重視實驗教學設計是提高實驗教學效果的有效保障

摘 要：科學有效的設計實驗教學內容，提高學生進行探索性實驗的積極性和能動性是培養高素質創新人才的重要途徑之一。在教師的指導下學生們通過確定實驗目的、查閱相關資料、設計實驗方案、在教師的組織下對實驗方案經過可行性論證和修改、方案的實施并分析實驗結果等過程，使學生們鞏固了理論、提高了技術、初步建立了進行科學研究的思維模式，提升了實驗教學效果。

關鍵詞：設計性實驗 實驗教學效果 電泳技術 創新意識

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（c）-0127-03

生物化學實驗是醫學、生物學及相關學科學生必修的一門專業基礎課程，該課程在理論和技術方面不但涉及到有機化學、無機化學、分析化學、物理化學等四大化學的知識和技術，同時也涉及到物理學、高等數學、計算機科學等一些基礎性學科的知識和技術。該課程的理論和技術也是學習其他專業基礎課程和專業課程的基礎。因此，該課程的教學效果不但直接影響著學生后續課程的學習，也影響著學生基本技能、動手能力、分析問題和解決問題能力的培養以及學生創新素質的養成。

設計性實驗是教師給出實驗題目，學生自行設計實驗方案并獨立完成實驗的實踐過程。開設設計性實驗，指導教師應將新的教育思想和教學方法融入到設計過程中，改變傳統的教學模式，激發學生的求知欲望和創新精神，培養學生學習的主動性和創造性[1]。設計性實驗對培養學生鞏固和應用基礎課知識、訓練分析問題的方法、剖析實驗現象的根源、提高解決問題能力等方面具有重要作用。下面以醋酸纖維素薄膜電泳為例進行介紹。

1 常規電泳技術實驗教學的現狀和不足

電泳技術是生物化學四大實驗技術（光譜技術、色譜技術、離心技術和電泳技術）之一，該技術是醫學、藥學、生物學等學科各專業學生必須掌握的實驗技術，各學校開設的主要實驗內容包括醋酸纖維素薄膜電泳、瓊脂糖凝膠電泳、聚丙烯酰胺凝膠電泳等。其中血清蛋白的醋酸纖維素薄膜電泳是該技術的基本教學內容和首選教學內容，是各個學校培養學生電泳技術必須完成的教學內容之一。一般情況下醋酸纖維素薄膜電泳實驗課的教學過程是老師講解實驗原理和操作中的注意事項，實驗室老師準備實驗所需要的實驗器材、儀器和試劑，學生按照實驗講義的實驗步驟完成實驗操作，最后分析實驗結果，寫出實驗報告，老師對實驗報告進行批閱和總結。

教材中的實驗條件和實驗操作過程經過幾十年的不斷修改完成已經達到了標準化的效果，實驗課前準備工作也是由經驗非常豐富的實驗室老師完成，學生如果嚴格按照操作流程完成實驗的話一般不會出現問題，學生的實驗過程也比較順利，結果分析也比較容易，整個實驗內容不需要思考太多問題，當然學生的收獲也比較少，對學生的培養效果也就非常一般。但是當學生走向工作崗位或參與研究工作時實驗條件往往變化多樣，不可避免的會出現一些意想不到的現象和結果，甚至實驗出現多次失敗而無法解決。如果在學校時僅僅通過幾次標準化的實驗過程，學生很難熟練掌握該項技術的理論和技術，那么在實際工作中對于出現的問題解決起來就比較麻煩。比如：在實際工作中遇到的遷移率過低或過高的問題、電泳過程中溫度過高的問題、同一介質下各樣品間遷移率差別過大的問題、樣品擴散明顯的問題等等。

2 如何在設計性實驗的教學過程中培養學生的創新意識

創新意識是由創新意圖、愿望和動機等對創新活動有重大影響的各種精神因素構成的一種穩定的精神狀態。楊凌認為創新意識包含懷疑精神、批判精神、創造性思維等基本要素[2]。培養具有創新意識和創新能力的高素質人才，就必須構建一套有利于學生創新意識的養成、有利于學生創新思維習慣的建立、有利于學生創新技能的提高的創新教育體系。創新性教育體系的構建需要改變傳統的教育模式和教育方法，當然也需要改革傳統的實驗教學體系和教學內容，使學生在實驗過程中變被動學習為主動學習，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，培養學生的團隊精神和協作能力，增強學生對困難和失敗的承受力和抗挫折能力。

實驗設計就是要學生通過一系列的置疑、判斷、比較、選擇以及相應的分析、綜合、概括等多樣化的過程，由發散到收斂，由求異到求同的過程[3]。

2.1 實驗設計題目

筆者確定了4個方面的實驗設計題目，分別是緩沖液性質對電泳結果的影響；點樣對電泳結果的影響；醋酸纖維素薄膜的濕度對電泳結果的影響；電場強度對電泳結果的影響。

2.2 實驗設計要求

學生2人一組，每組選擇一個方面的實驗設計題目，課余時間完成實驗設計的理論基礎、實驗方法、預期實驗結果及原因分析。

2.3 實驗設計過程

學生們通過重新學習電泳技術的基本知識、查閱相關文獻、集體討論等過程完成實驗設計方案。指導老師與同學一起針對各組實驗設計方案的科學性、創新性和可行性進行論證和交流，并增加探究性內容和不確定因素的分析。

2.4 實驗設計效果

首先是改變教學的主體，從傳統的以教師為中心轉變為以學生為中心，教師在實驗教學過程中僅僅起到實驗設計的論證、指導和答疑作用，突出了學生的主體地位；學生設計實驗過程中通過對所學理論知識的復習、總結并指導實驗的設計，體現了理論和實踐的結合，既有利于提高學生的學習興趣，也促進了理論向應用的過度，還有利于將理論知識內化為學生自身的能力。學生們通過查閱文獻資料和完成設計方案的過程使學生初步熟悉資料的分析、歸納和總結過程，領會了以問題為中心的學習方法。在論證過程中注重啟發學生們養成積極思考的習慣、勇于探索的意識，通過討論讓學生們感覺到老師和其他同學怎么會有這樣的奇思妙想、筆者的這個想法是怎樣產生的等等好奇心。也讓學生們體會到實驗設計的神奇、神妙和研究工作的神圣。通過這個過程既調動了學生的學習熱情，活躍了學習氣氛，又使學生在思考中對實驗目的、方法和結果做到了心中有數，鞏固了基礎理論知識，培養了學生們的創新能力。

3 在設計方案的實施過程中注重培養學生的思辨能力

實驗設計方案的實施過程是檢驗實驗設計目標的重要途徑，是檢驗理論正確與否的根本方法，是重新認識理論豐富理論和再造理論的重要過程。學生們根據理論知識設計的實驗方案是否合理、能否實現設計的目標、能否出現預想的實驗結果要通過具體的實驗過程來檢驗。為了滿足學生實驗設計方案的多樣性需求采取了課余時間向學生全面開放實驗室，學生按照自己的設計方案安排時間完成整個實驗的前期準備和實驗內容。最后教師組織全體學生進行討論。

3.1 緩沖液性質對電泳結果的影響

同學們分別從緩沖液的組成、緩沖液的離子強度、pH值等方面進行了設計和實驗。其中一組同學在其他條件不變的情況下分別用離子強度為0.2 mol/L、0.06 mol/L和0.002 mol/L的3種緩沖液進行了實驗，結果如圖1所示。

通過實驗使學生進一步明白了電極緩沖液離子強度對帶電粒子電泳結果的影響情況，進一步理解了溶液的離子強度對帶電粒子擴散雙電層的影響。

3.2 點樣對電泳結果的影響

在醋酸纖維素薄膜電泳中，點樣操作直接影響電泳結果，點樣量過多會導致區帶擴散、拖尾、笑臉等現象的發生；點樣量過少則會導致區帶模糊不清。點樣時用力的大小和均勻度也會因為影響醋酸纖維素膜吸附作用從而改變樣品的擴散程度，進而影響電泳結果。

3.3 醋酸纖維素薄膜的濕度對電泳結果的影響

帶電粒子在電場的作用下進行移動，其移動過程中與載體之間產生一定的摩擦力，其摩擦力的大小除與帶電粒子的形狀、大小等有關外還與載體的濕度等有關。在電泳前首先需要把醋酸纖維素薄膜在電極緩沖液中浸透，然后再用濾紙吸取多余的緩沖液。這一步操作非常重要，也有較高的技術含量，如果點樣時醋酸纖維素薄膜上的緩沖液過多，則降低樣品向醋酸纖維素薄膜中滲透的速度，反而加快樣品在醋酸纖維素薄膜表面的擴散速度，最終導致區帶間界限不清分離效果不佳。如果醋酸纖維素薄膜的局部濕度過小的話會導致載體上電壓降不均勻，降低有效電場強度，電泳遷移率下降，影響分離效果。因此，在用濾紙吸取醋酸纖維素薄膜表面的多余緩沖液時一定用力均勻，打開濾紙后醋酸纖維素薄膜表面折光性和色澤基本一致，不可出現白斑。

3.4 電場強度對電泳結果的影響

帶電粒子的電泳速度受許多因素的影響，當其他條件一定的情況下，帶點粒子的電泳速度與電場強度成正比。但是電場強度過高的話會導致醋酸纖維素薄膜表面水分蒸發加速，局部離子強度增加，電流進一步加大，甚至會因為熱效應導致蛋白質變性而影響電泳分辨率。在實驗中同學們設計了多種影響電場強度的情況，如在同一個電泳槽中各醋酸纖維素薄膜分別使用不同厚度的鹽橋從而導致醋酸纖維素薄膜兩端的有效電壓降不同；在同一個電泳槽中使用不同厚度的醋酸纖維素薄膜；人為使同一條醋酸纖維素薄膜的不同位置電阻不同。其中一組同學在點樣后用小刀將點樣處薄膜的局部切斷，電泳后的結果如圖2所示。

雖然圖2是一種極端現象，但是以前的PAGE教學過程中遇到過因個別加樣孔中存在氣泡而導致遷移率明顯降低卻是常見的現象。另外極端的實驗結果往往給學生們帶來深刻印象。

4 對開設設計性實驗的思考

創新能力是指人們在已具備的科學知識和技能基礎上，按照事物發展的客觀規律提出新的設想、并通過一定的科學手段對其設想進行驗證的能力。是創造者以敏銳的感覺，從平凡的事物中發現問題，提出問題，產生探索動機，經過創造性想象，推理判斷，獲得新的獨特的認知能力。研究表明，人的創造性思維的提高不是一個自然而然的過程，而是一個需要精心培養的過程。

實驗教學是理論聯系實際的重要環節，對于培養學生獨立工作能力、創新能力，鞏固和驗證所學的理論知識尤其重要[4]。對于本科教育而言，設計性實驗的目標并不是讓學生在實驗中去攀登科技高峰、產出具有高水平應用價值的實驗成果， 而是讓學生通過主動學習去掌握科學研究的方法、培養創新的意識、提高創新能力。這也就決定了課程實驗并不需要設計高深的實驗項目，而需要在教學設計和實施方法上適當做一些改進和創造。通過此次設計性實驗教學過程學生們不但對電泳技術有了一個全面而深刻的認識，學會了應用理論知識分析實驗結果的基本方法，更重要的是學生們掌握了如何通過實驗來證明和驗證自己的想法，增加了學生們探究未知的興趣，提高了學生們的創新能力。

參考文獻

[1]崔大練，石戈，馬玉心.建立探究性生化實驗教學模式，培養科研創新人才[J].浙江海洋學院學報：自然科學版，2011，30（1）：87-90.

[2]楊凌.影響學生創新意識形成的教育因素[J].遼寧醫學院學報：社會科學版，2007，5（1）：79-80.

[3]肖建富，吳建國，石春海.遺傳學探究性實驗教學的思考及實踐[J].遺傳，2009，31（7）：763-769.

[4]左伋，劉雯，殷蓮華，等.醫學實驗教學中心的建設和任務[J].中國高等醫學教育，2008（11）：7-92.