生物化学实验课程中“变式”教学方式的探索

吴 艳,朱玲燕,邝栋明

(中山大学生命科学学院生化系, 广州 510275)

生物化学实验课程是很多高校开设的本科生主干基础课,实验内容涵盖了四大类生物大分子和维生素等小分子相关实验,涉及多种实验技术,并使用到多种基础实验仪器,是生物化学理论课的必要配套课程[1,2]。生物化学实验课程的目标在于让学生在熟练掌握常用生物化学实验方法原理和技术的同时,培养实验动手能力,加深对理论知识的理解,树立起严谨求实的科学态度、并提高分析解决问题的能力。生物化学实验课程经过多年的沉淀与积累,基本已自成一套内容体系,广受学生欢迎。但随着实验技术的变革和对学生实验能力培养要求的提高,传统的实验教学模式面临更新变革的压力[3-6]。一方面,实验教学需要在内容上不断更新,淘汰不再使用的一些技术和仪器,引入新型的实验方法和条件;另一方面,需要改进一成不变的教学方式,提高学生发现问题和解决问题的实践能力。与实验内容变革相比,教学方式的变革显然要求更高、更难,但也更为必要。传统的实验教学方式一般是设定好各种实验条件,学生只需按部就班完成,无需思考与探索,一旦遇到实验中出现与预期不符的结果,不懂得如何分析与解决,甚至为了片面追求“完美”“理想”的实验结果不断盲目地重复,造成时间与资源的浪费。因此,探索新的实验教学方式,突破传统的思维模式,既具有必要性,也具有实际实施价值。我们在本研究中探索了“变式”教学方式在生物化学实验课程中的可能应用。

1 “变式”教学在生物化学实验课程中的定义与内涵

所谓变式教学,通常指在数学课程教学过程中使用的一种教学方式,是在教学中使学生确切掌握概念的重要方法之一。即在教学中用不同形式的直观材料或事例说明事物的本质属性,或变换同类事物的非本质特征以突出事物的本质特征。目的在于使学生理解哪些是事物的本质特征,哪些是事物的非本质特征,从而对一事物形成科学概念[7-9]。

生物化学实验课程中的“变式”教学借用了上述概念,但赋予了不一样的内涵。与高校中其他的生物学相关实验课程相比,生物化学实验具有试剂多、步骤多、非可控性变化因素多、预期结果非开放性等特点。在实验教学过程中,哪怕每个实验前都进行了预实验,大概率仍会出现学生没有做出预期实验结果的问题。“变式”教学主要指,在出现非预期实验结果的情况下,教师根据出现的具体问题,分析可能原因,然后引导学生梳理思路,改变和设计新的实验条件,重新摸索结果的教学方式。生物化学实验课程中“变式”教学的核心在于“变”,通过引导学生灵活、合理地变换实验条件,打破传统实验教学中完全由教师设置实验条件-学生按部就班完成的模式,引导学生化被动为主动,激发学习兴趣,锻炼实际发现和解决问题的能力,从而达到提升教学效果的目的。

2 “变式”教学在生物化学实验课程中的实践方式

我们提出的“变式”教学方式强调针对生物化学实验课程中实际出现的各种问题进行筛选和分析,有目的、合理性地引导学生思考和设计新的实验条件,探索出现问题的可能原因,并总结实验的本质和关键。因此,不应有固定的实施“套路”。我们就自身在生物化学实验课程中核酸电泳这个实验中的“变式”探索,总结具体的实施过程与方法。

2.1 发现问题

在进行本学期生物化学实验课程核酸电泳这一实验时,多个班进行平行实验,有一个班出现部分学生没有实验结果的问题。核酸电泳要求学生用鱼肝脏中提取的DNA及这些DNA PCR细胞色素c基因后的PCR产物进行电泳,检测凝胶中的DNA条带,判断PCR是否操作成功。这一实验条件稳定,且结果容易重复。因此,出现没有结果的情况既让本来期望有“完美”“理想”预期结果的学生非常失望,同时也让学生提出了诸多疑问。

2.2 梳理问题

由于这一结果打破了原本预期,且学生不能从现有的实验计划书或说明书找到现成答案,我们认为这是一个让学生进行探索式“变式”实验,体验从发现问题到梳理问题再到解决问题过程的机会。因此,我们和学生共同梳理了一遍可能造成实验失败的所有原因,并对这些原因分类、每一类再按照可能性的高低进行归纳和整理:①Gel Blue荧光染料:点染时GB与DNA样本的结合时间是否足够?GB稀释试剂是否用对?稀释倍数是否正确?GB是否发生淬灭?GB是否混匀?激发波长是否正确?GB带正电,使用点染方法是否可能造成部分试剂跑向相反方向?②DNA:DNA是否由于电泳过程时间太久,导致弥散?③凝胶:是否错用了H2O配置琼脂糖凝胶?④TAE电泳缓冲液:由于试剂是前一个班使用完回收后再次使用,电泳蒸发后是否离子浓度过大,导致电流过大(实验过程中,我们确实观察到存在电流非常大的现象)?

2.3 引导学生分析和提出新的实验条件

对上述的可能原因进行细致梳理,并根据对实际实验现象的观察和合理性分析,学生选择了首先验证他们认为最有可能的原因:荧光染料的问题(此次采用的是Gel Blue[GB]荧光染料,是否稀释试剂和倍数不对?该试剂是否不能采取点染的操作方法?)。据此,我们引导学生设置了不同的分组和实验条件(为了简化探索的条件,需要把复杂的问题简单化,因此,摸索时仅检测了DNA marker,没有引入学生自己提取的DNA或PCR产物。具体条件根据探索的目的,共设置7个样本,全部采用点染的方法),由一组学生作为代表,重新进行了尝试和探索,结果见图1。

注:点样顺序:1.没有稀释的GB+marker;2.TAE稀释10倍GB+marker;3.TAE稀释100倍GB+marker;4.TAE稀释500倍GB+marker;5.H2O稀释10倍GB+marker;6.H2O稀释100倍GB+marker;7.H2O稀释500倍GB+marker

2.4 对探索结果的及时分析与总结

从本次探索性实验的结果来看,我们可以得到以下结论:①将荧光染料GB和DNA混合后点样的点染法没有问题,能够检测出所有样本的荧光信号。但整体而言,所有荧光条带的信号都不是非常强;②TAE和H2O均可用于稀释GB,随着稀释倍数加大,背景逐渐清晰,但同时能染上的小分子条带变少。

根据上述的结论,我们引导学生进行分析讨论,让学生网上查找产品说明书、文献资源及学术相关讨论的论坛。最终得出可能的结论是:点染GB与DNA结合时间不够,若同时遇上电流过大的TAE,则荧光素与DNA结合不牢固,荧光素解离并弥散。

针对分析所得的原因,我们进行有针对性的实验条件改变:可以继续使用点染的方式,但GB与DNA结合时间需要延长至10 min以上;同时,TAE需要更换新的溶液,电泳仪不能长时间过热使用。

2.5 安排时间,协助学生重复实验

通过上述的摸索与思考,学生重新设置了“变换”的实验条件。我们协助安排场地、试剂与时间,让学生重新进行实验。学生采取分析后得到的最可能优化条件(GB与DNA结合时间延长至12 min,重新配置TAE溶液,并实时监测电泳时的电流电压),最终实验顺利完成并取得预期成果:DNA marker、自己提取的DNA样本以及PCR产物均能看到清晰条带。

实验完成后,学生及时进行总结,实验报告中重点分析“变”的原因、思考、改进及结果。学生的实验报告反馈证明,该“变式”教学模式能够解决教学实践中出现的实际问题并取得较好的教学效果。

3 “变式”教学在生物化学实验课程中实践的经验总结与优点

3.1 教师从传授式教学到探索式教学

传统的实验教学模式是单向、从上而下式的模式,因受制于实验条件,不易灵活变通。而在“变式”教学过程中,教师主动从非单一的实验现象中发现、提炼、整合并提出问题,通过引导学生思考和实践,将预设性的实验结果变为开放性的实验探索,不仅达到了更好的教学效果,也可实际找到经典实验内容中一些特殊实验现象的产生原因(这些原因不能直接通过网络查找得到),从而更好地指导日后的实验教学实践。

3.2 学生从被动接收到主动思考

在“变式”教学过程中,学生的收获和体验是传统实验教学模式未能提供的。首先,学生不仅是实验的执行者,同时也参与了“变式”实验条件的思考与摸索,参与了实验内容的调整与优化,化被动为主动,更好地激发了学习兴趣,也更好地透过现象,理解和把握了实验原理的本质;其次,生物化学实验作为一门本科基础课程,教学的主要目的是为了使本专业学生在更好地理解生物化学理论课相关知识点的同时,训练和培养实验技能,为将来进入研究生阶段的学习或社会上专业相关行业的工作奠定良好的实践基础。而“变式”教学模式与传统教学模式相比,不仅能够磨炼学生的实验技能,更重要的是能够更好地锻炼学生发现问题和解决问题的实际能力,提高其在实验方面的自我意识,从而为下一阶段的学习或工作提供更全面的准备和衔接。

3.3 从变化的实验现象及条件到实验原理本质的呈现

生物化学实验是本科基础实验课程中较为复杂的一门实验。在实验过程中,结果不会完全按照预设的方向出现。以往遇到实验结果不符合预期的情况,教师会让学生分析可能原因并直接完成实验报告,学生在这种情况下没有机会验证自己的分析是否真实准确,也没有机会再一次重复和探索,最后可能还是“知其然而不知其所以然”。在“变式”教学模式中,我们提出在有合理性和可行性的条件下,有选择性地筛选问题,并引导学生分析和探寻问题的答案,将理论和实践结合,帮助学生更好地透过现象发现本质,从而达到教学双长的目的。

4 “变式”教学在生物化学实验课程中实践的局限性

4.1 对教师灵活变通能力的要求

在生物化学实验课程中实践“变式”教学模式,核心在于“变”字。实验现象不是一成不变的,即使是同一个实验内容,此次出现的问题下一次并不会完全重复出现。这里需要强调的是,“变式”教学并不是要教师必须主动创造一些实验问题,而是要在大概率出现的随机问题里进行发现、筛选和初步分析,并进行整合与提炼,即所谓随机应变和分析归纳的能力。当然,不是所有的实验问题都适合用同一种模式去探索,也并不是所有的探索都会得到肯定的答案。开放的态度和探索的精神既是“变式”教学模式对教师的要求,也是最终对学生的培养目标。

4.2 对学生配合能力的要求

任何变革的实施都需要实施者和实施对象两方面的支持与配合。“变式”教学模式的实践需要教师付出备课工作之外的额外精力,同时也需要学生的配合与努力。一方面,教师需要与学生进行充分的沟通,另一方面,学生也需要在教师的指引下发挥主观能动性,积极搜寻资料和实践探索。任何一方面没有做好,都可能影响“变式”教学模式的实施效果。但反之,如果教与学两方面配合得好,则这种模式不仅能够解决问题,提高教学效果,同时也能增强教师与学生之间的互信与感情,一举三得。

4.3 对实验条件、场地、试剂等配合条件的要求

正如前面的例子所示,不是所有的实验现象都“能够”,或者说“需要”,变化实验条件来解决问题。一个学期的全部实验内容中,可能有一部分能够探索“变式”教学,另一部分还是按传统的模式进行。哪些实验能够开展“变式”探索,哪些不行,这个问题需要教师的充分权衡,综合考虑实验条件(如额外使用的实验试剂的购买和配置问题)、实验场地(如在非教学时间段需要使用实验场地开展实验探索的问题)以及实验时间(如额外实验时间的协调和统筹问题)等,最后才能有效组织与实施。

本文结合作者自身实践经验,提出了在高校生物化学实验课程中开展“变式”教学模式探索的必要性、概念、方式、优点与局限性。尽管该模式的实施效果有待更多实践开展后进行进一步的分析与评估,但该模式的探索具有积极的意义,有望为其他高校的生物化学实验课程以及高校其他的基础实验课程的改革提供借鉴与新思路。此外,本文中提到的针对DNA核酸电泳实验的探索过程与结论本身,均可为其他高校或其他课程中类似实验中出现的问题提供参考与线索。