面向综合素质培养的生物化学综合设计型实验教学改革的探索与实践

摘要：针对生物类专业具有综合性和应用性的特点，在国家精品课程“生化实验技术”中设计并实施了综合设计型实验项目，从内容设计，教学方法和实施、评价方式等多角度进行了探索和实践，在培养学生的综合实践能力和创新意识等方面取得了良好的效果。

关键词：生物化学；综合设计型实验；综合素质

生物化学实验是生物类专业的重要基础实验课程，也是生物技术实现产业化的关键实验。掌握生化分离纯化的一般技术和实验方法将有助于提高学生的综合素质，而综合设计型实验对于高等院校创新性人才的培养具有十分重要的作用。传统的生物化学实验内容，以验证型实验为主，教学方法也采用“照单抓药”式的灌输，导致实验教学内容和教学方法不利于学生对知识整体性和系统化的把握，不能发挥学生的主动性和创造性，忽视了学生综合素质和创新能力的培养。因此，生物化学实验教学的改革势在必行。

一、教学目标设计

生物化学实验课程的教学目标是培养学生的生物实验综合素质与能力，验证并深化所学的理论知识，使学生分析问题和解决问题的能力得到训练。并充分体现以学生为主体，培养学生的自主创新能力，使学生通过实践，理解相关理论知识，将各类知识信息进行新的组合，创造出新的方法和新的思路，提高学生的科学实验与实际动手操作能力，为学生今后更好地完成科研与生产实践打下坚实基础。基于以上的目标和设想，我们对生物化学实验课程进行了一系列的涉及实验内容、实验教学方法及评价方式等方面的改革创新。

二、实验内容设计思路

生物化学实验涉及的技术比较多，如破碎、离心、沉淀、膜过滤、层析、电泳、干燥、结晶等。原先占实验主体部分的基本验证型实验项目和实验理论部分一般按实验项目和单元进行介绍，各项实验的知识有一定的独立性，逻辑联系不紧密，实验过程中留给学生发挥的空间不足，实验结果雷同，不容易激发学生的学习兴趣。

因此，我们将生物化学实验课程中大于75%的课时更新为综合设计型实验。大大减少了早期以验证、单一、经典为主的实验所占的比重，将多个单一的生物化学实验技术集中体现在一个综合设计型实验项目的实施中，前后相互依赖、贯通。

综合设计型实验内容设计时，应注意选择：(1)实验技术的实用性、先进性。 (2)实验过程的可研究性。(3)实验结果的可靠性、稳定性、可塑性和可分析性。(4)实验材料的易得性。

例如，在综合设计型实验项目中提供给学生选择的一个实验项目为“免疫球蛋白的分离纯化及鉴定”。该实验项目选择IgG(免疫球蛋白G，通常用IgG表示)作为实验对象，有多方面的优点：(1)IgG是一种蛋白质，为生物化学研究的主要对象，有代表性。(2)以动物血液为原料，成本低，易获得，且IgG在临床上已有应用，容易激发学生的兴趣。(3)IgG的活性测定方法便于在普通实验条件下开展，可以加深学生对生物分离过程活性检测必要性的理解，另外其理化性质相对稳定，也便于取得好的实验结果。(4)该实验的可塑性强，学生可以设计不同的实验方法和实验过程，最终实现同一个实验目标，为合作讨论的开展提供了丰富的讨论素材。

该实验项目设计32学时，教师推荐的基本实验流程分为三大块：(1)IgG粗制品的制备。将动物血液通过离心等方法将血浆及血细胞分离，IgG存在于血浆中，再用盐析等方法去除血浆中的杂蛋白，通过再盐析、等电点沉淀等得到粗制品。(2)IgG的纯化。粗制品经过脱盐、离子交换层析、分子筛等一系列分离纯化手段进行纯化，得到IgG的纯品。(3)IgG纯度和活性的鉴定。用SDS-PAGE电泳法鉴定IgG的分子量和纯化程度，用蛋白质浓度测定法和免疫扩散法等进行IgG浓度和活性的测定。其实验安排如下表所示。

学生的实验设计需要完成教师提供的三大块内容，具体的实验步骤和实验方法可以通过查阅资料等进行调整和补充，通过实验每一部分的结果来验证该部分实验设计的合理性。

在实验过程中，要求上述每一个环节都要进行蛋白质浓度测定、IgG活性的检测、分子量和纯度的检测，并进行数据比较和分析。这样可以有效地将蛋白质分离纯化的离心、盐析、等电点沉淀、离子交换层析、分子筛、SDS-PAGE等主要技术都贯穿在该项目的实施中。尤其是层析技术的反复应用，学生掌握了不同层析的原理、应用范围、填料处理、装填注意事项、条件设定等关键技术环节。最后学生通过实验获得了理想的IgG产品，使孤立的、枯燥的理论和实验技术变成了解决实际问题的工具，极大地调动了学生的求知欲。

三、实验教学方法的改革

1　学生主体，教师主导 在综合设计型实验中，教师只是对实验目标和关键点提出要求，并对学生的实验方案和部分操作进行指导，而学生则作为实验主体全程参与实验。

生物化学实验的特点是准备工作量大。实验准备工作包括试剂的配制、实验样品的准备和预处理、所需仪器的调试等。以前都是由教师准备，而学生对实验的准备工作一无所知，进入实验室无从下手、不知所措。看似简单的配制试剂，真正操作起来可能会遇到各种各样的问题，对不同的浓度单位要有准确的认识，称量要细心、准确等，而且这些工作由教师包办代替会造成学生坐享其成，以至于出现“NaOH是液体”的笑话。由学生亲自完成实验准备工作，这样一方面培养了学生扎实的基本功，另一方面培养学生严谨、细致的实验作风，使学生认识到只有准备充分才能使后续实验顺利进行，小小的疏忽可能会带来实验的全部失败。为此，我们鼓励学生自己准备实验，这样既解决了教师人员不足的困难，又增加了学生动手操作的机会。

同时，学生要根据教师提出的要求查阅资料，设计方案，然后在教师与学生共同讨论的基础上确定实验方案，接下来再具体操作实验，记录原始数据，整理处理数据，撰写实验总结报告或实验小论文，汇报实验结果。经过这种系统的实验训练后，学生对实验过程有了整体的认识，实验整体设计和逻辑思维得到锻炼，查阅资料、数据分析、论文撰写等科研基本技能和协调配合能力都得到了训练和加强。

2　训练目标贯穿始终，训练过程求同存异

例如在前述的“免疫球蛋白的分离纯化及鉴定”综合设计型实验中，学生可以在教师推荐流程的基本框架各环节选择不同的条件，也可以在充分论证的基础上打破该框架，尝试采用新方法或不同的实验流程进行实验，甚至鼓励学生自行选择实验对象或经教师允许自行确定实验目标。允许学生分次完成同一个实验项目，允许学生对于同一个实验项目采取不同的实验方法进行实验，允许学生用同一个实验方法解决不同的实验问题。

在设计实验方案的过程中，我们鼓励学生勇于探索，反对互相模仿。在实验操作过程中，我们允许学生的实验结果不尽如人意甚至失败，但强调对所得结果进行解释和论证。

例如在同一个实验项目中的脱盐环节，学生可以选

择简单的透析脱盐，也可以选择分子筛脱盐；在蛋白质浓度测定环节，学生既可以选择Folin酚法，也可以选择考马斯亮蓝法等；在分子量测定环节，学生可以选择凝胶层析法，也可以选择SDS-PAGE电泳等方法。同时在每一个实验环节，学生都可以进行不同实验条件的对比实验，以确定最佳实验条件。这种鼓励学生拓宽思路、打破成规的实验教学方法，极大地提高了实验课的教学效果。

3　网络化管理，开放式实施 充分利用课程网络辅助实验过程管理和实验室开放。教师在网上发布实验项目和要求，学生根据自己的兴趣自由组合，一般3～5名学生组成一个小组，并预约开展实验的时间。教师组织大班上1～2节课，进行基本理论和要求的讲解及实验方法的初步讨论，学生以小组为单位查阅资料制订初步的实验方案。教师对方案的创新性、实用性和实验条件等方面进行评审、修改，确定实验时间，学生按时进入实验室自主实验。实验完成后，每个小组都要在大班上汇报自己的研究方案、研究结果、遇到的问题和解决方法等，之后形成实验论文。

网络辅助实验管理有效节省了教师的时间，实验文档也能长期保存，便于查阅、核对；开放式实验实施，使学生能根据自己情况安排时间进入实验室实验，保证了实验连续性。

4　合作研讨，取长补短 合作讨论、研究式教学是总结提高、教学相长的良好手段，也是充分发挥学生主体作用的主要形式。实验分阶段完成或全部完成后，都要组织较大范围的汇报、总结、讨论，学生对自己在实验中是否完成了基本要求、所做工作有何创新点、对实验方法有何改进设想与建议等方面进行充分讨论。要求每个小组都要将该阶段的实验情况进行汇报，并接受质疑，教师则有目的地做必要的讲解和答疑。这将有助于学生整理思路，提高分析能力。同时师生之间、同学之间的相互交流讨论亦相互启发，有助于综合设计型实验不断改进与完善。

四、评价方式和内容的改革

综合设计型实验围绕着“以培养学生综合素质为核心”，强化对实验技能的过程性评价，促进学生能力发展。在评价标准设定上，主要侧重对学生综合实验能力和素质的评价；在评价内容上更多关注实验实施的参与过程、技能提高、设计与研究能力、实验结果与分析能力等观察点。考核项目及所占比重为：合作讨论评价15%，实验设计15%，实验操作测评15%，实验书面测试15%，平时表现与出勤10%，实验论文30%。

五、训练效果举例

例1：“动物脾脏组织中DNA提取”实验。在粗品DNA提取后，教师推荐的常规提纯方法为氯仿一异戊醇法、改良氯仿法等对所提取DNA样品进行纯化。不同小组的学生根据查阅的指导书或文献资料采用不同的方法，有的小组则针对一个实验方法进行不同提取条件测试，实验中发现改良氯仿法提取时恒温水浴温度对DNA产量有明显的影响。而生物技术072班一个小组同学在实验方法设计上更是大胆创新，设计了氯化铯密度梯度离心分离方法，通过合作研讨交流对比，该方法比其他小组的方法获得的DNA纯度都高，DNA纯度OD260nm／OD280nm值约1.82，DNA琼脂糖电泳显示DNA大分子完整性较好，纯度能达到分子生物学实验要求。

例2：“免疫球蛋白的分离纯化及鉴定”实验。不同小组的学生分别应用了硫酸铵沉淀法、乙醇法、辛酸法、DEAE-SeDhadexA-50简易快速提取法或合并方法应用等，大多数小组学生都在某个环节上有创新。如某小组在免疫球蛋白层析脱盐及DEAE阴离子交换纤维素处理后，分别设计加入了PEG法及SephadexG-25法对样品溶液进行浓缩，从而解决样品溶液因脱盐及纯化后体积扩大而浓度变稀的难题，不仅方便了后续样品处理，又保证了免疫球蛋白的活性。

通过以上两个实例可以看出，学生在参与综合设计型实验的过程中，能不断发现新问题，并通过查阅资料、积极思考寻找解决方法；对于难以解决的一些实验难题，通过合作讨论从别组同学或教师那里获得灵感解决。同学们的解决问题的能力和团结协作等实验的综合素质都得到了锻炼和提高。

综合设计型实验的一个实验项目包含了较多的实验内容，不仅有较多的知识覆盖，而且着重于知识间的联系，使整体功能得以最大限度发挥。不仅使学生开阔了视野，又可了解到实际问题具有的复杂性、整体性和相互关联的性质。而让学生根据实验需要来设计实验方案，进行实验准备和实验操作，分析、讨论、汇报实验结果，有利于培养学生的创新精神、协作精神、科研素质和求知欲，是培养学生创新能力和综合素质的良好手段。

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[责任编辑：余大品]