基于创新应用能力培养的生物化学实验改革研究

2023-10-31姜山峰王军高源党凯牛卫宁

创新创业理论研究与实践 2023年17期

姜山峰，王军，高源，党凯，牛卫宁

（西北工业大学生命学院，陕西西安 710072）

生物化学实验是研究生物分子、生物过程和生物机能的重要途径之一，在医学、生物技术、生物制药、农业等领域有着广泛的应用。随着技术的进步，生物化学实验逐渐发展成为一门综合性学科，包括分子生物学、蛋白质化学、酶学、代谢途径等多个方向。现代生物化学实验技术包括基因克隆、蛋白质纯化、蛋白质结构分析、代谢途径研究、细胞信号传导研究等，这些技术在疾病诊断、药物研发、食品安全等领域的应用也越来越广泛。未来，生物化学实验技术将继续发展，为人们解决更多生物学和医学上的难题提供更好的支持[1-4]。

因此，生物化学实验教学在生物学科教学中有着不可替代的作用。生物化学实验教学一方面能够帮助学生理解生命现象的本质，学生通过实验可以亲手操作，感受生物化学反应的过程和结果，从而更深入地理解生物化学概念；另一方面能够培养学生实验操作能力和科学思维，使学生掌握实验流程和实验技术，提高实验技能和实验设计能力，了解科学的本质和科学研究的方法。然而，传统实验教学通常是按照固定的实验流程和实验内容进行的，已经不能满足新工科建设要求，因此，开展综合性、创新性的实验教学改革势在必行[5-7]。

1 传统生物化学实验教学存在的主要问题

1.1 实验内容缺乏层次化

传统生物化学实验教学要以实验室实践为主，一般只进行一些基础的实验操作，如DNA 提取、蛋白质分离和酶活性检测等，而且各个实验之间相互独立，整个课程体系缺乏连贯性，学生不能形成良好的整体认知。特别是实验结果以验证性为主，枯燥乏味，缺乏科学研究的探索性，难以对学生形成吸引力。这种实验教学内容往往是基于教师的教学经验和教材的范围进行选择的，存在一定的单一性和重复性，缺乏多样性和新颖性，往往不能满足学生的学习需求，也无法激发学生的学习兴趣和动力，不能很好地满足学生个性化学习的需求，影响其知识和技能的掌握。而且，传统生物化学实验教学所使用的实验仪器设备大多为老旧的设备，无法满足现代生物化学实验的需求。在这种情况下，学生难以了解现代生物化学实验的实际操作过程和技术要求，难以掌握前沿的实验技能和应用能力。

1.2 教学组织形式单一

在传统生物化学实验教学中，教学组织形式仅限于课堂教学，所有实验要在规定时间内完成讲、学、练、做，这与科研生产中的实际情况不符。在课堂教学中，教师通过讲授理论知识、举例分析和课堂讨论等方式，向学生介绍生物化学实验的基本原理和实验步骤，学生通过实际操作、观察和记录实验数据等方式培养实验技能。这种组织形式使得教学内容多以基础理论和实验操作为主，缺少对实验应用和实践操作的引导和训练。在这种情况下，学生难以将所学的实验知识运用到实际生产和科研中，难以形成实际操作能力和创新能力。

1.3 学生参与度不足

现代生物化学实验教学中引入了多种多样的新型教学技术，通过采用多种教学形式与手段，如图片、实例、视频等方式，让学生更加直观和深刻地理解生物化学知识，但是，教师仍然是课堂教学的主导者，学生的主动性未得到充分调动。教学过程缺乏师生之间的互动，学生在实验教学中往往处于被动接受知识的状态，无法真正掌握实验技能和理论知识，更难以发挥创造力和实践能力。实验教学要尽可能激发学生的兴趣，使他们能够积极参与实验，通过引导学生进行思考，让学生主动提出一些问题，积极探索，预测实验结果，培养学生发现问题和解决问题的思维能力。

1.4 实验教学效果难以评估

传统的生物化学实验教学存在难以评估的问题，一方面，教学设计存在缺陷，学生被要求完成一系列操作，很少有机会思考实验背后的科学原理和意义，只对知识进行片段性学习和记忆。这种教学方式难以有效评估学生对实验原理的理解和掌握程度，而且许多传统生物化学实验教学缺乏针对性，无法直接评估学生的能力水平。例如，有些实验一次性完成，难以验证学生掌握的科学知识和技能。另一方面，传统生物化学实验教学主要是通过实验报告和实验成绩等形式来评估学生的实验能力和实验水平，教学效果往往过于依赖实验结果的成功与否，无法全面评价其实验能力和创新能力，导致评估结果不够准确和全面。此外，评估结果未能及时反馈给学生，导致学生不了解自己的实验能力和实验水平，未及时作出调整，重复出现同样的错误。

2 综合性和创新性实验教学改革

2.1 将基础性实验操作融入综合性和创新性实验

生物化学实验作为研究生命科学领域的重要技术之一，是生物学的基础课程之一。将基础性实验操作融入综合性和创新性实验，是生物化学实验的一种新型教学模式，它改变了传统的实验教学模式，把各学科之间的知识有机结合起来，通过实验让学生在实践中掌握综合性和创新性的生物化学实验技能[8-9]。

综合性和创新性实验教学改革，是在原有实验教学内容的基础上向高阶性发展。生物化学实验的基础实验主要包括氨基酸和蛋白质的结构与性质、酶的结构与功能、核酸的结构与功能、代谢产物的分析等内容。这些基础实验是生物化学实验的基石，不仅有助于学生巩固生物化学的基础知识，还能让学生在实践中掌握实验技能。综合性实验主要是将多个基础实验有机结合起来，通过综合实验来培养学生的实践操作能力、创新思维和解决实际问题的能力，如通过α-淀粉酶的分离纯化、鉴定和米氏常数测定实验，让学生系统地掌握酶活力测定、疏水层析和离子交换柱层析、聚丙烯稀酰胺凝胶电泳以及紫外分光光度法等技术。创新实验主要是通过开展一些具有新颖性和前沿性的实验，促进学生创新思维的发展，如通过基因克隆、蛋白表达、RNAi、基因组编辑等技术，探究细胞、生物体中的基因和代谢途径的分子机制，培养学生创新应用能力。

2.2 课题式和开放式的教学形式

在传统的生物化学实验教学中，教学组织形式受限于课时及实验室的使用情况，需在规定的时间内完成有限的教学任务，且只能在课堂开展教学。课题式和开放式的教学组织形式，能够有效优化实验教学，提高学生的实践能力[10-13]。课题式教学是一种以课题为组织形式，以学生为主体，强调探究和创新，促进学生全面发展的教学形式。在实验教学中，可以将实验内容设置为一个课题，由学生自主选择研究方向，完成实验内容，提高学生的自主性和主动性，增强学生的实践能力。同时，课题式教学可以使学生更好地学习知识，促进学生综合运用知识，培养学生创新能力。通过课题式教学，学生可以深入了解实验内容，强化对理论知识的理解和掌握，提高实验技能和实践能力，如设置饮食中营养素含量的测定实验，可以让学生通过测定不同食物中的营养素含量来了解饮食中的营养均衡问题，例如测定蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素等含量。

开放式教学是一种注重学生实践、体验、自主探究和自主学习的教育模式，强调的是学生的自主性和创新能力。在实验教学中，教师可以将实验课堂打造成为开放的学习环境，学生可以根据自己的兴趣和实际情况选择实验内容和实验操作方法，不仅提高学生的学习兴趣和参与度，还可以培养学生的自主学习能力和探究能力。在实验教学中，教师引入课题式和开放式教学，可以取长补短，优化实验教学，提高学生的实践能力和创新能力。教师通过设计并提供多个选题和由学生自主确定实验方案的方式，激发学生的学习兴趣和主动性。学生自主选择研究方向，根据实际情况选择实验内容和实验操作方法。在实验过程中，教师引导学生根据实验结论进行分析和总结，形成总结报告。课题式教学和开放式教学需要培养学生的自主性，教师主要作为指导者、辅助者，为学生提供必要的资源和支持，例如实验器材、文献资料、实验指导等。在实验环节结束后，教师可以对学生的总结报告进行指导，引导学生深入思考实验结果所表明的问题和意义，发掘实验内容的深层次含义。

将课题式教学和开放式教学两种教学形式应用到实验教学中，能够促进学生综合能力的提升，培养学生自主学习和创新的能力，使学生增加实践经验和提高实践能力，更好地掌握理论知识和实验技能。同时，实验教学的课题设置也需要结合学生的实际情况和实际要求，进行创新和变革，使实验教学更符合学生的需求。

此外，教师通过带学生到课题组观摩学习，帮助学生了解学科前沿知识和实践操作。教师通过将部分课题内容以竞赛的方式展开，激发学生的创新思维，使学生在实践中发挥想象力和创造力，锻炼学生交流、合作、互助的能力。

2.3 以学生为中心的教学方法

使用传统的教学方法，学生的参与度不足，不能充分发挥实验课程的优势。实验课程是激发学生兴趣、调动学生参与创新活动积极性的有效途径。生物化学实验教学内容与教学组织形式的改革需要通过以学生为主体的教学方法来实现教学预期目标。以学生为中心的教学方法是以学生的需求和兴趣为出发点进行教学设计，让学生成为学习的主体，教师成为学习的引导者和帮助者。教师根据学生的兴趣、需求、能力方面的差异，设计和实施教学活动，以提高学生的学习效果和发展潜力。课程通过实验探究式教学法、问题驱动式教学法以及展示活动来提高学生在教学过程中的参与度，培养学生的应用创新能力。实验探究式教学法强调学生自主探究、感知与思考，通过设计生物化学实验，让学生在实践中探索实验结果，利用学生的求知欲来激发学生的主观能动性。问题驱动式教学法通过设问题，让学生自主查阅文献，开展小组讨论、实验观察等活动，进行交流，激发学生的问题意识，提高学生分析问题和解决问题的能力。展示活动则是通过展览、报告等形式，让学生充分展示自己的实验成果，让其他学生和教师能够更好地理解实验内容和思路。

2.4 以能力为导向的考评方式

课程的教学目标是学生能力的提升。单一的实验报告考评不能及时反馈学生学情，对于学生实验能力与科研思维提升的作用有限。建立考核与指导并重、实时向学生反馈的考评方式，能够更为有效地提升教学效果[14]。

在进行考评方式改革时，一方面，保留了实验报告的评价方式。实验报告作为评价实验教学的主要方法之一，不仅能够提高学生的写作能力，同时也对学生的实验操作能力、理解能力等方面进行评价。另一方面，制定综合评价体系，对学生的综合能力进行考评。教师针对不同的实验内容，可以设定不同的能力指标，如实验设计能力、实验操作能力、数据分析能力等。此外，在实验教学中，学生的参与度和合作能力也是非常重要的，应该注重评价学生的团队合作精神，提高学生综合思考和协作能力。通过制定能力达标的具体表现和相应的得分标准，教师在观察学生的实验操作、数据记录和分析的过程中，评估他们的能力表现，并按照考评标准给予相应的评分。根据考评结果，教师及时向学生反馈其能力表现和存在的不足之处，帮助他们提高实验能力。以能力为导向的实验教学考评方式，可以更加客观、公正地评价学生的实验能力，促进学生能力的全面提升。

3 教学效果

综合性和创新性的生物化学实验教学，对于生物学专业学生的专业素质和实践能力的培养具有重要作用。近年来，通过对生物化学实验教学进行综合性和创新性改革，其教学效果得到了显著提升，不仅体现在学生的实验成绩、教学满意度、目标完成度等教学指标上，更重要的是学生的创新应用能力得到了有效提升。

一方面，综合性和创新性实验教学模式的引入，使得生物化学实验教学更加贴近实际应用。在传统的实验教学中，学生只是进行简单的实验操作，难以体现生物化学实验的综合性和创新性。而在综合性和创新性实验教学中，通过引入不同学科领域的知识和实践技能，使学生能够更好地理解生物化学实验的相关概念和应用方法，学生的知识水平和实验技能得到提高，拓宽了学生的视野，提高了学生的综合素质。另一方面，创新性实验教学激发了学生的创新思维，提高了学生的实践能力。在实验过程中，学生需要自主设计实验方案，探索未知领域，从而培养了创新能力。这种创新能力的提高能够鼓励和帮助学生参加学科竞赛。近年来，西北工业大学生命学院学生在中国“互联网+”大学生创新创业大赛、国际遗传工程机器大赛中屡创佳绩，参赛人员的覆盖面也越来越广。