分層次生物化學(xué)實驗課程體系構(gòu)建與實現(xiàn)

史 影，章 驥，應(yīng)穎慧

（浙江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，浙江 杭州 310058）

生物化學(xué)是生物學(xué)前沿基礎(chǔ)學(xué)科，近一百年來生物化學(xué)研究領(lǐng)域取得了許多重要科技成果，使人類認識了諸如維生素、激素、蛋白質(zhì)、酶、核酸、分子代謝等重要生命現(xiàn)象與特征，發(fā)展出了諸如蛋白質(zhì)序列測定、基因克隆與體外表達、蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)測定、基因組測序、蛋白質(zhì)修飾的質(zhì)譜分析、micro-RNAs靶向沉默等一系列重要技術(shù)[1-4]。生物化學(xué)還是一門非常活躍的實驗科學(xué)，需要在實驗實踐中去發(fā)現(xiàn)生命規(guī)律、發(fā)展新技術(shù)。因此在高校生物學(xué)所有課程中，生物化學(xué)實驗課程一直承擔(dān)著重要角色，它是生物學(xué)各分支學(xué)科和生物工程、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境科學(xué)等相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，涉及生物科學(xué)、生物技術(shù)、生態(tài)學(xué)、園藝、海洋科學(xué)、醫(yī)學(xué)、茶學(xué)、生物工程、食品科學(xué)與工程、園林、農(nóng)學(xué)、藥學(xué)、動物科學(xué)、環(huán)境工程、生物醫(yī)學(xué)工程等幾十個本科專業(yè)，已經(jīng)成為生命科學(xué)各相關(guān)領(lǐng)域的重要研究工具。

近幾十年來生物化學(xué)領(lǐng)域的研究突飛猛進，其實驗方法和技術(shù)革新層見迭出，出現(xiàn)了很多新思路和新視角。因此，重新審視生物化學(xué)實驗課程的知識體系、重新確定教學(xué)目標和內(nèi)容、階段性地跟進生命科學(xué)及技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，是目前大學(xué)生物化學(xué)實驗教學(xué)需要關(guān)注的問題。

1 生物化學(xué)實驗知識體系與內(nèi)涵

1.1 生物化學(xué)實驗知識體系

目前國內(nèi)高校的各類生物化學(xué)實驗課程內(nèi)容比較陳舊，主要涉及糖、脂化合物含量測定，蛋白質(zhì)分離純化及性質(zhì)鑒定，酶活性及動力學(xué)測定，核酸提取及測定，代謝反應(yīng)鑒定等實驗，通常以獨立的、分割的實驗形式出現(xiàn)[5-6]。只有少數(shù)高校建立了若干連續(xù)的實驗課程體系，引入了少量較新穎的實驗技術(shù)，例如基因的克隆、原核表達及分離純化系列實驗以及FRET/BRET技術(shù)研究蛋白質(zhì)與DNA互作等。事實上，生物化學(xué)的研究內(nèi)容及技術(shù)不斷發(fā)展，例如：對糖基化的功能認識，采用液質(zhì)聯(lián)用等新技術(shù)分離鑒定活性分子，蛋白質(zhì)互作，RNA沉默技術(shù)等的發(fā)展和應(yīng)用，以及從細胞或生物整體水平研究物質(zhì)代謝、能量代謝及生物活性分子功能等。因此，需要對目前生物化學(xué)的研究內(nèi)容及相關(guān)技術(shù)進行梳理，聯(lián)系實際地在原有基礎(chǔ)上進行適時補充，或通過新實驗課程逐步進行更新和跟進。

1.2 確定分層次的教學(xué)目標

生物化學(xué)實驗課程量大面廣，面對多學(xué)科多專業(yè)不同背景的學(xué)生，應(yīng)當明確設(shè)置不同的教學(xué)目標。大類基礎(chǔ)課程的主要目的是通過實驗技能訓(xùn)練，使學(xué)生較系統(tǒng)地掌握生物化學(xué)實驗的基本原理、實驗方法和操作技能，培養(yǎng)良好的實驗素養(yǎng)，以及一定的科學(xué)思維和實驗設(shè)計能力，為后續(xù)的課程學(xué)習(xí)和將來從事生命科學(xué)研究提供必要基礎(chǔ)。專業(yè)提高課程教學(xué)目標是在基礎(chǔ)生化實驗基礎(chǔ)之上，學(xué)習(xí)更多新穎的生化研究思路、方法和技術(shù)，增強學(xué)生綜合性實驗?zāi)芰ΑＨ５耐ㄗR性實驗課程的目的則是幫助學(xué)生正確認識生命現(xiàn)象和生物化學(xué)技術(shù)，啟發(fā)學(xué)生對生命進行更深層的思考，并關(guān)注專業(yè)交叉問題。對于少數(shù)拔尖人才所設(shè)置的生物化學(xué)實驗，則應(yīng)注重獨立思考能力和獨立動手能力的培養(yǎng)。

1.3 選擇合適的實驗形式

實驗形式是與實驗內(nèi)容相匹配，并與學(xué)生不同能力的培養(yǎng)相關(guān)聯(lián)的。目前，大多數(shù)高校的生物化學(xué)實驗仍以獨立的個體實驗為主。事實上，對應(yīng)不同的實驗內(nèi)容可選擇不同的實驗形式，甚至可以加以組合。例如，對于蛋白質(zhì)（酶）的分離純化和活性鑒定、基因克隆與表達等實驗，將其設(shè)計為系列連續(xù)性實驗更能體現(xiàn)科學(xué)思路的一貫性；對于代謝研究及細胞內(nèi)蛋白質(zhì)功能機制測定等實驗，將其設(shè)計為綜合性實驗更能體現(xiàn)問題的場景，有助于綜合實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)；自主實驗形式有利于學(xué)生獨立思考、獨立解決問題能力的培養(yǎng)；而因受教學(xué)儀器、教學(xué)周期等限制，尚不能以實體實驗形式開展的內(nèi)容，可以采用虛擬仿真實驗形式讓學(xué)生進行學(xué)習(xí)和操作[7-10]。

2 分層次生物化學(xué)實驗課程體系

在多年的實驗教學(xué)及實踐過程中，我們構(gòu)建了多層次的系列生物化學(xué)實驗體系，建立了多門不同內(nèi)容、不同要求的實驗課程，現(xiàn)說明如下（見圖1）。

圖1 分層次的生物化學(xué)實驗課程體系

2.1 大類基礎(chǔ)必修課

大類基礎(chǔ)必修課“生物化學(xué)實驗甲”“生物化學(xué)實驗乙”和“生物化學(xué)實驗”是生命科學(xué)學(xué)院、理學(xué)院、材料與化學(xué)工程學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院、農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院、動物科學(xué)學(xué)院、生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院、環(huán)境與資源學(xué)院等學(xué)院多個專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課。其中，“生物化學(xué)實驗甲”（64學(xué)時）由“基礎(chǔ)綜合系列實驗”和“自主設(shè)計實驗與實踐”兩部分組成。基礎(chǔ)綜合系列實驗為“酵母蔗糖酶提取純化及其性質(zhì)鑒定”，是連續(xù)進展型實驗，圍繞蛋白質(zhì)提取技術(shù)、酶學(xué)技術(shù)和電泳技術(shù)等展開。自主設(shè)計實驗圍繞基礎(chǔ)系列實驗出現(xiàn)的問題和技能拓展而展開。“生物化學(xué)實驗乙”（64學(xué)時）和“生物化學(xué)實驗”（48學(xué)時）在實驗內(nèi)容和學(xué)時數(shù)上與《生物化學(xué)實驗甲》有部分差異，是面向個別專業(yè)需求設(shè)置的，目前農(nóng)學(xué)專業(yè)和生態(tài)學(xué)專業(yè)分別將其作為必修課。

2.2 拔尖人才基礎(chǔ)必修課

“生物化學(xué)實驗 I+II”課程（96學(xué)時）為生物類求是班專業(yè)基礎(chǔ)課，為拔尖人才所設(shè)計。實驗內(nèi)容在大類基礎(chǔ)必修課“生物化學(xué)實驗甲”的基礎(chǔ)上增加了Westernblot和糖基化修飾鑒定等實驗內(nèi)容，在獨立操作、實驗數(shù)據(jù)獲取及分析、實驗設(shè)計等方面提出了更高要求。

2.3 專業(yè)基礎(chǔ)拔高課

面向生物類高年級學(xué)生，設(shè)置了“高級生物化學(xué)實驗”課程。該課程是集分子、細胞、生化于一體的綜合性實驗，采用20人左右的小班化教學(xué)。實驗內(nèi)容來源于一線科研實踐，包括“GPCR受體的膜定位和激活后內(nèi)吞觀察”及“轉(zhuǎn)錄增強因子在 DNA轉(zhuǎn)錄中的調(diào)控作用”兩個連續(xù)的大實驗，涉及蛋白質(zhì)定位、運動及相關(guān)機制，以及膜外信號通過膜受體向細胞內(nèi)的傳遞，直至基因轉(zhuǎn)錄表達[11-12]。

2.4 大類基礎(chǔ)選修課

“生物化學(xué)實驗丙”（32學(xué)時）是面向大二農(nóng)學(xué)院、動科院、環(huán)資學(xué)院、材化學(xué)院等學(xué)院某些專業(yè)的基礎(chǔ)選修課。由于這些專業(yè)后續(xù)沒有分子生物學(xué)實驗課程，因此在該實驗課程中安排了蛋白質(zhì)、核酸和代謝實驗，旨在使學(xué)生接觸更全面的生物化學(xué)實驗對象和內(nèi)涵。

2.5 生物化學(xué)通識性課程

面向全校對生命現(xiàn)象感興趣的本科生開設(shè)了通識課程“人體代謝與健康”，通過對人體代謝和細胞代謝的介紹及實驗，啟發(fā)學(xué)生對生命本質(zhì)進行更深層的認識與思考，同時幫助學(xué)生正確認識影響健康的危險因素，培養(yǎng)健康理念和科學(xué)素養(yǎng)。實驗包括肥胖分析、糖及糖代謝測定、微量元素及維生素代謝測定、核酸提取及測定、尿常規(guī)測定、細胞代謝及活力測定等，均與健康生活密切相關(guān)。此外，全校通識課程“生命科學(xué)導(dǎo)論實驗”中也設(shè)計了蛋白質(zhì)提取、維生素C定量測定等生物化學(xué)實驗項目。

2.6 虛擬仿真實驗

一些實體實驗難以開展的綜合性實驗及技術(shù)含量較高的實驗可以虛擬仿真實驗形式呈現(xiàn)，例如我們制作的“G蛋白偶聯(lián)受體全基因克隆、真核表達和功能測定虛擬仿真實驗”。該實驗可面向農(nóng)、生、環(huán)、醫(yī)及生物工程等相關(guān)專業(yè)學(xué)生。基因的序列分析、全基因克隆、基因真核表達及功能研究是分子生物學(xué)及生物化學(xué)的基本內(nèi)容，也是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的重要及常規(guī)手段，在農(nóng)、生、環(huán)、醫(yī)及生物工程領(lǐng)域的科學(xué)研究及生產(chǎn)實踐中都具有重要作用。但因為該實驗過程綜合性強、技術(shù)性高以及實驗對教學(xué)周期有一定要求，目前在本科階段只對一些點有所涉及，難以系統(tǒng)性地開展實踐教學(xué)。本實驗采用虛擬仿真技術(shù)，以G蛋白偶聯(lián)受體FPR1為載體，以研究型實驗思路為導(dǎo)向，全線模擬了目的基因從頭克隆、真核細胞轉(zhuǎn)染表達以及功能研究的整個實驗過程，系統(tǒng)呈現(xiàn)了相關(guān)研究思路和流程，以期為學(xué)生未來的實驗實踐夯實基礎(chǔ)。

3 實驗教學(xué)體系改革的未來方向

3.1 實驗內(nèi)容

受場地、經(jīng)費、人員等條件限制，本科生實驗教學(xué)體系改革比理論教學(xué)體系改革要困難得多。在建立體系、實踐改進并完善教學(xué)流程過程中，需要投入充足的改革經(jīng)費、足夠的實踐人員和實踐周期，還要甄選合適的實驗內(nèi)容。

未來生物化學(xué)實驗在本科階段可以關(guān)注以下一些實驗方向，并以合適的實驗內(nèi)容及形式呈現(xiàn)：①蛋白質(zhì)相互作用；②細胞內(nèi)蛋白質(zhì)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；③siRNA干擾技術(shù)；④細胞內(nèi)第二信使的檢測；⑤蛋白質(zhì)的糖基化修飾；⑥代謝產(chǎn)物的分離鑒定；⑦細胞代謝和生物體代謝測定；⑧蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)測定等。

3.2 軟硬件配套升級

實驗教學(xué)體系改革需要相應(yīng)的實驗設(shè)備來支撐。因此在每年進行實驗設(shè)備補充更新時，應(yīng)制定五年課程規(guī)劃，進行多功能點配置，并留出新實驗開設(shè)的設(shè)備空間。若要進行實驗室改造，應(yīng)考慮 5～10年的實驗規(guī)劃，為引入新實驗創(chuàng)造條件。實驗設(shè)備的更新將為系列實驗課程的推進、新實驗開發(fā)和本科生人才培養(yǎng)提供有力保障。

在實驗設(shè)備和資源不足情況下，可考慮整合實驗中心的整體資源，克服困難，逐步開設(shè)新實驗。還可考慮依托科研設(shè)備和科研資源開設(shè)新實驗，如利用科研confocal設(shè)備，每學(xué)期安排一次上機學(xué)習(xí)；利用科研液質(zhì)聯(lián)用設(shè)備，現(xiàn)場觀摩學(xué)習(xí)相關(guān)原理和操作等。此外，對于一些目前難以開展的實驗，可先通過虛擬仿真和實體拍攝相結(jié)合的方式進行授課，使學(xué)生盡早接觸和了解生物化學(xué)的重要技術(shù)及其進展。

4 結(jié)語

生物化學(xué)實驗是多學(xué)科多專業(yè)的重要基礎(chǔ)和提升課程，涉及理科、醫(yī)學(xué)、工科等學(xué)科的諸多專業(yè)，還是一門不斷發(fā)展的前沿科學(xué)。近幾十年來，相關(guān)技術(shù)和研究思路不斷更新發(fā)展，并且在農(nóng)、林、醫(yī)、藥、生物工程、生物材料等領(lǐng)域均具有巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展前景，使相關(guān)技術(shù)和成果能夠快速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。在新形勢下，高校生物化學(xué)實驗課程應(yīng)建立分層次的實驗教學(xué)體系和多元化的教學(xué)模塊，并不斷進行提升和改革，堅持“打基礎(chǔ)、拓視野、強動手、活思路”的目標，更好地為大學(xué)生人才培養(yǎng)做好服務(wù)。