充分利用实验室软硬件资源多渠道改革生物化学实验教学内容

赵玉红, 李　欣, 崔建林, 周　浩, 李登文, 张金红, 赵立青

(1. 南开大学 生物实验教学中心, 天津　300071； 2. 南开大学 医学院, 天津　300071)



充分利用实验室软硬件资源多渠道改革生物化学实验教学内容

赵玉红1, 李欣1, 崔建林2, 周浩1, 李登文1, 张金红1, 赵立青1

(1. 南开大学 生物实验教学中心, 天津300071； 2. 南开大学 医学院, 天津300071)

生物化学实验是生物学科最重要的基础实验课程之一,在学生创新意识和实践能力培养中具有举足轻重的作用。但随着新的生物化学技术和方法诞生,一些传统的实验教学内容暴露出不足,亟须改革。课程组充分发掘实验室软硬资源,通过将综合、探究性实验内容改进转化为基础实验课程资源、引入最新研究技术手段、借助教改契机改进实验等途径,多渠道更新、改进经典实验教学内容,加强学生掌握前沿知识和从事科学研究能力的培养,取得了良好的教学效果。

生物化学； 实验教学内容； 多渠道改革

生物化学所涉及的离心、层析、电泳、分光光度等基本技术与方法,是分子生物学、遗传学、细胞生物学、生理学等众多学科的重要研究技术手段,现代生命科学领域的许多科技研究成果和重大发现几乎都与生物化学技术与方法有关。生物化学实验是培养学生的生物化学基本技能,了解与生物相关的研究方法和实验设计思路的重要实践环节[1]。

传统生物化学实验主要存在以下两方面问题:一些实验项目内容相对单薄且项目间内容相互独立,缺少知识的联系和技术的整合,不利于学生对理论知识点的全面理解和技术方法的综合运用[2]；实验技术手段落后,学生的学习积极主动性不是很高。这样的实验教学难以满足新时代对高素质创新人才的培养需求,学生的动手能力、创新能力得不到充分发挥[3]。

为解决这些不足,保持实验课可持续、高水平地发展,课程组充分发掘实验室软硬资源,通过将综合、探究性实验内容改进转化为基础实验课程资源、引入最新研究技术手段、借助教改契机改进实验等途径,多渠道更新、改进经典实验教学内容,增加和体现知识的综合性、应用性和前沿性,能够使学生了解和掌握更多的经典与前沿生物化学技术与方法,多角度地了解生物科学研究的基本思路与方法,开阔眼界,提高学生的综合能力。

1　生物化学实验教学内容改革的总体思路

本次实验教学改革秉承了“传承经典,注重拓展”的教学理念。考虑到两方面原因:一是“寸有所长,尺有所短”,无论实验技术方法是传统的还是现代的,都各有所长,对于学生基本实验技能的训练和研究经验的积累都发挥着重要作用；二是大学二年级的学生还处在基础课学习阶段,学生自主性还较差,他们的知识储备还难以完成综合性较强的探究性实验[4]。因此,生物化学实验教学内容的改革并没有大刀阔斧地进行,而是采取了在原有实验项目基础上进行拓展、改进的循序渐进的方法,既保留了传统、经典的实验内容,又增加了许多现代生物化学的技术、方法。希望改革后的生物化学实验教学内容在夯实学生基本技能的基础上,为学生创造更多的思考与提升空间,促进学生探索能力和科学研究能力的发展。

2　多渠道改革生物化学实验教学内容

2.1将综合、探究性实验内容改进转化为基础实验

教学经验表明,先进的实验仪器以及方法、技术,体现了学科发展前沿,在实验教学中对于学生的综合能力培养发挥着重要作用[5-8]。课程组将实验室近几年开设的综合、探究性实验项目进行了梳理,结合基础课实验项目及教学特点,经过认真研究、巧妙设计,将这部分实验内容进一步改进,转化成适于基础实验教学的内容。

2.2引入最新研究技术手段

调研发现,生物化学实验内容最欠缺的是科学领域中的前沿成果在教学中的体现[9],因此将科研实验室常用的先进实验技术与方法应用到本科实验教学中来,使学科实验教学接近科研实际,培养学生对现代生物学相关技术的应用和掌握,拓展实验技能。

2.3借助教改契机改进实验

生物化学实验中许多试剂有毒、有害,一些学生为了学分勉强进入实验室进行实验。为消除这种心理芥蒂,课程组教师利用申请院级及校级教改项目的契机,不断探索新的实验技术和方法,不用或是尽量减少有毒、有害试剂的使用,倡导“绿色”实验,从实验环境方面打消学生不愿参与实验的消极情绪。

3　多渠道改革生物化学实验教学内容的实践

3.1改进“SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳”和“聚丙烯酰胺凝胶等电聚焦电泳”实验

鉴于双向电泳技术在蛋白质组学中应用广泛,中心2008年购置了整套的双向电泳相关设备(包括BIORAD等电聚焦仪、GS-800光密度仪以及PDQuest工作软件等),为大四年级本科生开设了“双向电泳检测热休克处理对细菌蛋白表达谱的影响”的综合实验以及“百项工程”等其他探究性实验。

由于仪器设备数量及实验所需时长限制,双向电泳实验先在小班授课的生物伯苓班试点开设,目前已运行3轮。具体做法如下:精简原有双向电泳综合实验的实验内容,由教师直接提供蛋白样品,将第一向IEF和第二向SDS-PAGE两个电泳实验分别穿插在“SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳”和“聚丙烯酰胺凝胶等电聚焦电泳”2个实验项目的电泳等待间隙,分两次进行。第一次安排第一向电泳,蛋白样品由教师提前制备好,一向电泳结束后保存样品胶条；第二次安排第二向电泳,将IPG胶条转移至由学生自己提前准备好的SDS-聚丙烯酰胺凝胶,进行染色、脱色、电泳结果扫描及图像分析。

3.2改进“维生素C含量检测”实验

高效液相色谱(简称HPLC)也是一种应用广泛的分离分析技术,被用于包括生命科学交叉前沿领域中的重大课题。课程组依托中心的资源平台,多年来在开放探究性实验中为本科生开设了“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”的项目,深受学生喜欢[10]。几年来,学生通过自报选题独立自主完成的实验项目有30余项,其中有5个实验课题利用HPLC测定了鲜橙多、脉动、水溶C100等生活中常见饮料以及维生素C片中的的Vc含量。

受学生启发,课程组通过查阅相关文献资料,在保留原有样品前处理方式的基础上,摸索出了适于猕猴桃中维生素C含量检测的色谱条件。教师先将2台HPLC仪器调试好,将标准品课前准备好,由实验完成速度快的几名学生来完成标准品的进样,每台仪器出一组标准品数据。其他学生在用传统2,6-D方法检测完成后,直接拿自己的样品进样即可,样品出峰时间控制在8 min左右。实验等待间隙,为学生讲解HPLC的工作原理、应用以及方法学等相关知识。

3.3改进“家兔肝脏DNA的制备及含量测定”实验

“家兔肝脏DNA的制备及含量测定”实验分为DNA的提取和DNA的含量检测两大部分内容。

(1) 对于核酸的提取,目前国内外科研实验室大多使用试剂盒,因为试剂盒使用起来更高效、简便快捷,而且提取的DNA质量高[11],因此在实验教学中,最近几年在生物伯苓班除了使用传统的浓盐法,同时将试剂盒纳入到实验教学中来。伯苓班的授课方式是单人操作,实验中,先使用试剂盒进行DNA的提取,在用酶消化的近2 h里,用浓盐法进行DNA的制备,此后2种不同提取方法的实验交替进行。

(2) DNA含量的检测,除保留经典的二苯胺法,将目前科研实验室广泛使用的超微量分光光度计法引入实验课堂,不仅可对DNA进行定量分析,还可鉴定DNA的纯度。

3.4改进“转氨基作用”实验

传统的“转氨基作用”实验中采用水饱和酚作为展层剂,这也是目前许多高校广泛使用的一种展层剂。但是苯酚是一种有毒物质,具有强烈的刺激气味,对皮肤有较强的腐蚀性。为此,课程组改进了“转氨基作用”实验中的展层剂,用无毒、价格低廉的“无水乙醇∶ 水∶ 尿素∶ 氨水”替代传统实验中有腐蚀性、价格相对昂贵的试剂“水饱和酚”[12]。

4　改革后的实验教学总结与探讨

4.1实验内容

目前利用实验室软硬件资源,多渠道更新、改进的实验项目多达5项,具体参见表1。

表1　改革的生物化学实验教学内容

教学实践表明,改革渠道切实可行,改革后的实验内容科学合理且具有以下优点:

(1) 在原有传统、经典的实验内容上进行拓展、改进,增加了许多现代生物化学的技术、方法,易于学生理解、掌握及科学思维、科研能力的培养；

(2) 改进的“SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳”和“聚丙烯酰胺凝胶等电聚焦电泳”实验由“双向电泳实验”将原本两个相互独立的实验项目有机地融合在一起,增加了实验内容的综合性；

(3) 改进的“维生素C的含量检测”和“家兔肝脏DNA的制备及含量测定”实验,引入了对比教学法；

(4) 改进的“转氨基作用”实验是生物化学实验课程“里程碑式”的发展,对学生具有深远的启示意义。

4.2实验学时

基础实验的内容改革因受课时等因素影响,实施起来具有相当的难度。生物化学实验课只有64学时,如何在规定的学时内拓展新技术、新方法,我们做了许多调研和尝试。通过精简实验内容、穿插分次实验以及优化实验条件、缩短实验时间等途径来提高实验教学效率。改革后的实验课时变化见表2,实验课总计增加约2.5学时。每个单项课时增加不超过1学时,基本上突破了课时限制这一发展瓶颈。

表2　改革后的实验项目学时变化

4.3实验经费

从表3中可以看出,除双向电泳实验中所用IPG预制胶条价格昂贵外,细胞基因组提取试剂盒价格较贵,改革后的实验几乎不增加其他的费用,甚至 “转氨基作用”实验还节约经费160元。改革后的实验经费累计增加1360元。对于实验课来讲,增加的这些经费在课程承受范围内。

表3　改革后实验项目的经费变化

5　教学效果

5.1促进学生的思维活动向更高的水平发展

学生在实际科研中遇到的问题,通常不是孤立的,不能只靠单一的知识点来解决,需要综合运用多种知识、技术、方法来解决。在实验室条件许可的情况下,充分利用实验室软硬件资源,为学生的专业学习搭建一个高水平的平台。譬如在学生掌握了电泳基本操作技能的基础上,实施具有一定综合性质的双向电泳实验,不仅潜移默化中培养了学生综合运用所学知识解决问题的能力,而且使学生对于实验设计的科学性、系统性有了更直观的认识,能引导学生的思维活动向更高的水平发展。

5.2基础性实验与综合、开放探究性实验的衔接桥梁

碰触学科发展前沿成果、技术,有利于学生从基础层次到更高层次实验的顺利过渡,有助于学生利用基础实验中获得的新知识、技术,进而在后续更高层次的实验中有所突破,有所创新,并且有助于学生在后续开设的综合、探究性实验中少一分初时选择的盲目,多一分选择的余地,参与其他自己感兴趣的项目领域,进一步拓展专业知识和实验技能,丰富自我发展的空间。

5.3以点带面,全面提升学生的综合素质和创新能力

以“维生素C的含量检测”实验为例,实验改进后,首先通过2,6-D滴定法和HPLC这2种不同实验方法与技术会获得大量的数据,通过对这些数据进行分析、归纳、总结,有利于培养学生对数据进行合理统计与分析的能力；其次通过数据比对分析,增强学生规范操作的意识,培养严谨的科学态度；然后学生通过亲身实践切实体会到解决同一个科学问题,可以借助于不同的方法与技术来实现,引导学生多方面、多角度地思考问题,增强学生的创新意识；最后通过方法学相关知识概念的普及,加深学生的严谨性、科学性等观念,培养学生科学系统的思维方式。

5.4以身作则,鼓励学生创新

鼓励学生在实验中去发现、创造,为师者,自己亲自动手改造一个经典传统实验,比苦口婆心、千言万语的效果要好上一千倍,甚至一万倍。“转氨基作用”实验中的展层剂由有毒的“水饱和酚”改进成无毒的“无水乙醇∶水∶尿素∶氨水”,多年来,多少届学生不仅在“绿色”生化实验室受益良多,而且通过教师的榜样行为使学生明白一个道理,即传承经典传统实验的目的,不是一味的一成不变,更重要的是发展和创新。

6　结语

针对生物化学实验内容教学中存在的问题,多渠道进行了改革。改革切实可行,基本实现了在有限的实验课时和经费许可范围内,实验教学内容得以极大地丰富、拓展与更新。运行几年来,收到了良好的教学效果。经课后调查反馈,学生对生物化学实验教学满意度很高。但受课时以及大型仪器数量等条件的限制,像双向电泳实验只适合于小班开设。进一步扩大学生的受益面,将在今后的实验教学中逐步解决。

References)

[1] 李登文,赵立青.提高基础生物化学实验课教学质量的实践和探索[J].实验室科学,2008,11(1):39-40.

[2] 吴明江,郑蔚红,廖智勇,等.寓基础于综合,改革生物化学实验教学内容体系[J].实验室研究与探索,2011,30(12):104-107.

[3] 闫国栋,程瑛琨,周毓麟,等.生物化学实验教学课程化体系与方法的改革探索[J].高校生物学教学研究,2015,5(1):41-46.

[4] 沈剑敏,田晓柱,冯虎元.优化生物化学实验教学内容的策略与实践[J].高校实验室工作研究,2015(1):9-11.

[5] 汤海峰,程瑛琨,孟令军,等.面向本科生开放大型仪器的实践[J].实验技术与管理,2015,32(11):269-272.

[6] 朱平川,岑卫健,李楠.大型仪器平台应用于本科教学实验的探索[J].实验科学与技术,2012,10(1):119-121.

[7] 黄海波,李凡.高校大型仪器教学改革的探讨:“扫描电子显微分析”精品课程的建设[J].实验室研究与探索,2011,30(11):317-320.

[8] 汤云晖,王波,李耳.大型仪器设备实验教学与本科生、研究生创新能力培养的探索实践[J].中国现代教育装备,2010(17):129-130.

[9] 刘永梅,张晋芬,戴维林,等.新形势下物理化学实验内容的设计与思考[J].中国大学教学,2014(10):88-91.

[10] 赵玉红,邓飞,张金红,等.高效液相色谱开放实验的探索与实践[J].实验技术与管理,2013,30(6):93-95.

[11] 潘涛,双卫兵,唐彦.四种DNA提取试剂盒提取效果的比较[J].实用医技杂志,2013,20(4):408-409.

[12] 张宝珠,赵玉红,李欣,等.“转氨基作用”实验方法的改进[J].实验室科学,2012,15(1):111-114.

Reforming biochemistry experimental teaching contents by fully using laboratory resources with multichannels

Zhao Yuhong1, Li Xin1, Cui Jianlin2, Zhou Hao1, Li Dengwen1, Zhang Jinhong1, Zhao Liqing1

(1. Biological Experimental Center,Nankai University,Tianjin 300071,China;2. College of Medicine,Nankai University,Tianjin 300071,China)

The biochemistry experiment plays an important role in cultivating students’ innovative consciousness and practical ability as one of the most important basic experimental courses of biology.But with the birth of new technologies and methods,some problems of traditional experimental teaching contents arise. Reforms have been made by transforming curriculum resources from comprehensive and exploring experiments. This article introduces the latest research techniques and reform experiments by any opportunities. Good teaching effect has been achieved.

biochemistry; experimental teaching contents; multi-channel reform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.049

2016-03-02修改日期：2016-04-29

国家基础学科人才培养基金“条件建设项目”(J1310003)；南开大学2014年教学改革项目

赵玉红(1981—),女,山东青岛,硕士,实验师,从事生物化学和分子生物学实验教学工作

E-mail：zyh@mail.nankai.edu.cn

赵立青(1962—),女,云南洱源,博士,教授,从事蛋白质结构与功能研究以及基于蛋白质结构的工程应用.

E-mail：lqzhao@nankai.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2016)9-0186-04