生物化学自主设计性和综合性实验改革初探

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  [摘 要] 生物化学实验改革针对课程特点和教学内容,分析和总结了传统实验教学的现状和存在问题,深入探讨如何解决这些问题,确定了新时代背景下生物化学实验课程教学内容、教学方式及考核方式的创新性改革模式。着重设计了自主设计性和综合性实验,通过实践教学案例的运行确立和完善了课程创新体系。教学实践表明:自主设计性和综合性实验模式,既培养学生自主学习的能力和兴趣,又可提高学生综合素质和创新能力,提升了该课程的教学质量,取得了显著成效,为生物化学实验教学的进一步深入改革提供参考。
  [关键词] 生化实验;教学方式;实验模式
  [基金项目] 2017年度内蒙古农业大学教育教学改革研究重点项目“生物化学自主综合性实验的改革”(JGZD201713)
  [作者简介] 刘 扬(1979—),男,内蒙古呼和浩特人,理学学士,内蒙古农业大学生命科学学院讲师,主要从事生物化学与分子生物学教学与研究。
  [中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324(2021)41-0101-04    [收稿日期] 2021-04-09
   一、引言
   “生物化学实验”是高等农业类院校生物类专业的必修基础课,在各专业的培养方案中,“生物化学实验”是开出最早的专业基础实验课,因此本实验课程教学内容、教学方式对后续课程的学习,学生个人创新能力、综合素质的培养和提高,具有重要意义。通过系统的训练,培养和提高学生实验操作能力、分析问题和解决问题的能力。随着我国素质教育、创新教育的推进和发展,高等院校培养学生的模式也在不断创新,同时各学科的快速发展对“生物化学实验”教学提出了更高的要求[1]。因此,如何有效利用实验教学,培养学生的综合实验能力、创新能力,促进各学科的协同发展,是生物化学教学工作者值得深入研究与探讨的重要课题[2]。
   二、“生物化学实验”教学现状及分析
   由于传统教学观念的影响,人们更关注理论课的教学,而实验教学的内容往往多侧重于加深和提高学生对基本理论知识的理解,而对学生个人实验能力与素质的培养方面则重视不够,导致存在一系列问题[3]。
   (一)传统生物化学实验项目和内容设置不合理
   目前,实验课程的内容包含了较多的与实验有关的理论知识和教师的讲解,验证性实验课内容安排过多,而综合性、设计性和研究性的实验内容则安排较少。近几十年来生物化学实验技术发展极快,部分实验已经过时,比如醋酸纤维素薄膜电泳技术,现在已经应用得很少。同时缺乏创新性,这在一定程度上限制了学生的自主思维和创新能力的培养,不利于学生对实验过程的理解。
   (二)传统生物化学实验教学模式和教学目标不合理
   目前,传统的生物化学实验教学模式主要由学生预习、教师讲解、学生操作、实验结果,实验报告五个环节构成。传统实验教学模式下,会有一部分学生仅以完成实验为目的,当教师讲解完实验后,学生就照着实验流程操作,然后得出结果并完成实验报告。这样的实验模式最终成了教师为主导,学生在教师的指导下一步一步完成实验。而部分学生未能认真思考和理解实验,甚至个别学生的疏忽,导致实验失败,很难自我分析查找出实验失败的真正原因。传统教学目标主要以培养实验技能为主,而对学生的综合能力、创新能力重视不够,教学目标未能与时俱进。新型造成这种现象的首要原因是,传统教学模式未能充分调动学生的积极性,未能从学生兴趣、自我学习和创新能力考虑,拓展性和创新性不够,导致学生的主动学习动力不足[4]。
   (三)传统生物化学实验考核不合理
   在实验教学中考核方式单一,学生对实验课缺乏足够重视,实验教学效果欠佳。其中传统考核模式主要包括实验报告和平时成绩。对于生化实验这种实践性非常强的课程,实验报告上各项内容,准确及时反馈和考查学生对实验的具体掌握情况。但通常实验报告成绩占比过高,这种重结果忽视实验过程的考核是不科学的。导致部分学生认为只要参加考勤、写好实验报告,即使不会实验操作,不掌握实验相关的知识,也能通过考核。这种考核方式,虽然可以降低教师的工作量,减轻学生的学习“负担”,但很难判断出学生是否真正掌握了生物化学实验的基本技能,实验教学效果不理想[5]。
   三、生物化學实验教学的改革思路
   有效的教学设计是提高教学效率和教学质量的支点[5]。为了能更好地发挥学生自主学习的能动性,最大限度地调动学生积极性的方式,就是改变现有的实验内容、实验模式以及考核方式。让学生能够积极主动地参与到实验中来的动力,就是根据当代大学生的特点,在原有的生化实验基础上,在有限的时间及条件下,增加自主设计性和综合性实验。
   (一)生物化学实验项目和内容的改革思路
   1.重视基础性实验,培养学生实验的基本功。生物化学实验为专业基础实验课,根据学生的实际情况可将基础实验项目设置为占比60%左右,其中基础实验的任务主要包括两方面:一是训练学生必须掌握基本实验操作,提高实验技能,二是通过实验现象与结果的观察与分析,帮助理解课堂上学习的理论知识,学会和提高实验报告的撰写、分析、讨论和总结实验的能力。
   2.大力提高自主创新、综合性和探究性实验的比例。针对培养应用人才和培养创新人才的需要,在原有基础性实验的基础上,通过重新设计,建立和完善“基础性实验—综合性实验—研究性实验”的多层次化、多模块化的实验体系。大力提高自主创新、综合性和探究性实验的比例,降低验证性实验的比例,增加综合性实验,根据具体情况,此类实验占比40%左右。着重于学生创新能力和综合能力的培养和训练,全面提高学生综合实验能力。
   3.实验内容的进一步扩展。在保证学习和掌握以离心技术、电泳技术、分光光度技术、层析技术等生物化学实验基本技术为前提,有针对性性选择包括天然生物活性大分子的活性测定,蛋白质的分离纯化和性质及测定等内容,使实验与专业培养方案更符合。内容要涵盖蛋白质、酶、核酸及糖类等方面内容,尽可能在同一个实验包含多种实验技术,使每个学生最大限度地接触这些实验技术,逐步提高学生个人的综合实验能力。    4.线上教学资源的开发。在实验课前一周,在校园网的网络教学平台上发布实验项目和内容,包括课件和教学视频,供学生浏览学习和下载。教学视频包括实验仪器的基本操作方法、实验原理讲解及实验步骤操作。在线上资源中不直接体现实验结果和现象,这样便于学生去探究实验,避免因为知道结果而不去认真完成实验。同时可增加一些与实验有关的拓展知识,便于学生扩展视野和知识面。
   (二)生物化学实验教学模式的改革
   1.改变现有生物化学实验的教学目标。不仅仅注重实验的操作和结果,更要注重实验过程中学生真正能够学习和掌握到什么知识,以及这些知识相关的拓展应用,还有学生如何学习和运用这些知识。要注重学生的自主学习能力的培养,积极调动学生的兴趣和学习能力,在整个实验过程中,以学生为主导,让学生逐步学会独立思考问题,如何分析问题和解决问题。而教师在这个过程中适当的辅助、指导学生完成实验。通过这样的学习能够使学生学习到更多的知识,同时能够训练和提高学生的综合性、创新性能力,让学生建立良好的、科学的逻辑思维,为以后的学习奠定良好的基础。因此,在传统教学模式的基础上,增加线上学习和实验操作相结合的混合型教学,将原来由教师实验课上讲解的内容可以放在线上由学生看教学视频自学完成。并在完成在线学习后又有相应的测试和作业需要完成,这样保证学生能够认真地完成线上内容学习,这样既节省时间提高效率,又能训练学生的自学能力,又可为实验内容的安排提供充足的时间保障。改变了原来的简单的预习报告,照抄一遍原理和操作,而更生动直接的了解和掌握实验内容。如果没有自学预习的过程,将无法完成实验,这样可以督促学生自主完成线上的学习,学生更积极主动地投入到实验中。教师在实验过程中主要进行适当的指导和学生讨论实验中出现的问题以及原因和解决办法。这样学生会更主动积极地与教师交流和互动,教师与学生之间的交流增多,使得师生关系很融洽,而教师在这个过程中就能够将所学的知识与实验联系在一起,并且可以引导学生将有关的所学知识进行拓展与延伸,逐步灌输如何科学规范地进行实验和科研,使学生学习的兴趣大大提升,从一点一滴中慢慢养成良好的实验习惯和思维方式。
   2.针对综合性、设计性实验,增加自主设计性实验的设计环节。此过程均在课下完成,具体实施方案包括教师通过提前布置任务、实验方案确定与讨论、实验操作、实验报告和实验自主总结环节。使学生积极主动参与实验的设计、操作及结果讨论中,使学生成为实验课的“编剧和主角”,而教师则是实验课的“导演”。
   3.生化实验考核改革。在考核模式上改变为多元化的考核模式,生化实验成绩主要由平时成绩、实验报告成绩和实验考试成绩构成。平时成绩可以根据学生的线上学习、操作等内容综合评定。实验报告评分依据来源于实验报告的书写规范、实验结果准确及真实程度、讨论及分析是否深入合理等,并且每部分内容都有严格的评分标准。在要求报告质量的要求前提下,同时适当降低实验报告在实验总成绩中的比重,做到“减分不减质量”。实验考试成绩包括笔试和操作考试两部分,笔试考查学生对基本原理掌握程度和对实验现象及结果分析能力,笔试通过建立试题库,利用手机端教学App,从题库中随机抽题,保证考试的公平公正。操作考试主要考查学生独立完成实验的能力。通过实验考核方式的改革,建立多元化实验考核体系,不仅注重实验结果的考核,更注重实验技能的掌握和实验过程的考核。
   四、生物化学自主设计性、综合性和研究性实验改革案例
   (一)实验设计及实施过程
   本案以3,5-硝基水杨酸法测还原糖实验为例来介绍,如何引导学生进行自主设计性、综合性实验。3,5-硝基水杨酸法测还原糖实验是传统生化实验,首先通过教师以小组为单位来布置任务,通过查阅资料查询原理及应用,并在这个实验基础上设计一个新的拓展性实验,这个过程中教师也积极参与进来,在适当时候给予学生一定的引导和指导并确定最终的实验方案。传统的3,5-硝基水杨酸法测还原糖实验是单纯的测定还原糖,是一个经典实验。但通过学生查阅资料发现这个方法可以在拓展为淀粉酶活性的测定,因为淀粉酶活力测定其中一种方法也为3,5-硝基水杨酸法,原理是通过测定麦芽糖的含量变化来计算得到酶的活力,与3,5-硝基水杨酸法测还原糖实验相近。因此部分学生在这个基础上将实验拓展为淀粉酶活性的测定实验,其中包括唾液淀粉酶活性的测定实验和小麦种子发芽前后淀粉酶活性的比较测定实验两部分。接下来在教师的引导下,结合课堂上所讲的生物化学酶促反应动力学内容和进一步的查阅文献资料,有些学生进一步拓展实验为研究性实验淀粉酶的抑制作用的探索性实验,尝试用不同的材料探究对淀粉酶的活性的抑制作用,并判断麦芽糖对淀粉酶的抑制类型,进一步增加了實验的广度和深度。
   虽然在整个实验设计和实施的过程中比较烦琐,但是通过学生自己的辛苦努力一点一点地查阅资料,和学生协同讨论方案,在这个过程中慢慢地开阔了学生的思维,增长了知识,提高了兴趣,通过这样的训练不断提高学生的积极性和自主性,又把学生的想法融入实验环节,使学生感觉到自己在主导和掌控着实验,根据自己的思路去设计实验,并完成实验。在这个过程中根据学生设计的实验不同,为了进一步锻炼学生的实验能力,前期材料准备及试剂配置等准备工作可让学生提前完成,学生利用课余时间来完成试剂的配制等工作,唤起学生对实验的热情和责任感,让学生全程参与实验,充分培养学生的动手能力,让学生认识到实验每个环节的重要性,避免出现眼高手低的情况。以往部分学生存在理论思维能力很强,但实验操作能力一般,导致实验结果不理想,现在从前期准备阶段就参与进来,锻炼了学生的动手能力。
   (二)多元考核模式
   考核模式除了包括传统的考勤、操作、实验报告等考核内容外,教师还可通过学生自主设计环节的表现、自主实验总结环节的讨论以及发言情况的情况,对学生进行多元化的评价。降低实验报告在实验总成绩中的比重,但更注重报告中实验的结果的分析、讨论及总结,并作为实验报告成绩评定的主要依据。相应提高实验过程中各教学环节的成绩。成绩评定体系既要客观地反映学生综合实践能力,又要与教学模式相对应才能充分发挥考试的导向作用,促进学生实验技能及综合素质的提高。    (三)课后学生反馈及教师总结
   教师还要针对实验过程中出现的问题和不足之处,与学生一起研讨,最终教师在课后对实验课中各环节进行深度总结,并对学生进行问卷调查以及通过多种手段交流,及时了解学生的想法和意见建议。根据学生对各方面的反馈,教师有针对性地完善各教学环节,取得非常显著的教学效果。
   生物化学实验是生命科学各专业的核心课程,针对本校各生物类专业的培养目标,通过探索和实践,以培养学生兴趣和能力为导向,将人才培养与科学研究相结合,改进了综合实验课的教学内容,着重设计了生物化学综合实验课程的内容,将生物化学实验课分为3个层次实施,即基础实验、综合实验和创新实验。在学习过程中通过教师的引导,学生的积极参与,经过两轮次的实践改革,学生对于生化实验课的学习兴趣显著提高,在实验设计讨论及自主总结讨论环节,学生积极主动参与讨论,教学效果和个人能力得到显著提高。改革了教学方式和方法,完善了考核方式和规则,加强了实验室的软硬件建设,并努力提高教师队伍的水平。通过对生物化学综合实验课程的改革,提升了该课程的教学质量,增强了学生的创新意识和研究能力,激发了教师对教学改革的热情,取得了显著的教学效果,并为后期更多的自主设计性实验的改革提供了很好的经验。
  参考文献
  [1]王继红,叶芳.医学院校生物化学与分子生物学实验教学改革[J].实验室研究与探索,2011,30(7):288-291.
  [2]李妍,罗军,张巍,等.基于创新型医学人才培养的生物化学实验教學改革[J].实验室研究与探索,2016,35(4):213-215.
  [3]刘平,龚祝南.关于生物化学实验课程教改的一点评议[J].教育教学论坛,2018(44):232-233.
  [4]李芸瑛.生物化学实验教学体系的改革与实践[J].农业与技术,2015,35(1):206-207.
  [5]向玉勇,汪美英,殷培峰.改革生物化学实验教学 培养学生的科研素质[J].黄山学院学报,2011(3):124-127.
  Preliminary Study on Self-designed and Comprehensive Experiment Reform of Biochemistry
  LIU Yang, WANG Gui-hua, YANG Qi
  (College of Life Sciences, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot, Inner Mongolia 010018, China)
   Abstract: According to the characteristics of the course and its teaching content, the teaching team of Biochemistry Experiment summarizes the current situation and existing problems of the traditional experiment teaching, and explores solutions to these problems. Meanwhile, the innovative reform model of the teaching content, teaching method and examination method of Biochemistry Experiment course under the background of the new era is determined. The team focuses on the design of self-designed and comprehensive experiments, establishes and improves the course innovation system through the operation of practical teaching cases. The teaching practice shows that the proposed reform of the self-designed and comprehensive experiment model not only cultivates students’ ability and interest in self-learning, but also enhances their comprehensive quality and innovation ability and improves the teaching effect of this course. It has achieved remarkable results, which provides a reference for the further reform of Biochemistry Experiment teaching.
   Key words: Biochemical Experiment; teaching method; experiment mode
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