优化实验设计 提高学生的实验兴趣

沈喜 朱景红 浦铜良 易静 向云 张华 冯虎元

摘要：近年高校的发展中，实践教学的加强和综合素质的培养已经成为当前大学教育改革的重点。分子生物学作为一门实践性较强的学科，广泛应用于生命科学的各个领域。通过对实验设计、实验材料、实验报告等各方面的优化改进，将基础实验与科研应用和专业发展前沿紧密结合。在提高学生学习兴趣的同时，培养学生的科研思维，促进学生发挥主观能动性，不断提高实践和创新能力，这也为学生后续的工作和科研打下了扎实的基础。

关键词：实验教学;分子生物学实验;优化设计;综合能力

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）24-0251-02

分子生物学是一门实验性很强的自然学科，从分子水平阐述生命活动的规律、揭示生命的本质，逐步广泛地应用于生命学科的各个领域。从实践意义上来说，其实验教学对提高学生的综合素质、培养创新精神与实践能力有着理论教学不可替代的特殊作用。这就对高校教师如何从基础教学入手，有效引导学生运用基础理论知识，不断提高发掘、探索和解决科学问题的能力提出了更高的要求。

下面，就以本实验教学中心分子生物学实验中一个经典的实验——“western blotting检测人血清IgG”为例来探讨如何优化实验设计，达到提高学生学习兴趣、培养科研思维的目的。

一、实验中待优化的问题

Western Blotting（蛋白质免疫印迹法）是分子生物学、生物化学和免疫遗传学中常用的一种实验方法，经常用来定性地研究目的蛋白的分子量，或者定量检测目的基因蛋白水平的表达[1]。

在本实验的课程安排中，采用Western Blotting技术来定性地研究人类血清的主要抗体成分——IgG的相对分子质量。虽然经过几年的实践，该实验效果良好，但是发现实验设计中仍存在以下值得优化的问题：第一，通过实验只能获得目的蛋白IgG的相对分子量;由于实验内容未深入到定量实验，无法了解免疫球蛋白在人体不同免疫状态下表达量的差異，一则不符合科学研究的思路，二来没有打开提出问题的空间以提高学生分析实验结果的能力。第二，采用普通Marker电泳，当电泳结束后通过染色、脱色PAGE胶才能显出各标准蛋白条带，并且凝胶中的条带无法直接转移到NC膜上。所以，计算目的蛋白的分子量是根据A图按照标准分子量蛋白的各相对迁移率画出蛋白质的标准曲线（图1），根据B图免疫印迹结果求得目的蛋白分子量的相对迁移率，然后带入A图的标准曲线，最终求得目的蛋白的相对分子量。但是由于A图PAGE胶和B图NC膜的膨胀系数不同，学生计算过程中经常因蛋白迁移率的测量误差，导致求得的目的蛋白相对分子量存在系统误差。

二、优化措施

针对以上问题以及提高学生实验兴趣的目的，我们对该实验采取了以下优化手段。

（一）实验性质的优化

改变过去仅仅采用单一正常人血清作为样本，计算目的蛋白相对分子量的定性实验性质，而是进一步以正常人血清为对照，采用各种病例样本材料，定量分析不同病理状态下目的蛋白的表达含量的变化，将实验性质优化为定量实验（图2）。

①标准蛋白样品;②正常人血清样品;③急性肺炎患者血清样品;④急性淋巴性白血病患者血清样品。

（二）实验材料的优化

换用预染Marker：预染Marker在电泳分离过程中，各标准蛋白的条带直接显色，可以让学生观察到条带逐渐分离的过程，形象而直观。另外，预染Marker的条带可以直接转移到NC膜上，当获得目的蛋白的免疫印迹条带后，可以在同一张NC膜上进行标准曲线的绘制和目的蛋白相对分子量的计算，减少了系统误差，使蛋白质分子量的计算更为准确。

（三）实验报告形式的改进

以论文的形式书写实验报告：本实验面向大二学生，他们习惯了实验报告的书写模式，要求他们学习按照论文的格式，查阅中文文献，了解“western-blotting”这项技术在研究蛋白性质和功能方面的应用，在实践中获得的结果如何处理分析，并通过文献引用来支持自己的分析，有理有据。

三、优化效果

（一）实验性质的优化，将一个定性实验深入到定性加定量的实验

与科研课题相结合的实验技术教学新模式，可以增加实验技术教学的实用性、多样性和先进性[2]。最初的实验设计是通过聚丙烯酰胺凝胶电泳制作蛋白质标准曲线，测得人血清IgG的相对分子量，但还没有充分发挥“western-blotting”这项技术的作用。在科研工作中，经常采用本项技术研究同一种蛋白质在生命体不同时期、不同诱导或胁迫条件、不同免疫等条件下表达含量的变化，所以实验设计加入不同病理状态的血清样本，有助于帮助学生进一步了解本项实验技术的用途，加强基本实验技能的训练。

（二）因势利导，诱发学生发掘和提出问题，加深实验印象

爱因斯坦指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。”在科学研究中，往往解决一个问题也许仅需要实验技能而已，而能够提出新的问题，才会演变成探索与创新的动力。为了诱导学生提出问题、加强实验原理的理解和实验安全操作意识，我们在选择实验样本的时候，使用了肺炎患者的血清。第一时间让学生提出了疑问：使用这种具有一定传染性疾病患者的血清为实验材料，会有传染危险吗？吸引学生关注SDS-PAGE实验样品煮沸变性的处理方法。这种处理材料的方法不仅高温灭活了细菌，并且在还原剂巯基乙醇的作用下，使蛋白质三、四级结构被破坏，蛋白质活性丧失，完整的蛋白质被解聚为亚基或多肽链。这样就进一步帮助学生理解了变性和非变性蛋白电泳在科研中的不同应用。

（三）合理选用实验材料，研讨式教学，使实验设计符合科研思维

实验教学对于提高学生动手操作能力、独立思考能力和分析、解决实际问题的能力等方面都具有重要的促进作用[3]。通过生物学实验培养学生掌握实验基本操作仅仅是基础，而通过实验现象和实验结果发现问题、科学合理地解释问题是重要的目的。所以在实验材料的选取中，首先，应设置正常人的样本为阳性对照，帮助学生建立生物实验设置对照的重要观念。其次，选择不同的病例样本，以免疫印迹的结果与阳性对照作对比，引导学生验证在感染状态和免疫缺陷条件下同一种免疫球蛋白表达量的变化。最后，细化样本亚型的设置，进一步引导学生研究感染不同时期的表达量有何变化，不同亚型白血病的表达量有何差异，等等问题，初步培养学生应用实验技术来解决科学问题的方法，并巩固和加深了解生理学、免疫学等相关学科的知识。

（四）引导学生通过查阅文献解释问题，逐步培养论文写作能力

在以论文形式撰写实验报告的过程中，引导学生分析和论述自己实验结果所说明的问题。实验报告作为多元化考核与评价的一种实施方式，除完成正常的思考题之外，还要求写出自己对实验的体会与反思[4]。学生通过回顾和反思提出了一系列问题，例如只用IgG重链做一抗可以计算出整个蛋白质的分子量吗？并且通过各小组间实验结果的差异以及查阅文献，发现由于肺炎患者B淋巴细胞功能较亢进，合成的免疫球蛋白增多，而急性淋巴性白血病患者红细胞免疫功能受到损害，B淋巴细胞锐减，等等因素可以判断血样不同的采样时期及患病亚型。通过论文中发现和解决的问题，使学生产生成就感，也强烈地激发了学生的科研兴趣。

综上所述，基础实验的设计本着学生坚实地掌握实验的理论知识、熟练掌握基本实验技术操作的目的，通过优化基础实验的设计，充分提高学生的学习兴趣，并与科研前沿相结合，培养学生通过基础实验将理论与实践相结合，用科研思维去发现问题并通过实验结果分析问题的能力，已经成为实验设计的重要思路。

参考文献：

[1]沈喜，易静.基础分子生物学实验教程[M].兰州大学出版社，2014.

[2]崔银秋，林凤，禄家辉，周慧，腾利荣.建立与科研课题结合的分子生物学实验教学新模式[J].实验室研究与探索，2009，28（11）.

[3]宋永臣，杨明军，刘卫国，王正.本科生专业实验教学研究探索[J].实验室研究与探索，2014，33（2）.

[4]汪朝阳，祝凤荣，张向阳，周合兵，黄荔，张德明，冯彬，王辉.实验报告在多元化考核与评价中的功能[J].实验室科学与技术，2008，6（5）.