生命科学不同专业生物化学实验课教学改革的探索与实践

谢 青, 杨广笑

(华中科技大学 生命科学与技术学院, 湖北 武汉 430074)

我校生命科学与技术学院成立于1984年,由成立之初的生物医学工程和生物技术专业2个本科专业,发展到现在的生物医学工程、生物技术、生物信息、生物科学和生物制药5个本科专业,其中包括2个国家基地班,一个贝时璋菁英班和一个卓越工程师班[1]。生物化学实验课是生物科学及其相关学科的重要专业基础课之一[2-4],生物化学实验课是我院所有本科专业的必修平台课程。

我院的生物化学实验课教学主要面临以下几个问题需要解决：交叉专业较多,如生物医学工程、生物信息和生物制药专业,学生需要学习的课程较多,实验课课时严重不足；生物医学工程专业的学生数学和物理等相关学科课程要求较高,而化学及其相关课程的实验技能训练较少,学生化学实验技能比较薄弱,而生物科学与生物技术专业的学生化学知识与技能较强；学生对实验课的认识不足；有些专业缺乏合适的实验教材。多年来根据不同专业和学科特点,在按照教学大纲圆满完成生物化学实验课方面做了大量的探讨[5-8],总结出了一套行之有效的适合不同专业的生物化学实验教学模式。

1 调整教学大纲,根据专业不同安排实验学时与实验内容

生物化学实验课一般在二年级开设,此时的学生已经在大一阶段学习了无机化学、有机化学和分析化学的理论与实验课。由于专业不同,我院各专业生物化学实验课的课时也不尽相同。生物医学工程、生物制药专业和卓越工程师班的生物化学实验课只有24学时,安排在大二的上学期完成；而生物科学、生物技术等专业是48学时,安排在大二的整个学年完成。 大二第一学期的24学时,各专业都是学习生物化学方面的相关知识和实验技能,第二学期的24学时主要是学习生物技术的相关内容。大二第一学期的实验课主要是为了配合理论知识的学习理解,按照生物化学的教学内容来安排实验课内容。

为生物医学工程、生物制药专业和卓越工程师班安排的实验内容和顺序是“实验一,3,5二硝基水杨酸法测定还原糖和总糖” “实验二,Folin酚法测定血清蛋白质含量”“实验三,醋酸纤维薄膜电泳法分离血清蛋白质”“实验四,碱性磷酸酶米氏常数的测定”“实验五,真核生物基因组DNA的提取”“实验六,肝脏谷丙转氨酶活力测定”。每个实验为4学时。

生物技术等其他专业第一学期的实验一、实验二、实验三和实验六的内容同生物医学工程专业,但不做实验四,而是将实验五的内容延伸为“实验四,真核生物基因组DNA的提取、酶切和琼脂糖电泳”共8学时。这样,在第一学期的实验课中,生物化学所涵盖的糖类、氨基酸、蛋白质、核酸、酶等代谢内容都有涉及。生物技术等其他专业和基地班大二下学期还有24学时的生物化学实验课,实验内容分别为“实验六,碱性磷酸酶测定米氏常数,不同温度和pH值条件下碱性磷酸酶活性的测定”(8学时), “实验七,聚丙烯酰胺凝胶电泳技术分离蛋白质”(8学时),“实验八,柱层析技术分离氨基酸”(8学时),主要安排的是生物科学研究中常用的技术,打下坚实的专业基础。

2 合理安排实验顺序,改革教学方法

所有专业的生物化学的第一个实验都是“3,5二硝基水杨酸法测定还原糖和总糖”的实验内容,这样安排的目的，一方面可以和理论课教学在时间上相匹配,另一方面该实验的步骤都是最基本的生物化学实验技术, 有充分的时间可以使学生学习并掌握正确的实验操作。 像生物医学工程专业这样化学技术比较薄弱的学生,经过反复练习,实验技能普遍得到提高,为后续实验内容的顺利开展打下了很好的基础。在每个实验的讲解过程中注意以点带面,通过一个实验让学生对相关的实验内容都有所了解。例如第2个实验,安排Folin酚法测定血清蛋白质含量,在讲解过程中通过提问等方式让学生回答有几种测定蛋白的方式,每种实验方式的原理是什么,这样在一问一答中不仅复习了蛋白质结构方面的特点,而且和学生一起总结生物物质含量的测定有几种常用的方法。虽然只做了标准曲线法,但学生对外标法和内标法等方法也有了解。让学生通过一个有代表性的实验,掌握多种实验方法和实验设计。

3 根据专业不同有针对性地制作课件

针对每个实验内容都做了微课视频录像,这对实验教学很有帮助。按照专业不同,分别制作了不同的PPT课件。生物医学工程专业学生第一个实验“3,5二硝基水杨酸测定还原糖和总糖”实验的PPT中,特意比较详细地制作了有关分光光度计原理的机器内部构造的内容。还制作了微课视频和虚拟实验,让学生提前预习正确的实验操作方法,例如在真核生物基因组DNA的提取实验教学中,如果学生操作不对,容易造成基因组DNA的降解。视频的模拟可以让学生很直观地看到由于不正确操作所导致的结果,所以学生在自己的实验中就会很小心地来完成,即使由于操作不当,导致A260/A280大于了2.0,学生在实验报告中也会对实验结果做出正确的总结,并分析自己的失败是由哪几步的失误造成的。

4 将一些验证性的实验内容改成探究性实验

生物技术和生物科学等专业和基地班的“实验六,碱性磷酸酶测定米氏常数,不同温度和pH值条件下碱性磷酸酶活性的测定” 是一个验证性的实验内容,但在教学方式上进行改革,把这个实验作为探究性实验内容来完成。这个实验安排在大二的下学期,要求学生每4人一组,各小组提前学习了解“碱性磷酸酶的米氏常数”相关实验内容及药品的配制等实验步骤,然后分工协作共同来完成药品的配制。在实验中学生会发现由于每次购买的碱性磷酸酶的活性或含量的差异,做出来的结果是与X轴基本平行的一条直线,找不到与X轴方向的交点,这样通过作图法就求不出米氏常数。引导学生温习理论课学到的酶促反应的相关知识,从酶的活性、底物的量、反应是否完全等几个方面来考虑,并重新设计实验,经过多次修改实验加样参数,最终得出一条完美的曲线,然后再按照自己探究出来的最佳参数,完成不同温度和pH值等对酶促反应影响的实验内容。

5 因材施教,探索适合的教学方法和教学模式

生物化学实验课采取小班教学,每班学生人数不超过24名,这样就可以保证每个学生能够独立操作完成每个实验。 根据专业的不同,课前讲解的内容也不同,例如生物医学工程等专业的学生重点强调实验的原理和实验操作中的关键点和注意事项,对于生物技术等专业的学生,还要提出一些延伸性的问题,拓展学生的视野。对于那些对实验感兴趣的学生,安排他们做“小老师”,这项制度在我院已延续了十几年[9],培养了一大批优秀的生物科学后续人才,他们的专业知识和实验技能得到了国内外专家的认可。同时“小老师”辅助实验教学也是一个很好的教学方法,学生之间的互相指导和学习可以提高学生的学习兴趣,也可以拉近教师和学生的距离。

生物化学实验课的教材根据专业不同而不同,对于生物医学工程、生物制药和卓越工程师班用自编教材,而生物技术和生物科学等专业用出版教材,同时还给学生选定了一些参考书,以开阔学生的视野。

近几年我校实行“责任教授制度”,生物化学和分子生物学教学团队是第一批入选的教学团队[10],每年学校也有经费投入,提高了一线教师的待遇。

几十年来,在针对我院不同专业的生物化学实验教学改革的实践中积累了丰富的经验, 取得了一定的成绩,在湖北省大学生学生生物技能竞赛中连续2届学生的生物化学单项赛都取得了第一的成绩。每年都有一批优秀的本科毕业生进入国内外著名的科研院所读研深造。

我院实验教学工作还有待进一步的改进[11-12]。

(1) 进一步深化实验教学改革和课程建设。随着生命科学与技术的发展和教育理念的更新,将不断深化实验教学改革,进一步培养学生参与实验的兴趣,增加生物学和其他学科相交叉的实验内容，扩大设计性及创新性实验的比例,同时以选修课或二课的方式提供一些自选实验,培养学生的科学探索精神和创新能力。

(2) 加强教材建设。在不断实践的基础上修订现有的实验教材,重新编写新的适用于工科专业的生物学相关实验课教材,通过教材建设凝练与推广教学成果,提高人才培养的质量。

(3) 通过我院工科专业学生的生物学相关实验课教学实践,总结并摸索出一套比较完整的实验教学方法,将某些生物学及其实验课作为全校的公共平台课,面向全校其他工科专业的学生开放。同时通过各种培训和交流活动,积极推广实验教学经验和成果。