生态链式教学模式在生化仪器分析实验教学改革中的实践

陈 旭， 戴小峰， 曹 亚， 张 娟， 赵 婧， 朱小立

（上海大学 a.生命科学实验中心；b.生命科学学院，上海 200444）

0 引 言

生命科学的高速发展，离不开科学技术与新兴工具快速发展的助推。生化仪器分析是一门理论与实践并重的工具型课程，与其配套的生化仪器分析实验更有着举足轻重的作用。以应用复合型人才培养为核心，重新审视生化仪器分析实验的教学体系，如受到课堂时间、实验内容、大型仪器数量等制约，很难适应国家当前对于科学技术中高端技术人才战略需求。因此，急需重构教学模式，以学生为主体，以产出为导向，改变传统教学课堂输入的模式，启发学生深入思考，主动动手探索，将创新思维和意识培养渗透到每一个教学环节，从实验教学课堂延伸至创新实践中，借助科研、校外产教融合的力量推进校内实验技术教学的改革，激发学生学习的内在动机，提升教学内涵和质量，拓宽实践教学课堂的视野，并辐射推动相关课程群的建设。

生化仪器分析实验课程是我校生命科学学院本科学科的必修基础课，辅以虚拟仿真技术，构建“线上虚拟仿真与自录实验视频相结合的预习操作——多媒体交互反馈式理论教学——线下实体实验操作——嵌入式动态评价”的实验课程教学理念，发挥校内外实践课堂的优势，实现多层次、多元化的实践教学，以“线上线下虚实接合、校内外优势互补”的原则，促进教学内容的改革、教学质量的提升，为高素质的人才培养助力。随着实践教学团队的充实及教学模式的重构，课程体系已拓展至钱伟长学院的生物仪器分析实验及生命学院、医学院的研究生学科必修技术课程仪器分析。

1 生态链式的实验教学模式

实验教学模式是创新实践类课程改革主要载体，在现有的教学模式上，将实验课程教学、实践教学、校外实习有机融合，探索出生态链式实验教学体系（见图1），为创新型人才培养夯实基础。

图1 三维一体的生态链式人才培养教学体系

1.1 模块化的实验教学模式

模块化的实验教学模式，也是当前国内外教学改革研究的热点［1-2］，例如以蛋白为切入点，围绕大肠杆菌表达蛋白的纯化、定量和鉴定开展教学内容；又如牛奶中叶酸的分析研究，整个实验模块糅合了基本的UV-Vis光谱学以及HPLC和LC-MS-MS技术，此类现实生活的案例更能激发起学生的学习热情。课程体系涉及药物（药物残留）分析的分子光谱模块（紫外可见光谱、荧光光谱、超微量光谱、高通量光谱），水质分析的原子光谱模块（原子吸收光谱、原子荧光光谱），天然活性成分分析的综合模块（液相色谱／质谱、气相色谱／质谱、毛细管电泳、电化学）等。这些贴切生活的模块化实验，让学生感受到理论知识与专业实践的紧密结合。

1.2 开放式的实验教学模式

以模块化的创新实验项目为基础，不仅在组织形式开放、实验室的开放、教学评价方式的开放，更重视实验内容和过程的开放。国内的研究型高校非常重视开放式实验教学改革［3-4］，在开放式的实验教学中，设计了药物小分子与蛋白质／核酸的相互作用研究［5］，该创新实验项目涉及多种光谱仪器如荧光分光光度计、紫外可见分光光度计、超微量分光光度计、傅里叶红外光谱仪、多功能酶标仪等。学生可以结合自己的兴趣，选择不同的药物分子与蛋白质／核酸的体系，实验项目围绕分子间的相互作用、药物的设计与筛选，贴近学科发展的热点，将科研问题整合入本科的实验教学中，有助于提升学生在今后学习和工作中的主观能动性、独立分析与解决问题的能力。

1.3 拓展实践式的教学模式

为推进综合素质教育，为创新人才培养奠定基础［6-8］，离不开多层次、多元化的教学模式［9-11］，课外的实践能力培养［12-13］，尤其是深化产教融合，急行业人才所需，让学生参与到实际的开发项目中，提高实践能力和创新能力。为此，鼓励学生申请院级、校级、市级的大学生创新实践类项目，甚至是参加全国性的生命学科类竞赛项目。依托与企事业单位建立的良好协作关系［14］，让学生走出校门到校外单位实践实习，同时邀请“双师型”校外导师，走入实验教学课堂，形成良性生态链式的课程体系，优化课程内容大纲和教学模式，以及提升校内教师团队的综合教学能力。

2 实验教学模式的实施

2.1 启发问题的设计

以启发式问题的教学特点，学生以1或2个小组为单位进行交互式讨论，并汇总阐述，实现课堂翻转的模式，调动起学生学习的主动性。以光谱综合实验为案例［15］，分子光谱法测定维生素B2的含量，传统教学中老师先将实验试剂配置好，学生按照教师讲解的实验流程操作，通过紫外分光光度计（或荧光光谱仪）测量获取实验数据做总结分析，显然这样的教学模式，已无法满足目前人才培养的需求。多年生态链式教学模式的应用及校外实践单位的反馈，向课堂教学提出了更高的要求，所以设计了系列具有挑战性的问题：维生素B2标准曲线如何设计，标准曲线母液浓度范围如何设计？荧光分析技术在生命领域中的应用，如与液相色谱技术的结合、与细胞流式技术的结合、与细胞成像技术的结合？当这些问题的抛出，颠覆了学生进入实验室听安排的惯性思维，学生的研讨也变得异常认真和热烈（见图2）。

图2 学生在实验教学课堂中的场景

2.2 虚拟仿真和自制微课视频

2.2.1 线上虚拟仿真辅助教学

自2007年以来，为弥补大型仪器设备数量的不足，改进理论教学内容抽象、仪器操作复杂等局限性，生化仪器分析实验课程中采用了现场教学与虚拟软件辅助教学相结合的模式［15］，近年教学团队持续录制了现场实验教学视频的微课。且结合学院学科设置的情况和分析仪器的配备现况，自编了相应的实验教学讲义。在仿真实验教学中，通过仪器分析虚拟实验室建立实验预习系统，帮助学生进行实验前的预习工作。例如在液相色谱虚拟实验室中，学生课前进行仿真软件操作，可视化地了解仪器内部结构、动态的实验原理，还可以模拟不同分析物质的实验条件选择，将长达10几小时的色谱分析实验全过程浓缩至几分钟的仿真系统中。

虚拟实验室中，学生每人1台电脑，可以模拟更多、更新的实验内容，帮助学生理解课程中的重点和难点，直观地掌握仪器的结构与分析原理，理解分析技术条件的选择等，训练全面，进而达到完善实验教学内容、提高教学质量，增强学生的学习兴趣和主动性。

2.2.2 线上课程资源建设

随着在线资源的丰富，为实现多层次的实验教学提供了便利。针对学生的接受能力和自学能力上的差异，老师可以鼓励学有余力的学生关注并学习其他线上课程资源，还可向学生引荐专业学术著作、全英文教材和英文文献，以满足不同层次学生的学习需求。并且通过网络交流平台，及时进行师生互动与有效沟通。

在2020年秋季，已经将现场实验课程录制的视频发布在上海大学教务处的课程门户中（http：／／mooc1.elearning.shu.edu.cn），供学生学习与交流。图3所示为实验教学课程，包括录制的相关现场教学视频、公开课的微视频资料等。

图3 实验课程录制的微课教学视频

2.3 与科研、产教的融合

除了课堂内的实验教学，更加注重学生在实验教学课堂外的创新项目实践，按学生的需求推行多层次的培养模式，助力于创新人才的培养。依托与校内实验平台的共建、校外企事业单位实验室的通力协作，让学生真正受益于课堂学习、课外实践、单位实习的三维一体生态链式人才培养模式。

2.3.1 项目式的导向

在生命科学领域中，随着科技的发展，分析仪器越来越专业化，例如紫外可见吸光值的测定，除了普通教学中所使用的紫外可见分光光度计之外，在科研项目中更多地会接触到超微量、高通量的吸光值测定，例如超微量分光光度仪（一般应用在蛋白、核酸的测量），多功能酶标仪（它的特点是高通量，可以用多孔板检测）。以光谱综合实验项目为例，在药物分子的定性定量分析时，将专业化高的分析仪器融入实验教学中，通过分组，有的组使用常规的紫外可见分光光度计，有的组使用微量／高通量的光谱仪来分析药物分子的吸光曲线／值，然后通过班级群的数据共享，整合分析实验结果（A＝εbc，注意光程与吸光值的关系），可以加深学生掌握紫外可见光谱法的原理及在生命科学中的应用，如从光谱定性角度理解蛋白／核酸的检测波长为什么是280／260 nm。在校内的创新实验中，继续衔接药物分子与蛋白／核酸的相互作用、药物在细胞／动物中的代谢分析等项目，进一步拓展多维光谱分析在科研领域中应用，增强学生科学研究的兴趣，逐步增进学生树立创新意识。

2.3.2 与科研的融合

结合学科前沿研究，设计综合实验，让学生完成从实验学习到科研实践的顺利过渡。学生可以参加院内的创新实验、申请校级以上大学生的创新创业训练项目，甚至参加大学生的生物类竞赛项目，通过多年生态链式教学模式的实践，在学生群体中获益明显，多人次获得市级以上奖项，例如“基于pH响应型金属有机框架材料的乳腺癌外泌体液体活检新方法”项目获得2020年度全国大学生生命科学竞赛一等奖、“化学选择性链接辅助DNA walker及其在生物传感中的应用”项目获得第五届全国大学生生命科学创新创业大赛一等奖、“基于分子模拟和活性筛选的多核硒黄酮配合物的合成及其抗肿瘤活性研究”项目获得2019年上海市大学生命科学竞赛三等奖等，这些竞赛项目都很好地将科学研究融合到大学生的创新实践项目中，极大地提升了学生对于实验技术课程的热爱与获得感。

2.3.3 与产教的融合

为更好地培养应用复合型人才，急国家行业所需，建立良好的产教融合的“双师型”教学，显得格外迫切。依托于校内的实验平台、校外单位的技术合作，推动学生“走出去”，深入企事业单位研发技术的第一线，同时将企业技术专家“请进来”，让学生深切感受到国际背景下、大行业的技术关键难点，带着卡脖子的技术问题，深入思考性地学习，大大增进了学生就业和深造的机会。

如图4所示，每学年带领学生深入到相关的企事业单位学习与实践，同时，邀请生物医药的企业技术专家走进线下的实验教学课堂，例如色谱分离模式及其在生物制药中的应用（https：／／www.shu.edu.cn／info／1062／71503.htm），让学生切实感受到我们国家目前需要解决的实际问题，近距离地感触到所学知识的用武之地。良好的产教结合模式，也反映在教学计划的及时修订上，衔接时代对人才的需求，无论是再深造的学生，还是直接就业的学生，都受到同行老师的好评，近年还出现企事业单位提前预招毕业生的向好趋势。

图4 产教融合的教学场景

3 嵌入式过程评价

将评估嵌入到每一个实验过程中，评估不再是评价学习的终点，而是提升学生学习能力的载体。这种动态式的评估过程，能够让学生了解自己在实验过程中解决问题的能力，将“学习力”的考查“可视化”，还能指导学生实现自我评价，达到评价引领学生主动学习的目的。

3.1 多元化的考评

以“重在过程，不惟结果”为指导思想，实行多元化的考评制度，注重评价学生主动参与实验的过程、善于思考的能力。改革后的实验教学评价体系分为3个部分：①线上虚拟仿真实验系统实验考核部分，考查学生理论知识掌握程度；②线下实体实验考核部分，考查学生实际动手操作能力；③实验报告或小论文考核部分，考查学生分析与解决问题能力。该评价体系把“过程”与“结果”有机地融合在一起，能更客观公平地反映实践课程的教学质量。

3.2 数据的共享分析

每次实验课程的课时非常有限，通过班级的数据分享，可以减少实验时间、空间的局限，例如在综合光谱进行药物分子含量分析的实验中，学生可以分组设计不同的试验方案，分别使用常量分光光度仪、超微量的光谱仪、高通量的光谱仪来检测样品，通过班级群数据共享，学生可以总结分析不同方法的优缺点及应用特性。同理，在原子光谱试验时，班级团队协作，分组设计标准曲线法、标准加入法；在色谱综合试验中，不同组设计不同的样品预处理方法等。这种将不同维度科学素养的培养渗透到教学中的每一个环节，落实多元综合能力的培养和综合考评。

3.3 仪器小组的协助

小组式的讨论与学习也是实验教学改革的重中之重。在教学新模式中，以小组协作的模式比个体的学习要复杂，这就需要教师将学生的小组合作更加精细化、深入化，不仅体现在操作技能的协作，实验方案设计的互动研讨，甚至是在小组的大型仪器协助管理方面，来实现小组学习的价值。生化仪器分析实验课程有着它鲜明的特征，每一次课堂教学中会涉及多间不同的实验室，限于1位教师的课堂教学，会产生照顾不过来的尴尬局面，此刻正是调动学生主观能动性的好时机，按小组轮流制。例如在综合光谱实验中，会涉及4种仪器，3间实验室，班长协调4个小组同学，分别跟进一种仪器的教学操作过程，增进学生“动手探究”的融入，让学生真正体验到实验课堂的主体意识，全程参与到实验教学中，增强了学生在实战中的练习与效率。同时，还可以避免大型分析仪器在教学过程中，非正确使用造成的故障及维护成本增加。

4 结 语

通过与校内实验平台、校外企事业单位深度合作，参与人才培养全过程，面向学科行业的需求重构课程体系，构建课程学习、课外科技活动、实践实习三维一体生态链式人才培养的教学模式，该模式的应用已经在2017年获得上海大学教学成果一等奖，在学生和教师团队中受益显著。