生化分析实验教学的实践与探索

仲昭朝，曾水云，张臻，唐惠炜

（南京大学生命科学实验教学示范中心，南京大学生命科学学院，江苏 南京）

高等教育承担着培养高级专业人才、发展科学技术文化、促进社会主义现代化建设的重大任务。为了顺应科技的发展和社会的需要，高等教育人才培养的目标逐步从知识能力型向综合素质型转化，21 世纪的高等教育课程改革也更加注重教学与科研的融合，兼顾学科间相互渗透。如何将大学生培养成为具有创新能力的高素质人才成为课程改革的核心课题。[1]

一 人才培养目标改变带来培养模式的改革

为了适应人才培养目标变化带来的挑战，南京大学率先提出并构建了“以学生发展为中心的‘三三制’本科人才培养体系”，并于2014 年获得国家教学成果特等奖。“三三制”的本质是实施通识教育基础上的专业教育，将本科人才培养分成三个阶段：大类培养、专业培养和多元培养，其中专业培养由学科群模块和学科专业课程组成。[2]国家级生命科学实验教学示范中心秉承“三三制”人才培养体系的指导思想，结合学科专业的特点，从实验技术层面，创建了由基础生物学技术训练、中级生物学技术训练、综合技能与研究性实验训练构成的“三级技能培训体系”。

生物化学课程群是生命科学课程体系的核心之一，而“生化分析及实验”是其中的重要组成部分，学科交叉性强，属于中级生物学技术训练，同时还具备了综合性技能与研究性实验训练的特点，在课程群中起到承上启下的作用。在生命科学领域的许多实践中，要探究生物物质的结构与功能，就离不开对生物物质（如蛋白质、多肽、核酸等）进行分离、纯化及分析鉴定等基本操作，这方面的知识与相关技能正是“生化分析及实验”课程所传授的主要内容。该课程一方面以普通生物学、生物化学及分析化学等课程为先导，要求学生首先学习相关的基础理论知识，熟悉并初步掌握基础生物学技术；另一方面，在训练技术的同时，引导学生自主设计实验，注重综合技能训练和创新能力的培养，为其将来的学习及科研工作奠定坚实的基础。

在“三三制”教学改革实践的过程中，大多数专业培养课程（包括学科群模块和学科专业课程）都要求在大二、大三两年内完成学习，课程多且任务重。因此在教学实践中，教学团队面临三个难点：（1）“生化分析及实验”面向的学生刚经过大类培养，虽然完成了通识通修和理科平台的课程，理科基础知识较为扎实，但有些同学存在专业知识储备比较薄弱，对实验原理理解不够深刻等情况。（2）生化分析实验由原本每周8 课时的教学内容压缩在6 课时内完成。在这种情况下，如何保证学生更深入有效地理解和掌握所学技能。（3）新的人才培养目标注重学生的学习兴趣和潜能培养。而传统课程注重传授系统的科学知识，教学中过于关注知识体系的构建与传授方式的完善，对学生的科学思维训练不足。为了适应新的人才目标的培养要求，在教学过程中如何更好地调动学生的积极性，克服专业知识储备暂时薄弱带来的困扰，发挥他们理科基础扎实的长处，强化学生综合能力的培养。

面对这样的挑战，教学团队依托南京大学生命科学国家级实验教学示范中心这个平台，利用翻转课堂的模式引导学生课前自主学习，引入虚拟仿真技术促进学生对所学知识的深入理解，并在教改实践过程中针对综合性实验教学进行探索，增加实验的开放度锻炼学生的综合能力和科学思维，逐步形成了具有特色的适应教改的生化分析实验教学模式。

二 运用翻转教学模式填补专业知识不足

翻转课堂是指学生在课外完成知识的学习，而将课堂变成了师生之间、学生之间互动的场所，包括答疑解惑、知识运用等，从而达到更好的教学效果。[3]这个教学模式的概念最初由J.Wesley Baker 在2000 年第11 届大学教学国际会议上明确提出并使用。真正引起关注则是2007 年美国科罗拉多州落基山林地公园高中的两位化学老师Jon Bergmann 和Aaron Sams 将该模式运用在化学教学中，并取得了可喜的成果。[4]翻转课堂运用于理论学习的尝试和推广已经非常普遍，但在实验教学中的运用实例相对偏少。在实验教学中运用翻转模式，必须结合课程的特点，对素材进行精心筛选，充分发挥文本、动画和视频等各种资源的优势，避免进入“技术至上”的误区，真正起到引导学生自主学习的效果。[5]

“生化分析及实验”课程所涉及的实验原理大多属于比较抽象的微观层面，假如学生相关专业知识储备不足，那么这些实验对他们来说，就如同一个个待解构的“黑箱”：按部就班地进行实验是“黑箱”的输入端，得到既定的结果是“黑箱”的输出端。如果不能解构“黑箱”，当结果不够理想，学生就会茫然不知如何应对。因此激发学生学习的积极性，发挥他们在通识课中学到的本领，利用好课内课外时间，提高学习效率，自发提升专业知识背景，最终成功解构“黑箱”，成为任课教师关注的焦点。

在这个思路的指导下，教学团队除了准备相关课件和部分经典文献资料供学生课前自学外，还精心制作了小视频，例如针对蛋白质分离、纯化的基本原理，特别设计了微观部分的文字和动画演示相结合的方式，配以浅显的解说，方便初学者理解。学生利用翻转课堂提前了解实验的基本原理，课堂上再辅以讲解和讨论，使同学们在动手实验前就能充分掌握理论知识。

三 虚拟仿真与实训相结合，强化技能训练，促进知识理解

“生化分析及实验”课程的主要实验材料—蛋白质具有特殊性，在分离纯化的过程中要保持样品的生物活性，所以需要根据不同样品的特性，多方尝试才能找到合适的分离方法。在以往的教材中，需要学习和掌握的分离纯化方法很多，仅层析方法就有9 种，电泳方法有8 种，此外还包括光谱分析、仪器分析等相关内容。为了在有限的课时内让学生更好地消化如此丰富的教学内容，我们引入了虚拟仿真技术来解决这个问题。[6,7]

一方面，虚拟实验通过模拟参数变化对实验结果的影响，加深学生对实验原理的理解。教学和科研过程中，在探讨自变量和因变量之间关系的同时，经常需要引入一些与当前问题相关的其他变量，这样的变量叫作参变量，也称参数。生化分析实验中参数的变化直接影响实验的结果，这也是实验原理的客观体现。以离子交换层析实验为例，理论上可以采用不同的洗脱缓冲体系、改变pH、盐浓度、盐梯度等分离参数，从而得到不同的分离结果和产率，然而在实验室中，一般只能提供一种或少数几种最优化的条件让学生进行实际操作，体验不全面。但是在虚拟实验中，学生可以根据自己掌握的实验原理，尝试更多的参数组合，甚至可以对某些极端条件如强酸性或强碱性条件进行模拟，得到相应的实验结果，验证自己的设想，加深对知识的理解。

另一方面，虚拟实验通过强化操作细节的训练，培养学生的细节意识。生化分析实验实践性强，对动手能力的要求较高，往往细节决定成败。比如，层析实验在装柱添加填料时，若未将已经形成的界面搅散，就会导致柱体出现截痕；或者加样时速度过快，忽视了柱面保护，就会破坏柱面。这些细节会严重影响分离效果。因此通过总结以往实验中高频出现的误操作，在虚拟仿真中用特写镜头加以强调并进行针对性训练，可以切实提高学生的动手能力。

通过虚拟仿真引导学生对实验参数及参数间协调作用的思考理解，同时加强细节训练，探讨忽略细节可能造成的结果及造成这些结果的原因，帮助他们解构“黑箱”。在解构“黑箱”的基础上，再挑选有代表性的实验进行实训和评价，这种虚实结合的学习方式有效地增进了学生对知识的理解，提高了教学效率，节约了课时，为增加综合能力训练课时提供了可能。

四 设计开放性大实验，培养学生科学思维和综合素养

为了应对人才培养目标变化带来的挑战，在实现技能训练的基础上引入开放性大实验，进一步培养学生的科学思维与综合素养。[8,9,10]目前教学中常用的开放实验模式主要有以下几种：一、指定课题，并提供备选方案供学生选择。这种模式有助于学生通过经典方法之间的比较，加深对课本知识的理解和掌握，但拓展性不足，对学生综合能力的训练不够；二、指定课题，开放实验方案，让学生自己查阅文献，自主设计实验方案。通过对文献方法与经典方案的比较，锻炼学生的科学思维，提高解决实际问题的能力；三、开放选题，学生在课程相关的范围内自主选题，经开题讨论后完成设计并进行实验。这种模式偏重知识的拓展，鼓励学生关注学科前沿，但对学生的专业知识储备有较高的要求。

结合教学的实际情况，既要满足实验材料的生物活性相对稳定，又要保证实验方法的多样化，还要兼顾实验的容错性。教学团队经过反复的实践与探索，在对第一种模式进行尝试和总结的基础上，最终确定以“天然酵母中蔗糖酶的提取、纯化和鉴定”为题，并按照第二种模式实施开放实验课程。在进行实验设计时，教师仅给出蛋白质分离和分析这一笼统的范围，鼓励学生根据生化技术的一般思路和原理查阅文献，并结合所学知识来设计实验，再经过教师的指导和开题报告，最终完成实验。同时，我们根据部分学生的想法，改善了实验条件，引入FPLC，HPLC 和化学发光等大中型仪器。这些举措给予学生充分发挥的空间，进一步激发了他们的积极性。有的学生使用HPLC 进行纯化；有的学生设计并自制亲和填料，采用亲和层析的纯化方案；有的学生尝试了电泳分离后用电洗脱的方式进行纯化；还有的学生做了诱导表达的实验，尝试提高蔗糖酶的产量。实践表明，开放性的综合实验对提高学习积极性的作用非常显著。在前期课程掌握基本知识并成功解构“黑箱”的基础上，以设计综合性实验的方式引导学生自主构建新的“黑箱”，学习以科学的思维思考问题、解决问题，最终实现培养学生综合素质的新目标。

通过这个阶段的实验教学，教学团队也获得很多宝贵的实践经验：（1）如何引导并督促学生主动查阅文献，传授根据各种来源的文献进行分析、比较和设计实验的技巧，促进学生更好地理解以科研和以生产为目的的实验方案的差异；（2）协助学生统筹设计整个实验方案，合理安排实验时间以保证实验进度的顺利衔接，并鼓励学生认真地将自己的设计方案付诸实施；（3）在实验完成之后，指导学生通过对实验结果进行分析和比较，总结实验方案设计和实验操作中的得失，体会如何根据实际需要合理使用人力、物力和时间来达到实验目的，提高实验的成功率。

五 结语

南京大学国家级生命科学实验教学示范中心的教学团队通过这几年对生化分析实验课程改革的探索，将翻转教学模式、虚拟仿真技术、开放性大实验等教学手段应用于生化分析的本科课堂教学。实践证明：翻转课堂教学可以激发学生自主预习专业知识，增强课堂教学过程中师生间的互动；利用虚拟仿真技术强化基础实验技能训练，虚实结合相辅相成，加深对实验原理的理解，有效提高了教学效率；综合性大实验则为锻炼学生综合解决问题的能力和科学思维提供了平台。实验教学逐步走向学生自主学习、开拓思维、综合运用知识的新型实验模式。从历年的学生实验效果来看，从早期的简单重复书本上的实验并提交雷同的实验报告，到现在运用各种方法得到纯化物质并做出分析和比较，学生动手能力、分析能力、解决问题的能力都得到了锻炼和提高，通过切身体会更好地了解相关领域科研工作的一般流程以及可能遇到的问题，学会实验的统筹安排。

高等教育的目的旨在培养社会所需要的高级专门人才，他们不仅要有知识，更要能够灵活运用掌握的知识解决问题并有所创新。我们团队在实践过程中发现，只有坚持以学生为本，并以激发学生的专业学习兴趣、提升学生的自主学习能力、提出和解决实际问题的能力以及创造性思维能力为宗旨，才是实验教学改革的最终目标。因此，面对快速发展的科技水平和人才培养要求的提高，课程内容和教学方式的更新换代、与时俱进也是实验课程教学的新目标。如何把先进的知识和技术引入到课程中，让多种教学手段融合在一起，更好地为教学服务，也是我们今后要继续努力和探索的方向。