生物化学与分子生物学实验教学改革探索

刘湘新 苏建明 刘进辉 游思湘 肖红波

（湖南农业大学动物医学院，湖南长沙 410128）

21世纪是生命科学世纪，随着生命科学的飞速发展，生物化学和分子生物学已成为生命科学领域中发展最快、最活跃的学科。作为生命科学的重点学科，生物化学和分子生物学无论从理论，还是从实验技术方面，都占有非常重要的地位。因此，掌握生物化学与分子生物学的基本实验技能，是从事生物科学工作必须具备的基本条件。生物化学与分子生物学是实践性很强的学科，实验教学作为理论教学的重要补充和发展在整个教学环节中具有举足轻重的作用。根据当前高等教育改革形势，以及近年来生物化学与分子生物学理论与技术的飞速发展，为使生物化学与分子生物学实验教学适应学科发展的需要，我们课小组对生物化学与分子生物学实验教学进行了近3年的改革探索。通过优化实验教学内容，整合生物化学与分子生物学实验现有教学体系，笔者等构建了1套适合湖南农大动物医学和动物科学专业的实验教学模式，使湖南农大的生物化学和分子生物学实验教学走上了一个新的台阶，取得满意的教学效果。

1 生物化学与分子生物学实验教学现状

目前，农业院校动物医学和动物科学各专业生物化学教学学时一般为60～80学时[1]，分子生物学为30～40学时。湖南农大的课程设置是生物化学理论50学时，实验30学时；分子生物学理论30学时，实验10学时。两门实验课均非独立设课，这种学时分配和依附于理论课的实验教学安排，导致分子生物学实验课学时太少，无法开出一些最基本的分子生物学实验，而生物化学实验课由于要适应理论教学安排，致使验证性实验太多，综合性、设计性等培养学生创新性能力的实验内容太少。同时，实验成绩依附于理论课成绩，只占总成绩的20%，导致学生重理论轻实验，上实验课的积极性不高，动手能力和创新能力不强。

2 生物化学与分子生物学实验教学的改革内容

2.1 构建新的实验教学模式，激发学生的创新思维

生物化学的实验方法和技术是一切从事生命科学工作者必备的基本知识和基本技能。传统的实验教学模式是教师在实验前将实验原理、步骤、注意事项等一一交代清楚，学生只被动地接受在已经设计好的实验框架中进行实验操作，自己很少去思考，其积极性和主动性受挫。此外传统的实验教学模式已不能解决膨胀的学科知识与课程教学目标不断提高之间的矛盾，也不能满足学生就业从事相关专业的需要。因此，我们在实践教学中，转变传统的实验教学理念，从实验教学内容、实验思路设计、实验效果评价三个环节进行改革，打破传统的教学模式。精心筛选具有代表性的、综合性的实验，避免单一性、重复性的实验。鼓励学生自己设计实验思路，注重对学生动手能力、创新意识的培养。兴趣是最有效的创新动力。我们根据各专业的学习情况，给学生提供了若干个设计性实验题目，由学生自选，独立完成实验。例如，我们让学生根据实验室现有的仪器设备进行实验设计，进行蛋白质的分离纯化。老师只提出要求，并给予一定的提示，然后让学生根据实验所给的条件和蛋白质分离提取的不同方法去进行设计，每一组采用一种设计方案去进行操作。各组实验完成后，对实验结果进行比较和讨论分析，得出分离纯化蛋白质的最佳方法，这种设计性实验充分调动了学生参加实验操作的主观能动性，学生在实验过程中的主体地位得到了充分肯定，提高了学生的学习兴趣，开拓了思路，培养了创新意识，实验后学生感到收获很大。

2.2 创建独立的实验教学体系，全面提高实践动手操作能力

生物化学与分子生物学是生命科学领域中公认的最具活力的学科，理论知识和实验技术更新非常快。但当前农业院校由于整个课程设置的需要，生物化学与分子生物学实验教学时数非常有限，因此就凸现出较少的实验学时与不断更新的实验技术与方法的矛盾。如何能够既不影响整个课程设置计划，又可以在有限的学时内为学生开出系统而又适应学科发展的生物化学与分子生物学实验课程，以缓解以上矛盾？为此我们特进行了生物化学与分子生物学实验教学的改革。首先我们调整了目前的实验教学课程体系，将目前的生物化学（30学时）和分子生物学（10学时）两门课程的实验合并为生物化学与分子生物学实验课程，构建了生物化学和分子生物学合二为一的实验课程体系，设置为独立的实验课。合并后总学时虽然没有变，但更有利于实验项目的设计和实验内容的统筹安排。合并前生物化学实验主要是酶活性测定，糖类、脂类、蛋白质和无机盐含量测定等验证性实验，综合性实验只有1个，无设计性实验。分子生物学实验因学时严重不够，只能开出了质粒DNA的提取与琼脂糖电泳检测。通过整合与调整后，实验内容更改为“验证实验3个，综合性实验4个，设计性实验3个”，包括血清蛋白质电泳、质粒DNA的提取与酶切、琼脂糖凝胶电泳检测DNA、哺乳动物基因组DNA的提取、DNA的体外重组、PCR基因扩增等综合性实验，以及碱性磷酸酶的制备、活性及比活性测定、酪蛋白的制备、大鼠心肌LDH活力测定等设计性实验。从而大大丰富了实验教学内容，提高了实验的技术水平和学生的实践动手操作能力，使学生获得了完整、系统而新颖的生物化学与分子生物学实验技能。

2.3 编写了适合新的教学模式的实验教材和教学大纲

根据实验教学改革方案，本着从“基本技能→综合培训→设计创新”三个层次的实验项目精心设计，我们编写了新的生物化学与分子生物学实验教材。新的实验教材分为4个实验技术模块，第1个实验技术模块是光度法和离心法技术：主要是进行血糖、蛋白质含量和酶活性测定等验证性实验，其目的是通过这些实验，使学生掌握基本理论知识和技术，并加深对理论的理解和记忆，同时掌握离心法技术和光度法技术进行物质分离和含量测定的原理和方法；第2个实验技术模块是电泳技术：主要是血清蛋白质和DNA的电泳分离与鉴定，这一层次的实验属于综合性实验内容，通过这些实验使学生能够掌握不同电泳技术的原理和基本操作方法及电泳技术在生物科学领域中的广泛应用。第3个实验技术模块是DNA的重组技术：包括质粒DNA的提取与酶切、PCR基因扩增、DNA的体外重组等内容，属于目前分子生物学实验基本技术，通过这些实验，学生可以初步掌握基因工程的操作过程和技术原理；第4个实验技术模块是生物大分子的制备技术：主要是蛋白质和DNA的提取与分离鉴定，为设计性实验内容，通过这些实验使学生能够自己设计分离纯化蛋白质和DNA的各种技术路线，提高学生的创新能力。新编实验教材大幅度增加了综合性、设计性和创新性实验，并将目前分子生物学研究的主要技术如DNA的提取与分离鉴定、DNA的体外重组、PCR等实验补充进新的实验教材，整体提高了实验教学水平。此外，我们还根据实验教学改革的需要，编写了新的实验教学大纲，对实验教学内容进行了新的优化组合，根据各专业的教学需要，学生可自行选做部分实验项目，使学生在有限的时间内，能够学到更多的实验技能。

2.4 改革实验教学手段，提高实验效果

现代多媒体教育手段能激发学生的兴趣和增强实验效果，因此，我们将一些生物化学与分子生物学基本操作及仪器设备的使用等部分制成录像片，并建立了虚拟实验室，让学生观看，既节约了时间，又激发了学生的兴趣，极大地提高了实验教学的效率，达到了理想的教学效果。

2.5 改革现有实验成绩评分模式，构建了新的实验考核方法

长期以来，生物化学和分子生物学实验课的成绩是以学生的实验报告为基础并结合操作考试进行评分，并且实验成绩只占总成绩的20%，结果造成学生重理论轻实验，上实验课的积极性不高，上课不愿意动手，基本技能薄弱。经过优化教学体系后，实验操作进行单独考核，独立设课，计2个学分。实验课程成绩由3个部分组成，并按一定比例进行评分：实验报告成绩占30%、实验操作考试成绩占40%、实验笔试考试成绩占40%。通过改革后，大大的提高了学生做实验的积极性，使学生的动手能力有了质的提高。

3 生物化学与分子生物学实验的教学改革效果

3.1 更新观念、明确了改革的目标和方向

“生物化学教学体系优化与实践创新研究”被列为湖南农大2010年重点教改课题。3年来，项目组多次召开项目研讨会议，明确了生物化学与分子生物学实验教学改革的目标和方向。生物化学和分子生物学学科的迅速发展，传统的实验教学内容和方式已经不能适应学科的发展，因此，必须对现有的生物化学与分子生物学实验课程设置进行改革。我们对兄弟院校生物化学与分子生物学教学改革进行了调查研究，总结他们改革的经验，努力吸取新时期的教学改革成果，确定了“适应学科发展，培养学生动手能力，提高学生创新意识”为目标的实验改革方向。在充分认识实践教学对育人的重要性基础上，加强理论与实验两大教学体系的有机联系，把实验教学和理论教学放在同等地位加以重视，二者相辅相承。根据人才培养目标，科学合理地安排各实践教学环节，努力使建立起的实验教学体系整体优化。

3.2 打破了实验项目设置陈旧，实验内容安排不合理的局面

实验改革以来，通过本课题组全体人员的积极参与和共同努力，将生物化学与分子生物学实验课程有机地结合起来，独立设置实验课程，打破了原来以单课为营、实验项目设置陈旧和实验内容安排不合理的局面。改革后，综合性、设计性和创新性实验项目由原来的30%提高到了70%，实现了实验课程的独立设课，配备了高级实验师等专门的实验技术人员，生物化学与分子生物学实验开出率和准确率均达100%，取得了明显的效果。

3.3 实现了项目和资源的优化重组，建立了较高层次的实验体系

生物化学与分子生物学实验项目优化后，整个实验涵盖分光光度技术、离心技术、电泳技术、大分子物质的分离纯化技术和PCR技术和基因重组技术等，构成了较高水平的实验教学体系，提高了实验教学水平，适应了学科的发展。同时，实验的独立设课，加强了仪器设备的统筹管理和统一规划，实现了资源重组，克服了以前实验室各自为营、重复购买、实验仪器使用率太低或者太高的现象，提高了仪器的利用率和完好性。调整和改进实验项目和实验技术以来，我们承担了动物医学院、动物科学院、师范技术学院、东方科技学院的动物医学、动物药学、宠物医疗、畜牧、水产养殖、畜牧教育、动物医学教育等专业的本科生生物化学与分子生物学的实验教学任务，每一学年上课班数为15～16个学生班，实验人数为360～400左右，实验人时数为32 000学时。通过这些实验项目和技能的训练，学生的动手能力、分析能力、创新能力和科研工作能力得到了全面的提高。

3.4 加强了实验室和科研平台建设，进一步提高了实验教学水平

我们建立了开放性实验室，学生可以根据自己的兴趣和爱好，选择实验内容和实验时间。申请开放性实验前，学生首先提出实验设计方案，具体内容包括实验设计、所需实验仪器与设备、药品及其配置方法、低值易耗品、基本操作过程等，然后经实验室主管教师审核批准后，才能进行实验。开放性实验教学使学生由被动为主动，充分调动了学生的学习积极性和主动性，激发了学生的创造欲和探索欲，锻炼了学生分析问题与解决问题的能力。同时我们还结合教师自身科研，让部分学生积极申报大学生科技创新课题，参与一些科研项目的实验，培养学生严谨的科学态度、实际动手能力和独立思考、发现问题、分析问题和解决问题的能力，同时使学生接触到某些精密的仪器和先进的实验手段，巩固了生物化学与分子生物学的基本技术，使学生开阔了思路和视野，更全面地培养和锻炼了学生的创新能力。在3年来的实践改革中，我们承担了4项本科生科技创新项目和1项研究生创新项目，分别获的了学校二等奖2项，三等奖2项。为本科生开放实验近100人次，人时数为800学时。

以上是我们在生物化学与分子生物学实验课程改革方面的一些探索与经验总结，整体研究成果对生物化学和分子生物学的实验教学具有一定的意义。但教学改革是一个系统工程，在提高学生学习兴趣、培养学生的创新意识方面还有许多文章可做，因此我们必须不断地总结经验，积极探索，把教学改革推向一个新的水平，努力培养出实验基础扎实、实验技术过硬的创新型科学人才。

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