，無法了解免疫球蛋白在人體不同免疫狀態(tài)下表達(dá)量的差異，一則不符合科學(xué)研究的思路，二來沒有打開提出問題的空間以提高學(xué)生分析實驗結(jié)果的能力。第二，采用普通Marker電泳，當(dāng)電泳結(jié)束后通過染色、脫色PAGE膠才能顯出各標(biāo)準(zhǔn)蛋白條帶，并且凝膠中的條帶無法直接轉(zhuǎn)移到NC膜上。所以，計算目的蛋白的分子量是根據(jù)A圖按照標(biāo)準(zhǔn)分子量蛋白的各相對遷移率畫出蛋白質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1），根據(jù)B圖免疫印跡結(jié)果求得目的蛋白分子量的相對遷移率，然后帶入A圖的標(biāo)準(zhǔn)曲線，最終求得目的蛋白的相對分子量。但是由于A圖PAGE膠和B圖NC膜的膨脹系數(shù)不同，學(xué)生計算過程中經(jīng)常因蛋白遷移率的測量誤差，導(dǎo)致求得的目的蛋白相對分子量存在系統(tǒng)誤差。

二、優(yōu)化措施

針對以上問題以及提高學(xué)生實驗興趣的目的，我們對該實驗采取了以下優(yōu)化手段。

（一）實驗性質(zhì)的優(yōu)化

改變過去僅僅采用單一正常人血清作為樣本，計算目的蛋白相對分子量的定性實驗性質(zhì)，而是進(jìn)一步以正常人血清為對照，采用各種病例樣本材料，定量分析不同病理狀態(tài)下目的蛋白的表達(dá)含量的變化，將實驗性質(zhì)優(yōu)化為定量實驗（圖2）。

①標(biāo)準(zhǔn)蛋白樣品;②正常人血清樣品;③急性肺炎患者血清樣品;④急性淋巴性白血病患者血清樣品。

（二）實驗材料的優(yōu)化

換用預(yù)染Marker：預(yù)染Marker在電泳分離過程中，各標(biāo)準(zhǔn)蛋白的條帶直接顯色，可以讓學(xué)生觀察到條帶逐漸分離的過程，形象而直觀。另外，預(yù)染Marker的條帶可以直接轉(zhuǎn)移到NC膜上，當(dāng)獲得目的蛋白的免疫印跡條帶后，可以在同一張NC膜上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制和目的蛋白相對分子量的計算，減少了系統(tǒng)誤差，使蛋白質(zhì)分子量的計算更為準(zhǔn)確。

（三）實驗報告形式的改進(jìn)

以論文的形式書寫實驗報告：本實驗面向大二學(xué)生，他們習(xí)慣了實驗報告的書寫模式，要求他們學(xué)習(xí)按照論文的格式，查閱中文文獻(xiàn)，了解“western-blotting”這項技術(shù)在研究蛋白性質(zhì)和功能方面的應(yīng)用，在實踐中獲得的結(jié)果如何處理分析，并通過文獻(xiàn)引用來支持自己的分析，有理有據(jù)。

三、優(yōu)化效果

（一）實驗性質(zhì)的優(yōu)化，將一個定性實驗深入到定性加定量的實驗

與科研課題相結(jié)合的實驗技術(shù)教學(xué)新模式，可以增加實驗技術(shù)教學(xué)的實用性、多樣性和先進(jìn)性[2]。最初的實驗設(shè)計是通過聚丙烯酰胺凝膠電泳制作蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線，測得人血清IgG的相對分子量，但還沒有充分發(fā)揮“western-blotting”這項技術(shù)的作用。在科研工作中，經(jīng)常采用本項技術(shù)研究同一種蛋白質(zhì)在生命體不同時期、不同誘導(dǎo)或脅迫條件、不同免疫等條件下表達(dá)含量的變化，所以實驗設(shè)計加入不同病理狀態(tài)的血清樣本，有助于幫助學(xué)生進(jìn)一步了解本項實驗技術(shù)的用途，加強(qiáng)基本實驗技能的訓(xùn)練。

（二）因勢利導(dǎo)，誘發(fā)學(xué)生發(fā)掘和提出問題，加深實驗印象

愛因斯坦指出：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要?！痹诳茖W(xué)研究中，往往解決一個問題也許僅需要實驗技能而已，而能夠提出新的問題，才會演變成探索與創(chuàng)新的動力。為了誘導(dǎo)學(xué)生提出問題、加強(qiáng)實驗原理的理解和實驗安全操作意識，我們在選擇實驗樣本的時候，使用了肺炎患者的血清。第一時間讓學(xué)生提出了疑問：使用這種具有一定傳染性疾病患者的血清為實驗材料，會有傳染危險嗎？吸引學(xué)生關(guān)注SDS-PAGE實驗樣品煮沸變性的處理方法。這種處理材料的方法不僅高溫滅活了細(xì)菌，并且在還原劑巰基乙醇的作用下，使蛋白質(zhì)三、四級結(jié)構(gòu)被破壞，蛋白質(zhì)活性喪失，完整的蛋白質(zhì)被解聚為亞基或多肽鏈。這樣就進(jìn)一步幫助學(xué)生理解了變性和非變性蛋白電泳在科研中的不同應(yīng)用。

（三）合理選用實驗材料，研討式教學(xué)，使實驗設(shè)計符合科研思維

實驗教學(xué)對于提高學(xué)生動手操作能力、獨立思考能力和分析、解決實際問題的能力等方面都具有重要的促進(jìn)作用[3]。通過生物學(xué)實驗培養(yǎng)學(xué)生掌握實驗基本操作僅僅是基礎(chǔ)，而通過實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)問題、科學(xué)合理地解釋問題是重要的目的。所以在實驗材料的選取中，首先，應(yīng)設(shè)置正常人的樣本為陽性對照，幫助學(xué)生建立生物實驗設(shè)置對照的重要觀念。其次，選擇不同的病例樣本，以免疫印跡的結(jié)果與陽性對照作對比，引導(dǎo)學(xué)生驗證在感染狀態(tài)和免疫缺陷條件下同一種免疫球蛋白表達(dá)量的變化。最后，細(xì)化樣本亞型的設(shè)置，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生研究感染不同時期的表達(dá)量有何變化，不同亞型白血病的表達(dá)量有何差異，等等問題，初步培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用實驗技術(shù)來解決科學(xué)問題的方法，并鞏固和加深了解生理學(xué)、免疫學(xué)等相關(guān)學(xué)科的知識。

（四）引導(dǎo)學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)解釋問題，逐步培養(yǎng)論文寫作能力

在以論文形式撰寫實驗報告的過程中，引導(dǎo)學(xué)生分析和論述自己實驗結(jié)果所說明的問題。實驗報告作為多元化考核與評價的一種實施方式，除完成正常的思考題之外，還要求寫出自己對實驗的體會與反思[4]。學(xué)生通過回顧和反思提出了一系列問題，例如只用IgG重鏈做一抗可以計算出整個蛋白質(zhì)的分子量嗎？并且通過各小組間實驗結(jié)果的差異以及查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)由于肺炎患者B淋巴細(xì)胞功能較亢進(jìn)，合成的免疫球蛋白增多，而急性淋巴性白血病患者紅細(xì)胞免疫功能受到損害，B淋巴細(xì)胞銳減，等等因素可以判斷血樣不同的采樣時期及患病亞型。通過論文中發(fā)現(xiàn)和解決的問題，使學(xué)生產(chǎn)生成就感，也強(qiáng)烈地激發(fā)了學(xué)生的科研興趣。

綜上所述，基礎(chǔ)實驗的設(shè)計本著學(xué)生堅實地掌握實驗的理論知識、熟練掌握基本實驗技術(shù)操作的目的，通過優(yōu)化基礎(chǔ)實驗的設(shè)計，充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并與科研前沿相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生通過基礎(chǔ)實驗將理論與實踐相結(jié)合，用科研思維去發(fā)現(xiàn)問題并通過實驗結(jié)果分析問題的能力，已經(jīng)成為實驗設(shè)計的重要思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈喜，易靜.基礎(chǔ)分子生物學(xué)實驗教程[M].蘭州大學(xué)出版社，2014.

[2]崔銀秋，林鳳，祿家輝，周慧，騰利榮.建立與科研課題結(jié)合的分子生物學(xué)實驗教學(xué)新模式[J].實驗室研究與探索，2009，28（11）.

[3]宋永臣，楊明軍，劉衛(wèi)國，王正.本科生專業(yè)實驗教學(xué)研究探索[J].實驗室研究與探索，2014，33（2）.

[4]汪朝陽，祝鳳榮，張向陽，周合兵，黃荔，張德明，馮彬，王輝.實驗報告在多元化考核與評價中的功能[J].實驗室科學(xué)與技術(shù)，2008，6（5）.