生態(tài)鏈?zhǔn)浇虒W(xué)模式在生化儀器分析實驗教學(xué)改革中的實踐

陳 旭， 戴小峰， 曹 亞， 張 娟， 趙 婧， 朱小立

（上海大學(xué) a.生命科學(xué)實驗中心；b.生命科學(xué)學(xué)院，上海 200444）

0 引 言

生命科學(xué)的高速發(fā)展，離不開科學(xué)技術(shù)與新興工具快速發(fā)展的助推。生化儀器分析是一門理論與實踐并重的工具型課程，與其配套的生化儀器分析實驗更有著舉足輕重的作用。以應(yīng)用復(fù)合型人才培養(yǎng)為核心，重新審視生化儀器分析實驗的教學(xué)體系，如受到課堂時間、實驗內(nèi)容、大型儀器數(shù)量等制約，很難適應(yīng)國家當(dāng)前對于科學(xué)技術(shù)中高端技術(shù)人才戰(zhàn)略需求。因此，急需重構(gòu)教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，改變傳統(tǒng)教學(xué)課堂輸入的模式，啟發(fā)學(xué)生深入思考，主動動手探索，將創(chuàng)新思維和意識培養(yǎng)滲透到每一個教學(xué)環(huán)節(jié)，從實驗教學(xué)課堂延伸至創(chuàng)新實踐中，借助科研、校外產(chǎn)教融合的力量推進(jìn)校內(nèi)實驗技術(shù)教學(xué)的改革，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動機(jī)，提升教學(xué)內(nèi)涵和質(zhì)量，拓寬實踐教學(xué)課堂的視野，并輻射推動相關(guān)課程群的建設(shè)。

生化儀器分析實驗課程是我校生命科學(xué)學(xué)院本科學(xué)科的必修基礎(chǔ)課，輔以虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建“線上虛擬仿真與自錄實驗視頻相結(jié)合的預(yù)習(xí)操作——多媒體交互反饋式理論教學(xué)——線下實體實驗操作——嵌入式動態(tài)評價”的實驗課程教學(xué)理念，發(fā)揮校內(nèi)外實踐課堂的優(yōu)勢，實現(xiàn)多層次、多元化的實踐教學(xué)，以“線上線下虛實接合、校內(nèi)外優(yōu)勢互補(bǔ)”的原則，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的改革、教學(xué)質(zhì)量的提升，為高素質(zhì)的人才培養(yǎng)助力。隨著實踐教學(xué)團(tuán)隊的充實及教學(xué)模式的重構(gòu)，課程體系已拓展至錢偉長學(xué)院的生物儀器分析實驗及生命學(xué)院、醫(yī)學(xué)院的研究生學(xué)科必修技術(shù)課程儀器分析。

1 生態(tài)鏈?zhǔn)降膶嶒灲虒W(xué)模式

實驗教學(xué)模式是創(chuàng)新實踐類課程改革主要載體，在現(xiàn)有的教學(xué)模式上，將實驗課程教學(xué)、實踐教學(xué)、校外實習(xí)有機(jī)融合，探索出生態(tài)鏈?zhǔn)綄嶒灲虒W(xué)體系（見圖1），為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)夯實基礎(chǔ)。

圖1 三維一體的生態(tài)鏈?zhǔn)饺瞬排囵B(yǎng)教學(xué)體系

1.1 模塊化的實驗教學(xué)模式

模塊化的實驗教學(xué)模式，也是當(dāng)前國內(nèi)外教學(xué)改革研究的熱點［1-2］，例如以蛋白為切入點，圍繞大腸桿菌表達(dá)蛋白的純化、定量和鑒定開展教學(xué)內(nèi)容；又如牛奶中葉酸的分析研究，整個實驗?zāi)K糅合了基本的UV-Vis光譜學(xué)以及HPLC和LC-MS-MS技術(shù)，此類現(xiàn)實生活的案例更能激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。課程體系涉及藥物（藥物殘留）分析的分子光譜模塊（紫外可見光譜、熒光光譜、超微量光譜、高通量光譜），水質(zhì)分析的原子光譜模塊（原子吸收光譜、原子熒光光譜），天然活性成分分析的綜合模塊（液相色譜／質(zhì)譜、氣相色譜／質(zhì)譜、毛細(xì)管電泳、電化學(xué)）等。這些貼切生活的模塊化實驗，讓學(xué)生感受到理論知識與專業(yè)實踐的緊密結(jié)合。

1.2 開放式的實驗教學(xué)模式

以模塊化的創(chuàng)新實驗項目為基礎(chǔ)，不僅在組織形式開放、實驗室的開放、教學(xué)評價方式的開放，更重視實驗內(nèi)容和過程的開放。國內(nèi)的研究型高校非常重視開放式實驗教學(xué)改革［3-4］，在開放式的實驗教學(xué)中，設(shè)計了藥物小分子與蛋白質(zhì)／核酸的相互作用研究［5］，該創(chuàng)新實驗項目涉及多種光譜儀器如熒光分光光度計、紫外可見分光光度計、超微量分光光度計、傅里葉紅外光譜儀、多功能酶標(biāo)儀等。學(xué)生可以結(jié)合自己的興趣，選擇不同的藥物分子與蛋白質(zhì)／核酸的體系，實驗項目圍繞分子間的相互作用、藥物的設(shè)計與篩選，貼近學(xué)科發(fā)展的熱點，將科研問題整合入本科的實驗教學(xué)中，有助于提升學(xué)生在今后學(xué)習(xí)和工作中的主觀能動性、獨立分析與解決問題的能力。

1.3 拓展實踐式的教學(xué)模式

為推進(jìn)綜合素質(zhì)教育，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)［6-8］，離不開多層次、多元化的教學(xué)模式［9-11］，課外的實踐能力培養(yǎng)［12-13］，尤其是深化產(chǎn)教融合，急行業(yè)人才所需，讓學(xué)生參與到實際的開發(fā)項目中，提高實踐能力和創(chuàng)新能力。為此，鼓勵學(xué)生申請院級、校級、市級的大學(xué)生創(chuàng)新實踐類項目，甚至是參加全國性的生命學(xué)科類競賽項目。依托與企事業(yè)單位建立的良好協(xié)作關(guān)系［14］，讓學(xué)生走出校門到校外單位實踐實習(xí)，同時邀請“雙師型”校外導(dǎo)師，走入實驗教學(xué)課堂，形成良性生態(tài)鏈?zhǔn)降恼n程體系，優(yōu)化課程內(nèi)容大綱和教學(xué)模式，以及提升校內(nèi)教師團(tuán)隊的綜合教學(xué)能力。

2 實驗教學(xué)模式的實施

2.1 啟發(fā)問題的設(shè)計

以啟發(fā)式問題的教學(xué)特點，學(xué)生以1或2個小組為單位進(jìn)行交互式討論，并匯總闡述，實現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn)的模式，調(diào)動起學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。以光譜綜合實驗為案例［15］，分子光譜法測定維生素B2的含量，傳統(tǒng)教學(xué)中老師先將實驗試劑配置好，學(xué)生按照教師講解的實驗流程操作，通過紫外分光光度計（或熒光光譜儀）測量獲取實驗數(shù)據(jù)做總結(jié)分析，顯然這樣的教學(xué)模式，已無法滿足目前人才培養(yǎng)的需求。多年生態(tài)鏈?zhǔn)浇虒W(xué)模式的應(yīng)用及校外實踐單位的反饋，向課堂教學(xué)提出了更高的要求，所以設(shè)計了系列具有挑戰(zhàn)性的問題：維生素B2標(biāo)準(zhǔn)曲線如何設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)曲線母液濃度范圍如何設(shè)計？熒光分析技術(shù)在生命領(lǐng)域中的應(yīng)用，如與液相色譜技術(shù)的結(jié)合、與細(xì)胞流式技術(shù)的結(jié)合、與細(xì)胞成像技術(shù)的結(jié)合？當(dāng)這些問題的拋出，顛覆了學(xué)生進(jìn)入實驗室聽安排的慣性思維，學(xué)生的研討也變得異常認(rèn)真和熱烈（見圖2）。

圖2 學(xué)生在實驗教學(xué)課堂中的場景

2.2 虛擬仿真和自制微課視頻

2.2.1 線上虛擬仿真輔助教學(xué)

自2007年以來，為彌補(bǔ)大型儀器設(shè)備數(shù)量的不足，改進(jìn)理論教學(xué)內(nèi)容抽象、儀器操作復(fù)雜等局限性，生化儀器分析實驗課程中采用了現(xiàn)場教學(xué)與虛擬軟件輔助教學(xué)相結(jié)合的模式［15］，近年教學(xué)團(tuán)隊持續(xù)錄制了現(xiàn)場實驗教學(xué)視頻的微課。且結(jié)合學(xué)院學(xué)科設(shè)置的情況和分析儀器的配備現(xiàn)況，自編了相應(yīng)的實驗教學(xué)講義。在仿真實驗教學(xué)中，通過儀器分析虛擬實驗室建立實驗預(yù)習(xí)系統(tǒng)，幫助學(xué)生進(jìn)行實驗前的預(yù)習(xí)工作。例如在液相色譜虛擬實驗室中，學(xué)生課前進(jìn)行仿真軟件操作，可視化地了解儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、動態(tài)的實驗原理，還可以模擬不同分析物質(zhì)的實驗條件選擇，將長達(dá)10幾小時的色譜分析實驗全過程濃縮至幾分鐘的仿真系統(tǒng)中。

虛擬實驗室中，學(xué)生每人1臺電腦，可以模擬更多、更新的實驗內(nèi)容，幫助學(xué)生理解課程中的重點和難點，直觀地掌握儀器的結(jié)構(gòu)與分析原理，理解分析技術(shù)條件的選擇等，訓(xùn)練全面，進(jìn)而達(dá)到完善實驗教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。

2.2.2 線上課程資源建設(shè)

隨著在線資源的豐富，為實現(xiàn)多層次的實驗教學(xué)提供了便利。針對學(xué)生的接受能力和自學(xué)能力上的差異，老師可以鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生關(guān)注并學(xué)習(xí)其他線上課程資源，還可向?qū)W生引薦專業(yè)學(xué)術(shù)著作、全英文教材和英文文獻(xiàn)，以滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。并且通過網(wǎng)絡(luò)交流平臺，及時進(jìn)行師生互動與有效溝通。

在2020年秋季，已經(jīng)將現(xiàn)場實驗課程錄制的視頻發(fā)布在上海大學(xué)教務(wù)處的課程門戶中（http：／／mooc1.elearning.shu.edu.cn），供學(xué)生學(xué)習(xí)與交流。圖3所示為實驗教學(xué)課程，包括錄制的相關(guān)現(xiàn)場教學(xué)視頻、公開課的微視頻資料等。

圖3 實驗課程錄制的微課教學(xué)視頻

2.3 與科研、產(chǎn)教的融合

除了課堂內(nèi)的實驗教學(xué)，更加注重學(xué)生在實驗教學(xué)課堂外的創(chuàng)新項目實踐，按學(xué)生的需求推行多層次的培養(yǎng)模式，助力于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。依托與校內(nèi)實驗平臺的共建、校外企事業(yè)單位實驗室的通力協(xié)作，讓學(xué)生真正受益于課堂學(xué)習(xí)、課外實踐、單位實習(xí)的三維一體生態(tài)鏈?zhǔn)饺瞬排囵B(yǎng)模式。

2.3.1 項目式的導(dǎo)向

在生命科學(xué)領(lǐng)域中，隨著科技的發(fā)展，分析儀器越來越專業(yè)化，例如紫外可見吸光值的測定，除了普通教學(xué)中所使用的紫外可見分光光度計之外，在科研項目中更多地會接觸到超微量、高通量的吸光值測定，例如超微量分光光度儀（一般應(yīng)用在蛋白、核酸的測量），多功能酶標(biāo)儀（它的特點是高通量，可以用多孔板檢測）。以光譜綜合實驗項目為例，在藥物分子的定性定量分析時，將專業(yè)化高的分析儀器融入實驗教學(xué)中，通過分組，有的組使用常規(guī)的紫外可見分光光度計，有的組使用微量／高通量的光譜儀來分析藥物分子的吸光曲線／值，然后通過班級群的數(shù)據(jù)共享，整合分析實驗結(jié)果（A＝εbc，注意光程與吸光值的關(guān)系），可以加深學(xué)生掌握紫外可見光譜法的原理及在生命科學(xué)中的應(yīng)用，如從光譜定性角度理解蛋白／核酸的檢測波長為什么是280／260 nm。在校內(nèi)的創(chuàng)新實驗中，繼續(xù)銜接藥物分子與蛋白／核酸的相互作用、藥物在細(xì)胞／動物中的代謝分析等項目，進(jìn)一步拓展多維光譜分析在科研領(lǐng)域中應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)研究的興趣，逐步增進(jìn)學(xué)生樹立創(chuàng)新意識。

2.3.2 與科研的融合

結(jié)合學(xué)科前沿研究，設(shè)計綜合實驗，讓學(xué)生完成從實驗學(xué)習(xí)到科研實踐的順利過渡。學(xué)生可以參加院內(nèi)的創(chuàng)新實驗、申請校級以上大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，甚至參加大學(xué)生的生物類競賽項目，通過多年生態(tài)鏈?zhǔn)浇虒W(xué)模式的實踐，在學(xué)生群體中獲益明顯，多人次獲得市級以上獎項，例如“基于pH響應(yīng)型金屬有機(jī)框架材料的乳腺癌外泌體液體活檢新方法”項目獲得2020年度全國大學(xué)生生命科學(xué)競賽一等獎、“化學(xué)選擇性鏈接輔助DNA walker及其在生物傳感中的應(yīng)用”項目獲得第五屆全國大學(xué)生生命科學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎、“基于分子模擬和活性篩選的多核硒黃酮配合物的合成及其抗腫瘤活性研究”項目獲得2019年上海市大學(xué)生命科學(xué)競賽三等獎等，這些競賽項目都很好地將科學(xué)研究融合到大學(xué)生的創(chuàng)新實踐項目中，極大地提升了學(xué)生對于實驗技術(shù)課程的熱愛與獲得感。

2.3.3 與產(chǎn)教的融合

為更好地培養(yǎng)應(yīng)用復(fù)合型人才，急國家行業(yè)所需，建立良好的產(chǎn)教融合的“雙師型”教學(xué)，顯得格外迫切。依托于校內(nèi)的實驗平臺、校外單位的技術(shù)合作，推動學(xué)生“走出去”，深入企事業(yè)單位研發(fā)技術(shù)的第一線，同時將企業(yè)技術(shù)專家“請進(jìn)來”，讓學(xué)生深切感受到國際背景下、大行業(yè)的技術(shù)關(guān)鍵難點，帶著卡脖子的技術(shù)問題，深入思考性地學(xué)習(xí)，大大增進(jìn)了學(xué)生就業(yè)和深造的機(jī)會。

如圖4所示，每學(xué)年帶領(lǐng)學(xué)生深入到相關(guān)的企事業(yè)單位學(xué)習(xí)與實踐，同時，邀請生物醫(yī)藥的企業(yè)技術(shù)專家走進(jìn)線下的實驗教學(xué)課堂，例如色譜分離模式及其在生物制藥中的應(yīng)用（https：／／www.shu.edu.cn／info／1062／71503.htm），讓學(xué)生切實感受到我們國家目前需要解決的實際問題，近距離地感觸到所學(xué)知識的用武之地。良好的產(chǎn)教結(jié)合模式，也反映在教學(xué)計劃的及時修訂上，銜接時代對人才的需求，無論是再深造的學(xué)生，還是直接就業(yè)的學(xué)生，都受到同行老師的好評，近年還出現(xiàn)企事業(yè)單位提前預(yù)招畢業(yè)生的向好趨勢。

圖4 產(chǎn)教融合的教學(xué)場景

3 嵌入式過程評價

將評估嵌入到每一個實驗過程中，評估不再是評價學(xué)習(xí)的終點，而是提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力的載體。這種動態(tài)式的評估過程，能夠讓學(xué)生了解自己在實驗過程中解決問題的能力，將“學(xué)習(xí)力”的考查“可視化”，還能指導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)自我評價，達(dá)到評價引領(lǐng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的目的。

3.1 多元化的考評

以“重在過程，不惟結(jié)果”為指導(dǎo)思想，實行多元化的考評制度，注重評價學(xué)生主動參與實驗的過程、善于思考的能力。改革后的實驗教學(xué)評價體系分為3個部分：①線上虛擬仿真實驗系統(tǒng)實驗考核部分，考查學(xué)生理論知識掌握程度；②線下實體實驗考核部分，考查學(xué)生實際動手操作能力；③實驗報告或小論文考核部分，考查學(xué)生分析與解決問題能力。該評價體系把“過程”與“結(jié)果”有機(jī)地融合在一起，能更客觀公平地反映實踐課程的教學(xué)質(zhì)量。

3.2 數(shù)據(jù)的共享分析

每次實驗課程的課時非常有限，通過班級的數(shù)據(jù)分享，可以減少實驗時間、空間的局限，例如在綜合光譜進(jìn)行藥物分子含量分析的實驗中，學(xué)生可以分組設(shè)計不同的試驗方案，分別使用常量分光光度儀、超微量的光譜儀、高通量的光譜儀來檢測樣品，通過班級群數(shù)據(jù)共享，學(xué)生可以總結(jié)分析不同方法的優(yōu)缺點及應(yīng)用特性。同理，在原子光譜試驗時，班級團(tuán)隊協(xié)作，分組設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)曲線法、標(biāo)準(zhǔn)加入法；在色譜綜合試驗中，不同組設(shè)計不同的樣品預(yù)處理方法等。這種將不同維度科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)滲透到教學(xué)中的每一個環(huán)節(jié)，落實多元綜合能力的培養(yǎng)和綜合考評。

3.3 儀器小組的協(xié)助

小組式的討論與學(xué)習(xí)也是實驗教學(xué)改革的重中之重。在教學(xué)新模式中，以小組協(xié)作的模式比個體的學(xué)習(xí)要復(fù)雜，這就需要教師將學(xué)生的小組合作更加精細(xì)化、深入化，不僅體現(xiàn)在操作技能的協(xié)作，實驗方案設(shè)計的互動研討，甚至是在小組的大型儀器協(xié)助管理方面，來實現(xiàn)小組學(xué)習(xí)的價值。生化儀器分析實驗課程有著它鮮明的特征，每一次課堂教學(xué)中會涉及多間不同的實驗室，限于1位教師的課堂教學(xué)，會產(chǎn)生照顧不過來的尷尬局面，此刻正是調(diào)動學(xué)生主觀能動性的好時機(jī)，按小組輪流制。例如在綜合光譜實驗中，會涉及4種儀器，3間實驗室，班長協(xié)調(diào)4個小組同學(xué)，分別跟進(jìn)一種儀器的教學(xué)操作過程，增進(jìn)學(xué)生“動手探究”的融入，讓學(xué)生真正體驗到實驗課堂的主體意識，全程參與到實驗教學(xué)中，增強(qiáng)了學(xué)生在實戰(zhàn)中的練習(xí)與效率。同時，還可以避免大型分析儀器在教學(xué)過程中，非正確使用造成的故障及維護(hù)成本增加。

4 結(jié) 語

通過與校內(nèi)實驗平臺、校外企事業(yè)單位深度合作，參與人才培養(yǎng)全過程，面向?qū)W科行業(yè)的需求重構(gòu)課程體系，構(gòu)建課程學(xué)習(xí)、課外科技活動、實踐實習(xí)三維一體生態(tài)鏈?zhǔn)饺瞬排囵B(yǎng)的教學(xué)模式，該模式的應(yīng)用已經(jīng)在2017年獲得上海大學(xué)教學(xué)成果一等獎，在學(xué)生和教師團(tuán)隊中受益顯著。