项目教学法在生物仪器分析类实验课程中的实践

赵伟睿 胡升 杨丽 梅乐和

［摘 要］ 传统仪器分析类实验课程通常采用单一仪器的验证性或观摩性实验。这种教学模式的内容简单且固化，缺乏对学生实验方案设计，综合分析和解决问题等高阶能力和创新思维的培养；再加之大型分析仪器数量之多和教学时间的限制，实验教学效果往往难求实效。为了克服传统《生物化学仪器分析及检测技术》教学模式不足，作者以生物工程领域常见问题分析为背景；通过建立涉及多种分析仪器且适合本科生的探索性实验项目；采用基于项目导向的教学法来开展实验教学。教学实践表明，基于项目导向的实验教学方法可以有效提升教学效果。该教学模式不仅可以促进学生对理论知识的理解；而且有助于培养学生的科学思维能力和综合实验能力。

［关键词］ 生物化学仪器分析及检测技术；项目导向；实验教学；教学改革

［基金项目］2019年度浙大宁波理工学院校级教改项目“OBE理念下‘PBL教学法在《生物化学仪器分析及检测技术》教学中的实践与探索”（NITJG-201939）；2019年度浙大宁波理工学院校级教改项目“生物工程专业学生创新实践能力培养体系建设与完善”（NITJG-201918）；2022年度浙大宁波理工学院专业综合教改项目“以学生发展为中心的生物工程专业基础课教学创新与实践”；2021年度浙大宁波理工学院专业综合教改项目“面向‘高质量应用型创新人才培养的教学改革与成果培育”

［作者简介］ 赵伟睿（1983—），男，甘肃兰州人，博士，浙大宁波理工学院生物与化学工程学院讲师，主要从事生物工程研究。

［中图分类号］ G642.0［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-11-03

“生物化学仪器分析及检测技术”是生物工程类专业的一门重要专业课程，是从事现代生命科学领域研发，生产和管理工作的必要知识储备［1］。该课程主要讲授现代生物化学分析仪器的原理、结构、用途和测试方法［2-3］，注重对分析方法的选择和设计以及对测试结果科学意义的阐释。该课程是一门理论与实践紧密结合的课程，教学环节分为理论教学和实验教学两部分。其中实验教学作为理论教学的延伸，对于学生理论联系实际能力和综合实践能力培养起着至关重要的作用；也是应用型和创新型人才培养不可或缺的重要环节［4-6］。

然而传统仪器分析实验课程通常采用“单一分析仪器的验证性或观摩性实验”［7-9］进行教学，在教学过程中通过教师先讲授分析仪器的原理和结构、实验要求、实验步骤和演示实验，随后学生按照实验讲义完成实验并进行实验报告的撰写。这种教学模式的实验内容固化而且相对简单，仅能简单地训练学生的基本操作技能，缺乏对学生自主学习能力、实验方案设计能力、综合分析能力和解决问题能力等高阶能力和创新思维的训练；同时由于分析仪器设备普遍价格较高且数量有限；加之课堂时间有限，而供学生进行实验操作的资源和时间普遍不足，因此教学效果往往难求实效。

新一轮科技和产业革命的形成与发展对创新型人才培养提出了更高要求［10］。为了更好适应时代发展对人才培养的需求，做到以学生学习效果和发展为核心，课程团队针对传统“生物化学仪器分析和检测技术”实验教学中面临的问题，对教学模式和方法进行了改革，采用综合探究式项目教学法来重构课程实验教学体系（图1）；同时在项目实施过程中，采用灵活的教学时间，通过小组预约和老师协调的方式，在有限的仪器资源条件下，确保学生有充足的仪器资源和时间进行实验操作，从而保证教学效果，让学生在掌握分析仪器基本使用方法的基础上，锻炼实验方案制定、分析和解决问题等高阶能力。

一、基于探究项目式实验教学体系

课程组采用的实验教学体系和实施方式具体如图1所示。具体为：（1）实验项目构建。以生命科学和工程常见分析问题为背景，建立涉及多种分析仪器联用且适合本科生的实践型综合性项目：如大肠杆菌绿色荧光蛋白表达情况分析、松针中总黄酮和花旗松素含量的测定、细菌谷氨酸脱羧酶基因表达情况分析等；（2）学生团队组建。组建每组不超过4名学生的项目团队以保证每名学生在实验过程中得到充分的学习资源；（3）学生制定实验方案。在老师发布项目任务和介绍项目背景后，学生团队需要针对项目任务进行协同调研、分析和讨论、设计出初步实验方案，之后与教师讨论并对方案进行修正，明确分析测定指标所需使用的分析仪器和实验方法；（4）学习仪器使用方法。确定最终实验方案后，学生可以通过线上视频观看以及在线下教师指导实践操作的方式来学习分析仪器的使用方法和注意事项；（5）项目实施。学生在学会使用分析仪器的基础上，根据制定的方案开展实验，鼓励学生利用所学知识解决实验中遇到的问题，教师在过程中起引导和辅助作用；（6）实验结果分析。学生自主处理和分析数据并撰写规范的实验报告；（7）项目总结。教师对实验过程和报告进行评价并和学生一起找出项目实施和数据分析存在的问题，进而使学生进行总结和改进。

二、探究项目式实验项目教学案例

下面以教学体系中“大肠杆菌绿色荧光蛋白表达情况分析”的实验项目为例对教学设计和实施进行做简要介绍。

1.教学设计：绿色荧光蛋白（GFP）在现代生物科学和工程研究中有重要的应用价值：如蛋白定位、启动子活性、蛋白表达情况和蛋白相互作用研究，对其荧光强度进行分析也是现代生命科学与工程常见问题。GFP在蓝色波长范围的光激发下可发出肉眼可见的绿色荧光，这有利于激发学生的实验热情、提高学生学习的兴趣和实验体验感。因此在光谱学实验中，课程组设计了测定重组绿色荧光蛋白在大肠杆菌中表达情况的微课题。学生需要通过建立蛋白质含量标准曲线、GFP荧光强度与其蛋白含量标准曲线来完成对GFP标准品的浓度测定。菌体破胞液中总蛋白含量和GFP含量定量后，才能最终得出重组GFP在大肠杆菌破胞液中总蛋白所占的比例，并与SDS-PAGE电泳结果进行比对分析。整个实验项目涉及紫外-可见分光光度计、荧光分光光度法、酶标仪等多个分析仪器的使用。学生需要对测定数据进行分析、做图、评价实验结果的合理性；学生需要明确整个实验环节每一步实验操作的目的和意义，才能建立起清晰的整体实验逻辑关系进而较好的完成实验，此实验对于中低年級的本科生具有较高的挑战度。

2.教学实施：教师首先通过动画视频向学生介绍GFP的发现历史和应用价值，再向学生介绍实验背景和目标和基本的研究思路。学生以小组为单位，通过查阅和分析文献，明确如何测定菌体胞内总蛋白和GFP蛋白含量，GFP标准品蛋白浓度等问题。在此基础上制定出具体实验流程和方法及所需分析仪器的初步研究方案。在和教师对方案进行讨论，修正和完善后，通过线上和线下结合的方式学习紫外-可见分光光度计、荧光分光光度计和酶标仪的使用方法。学生同时需要了解实验室安全规章制度。上述准备工作完成后，学生与教师约定实验时间并自主开展实验；完成实验后及时与老师一起分析获得实验数据是否合理。实验过程中学生会遇到许多问题：例如GFP标准蛋白如何有效稀释；如何确定合理的标准曲线范围；荧光强度数据线性回归效果不佳；仪器为什么没显示数据等问题。教师要与学生一起分析问题原因，采用引导的方式让学生提出解决方案，从而充分锻炼学生的分析和解决问题能力。实验结束后，学生对实验数据进行处理与分析，撰写实验报告，然后教师对实验过程和报告进行评价和总结。完成整个实验后，教师指导学生利用剩余的GFP蛋白进行作画，并让学生在蓝光切胶仪下进行拍摄，在加强学生对GFP蛋白光致发光理解的基础上，增加实验的趣味性和学生的体验感。

三、基于探究项目式实验教学效果

通过4轮教学实验与传统验证性实验相比，基于探究项目式实验教学更有助于学生深度学习；更有助于学生高价能力的培养和教学效果的提升，这主要表现在以下几个方面。

1.改变了学生照着实验讲义按部就班的学习观念。在实验过程中，学生需要在教师讲解实验思路的基础上，通过查阅文献对实验方案和步骤进行制定和优化。这有效促进了学生主动对实验过程思考和理解，培养了学生的自主学习能力、分析和解决问题的能力。

2.实验项目具有较强的综合性。学生不仅需要掌握多种分析仪器的使用和一系列基本实验操作，而且需要对实验整体思路和方案，以及多门课程理论知识有较好的理解和贯通才能有效完成实验任务，促进了学生综合实验思维和能力的培养。

3.采用开放式教学。开放式教学突破了时间与空间的限制，为学生提供宽松的环境和更多实验学习时间，加强了学生对实验知识和技能的掌握。很多组学生在实验未能获得理想结果情况下，通过分析和总结主动与教师约定重新实验时间，表现出良好求知欲。

4.有助于激发学生的学习动力。当学生发现自己成功地理解整体实验并通过自己的知识和信息来分析解决问题时，展现了明显的成就感，这进一步提升了学生的学习动力和兴趣。

5.促进了师生之间的交流；促进了师生关系的和谐；构建了教学相长的氛围，培养了学生团队合作意识。

很多毕业学生的反馈印证了该实验教学模式对于提高学生综合实践能力的有效性。他们普遍认为该教学模式对其后期课程学习，研究生入学复试和在高校、企业中从事研发工作的起步阶段有重大帮助。

结语

实验教學改革和教学质量的提升，对大学生动手能力、创新能力和综合素质的培养有重要作用。“生物化学仪器分析及检测技术”实验教学改革表明，基于探索项目导向的实验教学方法可以有效提升高校生物化学仪器分析类课程的教学效果，具有良好的推广价值。该实验教学模式不仅加强学生对于分析仪器使用和相应实验技术的掌握；而且可以有效加深学生对于理论课的理解；还有助于训练学生的科学思维和综合实验能力。因此，进一步探索和优化基于实践项目导向的实验教学方法对于提升和完善高校的实验教学具有重要意义。

参考文献

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Abstract： The traditional instrument analysis courses usually adopted “single instrument verification or observation experiments”， which were simple and solidified， and lacked the cultivation of students innovative thinking and advanced abilities， such as designing experiment， and analyzing and solving problems. In order to overcome the shortcomings of the traditional teaching model， we adopted inquiry project-oriented teaching method to improving the experimental teaching effect. The experiments used in our inquiry project-oriented teaching were designed based on the background of common analytical problems in the field of bioengineering， which involving a variety of analytical instruments and suitable for undergraduates to study. The teaching practice showed that the project-based experimental teaching method could effectively improve the teaching effect， and the teaching mode could not only promote students understanding of theoretical knowledge effectively， but also help students to develop scientific thinking and comprehensive experimental ability.

Key words： Biochemistry instrument analysis and detection technology; project-oriented principle; experiment teaching; teaching reform