多元教学模式在生物化学实验课程的探索与实践

程欲 张捷平 王鹤 吴世代

[摘 要]生物化学实验是生命科学领域重要的实践课程，以理论授课为基础的教学模式难以调动学生的积极性，难以激发学生的科学精神、创新能力和创造性思维。作者通过优化实验课程教学模式，在验证性实验教学中以关键问题为牵引，夯实学生的理论基础与技能基础，引导学生构建知识体系;在探究性实验教学中以自主探索为主线，激发学生的兴趣，调动学生主动思考的积极性，实现从理论到实验再到理论的良性循环;利用信息化平台良好的实时性和互动性，拓展知识，模拟实验过程，不断提升学生自主学习和分析研究的能力;同时科学优化实验课程评价标准，精准监测学生学习的过程及效果，及时提供合理建议。

[关键词]验证性实验;探究性实验;生物化学实验课程;实验教学模式

[中图分类号] G640 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）12-0098-03

生物化学是一门依托化学基本理论与技术研究生物体的综合性学科，是揭示生命活动的重要工具学科，也是生命科学的前沿科学，具有很强的实验性[1]。因此，生物化学课程教学应该重视将理论知识与动手实践相结合，引导学生利用现有基础理论在验证性实验中提高操作的准确性，从探究性实验中归纳总结理论知识，进一步提升分析问题和解决问题的能力，培养科研的思维与能力。

目前，我国生物化学实验教学主要采取以授课为基础（lecture-based learning，LBL）的教学模式[2]。实验课程前期由实验教辅人员准备实验材料及相关仪器，任课教师串讲实验内容，课内学生依照实验指导书上的既定步骤完成基本教学任务。全过程更多的是在重复示教的内容，学生没有切实参与到实验的准备与设计中，缺乏主动思考与探究，很难对操作实践有科学认识，更谈不上科研思维的形成。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》将学生的科学精神、创新能力和创造性思维等放在突出培养的地位[3]。因此，要优化实验课程中较为单一的LBL教学模式，体现以学生为主体的教育理念，提升学生参与实验实践的兴趣，针对不同实验类型采用不同的教学模式和方法[4-6]，以期收获更好的教学效果，并在完成实验课程具体大纲任务的同时，细化实验课考核机制的相关评定指标，使其更具可操作性[5-8]。

一、深化对验证性实验的掌握，打牢理论基础

开展验证性实验有助于加强学生对理论知识的深刻理解与重塑拓展，是实验性科学重要的人才培养环节。生物化学实验课程一般在大学二年级开设，此阶段的学生有一定基础理论知识积累，但实验技能相对较弱。作为后续专业课的理论与技术基础，实验课程教学需要循序渐进，以LBL教学模式作为基础，联系生物化学理论部分讲授的知识点，开设以扎实掌握实验基础技能、巩固理论体系为目的的验证性实验，通过授课教师的引导，使学生熟悉实验技术路线，锻炼基本实验技能与仪器操作规范，进而将学习重心逐步推进到利用所学理论知识分析实验结果。

比如“碱性磷酸酶Km值的测定”这一实验，需要学生从理论知识和实验操作两个层面做好充分准备才能够顺利完成实验：在理论知识层面，回顾“酶促反应动力学”相关知识（如米-曼方程、Km、林-贝作图法）、数据处理（如借助Excel工具）;在实验操作层面，学习并掌握微量加样器、移液管和分光光度计的使用等基本实验技能。通过引导学生回答“实验中底物液、血清、缓冲溶液、显色剂的作用是什么？反应实际体积是多少？”这一连串的问题，帮助学生认识实验基本原理和厘清实验整体设计思路，并适时地结合讨论“Km在酶促反应动力学中的意义是什么？测定值Km为何用吸光度A值代表酶促反应速率？”这样的问题来强化学生对理论知识的认识。学生实际动手能力的差异，使得实验呈现的原始数据各不相同，这也增加了实验数据的分析空间。验证性实验在成熟的反应体系及规定的反应条件下，其最终结果存在明确的参考范围（指标）。学生可以通过后期的数据分析，以结果反推实验过程，反思具体操作中的得失，查漏补缺，同时与其他同学横向比较多组实验数据，总结不同实验数据间的差异，挖掘实验深层规律。

验证性实验是以教师讲授关键问题为引导，梳理实验项目整体技术路线，讲解、示范具体实验操作技术，提示容易出错（忽略）的“关节点”;学生通过规范化的训练，系统地锻炼实验思维与技术，通过不断地练习和总结经验，将理论知识与实验相联系，从而构建自己的知识结构体系。

二、开放探究性实验，推动知识转化

經过多次验证性实验的训练，学生能够较为熟练地掌握基本操作技能，了解了实验思路的推进过程，形成了初步的实验思维，基本具备了将生物化学实验课程主导权从教师移交给学生的条件。课程后期（接近全程的2/3阶段），教师布置学生组建学习小组，安排开放性实验项目，提升学生的实验综合能力。学生需要通过小组协作完成查阅资料、拟定实验计划、设计项目技术路线、预约实验室及仪器设备、配置实验试剂、实施具体实验操作以及获取实验数据后进行处理分析等一系列具体的探究性实践操作。

现以“电泳法分离血清脂蛋白”这一实验项目为例加以说明。教师提前1个月将实验题目布置给学生，同时安排他们组建每组3～4人的实验小组并选定负责人。探究性实验需要学生自主查阅资料，包括不同生物来源的血清、电泳类型、基本原理、具体实施步骤等。具体实验方案拟订好后，学生与教师讨论其可行性，待方案较为成熟后方可开始推动实验的具体实施。教师提供不同生物材料的血清（如牛、羊、鼠、兔等），实验小组各选至少2种血清材料进行实验。电泳类型可选择醋酸纤维薄膜、聚丙烯酰胺、琼脂糖等类型。学生在预先掌握实验原理的基础上，可以联系实验教辅人员利用课余时间准备实验试剂，预约实验室及相关仪器设备。在确保实验安全的前提下，教师监督学生完成具体实验检测操作。不同类型的电泳对血清脂蛋白的分离效果存在差异，通常需要重复3～5次实验，才能得到较为满意的实验数据（图谱）。最后提交的实验报告，需要学生阐述完整的实验原理、操作步骤、分析实验数据（图谱）。通过前期准备，学生需要能够理解并解释实验现象所呈现的一系列相关问题，比如不同实验来源的血清的差异是什么？同种来源的血清在饱食与饥饿状态下分离的脂蛋白是否存在差异？怎样提高实验数据（图谱）的分辨率？哪些实验技术可以分离脂蛋白？

探究性实验的过程较为烦琐，尤其是多因素的影响会导致更多不确定性的出现;通过实验试剂的配制，学生的主动性得到提高;执行仪器与实验室的预约制度，有助于培养学生的科研规范意识;后期复杂的实验结果分析，拓展了学生理论知识的深度。这一系列实验实践，需要教师与学生共同投入大量的时间与精力。翻转了课程主导权，给学生留出操作空间，也使得学生通过实验体会更加深刻，能力提升更加显著。这样的教学有助于真正实现从理论到实验再到理论的良性循环，激发学生投入实验的热情，展现学生的科研思路与钻研精神。

三、依托信息化平台，拓展学用能力

随着学生的成长、进步，能力培养需要从培养基础实验技能转变为培养科研思维。然而，受限于基础实验条件的更新速率，我们需要借助现代虚拟仿真和微课实验教学来丰富、完善生物化学实验课程内容。加强信息化平台的有效应用，有利于拓展实验类型，节省实验耗材成本，使学生可以反复学习、操练。部分本科阶段较少接触的分子生物学实验，如“荧光定量PCR”“Sanger 双脱氧法测序”“蛋白质印迹（Western blotting）”等技术，部分实际开设的实验，如“碱性磷酸酶Km值的测定”“凝胶层析”“饱食与饥饿小鼠肝糖原的比较”等实验，都可以让学生通过信息化平台，利用碎片化时间，不受空间限制，多次模拟具体实验过程，最大限度地助力学生实现知识的内化。

实验技能的掌握是一个熟能生巧的过程。例如，微量加样器的使用需要从主体结构开始了解仪器的构成，量程的选择，取液、放液的手势，移液枪头的更换等过程。这些内容仅靠实验课前教师的讲解，学生是无法现场全盘消化吸收并付诸实践的。学生借助信息化平台开展预先学习，储备相关知识技能，可以将有限的课时高效率地应用于关键部分的学习。

实验结果的“可视化”方面，也是信息化平台的强项。现以“基因组DNA的提取与验证”这一实验为例加以说明。由于分子生物学实验过程存在“量少”“不可见”的特点，教师在讲授具体实验操作时，学生对于“DNA是否已经提取”“体系是否加样”“体系是否充分混匀”等问题难以把握，教师单凭描述很难将具体感受传递给学生。而虚拟实验的动画呈现形式，能够通过特定实验操作手法帮助教师很好地将“不可见”的物质展现出来。学生只要遵循操作规范，就能保证实验过程的准确性和结果的可预见性。

探究性实验对学生知识的需求量很大，信息检索的运用为学生迅速打开科研思路、确立具体的操作方案和分析实验困境提供了支持。同时，信息化平台还可以助力打破“课堂”的界限，让实验的思路随时随地得以实践和验证，让实验团队的沟通交流变得实时、顺畅。

四、优化实验评价方式，提升教学效果

课程评价是检验课程教学实施效果的有效手段，始终贯穿于实验教学的全过程。生物化学教学实践目的不同，成绩评定方式有所不同，评价构成占比也有所差异。其中验证性实验作为生物化学实验基础课程的主体，占课程总成绩的比例为60%，探究性实验作为有效提升能力的部分则占40%。

验证性实验阶段，以考查学生实验基础技能为主要任务，成绩以教师评定为准。主要从基础实验技术规范（如微量加样器、移液管、容量瓶、匀浆器等操作规范），实验仪器如分光光度计、电泳仪、离心机等，数据处理合理性，实验报告书写规范等方面进行评定。其具体评分标准如表1所示。

探究性实验阶段，以考查学生实验思路的完整性和分析能力为主要任务，成绩由教师与学生共同评定。教师评定部分主要从实验的设计、准备、操作、结果方面评定，其具体评分标准如表2所示。学生评定部分主要从实验参与度、实验结果贡献率、团队协作能力方面进行评定，其具体评分标准如表3所示。

五、结语

随着我国对教育教学投入的增加，学生实验实践类课程的早期介入，实验基础技能在实验教学实践中逐步前移至中学阶段、信息平台。这样的教育大背景将会弱化验证性实验培养基础实验技能的教学功能。因此，在后续的探索实践中我们会针对讲授的专业、实验教学的师生比例、基础实验室条件，适时地调整成绩评定权重，以适应科研能力培养的需求。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 付晓红，许志臻，闫小晶，等. 生物化学与分子生物学实验教学改革初探[J].中华医学教育探索杂志，2019（2）：131-134.

[2] 杨卫东，康飞，马温惠，等.整合LBL、PBL、CBL、TBL和RBL等多種教学方法进行核医学教学[J].标记免疫分析与临床，2019（10）：1775-1777，1791.

[3] 国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）[EB/OL].（2010-07-29）[2021-10-13].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A01/s7048/201007/t20100729_171904.html.

[4] 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（电子版），2015（1）：41-46.

[5] 谢青，杨广笑.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[J].实验技术与管理，2018（9）：211-213.

[6] 谢青，杨广笑.对探究性实验课建设的思考与实践：以生物化学实验课为例[J]. 高校生物学教学研究（电子版），2019（5）：45-47.

[7] 岳红，张淑芳，田小海.高校生物化学教学现状分析与改革创新研究[J].创新创业理论研究与实践，2019（19）：16-17.

[8] 周义发，孙琳，苏纪勇，等.生物化学综合实验课程改革探索[J]. 实验室研究与探索，2019（11）：191-196，208.

[责任编辑：庞丹丹]

[收稿时间]2021-11-01

[基金项目]福建中医药大学教育教学改革研究项目（XJJGY1904）。

[作者简介]程欲（1986-），女，福建福州人，硕士，讲师，研究方向：糖尿病抗氧化机制。