生命科學不同專業(yè)生物化學實驗課教學改革的探索與實踐

謝 青, 楊廣笑

(華中科技大學 生命科學與技術(shù)學院, 湖北 武漢 430074)

我校生命科學與技術(shù)學院成立于1984年,由成立之初的生物醫(yī)學工程和生物技術(shù)專業(yè)2個本科專業(yè),發(fā)展到現(xiàn)在的生物醫(yī)學工程、生物技術(shù)、生物信息、生物科學和生物制藥5個本科專業(yè),其中包括2個國家基地班,一個貝時璋菁英班和一個卓越工程師班[1]。生物化學實驗課是生物科學及其相關(guān)學科的重要專業(yè)基礎(chǔ)課之一[2-4],生物化學實驗課是我院所有本科專業(yè)的必修平臺課程。

我院的生物化學實驗課教學主要面臨以下幾個問題需要解決：交叉專業(yè)較多,如生物醫(yī)學工程、生物信息和生物制藥專業(yè),學生需要學習的課程較多,實驗課課時嚴重不足；生物醫(yī)學工程專業(yè)的學生數(shù)學和物理等相關(guān)學科課程要求較高,而化學及其相關(guān)課程的實驗技能訓練較少,學生化學實驗技能比較薄弱,而生物科學與生物技術(shù)專業(yè)的學生化學知識與技能較強；學生對實驗課的認識不足；有些專業(yè)缺乏合適的實驗教材。多年來根據(jù)不同專業(yè)和學科特點,在按照教學大綱圓滿完成生物化學實驗課方面做了大量的探討[5-8],總結(jié)出了一套行之有效的適合不同專業(yè)的生物化學實驗教學模式。

1 調(diào)整教學大綱,根據(jù)專業(yè)不同安排實驗學時與實驗內(nèi)容

生物化學實驗課一般在二年級開設,此時的學生已經(jīng)在大一階段學習了無機化學、有機化學和分析化學的理論與實驗課。由于專業(yè)不同,我院各專業(yè)生物化學實驗課的課時也不盡相同。生物醫(yī)學工程、生物制藥專業(yè)和卓越工程師班的生物化學實驗課只有24學時,安排在大二的上學期完成；而生物科學、生物技術(shù)等專業(yè)是48學時,安排在大二的整個學年完成。 大二第一學期的24學時,各專業(yè)都是學習生物化學方面的相關(guān)知識和實驗技能,第二學期的24學時主要是學習生物技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。大二第一學期的實驗課主要是為了配合理論知識的學習理解,按照生物化學的教學內(nèi)容來安排實驗課內(nèi)容。

為生物醫(yī)學工程、生物制藥專業(yè)和卓越工程師班安排的實驗內(nèi)容和順序是“實驗一,3,5二硝基水楊酸法測定還原糖和總糖” “實驗二,Folin酚法測定血清蛋白質(zhì)含量”“實驗三,醋酸纖維薄膜電泳法分離血清蛋白質(zhì)”“實驗四,堿性磷酸酶米氏常數(shù)的測定”“實驗五,真核生物基因組DNA的提取”“實驗六,肝臟谷丙轉(zhuǎn)氨酶活力測定”。每個實驗為4學時。

生物技術(shù)等其他專業(yè)第一學期的實驗一、實驗二、實驗三和實驗六的內(nèi)容同生物醫(yī)學工程專業(yè),但不做實驗四,而是將實驗五的內(nèi)容延伸為“實驗四,真核生物基因組DNA的提取、酶切和瓊脂糖電泳”共8學時。這樣,在第一學期的實驗課中,生物化學所涵蓋的糖類、氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、酶等代謝內(nèi)容都有涉及。生物技術(shù)等其他專業(yè)和基地班大二下學期還有24學時的生物化學實驗課,實驗內(nèi)容分別為“實驗六,堿性磷酸酶測定米氏常數(shù),不同溫度和pH值條件下堿性磷酸酶活性的測定”(8學時), “實驗七,聚丙烯酰胺凝膠電泳技術(shù)分離蛋白質(zhì)”(8學時),“實驗八,柱層析技術(shù)分離氨基酸”(8學時),主要安排的是生物科學研究中常用的技術(shù),打下堅實的專業(yè)基礎(chǔ)。

2 合理安排實驗順序,改革教學方法

所有專業(yè)的生物化學的第一個實驗都是“3,5二硝基水楊酸法測定還原糖和總糖”的實驗內(nèi)容,這樣安排的目的，一方面可以和理論課教學在時間上相匹配,另一方面該實驗的步驟都是最基本的生物化學實驗技術(shù), 有充分的時間可以使學生學習并掌握正確的實驗操作。 像生物醫(yī)學工程專業(yè)這樣化學技術(shù)比較薄弱的學生,經(jīng)過反復練習,實驗技能普遍得到提高,為后續(xù)實驗內(nèi)容的順利開展打下了很好的基礎(chǔ)。在每個實驗的講解過程中注意以點帶面,通過一個實驗讓學生對相關(guān)的實驗內(nèi)容都有所了解。例如第2個實驗,安排Folin酚法測定血清蛋白質(zhì)含量,在講解過程中通過提問等方式讓學生回答有幾種測定蛋白的方式,每種實驗方式的原理是什么,這樣在一問一答中不僅復習了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的特點,而且和學生一起總結(jié)生物物質(zhì)含量的測定有幾種常用的方法。雖然只做了標準曲線法,但學生對外標法和內(nèi)標法等方法也有了解。讓學生通過一個有代表性的實驗,掌握多種實驗方法和實驗設計。

3 根據(jù)專業(yè)不同有針對性地制作課件

針對每個實驗內(nèi)容都做了微課視頻錄像,這對實驗教學很有幫助。按照專業(yè)不同,分別制作了不同的PPT課件。生物醫(yī)學工程專業(yè)學生第一個實驗“3,5二硝基水楊酸測定還原糖和總糖”實驗的PPT中,特意比較詳細地制作了有關(guān)分光光度計原理的機器內(nèi)部構(gòu)造的內(nèi)容。還制作了微課視頻和虛擬實驗,讓學生提前預習正確的實驗操作方法,例如在真核生物基因組DNA的提取實驗教學中,如果學生操作不對,容易造成基因組DNA的降解。視頻的模擬可以讓學生很直觀地看到由于不正確操作所導致的結(jié)果,所以學生在自己的實驗中就會很小心地來完成,即使由于操作不當,導致A260/A280大于了2.0,學生在實驗報告中也會對實驗結(jié)果做出正確的總結(jié),并分析自己的失敗是由哪幾步的失誤造成的。

4 將一些驗證性的實驗內(nèi)容改成探究性實驗

生物技術(shù)和生物科學等專業(yè)和基地班的“實驗六,堿性磷酸酶測定米氏常數(shù),不同溫度和pH值條件下堿性磷酸酶活性的測定” 是一個驗證性的實驗內(nèi)容,但在教學方式上進行改革,把這個實驗作為探究性實驗內(nèi)容來完成。這個實驗安排在大二的下學期,要求學生每4人一組,各小組提前學習了解“堿性磷酸酶的米氏常數(shù)”相關(guān)實驗內(nèi)容及藥品的配制等實驗步驟,然后分工協(xié)作共同來完成藥品的配制。在實驗中學生會發(fā)現(xiàn)由于每次購買的堿性磷酸酶的活性或含量的差異,做出來的結(jié)果是與X軸基本平行的一條直線,找不到與X軸方向的交點,這樣通過作圖法就求不出米氏常數(shù)。引導學生溫習理論課學到的酶促反應的相關(guān)知識,從酶的活性、底物的量、反應是否完全等幾個方面來考慮,并重新設計實驗,經(jīng)過多次修改實驗加樣參數(shù),最終得出一條完美的曲線,然后再按照自己探究出來的最佳參數(shù),完成不同溫度和pH值等對酶促反應影響的實驗內(nèi)容。

5 因材施教,探索適合的教學方法和教學模式

生物化學實驗課采取小班教學,每班學生人數(shù)不超過24名,這樣就可以保證每個學生能夠獨立操作完成每個實驗。 根據(jù)專業(yè)的不同,課前講解的內(nèi)容也不同,例如生物醫(yī)學工程等專業(yè)的學生重點強調(diào)實驗的原理和實驗操作中的關(guān)鍵點和注意事項,對于生物技術(shù)等專業(yè)的學生,還要提出一些延伸性的問題,拓展學生的視野。對于那些對實驗感興趣的學生,安排他們做“小老師”,這項制度在我院已延續(xù)了十幾年[9],培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的生物科學后續(xù)人才,他們的專業(yè)知識和實驗技能得到了國內(nèi)外專家的認可。同時“小老師”輔助實驗教學也是一個很好的教學方法,學生之間的互相指導和學習可以提高學生的學習興趣,也可以拉近教師和學生的距離。

生物化學實驗課的教材根據(jù)專業(yè)不同而不同,對于生物醫(yī)學工程、生物制藥和卓越工程師班用自編教材,而生物技術(shù)和生物科學等專業(yè)用出版教材,同時還給學生選定了一些參考書,以開闊學生的視野。

近幾年我校實行“責任教授制度”,生物化學和分子生物學教學團隊是第一批入選的教學團隊[10],每年學校也有經(jīng)費投入,提高了一線教師的待遇。

幾十年來,在針對我院不同專業(yè)的生物化學實驗教學改革的實踐中積累了豐富的經(jīng)驗, 取得了一定的成績,在湖北省大學生學生生物技能競賽中連續(xù)2屆學生的生物化學單項賽都取得了第一的成績。每年都有一批優(yōu)秀的本科畢業(yè)生進入國內(nèi)外著名的科研院所讀研深造。

我院實驗教學工作還有待進一步的改進[11-12]。

(1) 進一步深化實驗教學改革和課程建設。隨著生命科學與技術(shù)的發(fā)展和教育理念的更新,將不斷深化實驗教學改革,進一步培養(yǎng)學生參與實驗的興趣,增加生物學和其他學科相交叉的實驗內(nèi)容，擴大設計性及創(chuàng)新性實驗的比例,同時以選修課或二課的方式提供一些自選實驗,培養(yǎng)學生的科學探索精神和創(chuàng)新能力。

(2) 加強教材建設。在不斷實踐的基礎(chǔ)上修訂現(xiàn)有的實驗教材,重新編寫新的適用于工科專業(yè)的生物學相關(guān)實驗課教材,通過教材建設凝練與推廣教學成果,提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

(3) 通過我院工科專業(yè)學生的生物學相關(guān)實驗課教學實踐,總結(jié)并摸索出一套比較完整的實驗教學方法,將某些生物學及其實驗課作為全校的公共平臺課,面向全校其他工科專業(yè)的學生開放。同時通過各種培訓和交流活動,積極推廣實驗教學經(jīng)驗和成果。