多元教學(xué)模式在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的探索與實(shí)踐

程欲 張捷平 王鶴 吳世代

[摘 要]生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)是生命科學(xué)領(lǐng)域重要的實(shí)踐課程，以理論授課為基礎(chǔ)的教學(xué)模式難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，難以激發(fā)學(xué)生的科學(xué)精神、創(chuàng)新能力和創(chuàng)造性思維。作者通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以關(guān)鍵問(wèn)題為牽引，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)與技能基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系;在探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以自主探索為主線，激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考的積極性，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)驗(yàn)再到理論的良性循環(huán);利用信息化平臺(tái)良好的實(shí)時(shí)性和互動(dòng)性，拓展知識(shí)，模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，不斷提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)和分析研究的能力;同時(shí)科學(xué)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程及效果，及時(shí)提供合理建議。

[關(guān)鍵詞]驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn);探究性實(shí)驗(yàn);生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程;實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

[中圖分類號(hào)] G640 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）12-0098-03

生物化學(xué)是一門(mén)依托化學(xué)基本理論與技術(shù)研究生物體的綜合性學(xué)科，是揭示生命活動(dòng)的重要工具學(xué)科，也是生命科學(xué)的前沿科學(xué)，具有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)性[1]。因此，生物化學(xué)課程教學(xué)應(yīng)該重視將理論知識(shí)與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)有基礎(chǔ)理論在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中提高操作的準(zhǔn)確性，從探究性實(shí)驗(yàn)中歸納總結(jié)理論知識(shí)，進(jìn)一步提升分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)科研的思維與能力。

目前，我國(guó)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要采取以授課為基礎(chǔ)（lecture-based learning，LBL）的教學(xué)模式[2]。實(shí)驗(yàn)課程前期由實(shí)驗(yàn)教輔人員準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料及相關(guān)儀器，任課教師串講實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，課內(nèi)學(xué)生依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的既定步驟完成基本教學(xué)任務(wù)。全過(guò)程更多的是在重復(fù)示教的內(nèi)容，學(xué)生沒(méi)有切實(shí)參與到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)中，缺乏主動(dòng)思考與探究，很難對(duì)操作實(shí)踐有科學(xué)認(rèn)識(shí)，更談不上科研思維的形成?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》將學(xué)生的科學(xué)精神、創(chuàng)新能力和創(chuàng)造性思維等放在突出培養(yǎng)的地位[3]。因此，要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課程中較為單一的LBL教學(xué)模式，體現(xiàn)以學(xué)生為主體的教育理念，提升學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的興趣，針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)類型采用不同的教學(xué)模式和方法[4-6]，以期收獲更好的教學(xué)效果，并在完成實(shí)驗(yàn)課程具體大綱任務(wù)的同時(shí)，細(xì)化實(shí)驗(yàn)課考核機(jī)制的相關(guān)評(píng)定指標(biāo)，使其更具可操作性[5-8]。

一、深化對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的掌握，打牢理論基礎(chǔ)

開(kāi)展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深刻理解與重塑拓展，是實(shí)驗(yàn)性科學(xué)重要的人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)。生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程一般在大學(xué)二年級(jí)開(kāi)設(shè)，此階段的學(xué)生有一定基礎(chǔ)理論知識(shí)積累，但實(shí)驗(yàn)技能相對(duì)較弱。作為后續(xù)專業(yè)課的理論與技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需要循序漸進(jìn)，以LBL教學(xué)模式作為基礎(chǔ)，聯(lián)系生物化學(xué)理論部分講授的知識(shí)點(diǎn)，開(kāi)設(shè)以扎實(shí)掌握實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技能、鞏固理論體系為目的的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)授課教師的引導(dǎo)，使學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線，鍛煉基本實(shí)驗(yàn)技能與儀器操作規(guī)范，進(jìn)而將學(xué)習(xí)重心逐步推進(jìn)到利用所學(xué)理論知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

比如“堿性磷酸酶Km值的測(cè)定”這一實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生從理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作兩個(gè)層面做好充分準(zhǔn)備才能夠順利完成實(shí)驗(yàn)：在理論知識(shí)層面，回顧“酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)”相關(guān)知識(shí)（如米-曼方程、Km、林-貝作圖法）、數(shù)據(jù)處理（如借助Excel工具）;在實(shí)驗(yàn)操作層面，學(xué)習(xí)并掌握微量加樣器、移液管和分光光度計(jì)的使用等基本實(shí)驗(yàn)技能。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生回答“實(shí)驗(yàn)中底物液、血清、緩沖溶液、顯色劑的作用是什么？反應(yīng)實(shí)際體積是多少？”這一連串的問(wèn)題，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)基本原理和厘清實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)思路，并適時(shí)地結(jié)合討論“Km在酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的意義是什么？測(cè)定值Km為何用吸光度A值代表酶促反應(yīng)速率？”這樣的問(wèn)題來(lái)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)。學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的差異，使得實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的原始數(shù)據(jù)各不相同，這也增加了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析空間。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在成熟的反應(yīng)體系及規(guī)定的反應(yīng)條件下，其最終結(jié)果存在明確的參考范圍（指標(biāo)）。學(xué)生可以通過(guò)后期的數(shù)據(jù)分析，以結(jié)果反推實(shí)驗(yàn)過(guò)程，反思具體操作中的得失，查漏補(bǔ)缺，同時(shí)與其他同學(xué)橫向比較多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的差異，挖掘?qū)嶒?yàn)深層規(guī)律。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是以教師講授關(guān)鍵問(wèn)題為引導(dǎo)，梳理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整體技術(shù)路線，講解、示范具體實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)，提示容易出錯(cuò)（忽略）的“關(guān)節(jié)點(diǎn)”;學(xué)生通過(guò)規(guī)范化的訓(xùn)練，系統(tǒng)地鍛煉實(shí)驗(yàn)思維與技術(shù)，通過(guò)不斷地練習(xí)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系，從而構(gòu)建自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系。

二、開(kāi)放探究性實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)知識(shí)轉(zhuǎn)化

經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生能夠較為熟練地掌握基本操作技能，了解了實(shí)驗(yàn)思路的推進(jìn)過(guò)程，形成了初步的實(shí)驗(yàn)思維，基本具備了將生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程主導(dǎo)權(quán)從教師移交給學(xué)生的條件。課程后期（接近全程的2/3階段），教師布置學(xué)生組建學(xué)習(xí)小組，安排開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合能力。學(xué)生需要通過(guò)小組協(xié)作完成查閱資料、擬定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、設(shè)計(jì)項(xiàng)目技術(shù)路線、預(yù)約實(shí)驗(yàn)室及儀器設(shè)備、配置實(shí)驗(yàn)試劑、實(shí)施具體實(shí)驗(yàn)操作以及獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理分析等一系列具體的探究性實(shí)踐操作。

現(xiàn)以“電泳法分離血清脂蛋白”這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例加以說(shuō)明。教師提前1個(gè)月將實(shí)驗(yàn)題目布置給學(xué)生，同時(shí)安排他們組建每組3～4人的實(shí)驗(yàn)小組并選定負(fù)責(zé)人。探究性實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生自主查閱資料，包括不同生物來(lái)源的血清、電泳類型、基本原理、具體實(shí)施步驟等。具體實(shí)驗(yàn)方案擬訂好后，學(xué)生與教師討論其可行性，待方案較為成熟后方可開(kāi)始推動(dòng)實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施。教師提供不同生物材料的血清（如牛、羊、鼠、兔等），實(shí)驗(yàn)小組各選至少2種血清材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電泳類型可選擇醋酸纖維薄膜、聚丙烯酰胺、瓊脂糖等類型。學(xué)生在預(yù)先掌握實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，可以聯(lián)系實(shí)驗(yàn)教輔人員利用課余時(shí)間準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)試劑，預(yù)約實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)儀器設(shè)備。在確保實(shí)驗(yàn)安全的前提下，教師監(jiān)督學(xué)生完成具體實(shí)驗(yàn)檢測(cè)操作。不同類型的電泳對(duì)血清脂蛋白的分離效果存在差異，通常需要重復(fù)3～5次實(shí)驗(yàn)，才能得到較為滿意的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖譜）。最后提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，需要學(xué)生闡述完整的實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖譜）。通過(guò)前期準(zhǔn)備，學(xué)生需要能夠理解并解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所呈現(xiàn)的一系列相關(guān)問(wèn)題，比如不同實(shí)驗(yàn)來(lái)源的血清的差異是什么？同種來(lái)源的血清在飽食與饑餓狀態(tài)下分離的脂蛋白是否存在差異？怎樣提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖譜）的分辨率？哪些實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以分離脂蛋白？

探究性實(shí)驗(yàn)的過(guò)程較為煩瑣，尤其是多因素的影響會(huì)導(dǎo)致更多不確定性的出現(xiàn);通過(guò)實(shí)驗(yàn)試劑的配制，學(xué)生的主動(dòng)性得到提高;執(zhí)行儀器與實(shí)驗(yàn)室的預(yù)約制度，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研規(guī)范意識(shí);后期復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，拓展了學(xué)生理論知識(shí)的深度。這一系列實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，需要教師與學(xué)生共同投入大量的時(shí)間與精力。翻轉(zhuǎn)了課程主導(dǎo)權(quán)，給學(xué)生留出操作空間，也使得學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)體會(huì)更加深刻，能力提升更加顯著。這樣的教學(xué)有助于真正實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)驗(yàn)再到理論的良性循環(huán)，激發(fā)學(xué)生投入實(shí)驗(yàn)的熱情，展現(xiàn)學(xué)生的科研思路與鉆研精神。

三、依托信息化平臺(tái)，拓展學(xué)用能力

隨著學(xué)生的成長(zhǎng)、進(jìn)步，能力培養(yǎng)需要從培養(yǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)科研思維。然而，受限于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件的更新速率，我們需要借助現(xiàn)代虛擬仿真和微課實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)豐富、完善生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。加強(qiáng)信息化平臺(tái)的有效應(yīng)用，有利于拓展實(shí)驗(yàn)類型，節(jié)省實(shí)驗(yàn)耗材成本，使學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)、操練。部分本科階段較少接觸的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，如“熒光定量PCR”“Sanger 雙脫氧法測(cè)序”“蛋白質(zhì)印跡（Western blotting）”等技術(shù)，部分實(shí)際開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)，如“堿性磷酸酶Km值的測(cè)定”“凝膠層析”“飽食與饑餓小鼠肝糖原的比較”等實(shí)驗(yàn)，都可以讓學(xué)生通過(guò)信息化平臺(tái)，利用碎片化時(shí)間，不受空間限制，多次模擬具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程，最大限度地助力學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化。

實(shí)驗(yàn)技能的掌握是一個(gè)熟能生巧的過(guò)程。例如，微量加樣器的使用需要從主體結(jié)構(gòu)開(kāi)始了解儀器的構(gòu)成，量程的選擇，取液、放液的手勢(shì)，移液槍頭的更換等過(guò)程。這些內(nèi)容僅靠實(shí)驗(yàn)課前教師的講解，學(xué)生是無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)全盤(pán)消化吸收并付諸實(shí)踐的。學(xué)生借助信息化平臺(tái)開(kāi)展預(yù)先學(xué)習(xí)，儲(chǔ)備相關(guān)知識(shí)技能，可以將有限的課時(shí)高效率地應(yīng)用于關(guān)鍵部分的學(xué)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“可視化”方面，也是信息化平臺(tái)的強(qiáng)項(xiàng)。現(xiàn)以“基因組DNA的提取與驗(yàn)證”這一實(shí)驗(yàn)為例加以說(shuō)明。由于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在“量少”“不可見(jiàn)”的特點(diǎn)，教師在講授具體實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，學(xué)生對(duì)于“DNA是否已經(jīng)提取”“體系是否加樣”“體系是否充分混勻”等問(wèn)題難以把握，教師單憑描述很難將具體感受傳遞給學(xué)生。而虛擬實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫(huà)呈現(xiàn)形式，能夠通過(guò)特定實(shí)驗(yàn)操作手法幫助教師很好地將“不可見(jiàn)”的物質(zhì)展現(xiàn)出來(lái)。學(xué)生只要遵循操作規(guī)范，就能保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程的準(zhǔn)確性和結(jié)果的可預(yù)見(jiàn)性。

探究性實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)的需求量很大，信息檢索的運(yùn)用為學(xué)生迅速打開(kāi)科研思路、確立具體的操作方案和分析實(shí)驗(yàn)困境提供了支持。同時(shí)，信息化平臺(tái)還可以助力打破“課堂”的界限，讓實(shí)驗(yàn)的思路隨時(shí)隨地得以實(shí)踐和驗(yàn)證，讓實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的溝通交流變得實(shí)時(shí)、順暢。

四、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方式，提升教學(xué)效果

課程評(píng)價(jià)是檢驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)施效果的有效手段，始終貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全過(guò)程。生物化學(xué)教學(xué)實(shí)踐目的不同，成績(jī)?cè)u(píng)定方式有所不同，評(píng)價(jià)構(gòu)成占比也有所差異。其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)作為生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)課程的主體，占課程總成績(jī)的比例為60%，探究性實(shí)驗(yàn)作為有效提升能力的部分則占40%。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段，以考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技能為主要任務(wù)，成績(jī)以教師評(píng)定為準(zhǔn)。主要從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)規(guī)范（如微量加樣器、移液管、容量瓶、勻漿器等操作規(guī)范），實(shí)驗(yàn)儀器如分光光度計(jì)、電泳儀、離心機(jī)等，數(shù)據(jù)處理合理性，實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)寫(xiě)規(guī)范等方面進(jìn)行評(píng)定。其具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

探究性實(shí)驗(yàn)階段，以考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)思路的完整性和分析能力為主要任務(wù)，成績(jī)由教師與學(xué)生共同評(píng)定。教師評(píng)定部分主要從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備、操作、結(jié)果方面評(píng)定，其具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。學(xué)生評(píng)定部分主要從實(shí)驗(yàn)參與度、實(shí)驗(yàn)結(jié)果貢獻(xiàn)率、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力方面進(jìn)行評(píng)定，其具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)對(duì)教育教學(xué)投入的增加，學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程的早期介入，實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技能在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中逐步前移至中學(xué)階段、信息平臺(tái)。這樣的教育大背景將會(huì)弱化驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能的教學(xué)功能。因此，在后續(xù)的探索實(shí)踐中我們會(huì)針對(duì)講授的專業(yè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的師生比例、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室條件，適時(shí)地調(diào)整成績(jī)?cè)u(píng)定權(quán)重，以適應(yīng)科研能力培養(yǎng)的需求。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 付曉紅，許志臻，閆小晶，等. 生物化學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探[J].中華醫(yī)學(xué)教育探索雜志，2019（2）：131-134.

[2] 楊衛(wèi)東，康飛，馬溫惠，等.整合LBL、PBL、CBL、TBL和RBL等多種教學(xué)方法進(jìn)行核醫(yī)學(xué)教學(xué)[J].標(biāo)記免疫分析與臨床，2019（10）：1775-1777，1791.

[3] 國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要工作小組辦公室.國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）[EB/OL].（2010-07-29）[2021-10-13].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A01/s7048/201007/t20100729_171904.html.

[4] 閆國(guó)棟，程瑛琨，周毓麟，等.生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程化體系與方法的改革探索[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2015（1）：41-46.

[5] 謝青，楊廣笑.生命科學(xué)不同專業(yè)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018（9）：211-213.

[6] 謝青，楊廣笑.對(duì)探究性實(shí)驗(yàn)課建設(shè)的思考與實(shí)踐：以生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課為例[J]. 高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2019（5）：45-47.

[7] 岳紅，張淑芳，田小海.高校生物化學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀分析與改革創(chuàng)新研究[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐，2019（19）：16-17.

[8] 周義發(fā)，孫琳，蘇紀(jì)勇，等.生物化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課程改革探索[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019（11）：191-196，208.

[責(zé)任編輯：龐丹丹]

[收稿時(shí)間]2021-11-01

[基金項(xiàng)目]福建中醫(yī)藥大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（XJJGY1904）。

[作者簡(jiǎn)介]程欲（1986-），女，福建福州人，碩士，講師，研究方向：糖尿病抗氧化機(jī)制。