實驗設(shè)計與生物化學(xué)實驗課相結(jié)合的上課模式的探討
——以糖酵解中間產(chǎn)物的鑒定為例

羅 娜， 錢春梅， 黃 曉， 陳 芳＊

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 廣東廣州， 510642； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院， 廣東廣州， 510642）

生物化學(xué)實驗課是在生物化學(xué)理論課的基礎(chǔ)上，可以激發(fā)學(xué)生對生命科學(xué)的熱愛，也為學(xué)生進(jìn)行本科生畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。面對新世紀(jì)對研究人員創(chuàng)新能力的要求，要對本科生培養(yǎng)獨立設(shè)計實驗的能力，本實驗課共包含五個實驗，蛋白質(zhì)含量的測定、維生素C含量的測定、糖酵解中間產(chǎn)物的測定和酵母菌蔗糖酶的提取及比活力的測定。這些實驗涵蓋了理論課的各個章節(jié)，為進(jìn)一步理解理論課，升華了理論課的內(nèi)容。但是傳統(tǒng)的實驗課，實驗老師主要按照實驗書的內(nèi)容寫好板書，學(xué)生就是按部就班的按照板書的內(nèi)容來操作，教學(xué)目標(biāo)是以提高動手能力和學(xué)習(xí)測定方法為主，根本對每一步為什么這么設(shè)計缺少思考，無法保證每個學(xué)生可以理解實驗中的重點與難點。長久以來，學(xué)生會變得依賴?yán)蠋煟瑢W(xué)習(xí)方式變成為被動學(xué)習(xí)，不會思考問題。

實驗設(shè)計來源于科學(xué)實驗與統(tǒng)計學(xué)的結(jié)合，其具有周密性和科學(xué)性。設(shè)計過程中一直在回答三個問題：為什么做、怎么做、做到什么程度的問題。學(xué)生以后進(jìn)入課題組，獨立做畢業(yè)論文階段，是否能獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，實驗設(shè)計起著重要作用。因此針對學(xué)生高年級的畢業(yè)設(shè)計和科研能力的提高，要培養(yǎng)學(xué)生獨立設(shè)計實驗的能力。本研究就是探討實驗設(shè)計與生物化學(xué)實驗課相結(jié)合的上課模式。

1 實驗設(shè)計與生物化學(xué)實驗課相結(jié)合的上課模式

設(shè)計實驗首先要明確為什么做，就是本實驗的目的，比如糖酵解中間產(chǎn)物的鑒定這個實驗。首先引導(dǎo)學(xué)生理論課內(nèi)容糖降解的圖，糖酵解后丙酮酸將在無氧氣條件下產(chǎn)生酒精、在有氧條件下進(jìn)入三羧酸循環(huán)產(chǎn)生大量CO2。中間產(chǎn)物的鑒定就要明確代謝通路要停止在哪里？為什么要停止在這里及其后續(xù)的驗證問題。

提出假設(shè)，假設(shè)是對可能存在的條件的一種假設(shè)，這種假設(shè)可以為尋找事實做了基礎(chǔ)。設(shè)計假設(shè)是實驗設(shè)計方法融于生物化學(xué)實驗。合理設(shè)計假設(shè)，是實驗成功與否的根本。培養(yǎng)學(xué)生大膽的質(zhì)疑能力，提出自己的意見。根據(jù)本研究的實驗?zāi)康模墙徒庵虚g產(chǎn)物的測定。并且糖酵解是一個不可逆的反應(yīng)過程，只要反應(yīng)啟動，就會經(jīng)過一系列的酶促反應(yīng)，產(chǎn)生ATP供能。中間產(chǎn)物包括葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、果糖1，6-二磷酸、二羥基丙酮酸、甘油醛-3-磷酸、1，3-二磷酸甘油酸、3-磷酸甘油酸、2-磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸和烯醇式。觀察這些中間產(chǎn)物都是以磷酸化合物的形式存在的，并且二羥基丙酮酸和甘油醛-3-磷酸屬于丙糖類可以用顯色反應(yīng)（2，4-二硝基苯肼）來驗證其是否存在。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生觀察一下糖酵解過程中涉及的主要的酶包括己糖激酶、磷酸葡萄糖異構(gòu)酶、磷酸果糖激酶、醛縮酶、甘油醛3-磷酸脫氫酶、磷酸甘油酸激酶二磷酸甘油酸變位酶、烯醇化酶、丙酮酸激酶。通過查閱文獻(xiàn)知道碘乙酸可以抑制甘油醛3-磷酸脫氫酶活性，造成二羥基丙酮酸和甘油醛-3-磷酸的積累（圖1）。同學(xué)們馬上提出來假設(shè)糖酵解代謝終止在這一步。

圖1 糖酵解中間產(chǎn)物測定

繼續(xù)回答實驗設(shè)計中的怎么做的問題，根據(jù)上述假設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生老師互動形式設(shè)計實驗。本實驗處理為利用碘乙酸和硫酸肼，使其中間產(chǎn)物終止在二羥基丙酮酸和甘油醛-3-磷酸。實驗設(shè)計中要設(shè)立作為比較標(biāo)準(zhǔn)的對照處理。根據(jù)研究的目的和內(nèi)容，可選擇不同形式的對照。其中包括空白對照、正向?qū)φ铡⒇?fù)向?qū)φ铡⒆陨韺φ盏取１狙芯恐懈鶕?jù)實驗?zāi)康模瑔l(fā)學(xué)生設(shè)計了兩個對照，一個是空白對照，糖酵解過程順利進(jìn)行，為了驗證能夠顯色的物質(zhì)不是反應(yīng)的終產(chǎn)物丙酮酸；一個是負(fù)對照，三氯醋酸是一種蛋白酶的變性劑，能讓酵母中所有酶失活，使糖酵解不能進(jìn)行或者很小程度進(jìn)行，也是為了后續(xù)驗證反應(yīng)底物是不能起顯色反應(yīng)的。

實驗方案中還要注意比較間的唯一差異原則。是指在設(shè)計實驗中，要保證只有處理單因素的不同，其他所有的條件應(yīng)當(dāng)相同。比如本實驗中，要保證實驗中加入的試劑都一致。單一差異是加入的時間不同，導(dǎo)致最后只有產(chǎn)物不同。引導(dǎo)同學(xué)發(fā)現(xiàn)問題，表1描述的處理條件是否為單一的因素差異？學(xué)生會發(fā)現(xiàn)不是，因此反應(yīng)1.5小時后，會在表2繼續(xù)補加試劑。補加的試劑為三氯醋酸、碘乙酸和硫酸肼。

表1 發(fā)酵過程觀察

表2 終止發(fā)酵和補加試劑

做到什么程度的問題，反應(yīng)必須要適時終止。要根據(jù)前期的預(yù)實驗，合理的終止實驗反應(yīng)。

2 實驗設(shè)計在生物化學(xué)實驗中的作用

第一，增強學(xué)生參與的熱度，增強學(xué)生的好奇心。生物化學(xué)的理論課知識點難度很大，枯燥無味，學(xué)生很難馬上完全理解接受。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)一般是以老師灌輸為主，因此學(xué)生只是按照步驟一步一步模仿的做，根部不知道每一步為什么這么做，結(jié)果就不能很好的輔助理論課學(xué)習(xí)。而實驗設(shè)計根據(jù)實驗?zāi)康暮驮恚瑤е鴨栴}來做實驗，每一步都是來驗證一個預(yù)期的結(jié)論。學(xué)生還可以推測出來預(yù)期的實驗現(xiàn)象，增強學(xué)生的參與熱度。并且為學(xué)生以后獨立的解決科學(xué)問題，怎么設(shè)計實驗奠定基礎(chǔ)。

第二，增強學(xué)生獨立思考的能力，開發(fā)學(xué)生探究問題的能力[2]。學(xué)生會自己設(shè)計假設(shè)，然后通過查找文獻(xiàn)來獨立思考怎么驗證這個假設(shè)。剛開始，我們對于剛剛升入大二的學(xué)生，也擔(dān)心他們會畏懼，面對問題不知道怎么著手。后來經(jīng)過一段時間引導(dǎo)，學(xué)生開始探索性設(shè)定不同的假設(shè)，然后根據(jù)假設(shè)設(shè)計合理的對照。這個過程可以增強學(xué)生獨立思考的能力，并且可以通過討論，增強學(xué)生小組間的合作。

第三，增強學(xué)生的邏輯思維能力。實驗設(shè)計過程中一定要遵循唯一差異原理，因此在整個實驗過程中，學(xué)生可以自己檢驗實驗的合理性，增強學(xué)生辯證的思維能力。這種方式可以突破傳統(tǒng)的教師為主的實驗課，讓學(xué)生成為主體。并且為以后進(jìn)入課題組，面對新的課題，都可以合理地設(shè)計實驗。

第四，增強學(xué)生分析實驗結(jié)果的能力。傳統(tǒng)的實驗報告就是抄實驗書上的實驗原理、實驗儀器和用品、實驗材料和試劑、實驗步驟、結(jié)果與計算。本次改革后的實驗報告包括以下部分，實驗原理，實驗步驟、實驗結(jié)果、實驗結(jié)果的討論。實驗步驟是按照流程圖的方式描繪，實驗結(jié)果討論是對結(jié)果和不同組間之間分析和比較，并且查閱文獻(xiàn)進(jìn)行比較不同方法間的差異。

第五，增強了學(xué)生和老師之間的交流，以前的實驗教學(xué)模式，學(xué)生只是填鴨式的接受，因此對實驗步驟只是照葫蘆畫瓢。本次改革增強了實驗設(shè)計的內(nèi)容，賦予學(xué)生更多自主探索的實踐，讓學(xué)生可以進(jìn)行思想風(fēng)暴，讓學(xué)生更加注重理論課的學(xué)習(xí)，在理論課的基礎(chǔ)上提出合理的問題，這種教學(xué)方式有利于培養(yǎng)拔尖人才[3]。老師會根據(jù)學(xué)生的問題慢慢引導(dǎo)，讓學(xué)生體會到發(fā)現(xiàn)問題，驗證問題的樂趣。首先實驗設(shè)計是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，把實驗設(shè)計的思想貫穿于生物化學(xué)實驗課上，實驗設(shè)計被稱為行之有效的教學(xué)方法和載體（4）。讓學(xué)生從本科生就培養(yǎng)理性的邏輯思維，使他們可以更好地理解理論知識。為培養(yǎng)學(xué)生以后從事科學(xué)研究做的鋪墊。

3 實驗設(shè)計與生物化學(xué)實驗課相結(jié)合的上課模式的展望

其次實驗設(shè)計融于生物化學(xué)實驗課，不僅有利于學(xué)生對生物化學(xué)實驗課的學(xué)習(xí)，還有利于對于其他實驗課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生探索的精神，具有創(chuàng)新精神，注重培養(yǎng)學(xué)生的能力，提出問題，分析問題和解決問題的能力。

最后在生物化學(xué)實驗課上建立實驗設(shè)計的思想可以運用于畢業(yè)論文設(shè)計。農(nóng)業(yè)院校的大學(xué)，要求本科生畢業(yè)要獨立完成一項畢業(yè)設(shè)計。這個畢業(yè)設(shè)計是對學(xué)生大學(xué)期間學(xué)的知識的綜合考核。并且畢業(yè)設(shè)計中的實驗要設(shè)計合理，有科學(xué)價值。因此實驗設(shè)計起著重要的作用。

4 結(jié)論

本研究探討了實驗設(shè)計與生物化學(xué)實驗課相結(jié)合的上課模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物化學(xué)實驗的興趣，并且改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，讓學(xué)生從“要我學(xué)”，變成以學(xué)生為主體的“我要學(xué)”模式，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維能力、創(chuàng)新能力。