充分利用實驗室軟硬件資源多渠道改革生物化學實驗教學內容

趙玉紅, 李　欣, 崔建林, 周　浩, 李登文, 張金紅, 趙立青

(1. 南開大學 生物實驗教學中心, 天津　300071； 2. 南開大學 醫學院, 天津　300071)

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充分利用實驗室軟硬件資源多渠道改革生物化學實驗教學內容

趙玉紅1, 李欣1, 崔建林2, 周浩1, 李登文1, 張金紅1, 趙立青1

(1. 南開大學 生物實驗教學中心, 天津300071； 2. 南開大學 醫學院, 天津300071)

生物化學實驗是生物學科最重要的基礎實驗課程之一,在學生創新意識和實踐能力培養中具有舉足輕重的作用。但隨著新的生物化學技術和方法誕生,一些傳統的實驗教學內容暴露出不足,亟須改革。課程組充分發掘實驗室軟硬資源,通過將綜合、探究性實驗內容改進轉化為基礎實驗課程資源、引入最新研究技術手段、借助教改契機改進實驗等途徑,多渠道更新、改進經典實驗教學內容,加強學生掌握前沿知識和從事科學研究能力的培養,取得了良好的教學效果。

生物化學； 實驗教學內容； 多渠道改革

生物化學所涉及的離心、層析、電泳、分光光度等基本技術與方法,是分子生物學、遺傳學、細胞生物學、生理學等眾多學科的重要研究技術手段,現代生命科學領域的許多科技研究成果和重大發現幾乎都與生物化學技術與方法有關。生物化學實驗是培養學生的生物化學基本技能,了解與生物相關的研究方法和實驗設計思路的重要實踐環節[1]。

傳統生物化學實驗主要存在以下兩方面問題:一些實驗項目內容相對單薄且項目間內容相互獨立,缺少知識的聯系和技術的整合,不利于學生對理論知識點的全面理解和技術方法的綜合運用[2]；實驗技術手段落后,學生的學習積極主動性不是很高。這樣的實驗教學難以滿足新時代對高素質創新人才的培養需求,學生的動手能力、創新能力得不到充分發揮[3]。

為解決這些不足,保持實驗課可持續、高水平地發展,課程組充分發掘實驗室軟硬資源,通過將綜合、探究性實驗內容改進轉化為基礎實驗課程資源、引入最新研究技術手段、借助教改契機改進實驗等途徑,多渠道更新、改進經典實驗教學內容,增加和體現知識的綜合性、應用性和前沿性,能夠使學生了解和掌握更多的經典與前沿生物化學技術與方法,多角度地了解生物科學研究的基本思路與方法,開闊眼界,提高學生的綜合能力。

1　生物化學實驗教學內容改革的總體思路

本次實驗教學改革秉承了“傳承經典,注重拓展”的教學理念。考慮到兩方面原因:一是“寸有所長,尺有所短”,無論實驗技術方法是傳統的還是現代的,都各有所長,對于學生基本實驗技能的訓練和研究經驗的積累都發揮著重要作用；二是大學二年級的學生還處在基礎課學習階段,學生自主性還較差,他們的知識儲備還難以完成綜合性較強的探究性實驗[4]。因此,生物化學實驗教學內容的改革并沒有大刀闊斧地進行,而是采取了在原有實驗項目基礎上進行拓展、改進的循序漸進的方法,既保留了傳統、經典的實驗內容,又增加了許多現代生物化學的技術、方法。希望改革后的生物化學實驗教學內容在夯實學生基本技能的基礎上,為學生創造更多的思考與提升空間,促進學生探索能力和科學研究能力的發展。

2　多渠道改革生物化學實驗教學內容

2.1將綜合、探究性實驗內容改進轉化為基礎實驗

教學經驗表明,先進的實驗儀器以及方法、技術,體現了學科發展前沿,在實驗教學中對于學生的綜合能力培養發揮著重要作用[5-8]。課程組將實驗室近幾年開設的綜合、探究性實驗項目進行了梳理,結合基礎課實驗項目及教學特點,經過認真研究、巧妙設計,將這部分實驗內容進一步改進,轉化成適于基礎實驗教學的內容。

2.2引入最新研究技術手段

調研發現,生物化學實驗內容最欠缺的是科學領域中的前沿成果在教學中的體現[9],因此將科研實驗室常用的先進實驗技術與方法應用到本科實驗教學中來,使學科實驗教學接近科研實際,培養學生對現代生物學相關技術的應用和掌握,拓展實驗技能。

2.3借助教改契機改進實驗

生物化學實驗中許多試劑有毒、有害,一些學生為了學分勉強進入實驗室進行實驗。為消除這種心理芥蒂,課程組教師利用申請院級及校級教改項目的契機,不斷探索新的實驗技術和方法,不用或是盡量減少有毒、有害試劑的使用,倡導“綠色”實驗,從實驗環境方面打消學生不愿參與實驗的消極情緒。

3　多渠道改革生物化學實驗教學內容的實踐

3.1改進“SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳”和“聚丙烯酰胺凝膠等電聚焦電泳”實驗

鑒于雙向電泳技術在蛋白質組學中應用廣泛,中心2008年購置了整套的雙向電泳相關設備(包括BIORAD等電聚焦儀、GS-800光密度儀以及PDQuest工作軟件等),為大四年級本科生開設了“雙向電泳檢測熱休克處理對細菌蛋白表達譜的影響”的綜合實驗以及“百項工程”等其他探究性實驗。

由于儀器設備數量及實驗所需時長限制,雙向電泳實驗先在小班授課的生物伯苓班試點開設,目前已運行3輪。具體做法如下:精簡原有雙向電泳綜合實驗的實驗內容,由教師直接提供蛋白樣品,將第一向IEF和第二向SDS-PAGE兩個電泳實驗分別穿插在“SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳”和“聚丙烯酰胺凝膠等電聚焦電泳”2個實驗項目的電泳等待間隙,分兩次進行。第一次安排第一向電泳,蛋白樣品由教師提前制備好,一向電泳結束后保存樣品膠條；第二次安排第二向電泳,將IPG膠條轉移至由學生自己提前準備好的SDS-聚丙烯酰胺凝膠,進行染色、脫色、電泳結果掃描及圖像分析。

3.2改進“維生素C含量檢測”實驗

高效液相色譜(簡稱HPLC)也是一種應用廣泛的分離分析技術,被用于包括生命科學交叉前沿領域中的重大課題。課程組依托中心的資源平臺,多年來在開放探究性實驗中為本科生開設了“高壓液相色譜法在食品衛生、農藥殘留、環境監測、藥物分析中的應用”的項目,深受學生喜歡[10]。幾年來,學生通過自報選題獨立自主完成的實驗項目有30余項,其中有5個實驗課題利用HPLC測定了鮮橙多、脈動、水溶C100等生活中常見飲料以及維生素C片中的的Vc含量。

受學生啟發,課程組通過查閱相關文獻資料,在保留原有樣品前處理方式的基礎上,摸索出了適于獼猴桃中維生素C含量檢測的色譜條件。教師先將2臺HPLC儀器調試好,將標準品課前準備好,由實驗完成速度快的幾名學生來完成標準品的進樣,每臺儀器出一組標準品數據。其他學生在用傳統2,6-D方法檢測完成后,直接拿自己的樣品進樣即可,樣品出峰時間控制在8 min左右。實驗等待間隙,為學生講解HPLC的工作原理、應用以及方法學等相關知識。

3.3改進“家兔肝臟DNA的制備及含量測定”實驗

“家兔肝臟DNA的制備及含量測定”實驗分為DNA的提取和DNA的含量檢測兩大部分內容。

(1) 對于核酸的提取,目前國內外科研實驗室大多使用試劑盒,因為試劑盒使用起來更高效、簡便快捷,而且提取的DNA質量高[11],因此在實驗教學中,最近幾年在生物伯苓班除了使用傳統的濃鹽法,同時將試劑盒納入到實驗教學中來。伯苓班的授課方式是單人操作,實驗中,先使用試劑盒進行DNA的提取,在用酶消化的近2 h里,用濃鹽法進行DNA的制備,此后2種不同提取方法的實驗交替進行。

(2) DNA含量的檢測,除保留經典的二苯胺法,將目前科研實驗室廣泛使用的超微量分光光度計法引入實驗課堂,不僅可對DNA進行定量分析,還可鑒定DNA的純度。

3.4改進“轉氨基作用”實驗

傳統的“轉氨基作用”實驗中采用水飽和酚作為展層劑,這也是目前許多高校廣泛使用的一種展層劑。但是苯酚是一種有毒物質,具有強烈的刺激氣味,對皮膚有較強的腐蝕性。為此,課程組改進了“轉氨基作用”實驗中的展層劑,用無毒、價格低廉的“無水乙醇∶ 水∶ 尿素∶ 氨水”替代傳統實驗中有腐蝕性、價格相對昂貴的試劑“水飽和酚”[12]。

4　改革后的實驗教學總結與探討

4.1實驗內容

目前利用實驗室軟硬件資源,多渠道更新、改進的實驗項目多達5項,具體參見表1。

表1　改革的生物化學實驗教學內容

教學實踐表明,改革渠道切實可行,改革后的實驗內容科學合理且具有以下優點:

(1) 在原有傳統、經典的實驗內容上進行拓展、改進,增加了許多現代生物化學的技術、方法,易于學生理解、掌握及科學思維、科研能力的培養；

(2) 改進的“SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳”和“聚丙烯酰胺凝膠等電聚焦電泳”實驗由“雙向電泳實驗”將原本兩個相互獨立的實驗項目有機地融合在一起,增加了實驗內容的綜合性；

(3) 改進的“維生素C的含量檢測”和“家兔肝臟DNA的制備及含量測定”實驗,引入了對比教學法；

(4) 改進的“轉氨基作用”實驗是生物化學實驗課程“里程碑式”的發展,對學生具有深遠的啟示意義。

4.2實驗學時

基礎實驗的內容改革因受課時等因素影響,實施起來具有相當的難度。生物化學實驗課只有64學時,如何在規定的學時內拓展新技術、新方法,我們做了許多調研和嘗試。通過精簡實驗內容、穿插分次實驗以及優化實驗條件、縮短實驗時間等途徑來提高實驗教學效率。改革后的實驗課時變化見表2,實驗課總計增加約2.5學時。每個單項課時增加不超過1學時,基本上突破了課時限制這一發展瓶頸。

表2　改革后的實驗項目學時變化

4.3實驗經費

從表3中可以看出,除雙向電泳實驗中所用IPG預制膠條價格昂貴外,細胞基因組提取試劑盒價格較貴,改革后的實驗幾乎不增加其他的費用,甚至 “轉氨基作用”實驗還節約經費160元。改革后的實驗經費累計增加1360元。對于實驗課來講,增加的這些經費在課程承受范圍內。

表3　改革后實驗項目的經費變化

5　教學效果

5.1促進學生的思維活動向更高的水平發展

學生在實際科研中遇到的問題,通常不是孤立的,不能只靠單一的知識點來解決,需要綜合運用多種知識、技術、方法來解決。在實驗室條件許可的情況下,充分利用實驗室軟硬件資源,為學生的專業學習搭建一個高水平的平臺。譬如在學生掌握了電泳基本操作技能的基礎上,實施具有一定綜合性質的雙向電泳實驗,不僅潛移默化中培養了學生綜合運用所學知識解決問題的能力,而且使學生對于實驗設計的科學性、系統性有了更直觀的認識,能引導學生的思維活動向更高的水平發展。

5.2基礎性實驗與綜合、開放探究性實驗的銜接橋梁

碰觸學科發展前沿成果、技術,有利于學生從基礎層次到更高層次實驗的順利過渡,有助于學生利用基礎實驗中獲得的新知識、技術,進而在后續更高層次的實驗中有所突破,有所創新,并且有助于學生在后續開設的綜合、探究性實驗中少一分初時選擇的盲目,多一分選擇的余地,參與其他自己感興趣的項目領域,進一步拓展專業知識和實驗技能,豐富自我發展的空間。

5.3以點帶面,全面提升學生的綜合素質和創新能力

以“維生素C的含量檢測”實驗為例,實驗改進后,首先通過2,6-D滴定法和HPLC這2種不同實驗方法與技術會獲得大量的數據,通過對這些數據進行分析、歸納、總結,有利于培養學生對數據進行合理統計與分析的能力；其次通過數據比對分析,增強學生規范操作的意識,培養嚴謹的科學態度；然后學生通過親身實踐切實體會到解決同一個科學問題,可以借助于不同的方法與技術來實現,引導學生多方面、多角度地思考問題,增強學生的創新意識；最后通過方法學相關知識概念的普及,加深學生的嚴謹性、科學性等觀念,培養學生科學系統的思維方式。

5.4以身作則,鼓勵學生創新

鼓勵學生在實驗中去發現、創造,為師者,自己親自動手改造一個經典傳統實驗,比苦口婆心、千言萬語的效果要好上一千倍,甚至一萬倍。“轉氨基作用”實驗中的展層劑由有毒的“水飽和酚”改進成無毒的“無水乙醇∶水∶尿素∶氨水”,多年來,多少屆學生不僅在“綠色”生化實驗室受益良多,而且通過教師的榜樣行為使學生明白一個道理,即傳承經典傳統實驗的目的,不是一味的一成不變,更重要的是發展和創新。

6　結語

針對生物化學實驗內容教學中存在的問題,多渠道進行了改革。改革切實可行,基本實現了在有限的實驗課時和經費許可范圍內,實驗教學內容得以極大地豐富、拓展與更新。運行幾年來,收到了良好的教學效果。經課后調查反饋,學生對生物化學實驗教學滿意度很高。但受課時以及大型儀器數量等條件的限制,像雙向電泳實驗只適合于小班開設。進一步擴大學生的受益面,將在今后的實驗教學中逐步解決。

References)

[1] 李登文,趙立青.提高基礎生物化學實驗課教學質量的實踐和探索[J].實驗室科學,2008,11(1):39-40.

[2] 吳明江,鄭蔚紅,廖智勇,等.寓基礎于綜合,改革生物化學實驗教學內容體系[J].實驗室研究與探索,2011,30(12):104-107.

[3] 閆國棟,程瑛琨,周毓麟,等.生物化學實驗教學課程化體系與方法的改革探索[J].高校生物學教學研究,2015,5(1):41-46.

[4] 沈劍敏,田曉柱,馮虎元.優化生物化學實驗教學內容的策略與實踐[J].高校實驗室工作研究,2015(1):9-11.

[5] 湯海峰,程瑛琨,孟令軍,等.面向本科生開放大型儀器的實踐[J].實驗技術與管理,2015,32(11):269-272.

[6] 朱平川,岑衛健,李楠.大型儀器平臺應用于本科教學實驗的探索[J].實驗科學與技術,2012,10(1):119-121.

[7] 黃海波,李凡.高校大型儀器教學改革的探討:“掃描電子顯微分析”精品課程的建設[J].實驗室研究與探索,2011,30(11):317-320.

[8] 湯云暉,王波,李耳.大型儀器設備實驗教學與本科生、研究生創新能力培養的探索實踐[J].中國現代教育裝備,2010(17):129-130.

[9] 劉永梅,張晉芬,戴維林,等.新形勢下物理化學實驗內容的設計與思考[J].中國大學教學,2014(10):88-91.

[10] 趙玉紅,鄧飛,張金紅,等.高效液相色譜開放實驗的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2013,30(6):93-95.

[11] 潘濤,雙衛兵,唐彥.四種DNA提取試劑盒提取效果的比較[J].實用醫技雜志,2013,20(4):408-409.

[12] 張寶珠,趙玉紅,李欣,等.“轉氨基作用”實驗方法的改進[J].實驗室科學,2012,15(1):111-114.

Reforming biochemistry experimental teaching contents by fully using laboratory resources with multichannels

Zhao Yuhong1, Li Xin1, Cui Jianlin2, Zhou Hao1, Li Dengwen1, Zhang Jinhong1, Zhao Liqing1

(1. Biological Experimental Center,Nankai University,Tianjin 300071,China;2. College of Medicine,Nankai University,Tianjin 300071,China)

The biochemistry experiment plays an important role in cultivating students’ innovative consciousness and practical ability as one of the most important basic experimental courses of biology.But with the birth of new technologies and methods,some problems of traditional experimental teaching contents arise. Reforms have been made by transforming curriculum resources from comprehensive and exploring experiments. This article introduces the latest research techniques and reform experiments by any opportunities. Good teaching effect has been achieved.

biochemistry; experimental teaching contents; multi-channel reform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.049

2016-03-02修改日期：2016-04-29

國家基礎學科人才培養基金“條件建設項目”(J1310003)；南開大學2014年教學改革項目

趙玉紅(1981—),女,山東青島,碩士,實驗師,從事生物化學和分子生物學實驗教學工作

E-mail：zyh@mail.nankai.edu.cn

趙立青(1962—),女,云南洱源,博士,教授,從事蛋白質結構與功能研究以及基于蛋白質結構的工程應用.

E-mail：lqzhao@nankai.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)9-0186-04