專題化組合式生物化學實驗教學內容改革探索

阮海華, 孟 丹, 王素英

(天津商業大學 生物技術與食品科學學院, 天津 300134)

生物化學是研究生物體內化學分子與化學反應的科學。其主要研究內容為：生物體的分子結構與功能、物質的代謝與調節，以及遺傳信息傳遞的分子基礎與調控的規律，從分子水平探討和揭示生命現象的本質[1]，是生物類、農林類、食品科學類以及醫學類學科專業學生必修的重點專業基礎課程。我校作為地方普通本科院校，以“主動適應社會需求，培養商學素養與專業能力結合、知識學習與實踐能力并重、誠信做人與創新能力兼備的復合型創業型應用人才”為己任，強調培養學生應用知識和技能解決實際問題的能力，旨在為社會輸送復合型創業型的應用人才[2]。生物化學課程是我院食品科學、食品質量與安全、生物工程、生物技術、制藥工程、藥事管理共計6個本科專業的專業基礎課程，長期以來的定位是為專業課程學習奠定基礎。本課程采用理論教學以課堂講授為主，實驗教學以驗證性實驗為主的傳統教學模式[3]。由于傳統的生物化學實驗教學存在實驗教學內容與理論教學契合度不夠，實驗教學內容松散，不同實驗間缺乏連續性等弱點[4]，導致學生從實驗教學中獲得的知識比較分散，削弱了實驗教學對理論教學的實踐和反哺作用。為了實現我國高等教育提出的“培養具有創新型的應用型復合型人才，提高學生的理論知識水平和科學實踐應用能力”[5]的目標，我院生物化學實驗教學采用專題化組合式教學模式，以酵母蔗糖酶作為實驗材料，開展多維度實驗設計，旨在提高學生對生物化學實驗課程的學習效果，進而促進生物化學理論的學習，實現實踐—理論—再實踐的循環學習模式，推動培養具有創新能力的應用型復合型人才目標的實現，并為同類課程教學內容改革提供借鑒。

1 專題化組合式生物化學實驗教學內容的設計

專題化組合式教學模式是一種針對教學對象的層次和特點，按照教學目標，把課堂教學內容和其他教學內容劃分為若干有機聯系而又相對獨立的專題，然后再把它們組合成完整的教學內容體系，并以多樣化的教學方法加以實施新的教學模式[6]。

傳統的生物化學實驗教學設計如表1所示，每個實驗均能夠讓學生掌握所對應的生物化學原理和技術方法，但局限性是實驗內容偏單一，不同的實驗間缺乏關聯，未能有效通過實驗教學有機地將獨立的知識點連成線甚至形成面，影響學習效果。基于此，我們將專題化組合式模式應用于實驗教學設計(表1)，在課時不變的前提下，圍繞酵母蔗糖酶為同一實驗對象，設計8個實驗，圍繞同一實驗主體從多個角度設計實驗，注重分析實驗數據的縱向比較及其所代表的生物學意義。讓學生更加深入地理解實驗的原理、操作步驟及其對實驗結果的影響，建立多維度知識體系，強化生物化學理論的學習效果。

另外，我們將兩例科研成果轉化到實驗教學中。例如，實驗6中利用化學方法(海藻酸鈉和氯化鈣)固定酵母細胞制作微球，將酵母限制在一定區域內進行活躍的、特有的催化作用，該實驗屬于可回收并可長時間使用的一種酶的固定化技術[7]。酶的固定化技術已經成為酶工業應用領域中的重要研究方向[8]。該實驗制作了肉眼可見的固定化微球，具有操作簡便、直觀、學生體驗性強的特點，使學生更加深刻地體會到酶固定化技術在工業應用中的價值，實驗8明顯增加了難度，注重學生綜合能力的培養，即利用科研中已經獲得的重組質粒作為實驗材料[9]，該重組質粒為酵母表達質粒pRS316連接酵母蔗糖酶(Invertase，GenBank: CAA87030.1)編碼基因及其上游400 bp包括啟動子在內的DNA序列。以該重組質粒為基礎，首先利用定點突變的方法獲得一個啟動子能力顯著減弱的啟動子突變體重組質粒[10]，然后分別將野生型以及突變的重組質粒轉入蔗糖酶缺陷型酵母中，獲得具有兩種(野生型以及突變子)啟動子活性的酵母。利用實驗4中的活力測定方法檢測兩種不同啟動子下酵母蔗糖酶活力的差異，通過實驗數據分析學習啟動子活性對基因表達調控的影響，了解啟動子的強弱及其生物學意義。

表1 專題化組合式生物化學實驗教學內容設計

2 專題化組合式生物化學實驗教學改革的優勢

專題化組合式實驗內容的設計(圖1)涵蓋了生物化學理論教學中的蛋白質化學、酶學、核酸的化學與基因的表達調控等3大模塊的內容。每個實驗內容相對獨立，各實驗間緊密關聯，以酵母蔗糖酶為同一研究對象，從蛋白質的結構與組成、酶學以及基因等多個維度對其進行研究，以此培養學生對生物大分子進行立體化學習的思維模式，幫助學生建立更加系統化的知識體系，強化記憶效果。更重要的是讓學生掌握從研究目標出發將生物化學中繁雜并瑣碎的知識點聯系起來，找到解決核心問題的思路和方法，在培養學生動手能力的同時也培養了學生的科研思維和科學創新能力，并為生物相關學科的學習提供一種新的學習技巧，符合目前國內外高等教育改革和內涵式發展的核心目標。

圖1 專題化組合式生物化學實驗設計模式圖

專題化組合式實驗教學內容改革：1)按需施教，提高實驗設計的針對性和適用性。根據我校的專業培養目標、學生特點以及我院對于食品科學與發酵工程的學科建設方向，采用酵母蔗糖酶作為研究目標，該實驗材料容易獲得且屬于廣泛應用于食品與發酵領域的微生物。2)學用結合，提高實驗教學的質量和效果。3)師生互動，調動教與學的積極性。它一方面要求教師必須潛心鉆研生物化學中理論與實踐之間的關系，掌握生物化學知識點之間的內在聯系，進而調動教師教學的積極性；另一方面通過實驗之間的相互聯系推動學生的思考，使得學生需要跟老師探討的內容變得更多，強化師生間的互動。通過課前預習、對不同實驗設計間的實驗結果分析、課堂討論以及課后討論等環節充分調動學生的積極性和主動性，訓練學生分析和思考每個實驗以及實驗間的科學問題的能力，培養學生解決實際科學問題的思維方式。

3 專題化組合式實驗教學改革的考核方式

考核方法主要包括兩個方面：一方面，在實驗結束后進行專題討論，每組學生需要提前準備發言提綱，探討實驗中出現的問題，除了在實驗報告中對實驗數據進行詳細的分析之外，同時要對實驗結果展開討論。除了討論本次實驗結果，還要討論與前面相關實驗數據間的關系，實驗討論的優劣程度決定實驗教學部分的成績。另一方面，在期末考試中以理論加實驗的綜合題形式考核學生對生物化學課程的學習程度。改變以往那種死記硬背的考試方法, 而注重考核學生運用基本理論和基本方法解決實際問題的能力。

4 結論

實驗教學是培養學生理解、掌握和運用理論知識的重要途徑。通過實驗教學的一點一滴不斷滲透，可以培養和提高學生的創新能力。生物化學作為一門以實驗為基礎的學科，將專題化組合式的教學模式應用于其實驗教學，可以使老師在傳授知識的過程中做到研究目標清晰，教學內容環環相扣，激發學生思考，提高實驗課程的質量。在教學改革的實踐過程中，通過追蹤調查和學生的反饋意見來觀察教學改革的效果，并對相應的環節進行改進和優化，更好地為人才培養服務。