分级延伸教学模式在生化教学实验改革中的尝试

李 华，孙书洪，亓树艳，孔令洪，孔 宇

(西安交通大学 生命科学与技术学院，西安 710049)

0 引 言

生命科学是当今发展较为活跃的一门学科，同时也是一门实验性学科。人才培养时，不仅需要大量理论知识作为基础，同时也需要配合扎实的实验能力培养。我校生命学院生物工程专业一直十分重视实践教育环节，但在学分整体压缩的大背景下，实验教学环节也受到冲击，如生物化学实验课程学时由原有48学时调整为32学时。为不受课时变化的影响，同时深化理论课程中知识体系的理解以及帮助学生了解各种实验技术在实际场景中的应用，使学生充分感受到大学中所学知识的实用性和前瞻性,为此，提出了分级延伸教学模式理念，并在生物化学实验课程中进行了应用尝试[1-2]。

1 分级延伸教学模式理念

分级延伸教学模式是指将实验分为基础型专业实验、设计型综合开放实验和应用型生产实习3种类别，以基础型专业实验和设计型综合开放实验培养学生能力为主体，同时配合应用型生产实习过程中所遇实际问题的处理方法，将实验室学习到的知识应用于生产实际，使学生了解所学知识的实用性，进而形成以能力培养为主体，解决实际问题为导向的实验教学培养模式。

2 分级延伸教学模式在生化实验课程的实践

在整个生物学实验分级延伸教学模式中，以培养学生能力和创新思维为目的，进而构建整个实验教学体系。从3个具体方面，阐述分级延伸教学模式的理念[3]。

2.1 基础型专业实验内容优化

基础性专业实验内容需紧贴生物化学基础知识，按照整体知识章节可以分为糖类、脂肪、核酸、氨基酸、蛋白质、维生素、酶和酮体8个实验模块。由于实验课的总课时量为32学时，因此安排了5个必做实验，4个选作实验，每1年由学生或老师从选作实验中选取一个实验完成。基础专业实验内容的选择，使学生在一定程度上可以根据自己的兴趣选择实验内容。除了对整个实验安排进行优化外，同时为紧跟新实验技术迭代，特意对一些基础实验中具体方法进行及时更新，例如，在原先开设的生物化学实验中，氨基酸分离，依然使用的是纸层析分离方法，该分离方法存在耗时长、试剂毒性大(需使用正丁醇、氨水等有毒有害试剂)、层析斑点有时存在不清晰或拖尾等缺点，因此，结合现代色谱学技术，将目前常用分析方法——毛细管电泳分析法，引入氨基酸分离。实验中利用毛细管电泳仪-紫外检测器联用手段，以常见的4种氨基酸[组氨酸(His)，精氨酸(Arg)，半胱氨酸(Cys)，色氨酸(Trp)]为分离物，使学生能够快速、准确分离氨基酸混合物,结果见图1[4-6]。

图1 4种混合氨基酸在pH 7条件下的电泳分离图

(a)氨基酸混合样品(包含0.29 mmol/L His，1.14 mmol/L Arg，0.29 mmol/L Cys和0.14 mmol/L Trp);(b)半胱氨酸标品(4.0 mmol/L)；(c)组氨酸标品(1 mmol/L)；(d)色氨酸标品(0.5 mmol/L)；(e)精氨酸标品(4 mmol/L)。样品压力进样0.5 p.s.i×5.0 s，40.0 mmol/L磷酸缓冲液(pH 7)，分离电压20 kV，检测波长200 nm

在新的实验过程中，同学们根据理论学习到的氨基酸基础知识(不同氨基酸各自不同的等电点、分子量等信息)和毛细管的分离原理相结合，选择合适的缓冲溶液pH值，并且预测出4种氨基酸出峰顺序。随后结合分析化学知识，自己计算出两种磷酸盐缓冲溶液的混合比例，配制相应pH值的缓冲溶液，以用于实验的分离。最后将实验结果和自己预测4种氨基酸的分离情况进行比较。通过利用毛细管电泳分离检测氨基酸，不仅能够使学生更加深入理解氨基酸两性化合物的性质和毛细管电泳仪内部结构、工作原理，而且能够将书本上介绍仪器的基础知识和实际应用较好地结合在一起。

2.2 设计型综合开放实验对学生能力的提升

目前我校生物工程专业共开设4门设计型综合开放实验课程(共计192学时)。为与基础性生物化学专业实验课程相互促进，加强学生对已学知识的理解和应用，在分离综合开放实验中，设计了研究型、综合型实验题目。例如酪氨酸酶的提取、分离、纯化和活性测定、谷胱甘肽提取、检测、分离纯化和活性鉴定等实验，从而使学生能力得到全面提升，具体情况如下[7-11]。

(1)实验内容综合化与创新化。实验内容的综合化主要是指，在实验目的完成过程中，需要学生运用在基础型专业实验部分所学到的实验设计思路和实验方法，解决综合开放实验过程中遇到的困难和问题。重点在培养学生独立运用已学知识解决问题的能力。例如“酪氨酸酶的提取、分离、纯化和活性测定”综合实验中，涉及到生物化学中蛋白质、酶、核酸等生物大分子物质的特性，同时也综合了分析化学在分离检测方面的知识。实验内容创新化主要是指，在老师向学生公布实验题目后，学生3或4人为1个课题小组，每个小组自行查阅文献、设计实验方案。实验方案设计完成后，老师将对实验方案的可行性和合理性进行审核，审核通过后，学生将按实验方案开始实验。整个实验方案的确定，完全由学生查阅文献获得，因而经常会有一些新方法和新思路。这样不仅能够增加学生自主学习的兴趣和主动性，也能有效树立学生的自信心。

(2)实验过程自主化。综合开放实验一般安排在学期末或小学期，此时大部分考试已经完成，学生能够完全自主安排实验时间，完成实验。实验周期一般为2周，2周的实验时间内，教师或助教会在整个实验过程中对学生进行部分指导，指导内容仅包括一些仪器的使用方法、实验现象的提点、实验过程中重点注意事项等。具体解决问题的方法和思路均由学生自己完成。

(3)实验报告成果化。在基础型专业实验内容报告中，报告内容主要是对实验过程的简单复述、实验数据的罗列和教师布置思考题的解答。而设计型综合开放实验结束后，要求学生按照专业科研报告形式对实验进行分析，报告的主要内容包括实验方法、实验现象与结果、讨论和实验的改进4个方面。通过类似专业科研报告的撰写，使学生充分发挥自己的主观能动性，加强学生查阅文献或相关资料的能力。

(4)评价体系合理化。与基础型专业实验相比，设计型综合开放实验的评价体系要多两个方面的评价项目。除了实验过程表现和实验报告外，同时加入了实验设计和实验答辩两项。实验评价体系在实验开始前就会告知学生，实验结果固然重要，但对实验过程和结果的分析以及实验操作才是主要的评价重心。实验答辩的要求严格按照硕士生毕业答辩的要求规定，每个实验小组准备10 min答辩PPT，并且答辩分数由学生和教师给定的分数两部分组成。这样不仅可以避免教师单一评价体系的弊端，而且可以形成由教师、实验技术人员、助教和学生四维一体的评价模式。由多维评价方式所带来的大数据分析模式，使评价体系更加客观，并且能够真实反映学生在实验过程中能力的培养与提高。

2.3 实验教学与生产实习的闭环连接

实验教学是同学们将理论课程中学习到的知识应用到实际的第一次转化。但这次转化中涉及的问题复杂性较低，而且没有考虑在实际情况下处理问题的成本、效率等关键点。为了弥补在实验教学中出现的不足，特意按照实验教学基本内容分类，与对应的公司企业联系并带领学生前往公司企业完成生产实习，使学生能切身感受到，实验室所学方法在具体实际生活中是如何应用的[12-13]。例如在实验教学过程中，同学们学习过毛细管电泳、液相色谱、微生物检测等实验方法,因此，联系了陕西首家第三方检测机构——陕西科仪阳光检测有限公司，并特意安排学生进入公司的核心检测部门，让学生在实际中，再次学习液相色谱、气相色谱-质谱和微生物检测等的操作与应用。使学生意识到实际中遇到的问题和需要考虑的因素远比实验室中的复杂和细致得多[14-15]。这样的生产实习，不仅能够使学生因将实验室学习到的技能应用于实际而高兴，也能激发学生对实验和科研的热情和兴趣。

3 生物学实验分级延伸教学模式的成果与思考

生物实验分级延伸教学模式的开展，让学生从理论走向了实践，从实践走向了实际，对学生查阅文献的能力、实验动手能力、综合创新能力均有重要的意义。并且使教学质量和培养质量均得到很大的提升。自开展分级延伸教学模式2年以来，学生能够积极主动参加创新实验，并作为负责人共申请校级创新实验12余项，本科生参与发表SCI论文6篇。2年连续被学校评为“优秀专业生产实习队”，每年有大概27%的应届毕本科毕业生被保送或考入北京大学、清华大学、香港理工大学等国内一流高校的研究生。

生物学实验分级延伸教学模式的开展是为了加强学生的动手能力、自主解决问题的能力和创新能力。2年的运行过程中有收获，也发现一些问题，需要解决和完善。

3.1 基础型专业实验内容的更新与自主化

目前，基础型专业实验的准备工作，大部分还是由教学的实验老师负责配制，导致一些学生在设计性综合开放实验中，经常会出现溶液错配的简单错误。因此，基础型专业实验的试剂将改为主要由学生自己分组完成配制，教师或助教可从旁辅助完成。同时，随着日新月异的科技发展，有必要将最新的科学技术引入到基础型实验上，加大选做实验的比例，加快实验内容的更新速度，最大限度提高学生兴趣，激发学生对实验和科研的热情[16]。

3.2 实验室和教师队伍的建设

教学环节的成功，需要有一定的经费支持，以保证实验室的硬件能够不断地与时俱进。同时，进一步加强专业队伍的建设。鼓励和肯定实验技术人员在教学方面的付出和努力，加强对实验技术人员的培训、进修，有条件鼓励去国外机构考察学习，不断提高实践技术师资队伍的整体素质与水平。

4 结 语

生物学实验分级延伸教学理念的实施，已初步取得了一些良好的教学效果。该理念将本科生的课内实验与生产实习有机地整合在一起，从原来单一的、线性的教学，转变成为网状和面状的教学模式，从不同角度使学生动手能力、独立解决问题能力和创新能力均得到锻炼。今后将继续完善分级延伸教学理念，努力克服和解决存在的问题，使本科生的教学质量有更大的提高。