盧 彥, 張冬梅, 楊榮武

(南京大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 南京 210093)

對(duì)于剛剛進(jìn)入生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)的本科學(xué)生來說，生物化學(xué)及其實(shí)驗(yàn)是一門非常重要的基礎(chǔ)課程[1]。隨著21世紀(jì)生物科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在人才培養(yǎng)中，塑造學(xué)生實(shí)踐能力顯得尤為重要[2, 3]。生化實(shí)驗(yàn)課程中所傳授的各種基本實(shí)驗(yàn)技能與理念，為培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。學(xué)生在進(jìn)行生化實(shí)驗(yàn)中，不僅要接觸到各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且獲得了大量的數(shù)據(jù)，因此培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的統(tǒng)計(jì)與分析，成為生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可或缺的環(huán)節(jié)[4]。據(jù)此，本文對(duì)生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的數(shù)據(jù)記錄與結(jié)果處理問題進(jìn)行了如下的歸納與總結(jié)：

1 建立數(shù)據(jù)與單位的概念

對(duì)于剛接觸生化實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生來說，建立計(jì)量單位的敏感認(rèn)知是非常必要的，尤其是生化實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)的如mol/L，g/L，體積百分比，質(zhì)量百分比等容易混淆的單位。我們以課堂設(shè)問的形式啟發(fā)學(xué)生自覺地關(guān)注這些單位。尤其是在實(shí)驗(yàn)中，那些由教師提早配置好的溶液其單位和濃度往往被學(xué)生忽略。我們發(fā)現(xiàn)如果教師在準(zhǔn)備工作時(shí)認(rèn)真填寫標(biāo)簽，并且在實(shí)驗(yàn)初期便要求學(xué)生做好已配溶液的信息記錄，上述情況會(huì)有所改善。

例如，在某些需要用到大量不同濃度溶液或buffer的實(shí)驗(yàn)中，如“用正交法測(cè)定幾種因素對(duì)酶活力的影響”這個(gè)生化實(shí)驗(yàn)中，需要用到各種不同pH值的緩沖液。經(jīng)過對(duì)比筆者發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于直接使用教師配制好的溶液，讓每組學(xué)生自己配制所有溶液，錯(cuò)誤使用溶液的情況較少，且浪費(fèi)現(xiàn)象會(huì)減輕。但是該實(shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，且學(xué)生在后期也會(huì)逐漸失去開始做實(shí)驗(yàn)時(shí)的耐心。如果讓學(xué)生按大組自由合作，每小組的學(xué)生只負(fù)責(zé)配制一種溶液，不但錯(cuò)誤和浪費(fèi)現(xiàn)象會(huì)減少，而且大組學(xué)生間能表現(xiàn)出更好的團(tuán)隊(duì)合作精神。

此外，筆者在教學(xué)中經(jīng)?？吹綄W(xué)生們由于時(shí)間匆忙隨手把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記在書上，廢紙上，或者干脆不記錄，之后又因?yàn)檎也坏交蛳氩黄饋碓紨?shù)據(jù)而無法得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，我們要求學(xué)生詳細(xì)記錄原始數(shù)據(jù)：原始數(shù)據(jù)不允許用鉛筆記錄；在記錄發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，要保持錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的可見；原始數(shù)據(jù)必須附在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。一般通過一個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課程訓(xùn)練，學(xué)生就可以做到認(rèn)真對(duì)待原始數(shù)據(jù)，并養(yǎng)成隨時(shí)認(rèn)真記錄數(shù)據(jù)的好習(xí)慣。

2 有效數(shù)字的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)中我們往往需要記錄很多數(shù)值，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，但是記錄時(shí)應(yīng)該選取幾位，運(yùn)算時(shí)應(yīng)該保留幾位，是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的一個(gè)重要問題，據(jù)此有效數(shù)字的概念被引入了。有效數(shù)字的定義是：測(cè)量結(jié)果中可靠的幾位數(shù)字加上有誤差的一位數(shù)字。由此可知，有效數(shù)字的最后一位數(shù)字是不確定的，且有效數(shù)字的位數(shù)，表示了測(cè)量所能達(dá)到的準(zhǔn)確程度，這也與所用的測(cè)量工具有關(guān)。所以當(dāng)測(cè)量?jī)x器和被測(cè)量選定后，測(cè)量值的有效數(shù)字位數(shù)就已經(jīng)確定了[5]。

根據(jù)筆者調(diào)查，本科學(xué)生一般在初中就已經(jīng)掌握了有效數(shù)字的數(shù)學(xué)概念，但是在實(shí)際運(yùn)用時(shí)往往會(huì)被忽略，如計(jì)算“牛奶中蛋白質(zhì)的百分比含量的實(shí)驗(yàn)”中，學(xué)生不知道如何取舍有效數(shù)字或者干脆“想當(dāng)然或憑感覺地”保留小數(shù)點(diǎn)后一到兩位有效數(shù)字。為了避免上述情況的出現(xiàn)，教師在授課時(shí)應(yīng)該幫助學(xué)生回憶有效數(shù)字的定義和運(yùn)算公式。例如，有效數(shù)字在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，應(yīng)使結(jié)果具有足夠的有效數(shù)字，不能少算，也不能多算，少算了會(huì)帶來附加誤差，降低了結(jié)果的準(zhǔn)確程度；多算了也不會(huì)減小誤差。有效數(shù)字運(yùn)算取舍的原則是運(yùn)算結(jié)果保留一位可疑數(shù)字。在講實(shí)驗(yàn)緒論時(shí)，教師通過課堂設(shè)問的方式，引導(dǎo)學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)中的有效數(shù)字，鼓勵(lì)他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)有效數(shù)字運(yùn)算，該方法培養(yǎng)學(xué)生利用豐富的信息網(wǎng)絡(luò)資源獨(dú)立解決問題的能力。在實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行時(shí)，可以通過作業(yè)講評(píng)的方式，參照實(shí)驗(yàn)中的具體實(shí)例，再次強(qiáng)調(diào)有效數(shù)字的重要性。例如，在“動(dòng)物肝臟中DNA的提取實(shí)驗(yàn)”中，由于用分光光度計(jì)上測(cè)量溶液的濃度時(shí)得到的讀數(shù)為4位有效數(shù)字，所以計(jì)算DNA得率時(shí)，多數(shù)學(xué)生保留4位有效數(shù)字。但是他們忽略了開始稱量肝臟用的是普通臺(tái)天平，只能獲得3位有效數(shù)字，因此正確答案應(yīng)該保留3位有效數(shù)字。

如教學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常采用吸光度法測(cè)定含量，需要繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：A=K×C+b，并通過公式求出直線的相關(guān)系數(shù)r。K值與b值的有效數(shù)字由吸光度值A(chǔ)和濃度C決定，溶液濃度的有效數(shù)字由配置方法決定，一般為4位。吸光度A值，在有的測(cè)量?jī)x器上為3位有效數(shù)字，大多數(shù)的儀器為4位。所以，K在一般情況下應(yīng)與吸光度A的有效位數(shù)相同；常數(shù)b代表是直線的截距，其小數(shù)點(diǎn)后保留的位數(shù)要和吸光度值相同。此時(shí)，相關(guān)系數(shù)r就需要保留4位有效數(shù)字。

3 運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在生化教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、整理、分析和計(jì)算，并需要用圖表進(jìn)行更為直觀演示，最終解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論。目前初級(jí)階段的處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，還是以手工記錄整理分析數(shù)據(jù)為主, 因此在標(biāo)準(zhǔn)方格坐標(biāo)紙上描點(diǎn)并作圖成為生化實(shí)驗(yàn)的基本功之一。但是，這種方法效率較低，工作量大，主觀因素在很大程度上影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此非常容易出現(xiàn)誤差。隨著現(xiàn)代軟件技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理生化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有簡(jiǎn)單、快速的特點(diǎn)，且其生成的圖表準(zhǔn)確且不乏精美，同時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更利于存檔和交互使用。目前，便于在生物領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的相關(guān)軟件有Excel、Origin、Prism以及C語言程序等。例如， Excel是常用辦公軟件Microsoft Office中的組件之一， 因此它具有普及性，該軟件界面親和，簡(jiǎn)單易學(xué)上手快，同時(shí)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算功能，可以直觀形象地用各種圖形來描繪實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Excel在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，常用的功能有：表格制作、函數(shù)運(yùn)算和圖形演示等。如前文提到的吸光度測(cè)定法，初學(xué)者就偏好使用Excel作圖，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線(A=K×C+b)和相關(guān)參數(shù)。Origin軟件是一款在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)處理、分析和圖像繪制的工具軟件，具有處理數(shù)據(jù)速度快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[6]。Prism是一款用戶體驗(yàn)較好的統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，自帶的各種柱形圖與分組圖，更利于結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析與繪圖，它還可以自動(dòng)繪制各種生存曲線，同時(shí)藥物理化試驗(yàn)和毒性試驗(yàn)中常用的IC50參數(shù)，就可以用該軟件自動(dòng)計(jì)算得到。因此prism是一款專業(yè)應(yīng)用性強(qiáng)的生物統(tǒng)計(jì)繪圖軟件[7]。

4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)是一門探討如何從不完整的信息中獲取科學(xué)可靠的結(jié)論從而進(jìn)一步進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的設(shè)計(jì)、取樣、分析、資料整理與推論的科學(xué)[8]。目前生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到生物科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域，可以說任何一個(gè)與樣本相關(guān)的實(shí)驗(yàn)都離不開生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的統(tǒng)計(jì)方法[9]。目前我校的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程一般作為一門理科基礎(chǔ)課程被安排在大二的學(xué)習(xí)課程中，因此很少有學(xué)生在此之前學(xué)習(xí)過統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)的課程。當(dāng)他們遇到實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的數(shù)據(jù)處理問題，如可疑的數(shù)據(jù)的取舍，組間的比較等時(shí)，往往會(huì)不知所措。此時(shí)，實(shí)驗(yàn)教師的合理指導(dǎo)便顯得尤為重要。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)處理中的基本術(shù)語與涵義不十分清楚，在使用上容易出現(xiàn)差錯(cuò)，因此明確的定義處理數(shù)據(jù)所用到的基本術(shù)語與涵義便顯得尤為重要。我們將常見的生化實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)名詞列舉如下表1所示：

表1 生化實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)名詞

表2 3，5-二硝基水楊酸測(cè)定未知糖溶液

由于統(tǒng)計(jì)的過程非常重要，為了加強(qiáng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理能力，教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該刻意的加入需要統(tǒng)計(jì)學(xué)處理的實(shí)驗(yàn)方案。如在“利用3，5-二硝基水楊酸測(cè)定總糖和還原糖的實(shí)驗(yàn)”中[10]，除了讓學(xué)生學(xué)習(xí)常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作外，可以增加未知糖的樣本數(shù)量，未知糖的測(cè)定設(shè)計(jì)如表2。該實(shí)驗(yàn)組即設(shè)定了3個(gè)重復(fù)樣本，也設(shè)置了不同的稀釋組別，為以后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)留下了豐富的樣本數(shù)據(jù)源。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過求平均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差，可以分析實(shí)驗(yàn)誤差的大??；通過做t檢驗(yàn)，可以比較組間的差異；還可以對(duì)可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和取舍。同時(shí)教師還可以引導(dǎo)學(xué)生使用各種統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，用帶bar的曲線圖來顯示數(shù)據(jù)的離散度，如前文提及的prism軟件，從而啟發(fā)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)偏差的認(rèn)知。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是教師指導(dǎo)下的操作模仿，更是需要對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差進(jìn)行系統(tǒng)的分析，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的、科學(xué)處理。在教學(xué)實(shí)踐中教師需要激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的重視程度，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到只有對(duì)實(shí)驗(yàn)中誤差進(jìn)行系統(tǒng)的分析，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的、科學(xué)的處理，才能更好地完成實(shí)驗(yàn)，也才能更好地進(jìn)行探究和創(chuàng)新。綜上所述，在生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)該重視培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)處理與分析能力。教師可以通過課堂講解與課后練習(xí)結(jié)合的方式，培養(yǎng)學(xué)生建立數(shù)據(jù)與單位的概念，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)有效數(shù)字的計(jì)算，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生使用基本的軟件工具分析處理數(shù)據(jù)，最終得到可靠合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)定量與分析。

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