生物化學綜合大實驗及其考核方式的改革

徐志霞, 李燕華, 楊 勇, 黃循吟, 王銳萍, 張文飛

(海南師范大學 生命科學學院, 海南 海口 571158)

通信作者:張文飛(1979—),男,湖南岳陽,博士,副教授,研究方向為資源與應用微生物學.

生物化學綜合大實驗及其考核方式的改革

徐志霞, 李燕華, 楊 勇, 黃循吟, 王銳萍, 張文飛

(海南師范大學 生命科學學院, 海南 海口 571158)

為完善本科生物化學實驗教學、提高本科生綜合創新實踐能力,通過對實驗材料的改進、綜合性實驗項目的編排、設置設計性和開放性實驗以及考核方式的改進等,對生物技術專業生物化學實驗進行教學改革的探索。通過觀察4屆學生的教學效果可以表明:學生能夠系統地掌握蛋白質的提取、分離純化、電泳、鑒定技術,開展設計性開放實驗,學生的操作、實驗設計、分析解決問題、資料處理以及論文撰寫等能力均有很大程度的提高,達到了令人滿意的教學效果。

生物化學； 綜合性實驗； 設計性實驗

生物化學是一門應用性和實踐性很強的生物學基礎學科,生物化學實驗既是對理論課程的有效補充,又是鍛煉學生動手能力、培養其科學思維方式的重要途徑[1]。實驗教學的重要性隨著生命科學的發展日益彰顯,但受各種客觀條件的制約,各大高校實驗項目的設置依然偏重于傳統的實驗,各實驗項目銜接脫節,實驗缺乏設計性和綜合性,不利于調動學生的積極性,嚴重制約教學效果[2-3]。近幾年,涌現出一些針對綜合性實驗的改革方案,主要集中在堿性磷酸酶、血紅蛋白等的分離純化上[4-5]。當前的改革仍然以知識傳授為主體,以教師的教為主,而忽視了學生的主觀能動性,忽視了以學生為本的教學理念[6]。近4年來,隨著學院學科的發展、實驗室平臺的建設更加完善,我們對生物技術專業的生物化學實驗課程進行了改革,增加了綜合性和設計性實驗,效果顯著,開啟了培養學生的創新精神和綜合素質的新模式[7]。

1 實驗材料的改進

生物化學實驗不像動物學、微生物學實驗那樣生動,而是實驗周期長、過程乏味,很難充分調動學生的積極性。蛋白質的分離純化實驗一般會選擇堿性磷酸酶或血紅蛋白等,整個流程中蛋白質是看不見、摸不著的,只有進行染色才能尋到蛋白質的蹤跡,學生方能知道自己的整個流程成功與否。若將血紅蛋白作為實驗材料,則需采集實驗動物的血液,背離了如今倡導的動物保護主義。鑒于此,實驗室構建重組質粒,表達綠色熒光蛋白GFP,并給其加上His標簽和MBP融合蛋白,相對分子質量約為68 kDa。

綠色熒光蛋白從菌株的培養到蛋白質的分離、純化過程,均顯現出綠色熒光,在實驗課運行期間,學生對熒光表現出了很強的好奇心,且在實驗的過程中隨時可以觀察到蛋白質的去向,及時發現錯誤操作。另一方面,構建過程添加的His標簽利于開展鎳離子金屬親和層析,緊跟科學發展的潮流。

2 綜合性、設計性實驗的設計

通過參考國內外相關實驗教程,并結合教師的科研實踐,以及當前的學術前沿技術,精心設計了綜合性、設計性實驗(見表1)。表1列出的實驗項目既具有一定的獨立性,又具有很強的連貫性。

表1 生物化學技術綜合性、設計性實驗方案

2.1 綜合性大實驗

蛋白質的電泳技術是一項基本操作,學生必須熟練掌握,同時在項目2—6中均要利用電泳來檢測結果,因此首先安排的即是SDS—聚丙烯酰胺凝膠電泳,學生既要掌握制膠、電泳的技術,又要學會從電泳圖譜上分析得到蛋白質的一系列的信息,這既是一個獨立的實驗,又為之后的實驗打下基礎。

細胞破碎方法溶菌酶法、反復凍融法以及超聲破碎法的比較,均為科研最為常用的細胞破碎手段。這一項目的設立為其后的純化實驗提供材料。

親和層析、離子交換層析和凝膠過濾層析是層層遞進的,學生從這3個純化方法可以看到蛋白質的純度是逐漸提高的,使學生對內容有了前因后果式的總結與提高,為將來從事科研工作,如結構生物學研究等打下很好的基礎,同時這些實驗技能也是進入現在的生物制藥行業后必備的技能。

經過對4屆學生的觀察,發現貫穿在整個實驗進程中的電泳技術,學生經過數次的練習,在學期結束時對垂直電泳技術掌握的熟練程度遠比傳統的教學產生的教學效果好得多。

2.2 設計性實驗

項目6設計性實驗同時也是開放性實驗,是考核的重點內容。給定選題范圍為“選取一種能夠從土壤或環境中分離得到的天然蛋白酶,要求學生查閱蛋白質分離純化的相關資料,分離純化得到該種酶,并設計實驗測定酶的活力”。由學生自行選擇項目主題,通過文獻資料的查閱總結,擬訂實驗方案、選定儀器設備,經過小組匯報、討論方案的不足,教師在這個過程提供必要的指導與幫助,最后完善方案并予以實施。考慮到綜合性大實驗項目操作完成的連續性及時間的持久性,實驗室全天候開放,學生隨時可以進入到實驗室進行實驗,自由安排時間,只要在規定的時間內上交論文即可。

設計性實驗項目要求學生對該實驗課程的學習不僅局限于教材和課堂上,引導學生經常利用網上資源進行學習,拓寬知識面,不斷更新知識、了解研究前沿,把最新研究進展及時納入實驗項目。在這個模式下學生能夠積極主動地獲取知識,從選題、方案設計到實驗方案的實施和結果的分析論證,加深了理論學習、培養了創新意識,有助于提高學生的操作能力、思維能力、實驗設計能力、分析解決問題的能力、資料處理以及論文撰寫等能力,同時也培養了學生的合作精神和合作意識。

3 成績考核方式的改革

成績考核彈性化,分為2部分進行:第一部分為基礎實驗和綜合性實驗考核,考核指標常規化,包括課堂表現和實驗報告的書寫,重點是對結果部分的描述與分析；第二部分為設計性實驗的實驗方案的設計、實施以及論文的撰寫,這是考核的重中之重,具體評價指標如表2所示。

表2 設計性實驗成績評價指標

在這種考核方式下,學生既鍛煉了科學的思維能力、動手能力,也使學生的協作能力得到大幅度的提升,而最后通過撰寫論文,又鍛煉了學生的科技論文寫作能力。從最后的效果來看,大部分學生均能按照要求完成,而部分學生甚至表現出了很高的水平,為以后的課程的開展打下了很好的基礎。

4 建立有效的實習基地

教師積極地與本地醫藥企業聯系,建立合作關系,定期安排學生去相關醫藥企業參觀,進行實地見習,讓學生了解生物化學技術這門課程與現實生活的聯系,使學生心中對自己所學知識有明確的定向,同時開拓學生的知識視野,有效地培養學生對專業課程的喜愛。

5 教學效果

學生經過在綜合性設計性實驗部分對基礎操作的訓練、思維方式的引導、寫作能力的強化,在設計性實驗中展現出了較高的素質,其中代表性的選題如表3所示,學生不僅綜合運用了生物化學實驗的手段,同時也與微生物學結合起來,不僅夯實了生物化學的基礎理論知識,同時養成了大學科意識,形成了獨立的工作能力和創新能力。

表3 設計性實驗代表項目統計表

通過該改革方案的有效實施,學生不再局限于書本上知識的掌握,有效地使理論與實踐相結合,加強了知識的接受效果,在實驗過程中,既是對理論知識的驗證和復習,也很好地鍛煉了學生的實驗操作能力。同時,將生物化學實驗項目的順序進行合理的排布有利于學生對學科知識進行系統的掌握,建立由淺入深的知識網絡,并且最后進行的設計性綜合大實驗充分發揮了學生的能動性,鍛煉了學生的多種學習能力,使學生再一次對知識進行了強化,不至于在課程結束后將生物化學技術的理論知識遺忘[8-9]。并且,設置的開放性實驗室,讓教學不再局限于傳統的課堂上,而是延伸到課外,也可以滿足對實驗有興趣的學生的教學需求[10]。在實習基地見習時,由專業的工程技術人員指導,使學生對自己所學的專業有了一個定性的認識,便于學生規劃自己未來的職業領域[11]。

6 結語

生物化學作為生命科學的前沿學科,與分子生物學、基因工程都有密不可分的關系,學好生物化學的基本技術的重要性不言而喻。經過集綜合性、應用性、研究性為一體的綜合性大實驗的培養,學生的積極性、主動性均得到極大的調動,知識面得到了拓展,創新能力有所提高。目前我們僅在生物技術專業進行了實施,教學效果良好,接下來將探索在生物科學專業實施的可行性,更加完善生物化學的實驗教學[12]。

References)

[1] 郝紅元,郝曜.注重大學實驗教學 培養學生創新能力[J].華北工學院學報(社科版),2004,20(2):63-65.

[2] 舒樂新,苗戎,楊琳,等.改革生物化學實驗教學 提高實驗教學質量[J].實驗室科學,2013,16(5):53-55.

[3] 楊志偉,劉曉晴,徐愛紅,等.生物化學實驗教學的改革與實踐[J].實驗技術與管理,2005,22(9):7-10.

[4] 黃小花,鄧雅斌,李東輝,等. 血紅蛋白綜合實驗的設計與實踐[J]. 實驗室科學,2016,19(2):16-19.

[5] 莫日根,邢萬金,王志鋼,等.本科生物技術綜合性超大實驗課程的架構與建設[J].生物學雜志,2014,31(3):104-107.

[6] 嚴明理,劉麗莉,周建良,等.生物類本科專業分子生物學實驗教學改革的探索[J].當代教育理論與實踐,2011,3(7):73-75.

[7] 郁達,盧祥云,吳金男,等.加強綜合性和設計性實驗,培養學生創新能力:生物科學(師范)專業實驗課程體系改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2002,21(1):15-17.

[8] 華智銳,李小玲.生物技術綜合大實驗教學改革初探[J].實驗科學與技術,2011,9(4):90-92.

[9] 余和芬,孔璐,侯燕芝,等.開設生物化學設計性實驗,提高學生綜合素質[J].實驗技術與管理,2006,23(10):18-20.

[10] 高家寶,陸東鈺.開放型實驗室與大學生綜合素質培養的研究[J].河池學院學報,2009,29(增刊1):149-150.

[11] 游自立,饒妮妮,夏陽,等.加強實踐教學環節,提高生物技術專業教學水平[J].實驗科學與技術,2005(增刊1):20-21.

[12] 詹漢英,董團瑞.加強高師院校師范生化學實驗技能的培養[J].高校實驗室工作研究,2005(3):26-27.

Teaching reform on biochemistry comprehensive experiment and its evaluation methods

Xu Zhixia, Li Yanhua, Yang Yong, Huang Xunyin, Wang Ruiping, Zhang Wenfei

(College of Life Sciences, Hainan Normal University, Haikou 571158, China)

In order to improve the undergraduate experimental teaching of biochemistry and enhance the students’ comprehensive innovative and practical ability, the exploration is carried out on the teaching reform on the biochemistry experiment of the Biotechnology major through the improvement of the experimental materials, the arrangement of the comprehensive experimental projects, the establishment of the designing and opening experiments, the improvement of the examination methods, etc. Through the observation of the four years’ teaching effect, the results show that the students can systematically master the protein extraction, the separation and purification, the electrophoresis and the identification technique, and carry out the open designing experiments well. The student’s operation, experimental design, analysis, problem solving, data processing and thesis writing abilities are greatly improved, and the satisfactory teaching effect is achieved.

biochemistry; comprehensive experiment; designing experiment

G642.0

: A

: 1002-4956(2017)09-0198-03

2017-03-24修改日期:2017-05-08

徐志霞(1985—),女,山東青島,碩士,實驗師,研究方向為生物化學與分子生物學

E-mail:shanshizhixia@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.050