探究式生物化学实验教学的探讨与实践
2014-08-15童春义刘斌
童春义 刘斌
(湖南大学生物学院 湖南长沙 410082)
随着生物及其相关学科的深入研究,作为生物技术类专业基础课程之一的生物化学,其理论、实验技术和方法均得到了飞速发展,这就要求生物化学的实验教学作出相应的调整,以适应新形势下学科创新的需要和培养高素质创新性生物技术人才的需求。传统的生物化学实验大多是一些验证性实验,课程内容单一,实验模式落后,注重知识的传授,却忽视学生综合能力的培养和综合素质的提高。湖南大学从2003年就开始实施的大学生创新训练(SIT)计划,大大吸引了学生参与科研创新的兴趣和能力,特别是作为实验性学科的生物技术专业,到大三时已有80%以上的学生参与甚至承担了相关课题,故而纯粹的操作实验已远远不能满足学生对理论知识的掌握和对实验技能提高的要求。如何在吸引学生积极完成课程实验的同时,进一步提升学生的实验技能、创新思维以及设计能力,是值得我们思考和实践的。为此,我们以湖南大学2011级-2012级生物技术专业生物化学实验(二)为教学实践主体,尝试改变单纯以验证性实验为主的教学模式,提出将探究思维和实验设计能力融入整个教学课堂中的教学方式与方法,以期建立符合新形势发展的探究式生物化学实验教学模式。
1 传统生物化学实验教学的优缺点分析
传统的生物化学实验教学注重知识传递和操作能力的培养[1],故而内容全是验证性试验,从四大生物物质性质检测到代谢反应模拟分析。如目前各高校普遍开设的蛋白质性质显色鉴定实验和唾液淀粉酶的测定等等。这类实验的优点在于其简洁、成熟、可操作性强,锻炼了学生进行简单实验操作能力,并从生物物质基本性质、生物化学基本原理以及最基本的分析方法上让学生较直观的认识和理解生物物质以及生物化学理论知识。然而,由于这类实验只是对基本操作的简单重复,学生很难从此类实验中得到实际工作以及研究工作所需的实验操作能力和实验设计思维,更难获得创新思想和能力。
2 探究式教学在生物化学实验教学中的实践应用
2.1 什么是探究式教学
探究式教学法,就是在教师引导下,学生运用己学过的知识和技能,把自己当作新知识的探索者和发现者,通过实验等方式亲自发现问题、探索问题和解决问题的一种方法[2]。探究式教学应用于生物化学实验教学,即是将生物化学实验课程作为一个整体,根据教学目的、要求和学生的认识规律,遵循验证性实验、技能性实验、设计性实验到实验设计逐步深入的原则,积极引导学生通过观察实验、练习操作、查阅文献、讨论交流等多种活动,探究生物化学理论知识、掌握研究生物化学规律的手段,发展从基本操作到创新思维的实践与探索能力,从而完成教学任务。
2.2 探究式教学具体实施方案
根据探究式教学方法的宗旨,课程突出“以学生为主体、以教师为主导”,在课程内容设置、实验过程安排、实验结束考核等方面进行改革和创新。具体实施方案如下:
2.2.1 合理设置课程内容,全方位锻炼学生能力
课程内容设置方面,遵循验证性实验、技能性实验、设计性实验到实验设计逐步深入,全面锻炼学生能力的原则。生物化学实验(一)主要以验证性实验为主,让学生对生物化学实验有基本的概念和认识;生物化学实验(二)以技能性实验与设计性实验相结合,突出锻炼学生对生物化学实验能力和实验设计能力。生物化学实验(二)一共安排八次课,每次4个课时,共设置了7次操作实验和1次设计实验。其中SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法测定蛋白质分子量和滤纸层析法分离和鉴定氨基酸为验证性实验,重点让学生验证蛋白质检测中的经典方法,学习生化实验中如何进行蛋白质和氨基酸分离分析;维生素C含量测定和植物组织中过氧化氢活力测定为技能性实验,重点让学生学会并掌握使用常见分析仪器分光光度仪测定生物物质和酶活力;酮体生成和利用定性测定和血液中谷丙转氨酶活力测定为设计性实验,重点让学生弄清楚如何通过实验原理来设计实验,实验设计的好坏对实验结果的影响等等;最后一次课,要求学生总结生物化学实验课堂中学到的实验技能,结合生物化学理论课中学到的知识点,设计一个实验,可以是现有实验原理、方法的改进,也可以是运用生化知识设计的新实验,还可以是联系生活的一些生化知识的运用,重点考查学生查阅资料、发现问题、解决问题以及提出创新观点的能力。
2.2.2 完善实验前中后辅导,切实解决学生操作问题
将实验前讲解、实验中辅导、实验后分析三者相结合,突出实验前提醒、实验中指正、实验后分析的重要性,及时规范学生实验操作,培养学生解决问题的能力。其中,实验前的讲解,以提问的形式检查督促学生实验前预习实验和引导他们思考实验原理、实验细节以及实验难点,如维生素C测定实验中样品用碱处理的原因,酮体生成定性测定实验中显色前加入三氯醋酸的作用等等;实验过程中,指导老师观察每一组的实验情况,及时纠正学生不规范的操作,以及随时回答学生提出的问题,并帮助学生分析出现问题的原因等等。如移液器的使用,在使用前,着重介绍如何规范使用移液器,使用完之后如何放置等等,并在实验过程中,随时提醒学生移液器的使用及摆放,让学生从一开始使用就养成规范的实验操作习惯;实验后的实验报告分析,对普遍存在的问题在课堂上进行分析、讲解,对单个出现的问题,及时指出,并帮助其分析原因,如在做维生素C标准曲线时,发现有位同学在用EXCEL作曲线时,没有考虑到浓度间距,从而拟合出来的方程与同组同学的差异很大。通过让她比较分析她的曲线图和方程与其他同学的差异,找出问题所在,并进一步教会她科学合理使用数据软件作曲线。
2.2.3 加强团队合作与组长负责制,锻炼合作与领导能力
由于实验室条件有限,分组人数偏多(4-5人一组),造成每组总有几名学生只看不动手。为了充分调动各组成员积极参与实验,并使每个同学在实验中均能得到锻炼,可在小组安排和实验内容方面进行一定的调整。具体措施包括:采取组长负责制,每次实验每组推选组长一名,由组长安排组员进行实验;在实验教材的基础上,增加一些内容,使每个同学都能得到锻炼,如维生素C的测定,实验教材中只有用紫外分光光度法,在实际实验中,我们增加了高锰酸钾滴定法。组长制的采用,使每个同学都有机会作为组长安排实验,既锻炼了学生团结合作的精神,也挖掘了学生的领导才能。而通过增加一部分实验,不仅让原本空闲的人也动起来,而且两种方法比较,让学生增强方法选择的意识,当一种方法条件不成熟时,就可以选择其他方法代替,能够变通地解决实际碰到的问题。
2.2.4 充分利用实验间隙,培养学生总结归纳能力
生物化学实验一个特点就是,实验过程中等待的时间比较多,如何解决实验间隙中学生无所事事的现象,这也是实验教学中的重要任务。为了提高学生探索实验,培养总结归纳能力,可以在实验间隙,与学生一起讨论实验中的得失、实验过程中细节的把握、实验理论的深化等等,使原本无所事事的等待时间,成为总结实验操作细节、将实验与理论结合的讨论会,为将来独立进行科研培养良好习惯。如在SDS-聚丙烯酰胺电泳实验中,分离胶冷凝时间中,有长达1小时的等待时间,这时安排学生先对凝胶构成、制胶过程进行总结和讨论,然后派代表在全班介绍从中碰到的问题和经验介绍,通过总结和讨论,这样不仅使学生加深聚丙烯酰胺凝胶的认识和制胶过程中细节的把握,还能真正弄明白凝胶电泳的原理,完全掌握凝胶电泳的操作技巧。
2.2.5 举行实验汇报会,锻炼学生实验设计能力
改变以前实验考核只考基本实验操作的方式,以实验设计汇报会的形式进行考核。设计实验考核程序包括学生动手设计实验、制作PPT答辩介绍设计实验、老师答辩前指导和答辩现场评点等环节。其中,设计实验内容:设计一个在实验室条件下、能在3-4个课时完成的生化实验;基本要求:结合所学生化知识和操作技能,课题不限,两人一组;考核方式:学生答辩并按照实验教案的格式提交实验报告并做成幻灯片的形式进行现场汇报、老师现场评点并按一定的评分表进行评分;考核意义:规范学生实验操作,锻炼学生创新思维,培养学生自主选题,为接下来的SIT、课程设计及毕业设计等其他课程奠定基础。通过两个星期的准备和现场答辩,绝大部分同学都能够结合所学生化知识设计出符合要求的实验,体现了实验操作与生化知识的融合。其中,一部分同学提出所作实验的改进方案,如有位同学在“丙酮生成利用定性测试”实验的基础上,针对实验过程中一些现象的不明确性,提出了具体而完善的解决方案;一部分同学能将所学生化知识与实际生活相结合,提出一些非常有趣而具有一定深度的课题,如针对市面上发芽马铃薯不能吃的现象,提出“不同状态马铃薯中龙葵素含量的测定”方案,希望通过测定不同状态马铃薯中毒素-龙葵素含量来指导判断什么状态下马铃薯不能食用的难题等等。
2.3 探究式实验教学应用总结与建议
通过两个年级的教学尝试,探究式教学方式得到本校生物技术专业学生欢迎和学校督导团老师的普遍认可。反馈信息显示,学生反映此种方式改变以前做实验按照实验教材依葫芦画瓢的做法,而是有意识去思考实验理论的意义、实验操作的细节问题和实验方法的扩展应用,加深了所做实验与学过的生化理论知识的联系,更好的理解了理论课堂内容,激发了他们对生物学科的学习兴趣。实验教学过程中,越来越多的学生主动与老师交流实验中碰到的困难并提出有效解决方案,而不是被动地等老师来解决。
根据教学尝试中碰到的一些问题,学生和老师提出了一些改进意见,主要集中在实验条件的改善和新方法的引进上。为此我们在以后的实验教学中进行以下改进:(1)向学校申请,适当增加仪器数量,减少同组人数,每组2-3人;(2)增加实验设计的课时,减少验证性实验的课时,使同学们不仅可以自己设计实验,还能将设计的实验实际操作一遍,以改进方案;(3)进一步增加师生互动环节,让学生参与到课程内容设置上来,选择更多符合学生兴趣的实验;(4)引进一些新技术、新方法、新应用,如生化检测试剂盒的应用等。
3 探究式生物化学实验教学实践的体会与思考
生物化学作为生物技术专业学生专业学习的一个入门课程,生物化学实验亦是生命科学研究最基本的实验方法。生物化学实验教学的重要任务就是如何让学生掌握这些基本方法,在以后的工作和研究中游刃有余的去使用,以及如何使学生充满兴趣地进入生命科学领域。从实践结果可以看出,探究式教学尝试突出了对学生从动手能力、思考能力以及应用能力各方面的培养,取得了非常好的效果。该方法改变传统教学中存在的单纯操作锻炼和知识传授的局限,为学生提供了一个打牢基础实验操作能力和发挥自主创造能力的平台,激发了学生创新意识与愿望,培养学生创新精神与实践能力的教学目的。
将探究式教学引入整个生物技术专业实验教学中,使学生主动地学习和掌握生物技术专业所需的实验技能和思维,符合生命科学研究与应用并重的特性,为培养高层次研究人才奠定坚实基础。
[1]张翠微.基础生物化学实验教学中渗透实验设计思想的探索[J].文理导航·教育研究与实践,2013,7(12):85-86.
[2]何嘉媛,王璇,刘恩山.基于论证探究式教学模型的行动研究[J].生物学通报,2013,48(11):21-27.