生物化学综合实验课程改革探索

2019-12-20周义发苏纪勇崔思思程海荣范玉莹台桂花

实验室研究与探索 2019年11期

周义发，孙琳，苏纪勇，崔思思，程海荣，范玉莹，台桂花

(东北师范大学生命科学学院，长春 130024)

0 引言

生物化学是生物学的核心课程，在生物学课程体系中起到连接微观和宏观的桥梁作用。生物化学既是学习生物学的基础，又是研究生命科学的前沿。因此，生物化学在本科生教学中起到举足轻重的作用。生物化学是以实验为基础，在分子水平上研究生命现象的一门科学。实验教学是训练学生对理论知识与实践技能综合运用的重要途径，具有直观性与综合性。生物化学实验课与理论课在生物化学的教学中具有同等重要的地位。生物化学实验课程对培养学生的实验技能、提升创新科学思维水平、提高综合科学素质具有重要的作用。实验课教学效果的好坏，能否达到教学目的和目标，取决于诸多因素。课程设计和实验内容是两个不可忽视的重要因素。近年来生物化学领域发展迅速，新的实验技术手段和方法不断涌现。为了让本科生能够更多地学习、了解生物化学领域最新的实验技能，开拓学生视野，我校生命科学学院近几年对生物化学综合实验课程加大了资金和人员的投入，改善了实验教学环境和条件。生物化学教学团队对实验课程的设计、实验内容、教学方法和考核方式等进行了多方面的改革和尝试，取得了较好的教学效果。

1 实验课程的总体改革设计思路及实验内容

1.1 课程设计思路

改革以后的生物化学本科实验课程设置主要包括基础实验、综合实验和创新实验3个层次。

(1)基础实验课程的教学目的主要是训练学生掌握从事生命科学教学和科研工作应该必备的基础知识和基本实验技能。实验内容涵盖了生物样品的提取制备、分离纯化、定量分析和鉴定技术，如盐析、透析、离心、层析、电泳、滴定分析、比色分析和光度分析等实验技术，以及各种实验仪器的工作原理和使用方法，如分光光度计、离心机、移液器、电泳仪、层析系统等。基础实验以验证性实验为主，实验周期较短，重点强调实验的操作步骤与规范，通过训练和学习，巩固和加深学生对生物化学基本理论知识与概念的理解，培养学生的动手能力和科研兴趣，为学生进入更高层次的生物化学乃至分子生物学实验奠定基础。

(2)综合实验课程是以学科特色研究方向为指导，整合基础实验内容，将部分科研成果转化为实验教学内容，目的是使学生系统掌握并熟练运用生物化学研究领域的各种实验技术，整体提升学生的综合能力和科学素养。实验内容紧密围绕生物大分子的制备和相互作用关系研究，设置了3个具有系统性和综合性的实验模块，即中草药多糖的提取、纯化和鉴定，蛋白质(半乳凝素-3)的表达、纯化和鉴定，以及中草药多糖与半乳凝素-3相互作用的检测与分析。改革后的综合实验引入了新近发展起来的先进实验技术，各实验模块之间相互关联，充分体现了以前沿科学问题为导向，将本科实验教学与学科科研方向紧密结合的特点。通过综合实验的训练和学习，提高学生综合运用所学理论解决实际科学问题的能力。

(3)创新实验是综合实验的拓展和延伸，旨在让本科生有机会进入实验室，在专业教师指导下开展真正的科研工作，培养学生形成良好的科研意识、严谨的科学态度和创新的科研思维。实验内容设计以学科研究团队的核心方向“糖复合物的结构与功能”为主，涵盖了糖复合物的分离纯化及结构分析、活性糖类化合物的制备、糖复合物的药理活性及机理研究等方向。创新实验采用开放式教学方式，通过实践提高学生查阅文献资料、设计实验方案、实施研究过程、分析实验结果、撰写研究论文、展示研究成果等多方面的综合科研素质，使学生了解学科发展动态，加强观察问题、分析问题和解决问题的能力，为生命科学研究培养创新型后备人才。

1.2 实验内容设计

1.2.1 基础实验

生物化学基础实验是所有生物学本科生必修的一门专业基础课，是在完成无机化学、分析化学、有机化学和相应的实验课程之后，在大二上学期与生物化学理论课同时开设。在已修课程的基础上，通过基础实验课程的学习，检验和验证理论课所学的生物化学知识，巩固和加深对基础知识和概念的理解。生物化学基础实验课程内容主要包括4个方面：

(1)生物大分子的提取、分离和纯化。提取实验主要通过酵母RNA的提取和大豆脲酶的提取这两个实验来体现。分离纯化实验主要包括盐析法和透析法分离纯化血清清蛋白和γ-球蛋白，以及离子交换层析和凝胶过滤层析分离纯化蛋白质。这部分内容旨在训练学生初步掌握如何制备和分离生物大分子，掌握相关实验原理和技术，加深对理论知识的理解。

(2)生物大分子的定量分析和鉴定技术。分离纯化得到蛋白质、核酸等生物分子之后，需要鉴定所得到的样品是否为目标分子，并测定其纯度。这部分实验内容主要包括紫外吸收法和考马斯亮蓝法测定蛋白质含量，紫外吸收法测定酵母RNA的含量，醋酸纤维素薄膜电泳法分析血清清蛋白和γ-球蛋白的纯度，以及SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳结合Western-blot法鉴定血清清蛋白和γ-球蛋白。通过实验技能训练，学生能够掌握常用的生物样品定量和定性分析方法的实验原理和基本步骤，学会熟练使用分光光度计、电泳仪等相关仪器。

(3)酶学性质的测定。酶是生物化学理论课中的一个重要章节。为了帮助学生更准确地理解酶促反应速率、酶促反应动力学方程、酶活力等抽象概念，设置了米氏常数的测定和脲酶比活力的测定两个实验内容。通过实验训练，使学生掌握影响酶促反应动力学的主要因素、米氏常数的概念、意义和测定方法，以及酶活力的测定方法。

(4)代谢产物的鉴定和测定。物质代谢是动态生物化学部分的重点和难点内容，涉及多个复杂的代谢过程。由于上述几部分内容中没有设置与糖类和脂类化合物相关的基础实验，因此在代谢产物鉴定和测定部分，设计了肌糖原的酵解作用和脂肪酸的β-氧化作用(酮体测定法)两个实验。通过实验教学，学生能够更深入地理解和掌握糖酵解和脂肪酸的β-氧化等重要代谢反应的原理和测定方法。

基础实验内容涵盖了糖类、脂类、蛋白质和核酸类生物大分子的常用实验方法和技术，以验证性实验为主，不同实验之间相对独立，侧重于培养学生的实验操作技能和动手能力，深化学生对生物化学基础知识的理解，为学习综合实验和创新实验奠定基础。

1.2.2 综合实验

综合实验在生物化学理论课与基础实验结束后开设，授课对象主要为生物学理科基地班的学生，授课学期为大二下学期，内容设置具有系统性和综合性。针对综合实验课程的教学目的，采用以科学问题为导向的教学策略，将某些前沿科学问题引入到实验教学环节中来，并且将教师的科研工作与本科生实验教学紧密结合，充分利用现有生物化学学科的科研资源，包括研究方向、教学团队、仪器设备等，使学生能够综合运用现代生物化学技术手段解决科学问题。实验课程采取模块化方式教学，根据教学内容共分为3个模块。

(1)中草药(黄药子)多糖的提取、纯化和鉴定。该模块包括多糖的提取、多糖中总糖含量的测定、多糖的单糖组成分析及多糖的分子量分布测定几个实验内容。

(2)蛋白质(半乳凝素-3)的表达、纯化和鉴定。该模块包括半乳凝素-3的原核表达、目标蛋白的分离纯化、蛋白质的纯度鉴定及蛋白质的含量测定几个实验内容。

(3)中草药多糖与半乳凝素-3相互作用的检测与分析。该模块包括多糖与半乳凝素-3相互作用的定性分析和定量分析两个方面。模块1和模块2的实验内容相对独立，二者通过模块3建立联系。同时，每个模块内的实验内容之间也相互关联。通过3个实验模块的学习，学生能够对实验课题的内容获得综合全面的认识，开拓了视野，发散了思维，更重要的是对科学研究有了更深刻的认识。

1.2.3 创新实验

创新实验依托于生物化学教学团队的学科研究方向及实验平台，实验内容设置上体现本学科的研究特色，即以糖复合物为研究核心，分别设计如下课题内容，包括糖复合物的分离纯化及结构分析、活性糖类化合物的制备、糖复合物的药理活性及机理研究3个方向。

(1)糖复合物的分离纯化及结构分析。该方向包括3个子课题：①一种中药多糖的分离纯化及结构分析。不同的学生小组可以选择研究不同的中药，如当归、柴胡、苍术等；②一种食用真菌多糖的分离纯化及结构分析。真菌的种类可以选择猴头菇、蜜环菌、杏鲍菇等；③药用植物中果胶结构域的制备及结构分析。分别制备药用植物(如北沙参、南沙参等)中RG-I和RG-II果胶结构域。

(2)活性糖类化合物的制备。该方向包括3个子课题：①利于糖苷酶制备活性果胶寡糖。内容包括降解果胶的糖苷酶的克隆、表达、纯化及果胶寡糖的制备；②利用糖苷酶制备活性真菌寡糖。内容包括降解真菌多糖的糖苷酶的克隆、表达、纯化及真菌寡糖的制备；③生物转化法制备活性糖苷类化合物。内容包括糖苷酶的制备及利用糖苷酶转化获得稀有人参皂苷。

(3)糖复合物的药理活性及机理研究。该方向包括4个子课题：①糖复合物的免疫调节活性及机理研究。重点分析某种中药或真菌多糖的免疫活性并探讨机理；②糖复合物的降血糖活性及机理研究。重点分析某种中药或真菌多糖的降血糖活性并探讨机理；③糖复合物的抗肿瘤活性及机理研究。分析某种中药或真菌多糖的抗肿瘤活性并探讨机理；④糖复合物与半乳凝素的相互作用及机理研究。研究中药或真菌多糖对不同半乳凝素的抑制作用，并探讨活性机理。

通过创新实验训练，能够让学生对教师科研工作中的一个具体研究方向形成系统完整的认知，在实验过程中既扩展学习了相关理论知识，又能熟练运用相关仪器设备，而且在设计实验过程中能够独立分析和解决问题，增强本科生的自学意识，提升本科生整体的科研能力。

2 综合实验教学内容的改革

由于基础实验重在培养学生的动手能力及对基本实验技能的掌握，实验内容相对简单，而创新性实验更多的依赖于学科团队的科研方向。因此，有关这两部分实验的改革不在这里赘述。本文着重讨论生物化学综合实验教学的改革。生物化学的研究内容主要包括生物大分子的结构与功能以及它们在分解与合成过程中的物质代谢和能量代谢。生物化学中研究的生物大分子是指蛋白质、多糖和核酸。由于核酸相关的实验技术已经在分子生物学实验中详细开展，因此生物化学综合实验课主要围绕多糖和蛋白质的相关技术展开。改革前的综合实验课内容主要包括多糖的提取、分离与鉴定，与蛋白质相关的实验只是针对某项技术而设计的单独的实验内容，如SDS-PAGE电泳、离子交换层析等。这些内容之间相对独立，关联性不大，不能系统地对学生进行综合能力的训练。

生物化学学科团队的研究方向为糖复合物的结构与功能，主要研究内容包括多糖的分离纯化与结构分析、多糖的生物学活性以及多糖的构效关系研究。在研究多糖的多种生物学活性过程中，发现半乳凝素-3这种蛋白质是多糖作用的靶点，多糖通过抑制半乳凝素-3而抑制肿瘤细胞的增殖、粘附、迁移、血管生成以及对抗癌药物的敏感性。基于本学科现有科研方向及取得的科研成果，本着教学科研相结合的宗旨，重新设计了生物化学综合实验课的教学内容。改革后的实验课程主题为“黄药子多糖和半乳凝素-3的制备、纯化、鉴定以及相互作用的检测与分析”，该实验的开设能够培养学生对生物大分子的制备技术、分离纯化技术、鉴定分析技术以及分子相互作用的检测技术得到很好的掌握和了解。

改革后的实验课程根据教学内容划分为3个模块：①为中草药(黄药子)多糖的提取、纯化和鉴定；②为蛋白质(半乳凝素-3)的表达、纯化和鉴定；③为中草药多糖与半乳凝素-3相互作用的检测与分析(见图1)。其中模块1为保留的实验内容，仍以多糖的提取和理化性质分析为主要内容，但在原实验设计基础上优化了部分实验环节，如去掉了目前不常用的薄层层析法测定单糖组成这一实验内容。模块2为改进的实验内容，以蛋白质的分离纯化及鉴定为主。这2个模块通过模块3建立联系，同时，每个模块内涉及的实验内容之间也相互关联。

图1 改革后的生物化学综合实验教学内容

新的实验课程各模块具体实验内容设置如下：

模块1中草药(黄药子)多糖的提取、纯化和鉴定。该模块中包括4个实验内容，即多糖的提取、多糖中总糖含量的测定、多糖的单糖组成分析及多糖的分子量分布测定。这部分的实验目的是让学生了解多糖的性质，学会如何提取多糖，并能够分析多糖的基本理化性质。实验教学过程中既要求掌握实验原理，也能熟练应用各项实验技能。多糖的提取实验中涉及的具体实验方法有热水煮提、乙醇沉淀和常规干燥技术；多糖中总糖含量的测定采用苯酚-硫酸法；多糖的单糖组成分析采用酸水解及高效液相色谱法(见图2)；多糖的分子量分布测定采用分子筛层析法。这些实验技术既是目前糖生物学研究中常用的方法，同时也相对简单，易于操作，能够在本科实验教学中开展。

图2 高效液相色谱技术在生物化学综合实验中的应用

模块2蛋白质(半乳凝素-3)的表达、纯化和鉴定。该模块包括半乳凝素-3的原核表达、目标蛋白的分离纯化、蛋白质的纯度鉴定及蛋白质的含量测定几个方面。这部分内容的实验目的是通过以半乳凝素-3为例，让学生掌握蛋白质的制备过程及纯度和含量的测定方法。在半乳凝素-3的原核表达这部分内容中，涉及的主要实验技术包括细菌的培养、超声破碎细胞等；目标蛋白的分离纯化内容涉及的主要实验技术为亲和层析；蛋白质的纯度和鉴定中用到的主要技术为SDS-PAGE和western blot方法；蛋白质的含量测定主要涉及的技术为考马斯亮蓝法及紫外吸收法。这些实验技术是实验室科研常用的技术手段，通过本科阶段系统的学习可以为学生日后从事科研工作打下良好的基础。

模块3中草药多糖与半乳凝素-3相互作用的检测与分析。该模块使模块1和模块2的研究内容有机的联系起来，研究多糖和蛋白质的相互作用，这部分内容也是当今生物化学领域研究的热门科学问题之一。本模块的内容包括多糖与半乳凝素-3相互作用的定性分析和定量分析两个方面。定性分析主要采用红细胞凝集阻抑法，定量分析则利用生物膜干涉技术。红细胞膜表面包裹了一层由糖蛋白和糖脂构成的糖被，糖被能够与半乳凝素-3结合，半乳凝素-3的多价性又促进了不同细胞之间的连接，即红细胞凝集。红细胞凝集可以用来检测半乳凝素-3的生物活性。红细胞凝集阻抑实验是用来检测不同抑制剂对半乳凝素-3活性抑制能力的实验，利用抑制剂对半乳凝素-3的竞争性结合达到阻抑红细胞凝集的效果。生物膜干涉技术是一种无需标记的实时快速检测技术，其原理是当生物分子结合到传感器表面形成一层生物膜层时，该生物膜层对透过传感器光的波形造成干涉现象，通过实时监测干涉现象的相位移动，从而检测结合到传感器上分子数量的变化。生物膜干涉技术已经成功应用于蛋白质、多糖、DNA、RNA和小分子等分子间相互作用的检测。在本模块中，通过使用相关软件可以分析多糖与半乳凝素-3的结合和解离情况，得到结合速度常数、解离速度常数以及解离常数等(见图3)。此模块中选用的两种实验方法和使用的仪器手段既是研究蛋白质与多糖相互作用的主要技术，同时也相对易于操作，能够使本科生独立完成实验，最终使学生能够深刻理解多糖与蛋白质相互作用的知识要点。

(a)生物膜干涉仪

(b)多糖与半乳凝素-3的结合和解离情况

3 综合实验教学软硬件条件的改进

(1)教学方法的改进。为了保证学生学习知识的系统性、综合性和广泛性，本课程对教学方式进行了改进，不仅限于实验课堂上的演示讲授，还针对不同实验模块中的实验内容单独设置理论课讲座。除了介绍实验中用到的技术方法和原理外，还会为学生扩展相关领域的其他技术方法和应用范围，使学生获取的知识得到延伸，为未来从事科学研究工作奠定基础。每部分内容由不同研究方向的任课教师进行专题讲座，详细讲解该部分知识点的原理在实际科研工作中的应用以及当今国内外该领域的最新研究进展和成果。本课题组具有教师资源的优势，任课老师的研究方向比较精专，涵盖多糖的提取、纯化和鉴定、蛋白质功能与结构以及多糖与蛋白质的相互作用。几位任课老师分别负责各自研究方向的课程，保证了学生们学到更加专业的前沿知识。

本实验中的3个研究模块不是独立存在的，它们之间有着紧密的联系，这一点与生物化学基础实验课程不同。学生只有完成了模块1和模块2的实验内容，并且获得必要的实验材料如多糖和蛋白质等，才有可能进行模块3的实验。实验设计上的连贯性使学生能够体会到生物科学实验的逻辑性、复杂性和完整性。另外，由于该综合实验含有3个模块，每个模块中实验步骤或细节的不同会导致每个实验小组获得不同的实验结果，在对自己小组的结果以及与其他各组的实验结果进行横向和纵向的分析与讨论时，能够使学生思考造成这些结果多样化的原因及意义，进而培养学生对生物实验结果的分析能力和批判性思维。

在实验教材方面由于没有适用于本实验课程的可用教材，采用授课教师自编的实验讲义。讲义中明确了每部分内容的实验原理、实验目的、实验中用到的试剂和仪器、实验框架、具体的实验操作步骤及注意事项、相关参考文献以及针对每部分实验内容提出思考题等可以让学生清晰和深入地学习综合实验。学生通过教师对理论知识及实验操作的讲解，结合实验讲义，能够相对独立的完成实验内容。教师仅仅提供实验理论支持，让学生自己独立完成实验，尽量避免直接参与到学生的实验中去。这就训练了学生的动手能力，并且在一定程度上提高学生对实验和后续科研的兴趣。

(2)综合实验硬件设施的改善。为了使学生能够独立完成实验，本课程为每组学生都配备了一组基本的实验用具，包括移液器、高速小型冷冻离心机、低速离心机、可见分光光度计、摇床、小型提取设备、生物大分子分离纯化填料、层析柱、水浴锅、pH计、天平等。这些完备的实验器材使每个学生都有机会进行实验操作。另外，生物化学综合实验课程涉及的知识面比较前沿，需要用到较先进的仪器设备，学院近几年加大了对综合实验课的资金投入，用于改善实验室环境和购置一系列先进仪器设备，包括高效液相色谱仪、蛋白质纯化系统、生物膜干涉仪和大型高速离心机等。这些硬件条件设施的改善对于提升生物化学综合实验课程教学水平具有极大的促进作用。上述仪器设备在本科教学中的应用让学生能够及时学习到生物化学领域前沿的技术手段。学院还为参加综合实验的学生提供了一间专业的实验室，学生有足够的空间和时间进行实验。学院的所有教育部重点实验室和省级重点实验室的仪器也都对参加综合实验的学生开放，学生可以充分接触和利用相关的先进仪器设备。

4 教学考核评价方式的改革

考核是实验教学中评价学生对实验技能及理论知识掌握水平的一种重要方式，如何公正客观地评定学生的学习效果也是教学改革中的一个重要方面。传统的考核方式以实验报告成绩为主，但这种形式往往忽略了学生的课堂表现，给出的成绩比较片面。传统的对实验报告的要求通常也比较简单，学生只是将实验原理和实验步骤从教材上照搬照抄，不能对实验结果进行深入的分析和探讨，导致对实验的理解和认识不够深入。针对这些问题，改革了生物化学综合实验课的考核评价方式，既考察学生的平时表现，也增加了期末考试考察学生对实验的掌握，从而全面考察学生对实验的掌握和认识。

(1)考核标准的制定。改革后的实验教学考核成绩包括两部分，分别为平时成绩50分和期末考试成绩50分。其中平时成绩中又包括出勤10分，课堂上动手操作表现10分，实验报告30分。期末考试成绩中回答问题40分，现场演示实验操作10分。

(2)实验报告的评定标准。新的考核方式对实验报告也提出了新的要求，要求学生按照研究论文的形式进行撰写，研究论文要有完整的摘要、关键词、研究背景、实验原理、实验方法、结果与讨论，重点考察学生对结果的分析与讨论。学生需要在研究论文中给出预期的实验结果，如果结果与预期不符是因为哪些操作不当造成的，为了避免这些问题的出现应该给出哪些改进的方案等。通过以研究论文的形式书写实验报告，让学生对所做实验内容有了相对系统和完整的认识，在讨论实验结果的过程中加深了对实验设计的理解，而且这种书写形式也为以后从事科研工作的学生撰写科技论文打下了良好的基础。

(3)期末考试的实施。改革后的期末考试形式采用口试的方式，面对面对学生进行考核。每个学生的考核时间为10 min，既考察学生对实验原理、实验设计、实验内容的掌握，也现场考察学生对仪器的实际操作能力。口试过程中也让学生对其小组的实验结果进行分析，评价结果合理与否，如果不合理是什么原因造成的，如何避免这类问题使结果合理化等，从而强化学生分析问题和解决问题的能力。尽管口试增加了任课教师的工作量, 但受到了学生的广泛欢迎。学生们普遍反映这种考试方式新颖，能够加深印象, 对于知识的理解和掌握有较好的效果。

5 加强教师队伍建设

生物化学综合实验课的教学内容和教学方法既具有基础性，也具有前沿性，实验过程中会涉及多种先进科研仪器设备。这就要求实验教师既要有扎实的理论基础，也要掌握本专业的前沿内容，具备较高的科研能力，才能胜任综合实验课程的教学。因此，加强师资队伍建设对提高生物化学综合实验课程教学水平具有重要意义。在加强师资队伍建设方面采取的措施主要有：

(1)通过不断培训和学习，提高实验教师队伍的综合教学水平。鼓励任课教师积极参加全国举办的各种教学培训会议、教学改革会议、优秀教师训练营、仪器设备培训课程等，向其他单位学习和请教好的经验。教师团队内部定期开展教学内容及方法的研讨，交流教学经验和心得，适时改革教学内容，并不断将最新的理论和实验技术引入到教学中，提高综合实验教师队伍的整体教学水平。

(2)增加生物化学综合实验课专职实验教师的人数。改革后的综合实验课程紧密衔接当今生物化学领域研究的热门科学问题，不断将多种先进仪器设备应用到本科教学工作中来。这不仅要求主讲教师要具备过硬的专业技术水平，同时对专职实验教师也提出了更高的要求。以前专职教师负责的工作主要以准备实验材料、配置试剂等基础工作为主，改革后的实验内容则要求专职教师熟练掌握一些先进仪器的原理和操作方法。生命科学学院近年来不断引进生物化学领域青年人才，先后引进3名高水平博士生作为专职实验教师，提高了专职实验教师队伍的整体水平。

(3)将综合实验课教师队伍与本学院学科队伍相结合。改革后的综合实验课程内容与本学院生物化学学科团队的科研方向紧密结合。综合实验课的授课教师队伍全部来自于生物化学学科团队，能够实现教学和科研的一体化。经过近5年的建设，现已形成一支教学经验丰富、科研实力雄厚、知识结构完备、年龄及职称结构合理的生物化学综合实验课教学团队。

6 完善奖励机制

为了激励教师不断提高教学水平，深入开展生物化学实验的教学改革，本学科团队采取了一系列奖励措施鼓励教师进行创新性教学改革。任课教师除了获得所承担的课时费外，还会根据学生对各位任课教师的教学效果的评定、教师教学改革的成果及指导本科生获得各类奖励情况给予相应的绩效奖励。教学成果主要包括获得国家级、省级或校级的教学改革或教学成果奖；承担各类教学改革项目；撰写教材以及发表教学改革论文等。指导本科生获奖主要是获得国家级、省级或校级的各类创新实验竞赛和实验技能竞赛等。学科团队根据每位任课教师每年取得的各类成果的多少，综合分配绩效奖励，从而进一步提高教师积极参与教学工作和教学改革的热情。