以慕课为基础在生物化学实验课程中引入情景设计式开放实验

卢彦，张冬梅，李俊，刘新建，汪水娟

(南京大学 生命科学学院，南京 210000)

生物化学实验课程是一门与生命科学相关的专业基础必修课。实验内容主要是针对生物功能分子，如核酸、蛋白质、多糖、维生素和酶，进行分离纯化、定性定量和活力测定等多维度的实验，同时该课程还涉及了生化研究中的常用仪器，如分光光度计、分析天平、电泳装置和层析装置等的操作。因此，生物化学实验综合了操作性、验证性和综合性等实验项目，通过实验训练，有助于学生通过掌握生化的主要方法与技术，进一步加深对书本理论知识的理解和记忆，同时通过反复操作样品试剂和仪器设备，形成肌肉记忆，提高协调性和动手能力。

在生物化学实验课程授课过程中，传统授课方法是由教师讲解过程，并演示实验关键步骤，再由学生完成实验。由于课时有限，往往教师的课堂演示无法充分展示实验进行的动态与状态。在早些年，考虑到这些问题，本教研室已经完成实验演示的课程录影工作，但是由于课堂放映时间有限，课后学生自学不及时，存储播放介质缺乏，同时实验项目与器材更新快，实验录影并没有起到预想的效果。

慕课(MOOC)，即大规模在线开放课程(Massive Open Online Course)，是指受教育者通过互联网获取免费学习资源，进行有效学习的一种开放网络课程集合。同时，慕课还汇集了课程视频、阅读材料、测试题及交流论坛等方面的功能。因此，慕课具有规模大、开放程度高、学习时间灵活和学习资源丰富等一系列特征，能够在一定程度上促进学生自主学习，并提升师生之间的交流与互动的效率[1]。基于此，我们在2018 年底上线了南京大学第一个实验操作型慕课——生物化学实验[2]，经过两年多的线上线下教学实践，我们总结了以相关慕课为基础的实验教学改革经验，即以情景设计式开放实验为特色的生化实验课程。

一 情景设计式与自由开放实验

“开放实验”是检验学生课堂学习效果的有效手段，通常会作为考试实验或生化高阶实验的一部分[3]。但是在“前慕课”时期，由于学时的压缩导致学生实验操作减少，无法独立展示实验设计，因此，通常只能给少数选修高级生化实验课程的学生开放。随着慕课的开放和小规模限制课程(SPOC)(学校专有课程)的线上线下同步化，学生可以先行学习大部分生化实验的原理和操作，充分了解生化实验室的现有装备，为设计开放实验奠定了坚实的基础。

基于此，我们首先进行了自由开放实验的教学改革尝试。在这个实验设计中，我们对学生的要求是在慕课演示的实验仪器和装备范围内，即给予学生充分的自由度，甚至还可以申请购买额外的试剂样品和申请使用科研仪仪器。在改革尝试中，学生和教师皆投入了大量的物力和精力，取得了良好的教学效果。学生通过开放实验，从原理和步骤设计，学会了按需求查阅文献，从结果分析实践了生物统计操作，尤其从失败中总结了大量的经验，进一步体会了生命科学研究的不易。学生自主设计的开放实验项目选取见表1。

由表1 可知，学生对于自由设计实验的态度决定了实验设计的优劣，大部分学生还是选择简单改变实验样本，而多维度分析，尤其是参数优化、条件选择等在自主选项中并不多见，但这些参数上的微调往往才是研究工作者日常面对的困境和难题。有少数学生的实验设计考虑全面，如“苹果酶促褐变的影响因素及酶促褐变对苹果营养价值的影响”，但在实验过程中，由于缺乏对实验整体耗费时间缺乏认识，往往复杂的实验最终无法完成的。

表1 自由开放实验项目选取

针对以上自由开放实验的缺陷，我们在不同生源中，根据学生基础、学科特点及学时规划，进一步改革和完善开放实验，引入情景设计，以期满足不同专业学生的学习要求。所谓情景设计，即以真实实验过程为基础，设计实验中的障碍、问题、缺陷和不足，引导学生设计实验，解决问题并进行实践。

二 情景设计式开放实验的实例

情景设计不仅明确了自主实验的目的，优化了实验实施过程，同时还调动了任课教师的参与性，鼓励学生针对性地查阅文献，加强师生互动。图1 为情景设计实验的基本流程。下面我们将以醋酸纤维薄膜电泳分离血清蛋白质为例，具体说明该开放实验的设计与完成过程。

醋酸纤维薄膜电泳由于操作简便、分辨力高和电泳时间短等优点，在很多方面被广泛应用。同时，醋酸纤维素薄膜电泳也被列为生物化学实验教学中的经典实验之一，在慕课中有详细的实验过程和讲解。其主要的实验目的为：①掌握血清蛋白质各组分的等电点、相对分子量和酸碱性等基本性质；②学习电泳分离蛋白质的基本操作；③了解如醋酸纤维薄膜等薄膜电泳介质的属性，同时和其他蛋白质电泳方法进行比较。该实验的过程紧凑、结果明确且完成度较好，但是从以往的实验过程中也发现了很多主观和客观问题，笔者从图1 方法中收集到一些典型的情景，例如，①实验中使用的缓冲溶液-巴比妥/巴比妥钠缓冲液(pH=8.6，离子强度0.06 mol/L)，属于麻醉类药品，普通渠道无法采购获得，而且在本实验中用量较大存在安全隐患。②用于替换的磷酸、硼酸缓冲溶液分离度差，电泳条带模糊。③人血清为生物管制类制品，涉及医学伦理和传染源性危害，较难获得。④醋酸纤维薄膜因市场需求不足导致工厂停产。笔者将这些问题呈现给学生，并要求学生结合实际实验结果，拟定针对且不仅限于以上4 点的情景进行实验重设计或优化设计。从上交的实验设计中，发现学生们还提出了其他问题。如，点样量的控制、电泳条件优化和计算机处理分析等各种实验遇到的瓶颈，并给出了相应的解决方案，如图2 所示。

图1 情景设计式开放实验的基本流程

图2 学生拟定的解决方案

汇总以上开放实验的结果，得到了如下结论。

1)pH 为8.6 的磷酸缓冲液与硼酸缓冲液的分离效果相当，都可以用以取代原巴比妥缓冲液。

2)文献中采取的订书机或滤纸点样法不可行，效果差。

3)如图3(a)所示，鸡蛋清液离心后取上清，采用一定比例的鸡清和水混合作为血清的替代品，电泳实验可行，且电泳效果优于血清。

4)由于电泳条带不清晰，硝酸纤维薄膜不适合在本体系里使用，其原因可能是介质的电荷影响。

5)如图3(b)所示，牛血清不适合替代人血清，因此电泳条带较少，且区分度差，可能是由于牛血清中含非蛋白杂质较多影响电泳，此外本实验采用的牛血清经过了细胞无害化处理，也可能导致电泳后呈现的蛋白质条带较少。

6)牛奶中粗提取的酪蛋白不适合作为蛋白质电泳上样，主要是酪蛋白不易溶解于水，如图3(c)所示，用碱性溶液助溶，则酪蛋白易发生水解，产生大量碎片肽链，电泳条带不可见。

从实验整体情况分析，约有一半实验组没有得到与实验预设一致的结果，大部分的学生能在结果不理想的时候积极调整实验设计，进一步优化实验步骤。但也有少部分学生不能很好地理解开放实验的容错性，对结果表示沮丧，担忧实验“不成功”带来的负面影响。此时需要任课老师积极介入，如解释“阴性”结果也是一种结论。并鼓励他们在课后，通过结合来自各方的信息，如文献、平行实验组等，分析实验数据，在得到确实的结论后，从横向和纵向展开有效的讨论，给出合理化的建议。以上实验过程经过充分的组间交流和工作汇报，不仅丰富了学生的实验“实战训练”，同时也为今后的教学工作提供了优化改进的线索。

例如，“牛奶中提取和纯化酪蛋白”是生化实验课程中的一次基础实验，完成该实验后，部分学生对自己提取的酪蛋白产物是否能作为目标蛋白产生了兴趣，于是积极设计了相关实验。由于前期缺乏对酪蛋白的基本物化性质的考察，在实验过程中无法得到足够的酪蛋白溶液，因此预实验没有电泳(染色)成功。于是在二次实验时，该组同学补充了其他溶解性较好的商品化蛋白质，如牛血红蛋白和牛血清白蛋白作为平行参照(图3(c))。虽然没有获得设想中的单一条带，但是学生们在实验报告中加入了积极的讨论和思考，摘抄如下“①在清水(约50 mL)中所取酪蛋白(约2 g)不易溶解，溶解度过低从而导致在溶液中酪蛋白含量过少，导致酪蛋白电泳效果不好。加碱溶液后溶解度会变高，但此次实验所加碱溶液浓度和量(0.16 g NaOH 溶于10 mL 去离子水)较少，效果提升不明显，最终酪蛋白溶液浓度仍然很低，所以酪蛋白的电泳结果是空白，几乎没有酪蛋白存在。②点样过多，醋酸纤维薄膜上牛血红蛋白和牛血清白蛋白的量过多，从而使电泳条带很宽。③在配置蛋白质溶液时，没有精确称量蛋白质固体质量和蒸馏水的体积，导致对蛋白质溶液浓度没有定量，浓度或高或低，电泳结果十分不理想。④根据文献、牛血红蛋白等电点高于牛血清白蛋白，牛血红蛋白所带电荷少于牛血清白蛋白，因此在实验结果中可以明显看到，在相同电泳条件下，牛血清白蛋白的条带扩散范围更广，而牛血红蛋白的条带则相对集中。该差异也有可能是因为初始点样时两种蛋白的量不同而造成的。(19 级医学院李粤)”

图3 醋酸纤维薄膜实验情景设计实验结果摘选

目前在生物化学实验课程开放实验中我们设计了两种情景，除上述的醋酸薄膜纤维电泳实验以外，我们还提供了“牛奶中酪蛋白提取”的实验框架，具体提供了以下常见实验情景，如提取实验中蛋白质在等电点时不沉淀，抽滤时无法抽干，粗提成品发黄和酪蛋白成品粘度高等。

三 情景设计式开放实验的效果

在2018—2020 学年中，我们对350 名参加开放实验的同学进行了无记名的问卷调查。结果显示，有大部分的学生(85.7%)用于准备开放实验设计的时间在3～5个小时，而有预习常规实验习惯的同学仅有8.29%，说明开放实验加强了学生自主学习的动力。同时，100%的学生都表示在设计实验时需要不断查阅资料，小组讨论，进行改进，说明了该实验促进了学生自我提高的意识。有71.4%的学生认自主实验设计作为考核手段，新颖、全面且难度不大。有90.0%学生认为，情景式自主实验选题难度中等，可以边学边提高，当然也有10%的学生认为选题比较难，需要花费一定精力，该调查结果与我们的预期基本一致。考虑到时间耗费因素，我们鼓励组队完成有一定复杂度的实验设计。以上调查结果显示，实验改革探索初显成效，值得推广。

四 情景设计式开放实验的经验与反思

情景设计式开放实验既可以增加传统实验课程刻板、教条的印象，又可以弥补自由开放实验的线索过多，角度过宽的缺点。但是该实验要求课外补充资料的质量和信息量到达一定的基数，另外对任课教师相关经验的要求较高。对于前一点，我们以慕课做为支持，除了有详细的实验原理、完整的实验步骤，还有进一步的结果讨论和分析，甚至有实验常见问题分析，这都是可以作为引导型设计实验的线索。同时我们还可以在慕课的网页讨论中增加相应的情景式设问，调动学生积极反思。不可否认，不同学习基础和态度决定了开放性实验设计和成果的展现，少部分学生积极性高，愿意与教师互动，愿意多付出时间与行动，展现出了优质、甚至更出人意料的原创设计。但大部分的学生囿于各种既定思维，无法完成全面深度思考，设计的实验浮于表面、流于形式，更有甚者只做简单的抄袭。对于这些有问题的实验设计，最好的解决方式是采用多轮提交和修改：开学初期布置任务—中期收取protocol—临期修改及公开讨论—最终版，在往复修回过程中，需要任课教师积极参与，形成良好的讨论氛围，利用微信、QQ 或各种教学即时沟通软件是重要且有效的手段之一。同时，建立研究小组或团队，进行公开的演讲和讨论，也是优化实验设计的必要的辅助手段。此外，高年级或研究生教学助理对于开放实验的顺利开展起到了关键作用，同时也加强教学助理应对各种实验突发情况的处理能力。

五 结束语

高等教育应该引导学生开放性的思考，而不是一味地寻找正确答案。从实践出发，逐渐让学生认识到高阶的研究工作通常没有现成的标准答案，只有“因地制宜”式的更好选择。指导学生于细微中发现问题，溯本追源，进一步设计方案解决问题，是深化实验教学改革的重要方向。同时培养学生直面问题，并锻炼脱逃于研究困境的能力，也是塑造当今社会创新型人才的关键。