实验设计与生物化学实验课相结合的上课模式的探讨——以糖酵解中间产物的鉴定为例

罗 娜， 钱春梅， 黄 晓， 陈 芳＊

（1.华南农业大学生命科学学院， 广东广州， 510642； 2.华南农业大学海洋学院， 广东广州， 510642）

生物化学实验课是在生物化学理论课的基础上，可以激发学生对生命科学的热爱，也为学生进行本科生毕业设计奠定基础。面对新世纪对研究人员创新能力的要求，要对本科生培养独立设计实验的能力，本实验课共包含五个实验，蛋白质含量的测定、维生素C含量的测定、糖酵解中间产物的测定和酵母菌蔗糖酶的提取及比活力的测定。这些实验涵盖了理论课的各个章节，为进一步理解理论课，升华了理论课的内容。但是传统的实验课，实验老师主要按照实验书的内容写好板书，学生就是按部就班的按照板书的内容来操作，教学目标是以提高动手能力和学习测定方法为主，根本对每一步为什么这么设计缺少思考，无法保证每个学生可以理解实验中的重点与难点。长久以来，学生会变得依赖老师，学习方式变成为被动学习，不会思考问题。

实验设计来源于科学实验与统计学的结合，其具有周密性和科学性。设计过程中一直在回答三个问题：为什么做、怎么做、做到什么程度的问题。学生以后进入课题组，独立做毕业论文阶段，是否能获得准确可靠的数据，实验设计起着重要作用。因此针对学生高年级的毕业设计和科研能力的提高，要培养学生独立设计实验的能力。本研究就是探讨实验设计与生物化学实验课相结合的上课模式。

1 实验设计与生物化学实验课相结合的上课模式

设计实验首先要明确为什么做，就是本实验的目的，比如糖酵解中间产物的鉴定这个实验。首先引导学生理论课内容糖降解的图，糖酵解后丙酮酸将在无氧气条件下产生酒精、在有氧条件下进入三羧酸循环产生大量CO2。中间产物的鉴定就要明确代谢通路要停止在哪里？为什么要停止在这里及其后续的验证问题。

提出假设，假设是对可能存在的条件的一种假设，这种假设可以为寻找事实做了基础。设计假设是实验设计方法融于生物化学实验。合理设计假设，是实验成功与否的根本。培养学生大胆的质疑能力，提出自己的意见。根据本研究的实验目的，糖酵解中间产物的测定。并且糖酵解是一个不可逆的反应过程，只要反应启动，就会经过一系列的酶促反应，产生ATP供能。中间产物包括葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、果糖1，6-二磷酸、二羟基丙酮酸、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。观察这些中间产物都是以磷酸化合物的形式存在的，并且二羟基丙酮酸和甘油醛-3-磷酸属于丙糖类可以用显色反应（2，4-二硝基苯肼）来验证其是否存在。进一步引导学生观察一下糖酵解过程中涉及的主要的酶包括己糖激酶、磷酸葡萄糖异构酶、磷酸果糖激酶、醛缩酶、甘油醛3-磷酸脱氢酶、磷酸甘油酸激酶二磷酸甘油酸变位酶、烯醇化酶、丙酮酸激酶。通过查阅文献知道碘乙酸可以抑制甘油醛3-磷酸脱氢酶活性，造成二羟基丙酮酸和甘油醛-3-磷酸的积累（图1）。同学们马上提出来假设糖酵解代谢终止在这一步。

图1 糖酵解中间产物测定

继续回答实验设计中的怎么做的问题，根据上述假设，引导学生老师互动形式设计实验。本实验处理为利用碘乙酸和硫酸肼，使其中间产物终止在二羟基丙酮酸和甘油醛-3-磷酸。实验设计中要设立作为比较标准的对照处理。根据研究的目的和内容，可选择不同形式的对照。其中包括空白对照、正向对照、负向对照、自身对照等。本研究中根据实验目的，启发学生设计了两个对照，一个是空白对照，糖酵解过程顺利进行，为了验证能够显色的物质不是反应的终产物丙酮酸；一个是负对照，三氯醋酸是一种蛋白酶的变性剂，能让酵母中所有酶失活，使糖酵解不能进行或者很小程度进行，也是为了后续验证反应底物是不能起显色反应的。

实验方案中还要注意比较间的唯一差异原则。是指在设计实验中，要保证只有处理单因素的不同，其他所有的条件应当相同。比如本实验中，要保证实验中加入的试剂都一致。单一差异是加入的时间不同，导致最后只有产物不同。引导同学发现问题，表1描述的处理条件是否为单一的因素差异？学生会发现不是，因此反应1.5小时后，会在表2继续补加试剂。补加的试剂为三氯醋酸、碘乙酸和硫酸肼。

表1 发酵过程观察

表2 终止发酵和补加试剂

做到什么程度的问题，反应必须要适时终止。要根据前期的预实验，合理的终止实验反应。

2 实验设计在生物化学实验中的作用

第一，增强学生参与的热度，增强学生的好奇心。生物化学的理论课知识点难度很大，枯燥无味，学生很难马上完全理解接受。传统的实验教学一般是以老师灌输为主，因此学生只是按照步骤一步一步模仿的做，根部不知道每一步为什么这么做，结果就不能很好的辅助理论课学习。而实验设计根据实验目的和原理，带着问题来做实验，每一步都是来验证一个预期的结论。学生还可以推测出来预期的实验现象，增强学生的参与热度。并且为学生以后独立的解决科学问题，怎么设计实验奠定基础。

第二，增强学生独立思考的能力，开发学生探究问题的能力[2]。学生会自己设计假设，然后通过查找文献来独立思考怎么验证这个假设。刚开始，我们对于刚刚升入大二的学生，也担心他们会畏惧，面对问题不知道怎么着手。后来经过一段时间引导，学生开始探索性设定不同的假设，然后根据假设设计合理的对照。这个过程可以增强学生独立思考的能力，并且可以通过讨论，增强学生小组间的合作。

第三，增强学生的逻辑思维能力。实验设计过程中一定要遵循唯一差异原理，因此在整个实验过程中，学生可以自己检验实验的合理性，增强学生辩证的思维能力。这种方式可以突破传统的教师为主的实验课，让学生成为主体。并且为以后进入课题组，面对新的课题，都可以合理地设计实验。

第四，增强学生分析实验结果的能力。传统的实验报告就是抄实验书上的实验原理、实验仪器和用品、实验材料和试剂、实验步骤、结果与计算。本次改革后的实验报告包括以下部分，实验原理，实验步骤、实验结果、实验结果的讨论。实验步骤是按照流程图的方式描绘，实验结果讨论是对结果和不同组间之间分析和比较，并且查阅文献进行比较不同方法间的差异。

第五，增强了学生和老师之间的交流，以前的实验教学模式，学生只是填鸭式的接受，因此对实验步骤只是照葫芦画瓢。本次改革增强了实验设计的内容，赋予学生更多自主探索的实践，让学生可以进行思想风暴，让学生更加注重理论课的学习，在理论课的基础上提出合理的问题，这种教学方式有利于培养拔尖人才[3]。老师会根据学生的问题慢慢引导，让学生体会到发现问题，验证问题的乐趣。首先实验设计是科学研究的基础，把实验设计的思想贯穿于生物化学实验课上，实验设计被称为行之有效的教学方法和载体（4）。让学生从本科生就培养理性的逻辑思维，使他们可以更好地理解理论知识。为培养学生以后从事科学研究做的铺垫。

3 实验设计与生物化学实验课相结合的上课模式的展望

其次实验设计融于生物化学实验课，不仅有利于学生对生物化学实验课的学习，还有利于对于其他实验课的学习，培养了学生探索的精神，具有创新精神，注重培养学生的能力，提出问题，分析问题和解决问题的能力。

最后在生物化学实验课上建立实验设计的思想可以运用于毕业论文设计。农业院校的大学，要求本科生毕业要独立完成一项毕业设计。这个毕业设计是对学生大学期间学的知识的综合考核。并且毕业设计中的实验要设计合理，有科学价值。因此实验设计起着重要的作用。

4 结论

本研究探讨了实验设计与生物化学实验课相结合的上课模式，激发学生学习生物化学实验的兴趣，并且改变传统的教学模式，让学生从“要我学”，变成以学生为主体的“我要学”模式，培养学生科学的思维能力、创新能力。