以实验教学中心为平台组织生物化学开放实验

赵立青， 张金红， 赵玉红， 邓 飞， 陈容容

(南开大学 生命科学学院，天津 300071)

在科技飞速发展、竞争日趋激烈的时代里，一个国家的自主创新能力将直接决定这个国家的未来[1]。高等学校具有教育与科研相结合的优势，肩负着培养富有创新意识和科研能力的高素质人才的重任，是为科技创新提供创新性人才的摇篮[2]。实验教学是本科教育的重要环节，怎样在培养学生的创新意识和创新能力中发挥其作用，是实验教学相关部门及教师正在积极探索的热点问题[3-5]。近年来，我们以南开大学生物实验教学中心为平台，通过特殊层次的生物化学实验教学——开放实验，对开展本科生创新性实验进行了初步的探索。

1 以 “开放实验专题”为契机组织学生开展创新研究

近年来，本着以基本技能、综合能力和创新能力培养为核心的学生培养目标，在生物实验教学中心的统筹规划和大力支持下，生物化学实验已构建起立体化的三层次教学体系：以生物化学及相关领域研究中应用的基本技能训练为主的“基础型实验”；以科研成果为基础，紧密结合科研实际，旨在对学生进行综合能力训练，并将其引入现代生物技术前沿的“综合性实验”；涵盖开放实验专题(开放实验)、百项工程等多种组织形式，旨在培养学生创新意识和科研能力的“科研创新性实践”。

其中，“开放实验专题”是南开大学生命科学学院，在国家生命科学与技术人才培养基地总体培养目标框架下，为本科生设置的一门1学分必修实验课。课程在统一考评标准的基础上，采取松散的组织形式。学生根据自己的兴趣爱好选择研究课题及相应的指导教师，在一个学期的时间内，完成探索、研究工作。课程运行前期，学生通常选择一间科研实验室，参与老师的一项研究课题。通过这种途径，学生固然有机会接触到实际的科研工作，见识某一领域的前沿进展。但由于课程开设于本科第三年的上半学年，学生无论对生命科学相关知识的把握，还是对基本实验技能的掌握，都还处在比较稚嫩的阶段。所以相当一部分学生只能给实验室的研究生打打下手，很难进行独立的探索。2008年起，借学院调整改革“开放实验专题”实施方案之机，我们以生物化学教学实验室为单位，结合专业特色和硬件条件，每年组织5～6名学生，以“高压液相色谱法在食品卫生、农药残留、环境监测、药物分析中的应用”为大方向，进行“开放实验专题”工作。要求学生在大方向框架下，各人选择感兴趣的样本和靶分子完成检测和分析。

色谱是生物化学相关研究领域中常用的生物分子分析鉴定及分离技术[6]。学生通过生物化学理论及生物化学基础实验课程的学习，已经掌握了色谱方法的基本理论、原理和经典柱层析的操作技术。而高效液相色谱法是在经典色谱法的基础上，引入高压流动相、特殊小颗粒填料、高灵敏度检测器等特殊技术发展起来的高效分析分离技术，在当代生命科学研究工作中起着非常重要的作用。我们的主旨，就是凭借“开放实验专题”的契机，以高压液相色谱为手段，引导学生自行选择感兴趣的问题进行探究。在适宜学生知识背景的同时，给学生以创新思维、提高能力、张扬个性的空间。几年来，学生们分别以牛奶、鸡蛋、面粉、啤酒、辣椒粉、口红、碳酸饮料等为材料，利用高压液相色谱方法，探究了其中三聚氰胺、苏丹红、苯甲酸、维生素C、胆固醇等多种物质的检测模式(表1)。

表1 2008—2011年度生物化学实验室开放实验专题项目一览

2 以实验教学中心为平台实施“开放实验专题”

实验性课程运行的最基本条件之一就是实验室及相应的仪器设备。作为培养学生创新能力的“科研创新实践”课程，“开放实验专题”的设置形式不同于课表上明确标示时间、地点的常规课程。它要求学生根据自身时间表，于不固定的时间里，总计在实验室工作至少三十学时，完成预定的科研探究工作。虽然参加开放实验的学生们通常来自同一年级，但由于选修课程的差异，他们计划或能够进入实验室工作的时间表却大相径庭。怎样解决开放实验中学生作息的“随意性”与实验室常规实验教学及指导教师日常教学、科研工作间的“冲突”，是我们面临的重要问题，大概也是困扰各类本科生创新实验、实践活动的难题之一[7,8]。

实验中心的运行机制为我们解决上述问题，实施“开放实验专题”提供了理想的平台。实验教学中心最突出的特色就是优质资源共享。南开大学生物实验教学中心是国家级实验教学示范中心，拥有雄厚的设备和人才资源，及严格的管理、运行机制。

2.1 以实验教学中心为物质平台进行“开放实验专题”

实验场地和设备是开展实验性教学的物质基础[9]。南开大学生物实验教学中心设有专门为非固定课表实验/实践课程及学生创新研究提供场所的共享实验室。实验室占地120余平米，不仅具有离心、电泳等基础实验设施，还拥有配备6000 PVW可见/紫外检测仪及Accusil C18-10u-250×4.6nm色谱柱的2台高端高效液相色谱仪，超纯水机、超声波清洗机等色谱相关配套设备，是我们以高效液相色谱技术为切入点进行“开放实验专题”的理想物质平台。

利用实验中心平台，学生们根据各自情况，沟通协商，制定出参加“开放实验专题”的具体时间表。保证在不影响他人的前提下，有灵活、充裕的时间和足够的空间进行课题探索，体会创造的快乐。既开阔了学生的眼界，又大大提高了工作效率。

2.2 以实验教学中心人力资源实现“开放实验专题”过程管理

学生进行“开放实验专题”时间上的灵活性，给我们带来了新的矛盾。当今的教师，除了教学工作外，都还承担着繁重的教学、科研、管理等工作，从时间上很难与学生的时间表完全一致。而学生一旦进入实验室，难免会遇到一些突发的状况或有临时的需求。特别是我们的工作涉及到高效液相色谱仪这种高端的仪器设备及实验技术，学生在进行探索、研究过程中，可能随时需要教师的指导及辅助。怎样在“开放实验专题”进行过程中，实现对学生的实时督促和指导是我们必须面对的挑战。

实验教学中心的人力资源共享解决了我们的问题。借助国家人才发展战略，近年来，实验教学中心引进了多名硕士毕业的实验技术人员。他们刚刚完成自己的硕士毕业论文，积累了一定的实验室工作经验，具备了从事科研工作的初步能力。同时，作为实验辅助人员，他们的工作性质就是以教学实验室为工作基地，参与实验教学各环节的工作，负责大型仪器设备的管理与维护。因而，我们吸收了两名年轻的硕士实验员作为指导教师组成员。首先对他们进行技术培训，使其熟悉高效液相色谱技术的应用原理、仪器性能及操作方法。继而在明确项目总体规划的前提下，由他们主要负责学生日常实验活动的督导与管理。

3 借助实验教学中心的管理机制，保证“开放实验专题”实施质量

近年来高校本科科研创新实验如火如荼，形式也多种多样，但效果却有很大差异，也因此引起质疑之声[10]。我们认为，基于创新的重要意义，组织本科生进行创新性实验无疑是十分必要的。关键在于我们如何规范管理机制，保证实施的质量。使学生真正融入这类课程或活动，以增强创新意识，提高综合素质及实践能力，为今后取得更大成就打下基础。

几年的实践使我们体会到，规范管理、组织环节是保障本科科研创新性实验质量的重要机制。借鉴南开大学生物实验教学中心以教学环节监控，对本科实验教学进行管理的运行模式，我们把“开放实验专题”的实施规范为论证选题、实践设想、总结汇报三个环节。

3.1 论证选题

合理选题是科学研究中最基本亦是最关键的环节。“高压液相色谱法在食品卫生、农药残留、环境监测、药物分析中的应用”是我们组织“开放实验”的总体大框架。在这个框架下，我们把“论证选题”环节细化为4步。第一步，提出设想：要求每一位学生充分利用网络、图书馆、资料室查找拟研究课题相关的文献，梳理、归纳出自己的研究目标及大体技术路线。第二步，初次修订：教师与学生共同讨论，修改并确认初步的实验方案。第三步，初步尝试：学生最初的研究目标及方案主要基于个人兴趣，难免会有些不现实性或盲目性。但为了鼓励学生的创新积极性，在第一轮讨论中，我们只指导学生调整那些实验教学中心现行条件下不能满足的内容，而后允许学生放手尝试。通过初步尝试，学生发现的问题主要在两大方面：一是发现参考资料的内容并非全部可信；第二是自己原先设想的实验材料或检测指标不适于在开放实验专题的模式下进行。第四步，确立选题：学生通过文献的再检索、与指导教师的再次讨论沟通及实验方案的修正最终确立选题。通过这一过程，学生掌握了多种获取信息的途径，增长了甄别文献价值、质疑文献报道、合理选择研究目标及沟通交流的能力。

3.2 实践设想

带着期盼与自信，学生们在硕士实验员的辅助下，正式进入实验室。这一阶段中，我们完全放手，让学生独立完成从样品纯化到组分检测的全过程。学生们与高效液相色谱设备亲密接触，逐渐揭开其神秘的面纱，把昔日只能仰望的精密仪器，变成得心应手，实践理想的利器。没有时间、场所的限制，充分地放松心态，在与同学、实验员、指导教师的讨论争辩与相互激励中，不断完善实验方案，最终检测出自己心仪样品中特定物质的含量。这一过程充满挑战，既有失败的苦恼和郁闷，更有成功的欢笑与自豪。学生们在增长技能的同时深深体验到科学研究与创造的艰辛与快乐，亦体验到相互帮助扶持的团队合作在科研工作中的重要性。

3.3 总结

总结包括书面总结和口头汇报两个方面。书面总结即撰写研究报告，研究报告既是工作成果的展示，也是研究历程的总结和升华。因此，除了要求学生按照学术论文的模式报告研究结果外，我们特别引导学生对整个实践探究过程进行梳理和反思，总结遭遇的困难、挫折，分析破解的思路、方法，以使学生领会研究创新的思想方法。口头汇报以答辩会的形式进行。我们联合同在实验教学中心进行“开放实验专题”的其他小组，组织学生举行论文汇报答辩会。要求每位同学将自己的工作、体会凝练为5～7分钟的PPT，在会上报告并接受老师和同学们的质疑、提问。总结汇报是一个痛苦的过程，从最初杂乱无章的报告，到顺畅规范的论文终稿，再到答辩会上流利且富有逻辑的语言表述，无不融合着师生的点点心血、丝丝努力和共同进步。

通过几年的实践，借助实验教学中心平台，二十余名学生完成了“高压液相色谱法在食品卫生、农药残留、环境监测、药物分析中的应用”大方向下的“开放实验”研究。学生们亲身体验了研究探索的全过程，锻炼了实际工作的能力、进一步理解了创新的含义，综合素质大大提高。

[1]刘世洪. 创新是一个民族进步的灵魂[J]. 探索与争鸣,2011,2:14-15.

[2]许 放，吕伟耀，程俊英. 论高校学科建设在科技创新中的地位与作用[J]. 河北师范大学学报/教育科学版,2011,13(11): 27-31.

[3]张媛柯，田荣波，张 芳，等. 大学生创新性实验的体会[J]. 中国民族民间医药,2012,13：70-71.

[4]张 强，周正义，崔 峰，等. 应用型本科高校生物化学实验教学改革初探[J]. 牡丹江师范学院学报(自然科学版),2012,1(78)：78-79.

[5]何 洋，侯 佩，宋 瑱，等. 生物类本科专业实验教学改革的实践与探索[J].中国科教创新导刊,2012，8：59.

[6]牛 乐，李建科. 高效液相色谱技术(HPLC)在食品营养及安全性分析中的应用[J]. 食品研究与开发,2005，4(26):120-122.

[7]陈 念,陆克中. 应用型本科高校办学定位下的开放性实验室建设与探索[J]. 实验实践教学,2012,8(231):111-112.

[8]李 兵，李鸿飞，刘中来，等. 生物学研究创新型实验的探索与实践[J]. 实验技术与管理,2012,3(29): 27-29.

[9]朱飞燕，熊梦辉，周增桓，实验教学示范中心优质资源共享的探讨[J]. 实验技术与管理， 2009,12(26): 101-103.

[10]尹宁伟. 中国一流大学实践教学体系建构的新趋势[J]. 中国大学教学,2012,5: 82-89.