仲昭朝，曾水云，張臻，唐惠煒

（南京大學(xué)生命科學(xué)實驗教學(xué)示范中心，南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京）

高等教育承擔(dān)著培養(yǎng)高級專業(yè)人才、發(fā)展科學(xué)技術(shù)文化、促進(jìn)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的重大任務(wù)。為了順應(yīng)科技的發(fā)展和社會的需要，高等教育人才培養(yǎng)的目標(biāo)逐步從知識能力型向綜合素質(zhì)型轉(zhuǎn)化，21 世紀(jì)的高等教育課程改革也更加注重教學(xué)與科研的融合，兼顧學(xué)科間相互滲透。如何將大學(xué)生培養(yǎng)成為具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才成為課程改革的核心課題。[1]

一 人才培養(yǎng)目標(biāo)改變帶來培養(yǎng)模式的改革

為了適應(yīng)人才培養(yǎng)目標(biāo)變化帶來的挑戰(zhàn)，南京大學(xué)率先提出并構(gòu)建了“以學(xué)生發(fā)展為中心的‘三三制’本科人才培養(yǎng)體系”，并于2014 年獲得國家教學(xué)成果特等獎?！叭啤钡谋举|(zhì)是實施通識教育基礎(chǔ)上的專業(yè)教育，將本科人才培養(yǎng)分成三個階段：大類培養(yǎng)、專業(yè)培養(yǎng)和多元培養(yǎng)，其中專業(yè)培養(yǎng)由學(xué)科群模塊和學(xué)科專業(yè)課程組成。[2]國家級生命科學(xué)實驗教學(xué)示范中心秉承“三三制”人才培養(yǎng)體系的指導(dǎo)思想，結(jié)合學(xué)科專業(yè)的特點，從實驗技術(shù)層面，創(chuàng)建了由基礎(chǔ)生物學(xué)技術(shù)訓(xùn)練、中級生物學(xué)技術(shù)訓(xùn)練、綜合技能與研究性實驗訓(xùn)練構(gòu)成的“三級技能培訓(xùn)體系”。

生物化學(xué)課程群是生命科學(xué)課程體系的核心之一，而“生化分析及實驗”是其中的重要組成部分，學(xué)科交叉性強(qiáng)，屬于中級生物學(xué)技術(shù)訓(xùn)練，同時還具備了綜合性技能與研究性實驗訓(xùn)練的特點，在課程群中起到承上啟下的作用。在生命科學(xué)領(lǐng)域的許多實踐中，要探究生物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，就離不開對生物物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）進(jìn)行分離、純化及分析鑒定等基本操作，這方面的知識與相關(guān)技能正是“生化分析及實驗”課程所傳授的主要內(nèi)容。該課程一方面以普通生物學(xué)、生物化學(xué)及分析化學(xué)等課程為先導(dǎo)，要求學(xué)生首先學(xué)習(xí)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識，熟悉并初步掌握基礎(chǔ)生物學(xué)技術(shù)；另一方面，在訓(xùn)練技術(shù)的同時，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗，注重綜合技能訓(xùn)練和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為其將來的學(xué)習(xí)及科研工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

在“三三制”教學(xué)改革實踐的過程中，大多數(shù)專業(yè)培養(yǎng)課程（包括學(xué)科群模塊和學(xué)科專業(yè)課程）都要求在大二、大三兩年內(nèi)完成學(xué)習(xí)，課程多且任務(wù)重。因此在教學(xué)實踐中，教學(xué)團(tuán)隊面臨三個難點：（1）“生化分析及實驗”面向的學(xué)生剛經(jīng)過大類培養(yǎng)，雖然完成了通識通修和理科平臺的課程，理科基礎(chǔ)知識較為扎實，但有些同學(xué)存在專業(yè)知識儲備比較薄弱，對實驗原理理解不夠深刻等情況。（2）生化分析實驗由原本每周8 課時的教學(xué)內(nèi)容壓縮在6 課時內(nèi)完成。在這種情況下，如何保證學(xué)生更深入有效地理解和掌握所學(xué)技能。（3）新的人才培養(yǎng)目標(biāo)注重學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能培養(yǎng)。而傳統(tǒng)課程注重傳授系統(tǒng)的科學(xué)知識，教學(xué)中過于關(guān)注知識體系的構(gòu)建與傳授方式的完善，對學(xué)生的科學(xué)思維訓(xùn)練不足。為了適應(yīng)新的人才目標(biāo)的培養(yǎng)要求，在教學(xué)過程中如何更好地調(diào)動學(xué)生的積極性，克服專業(yè)知識儲備暫時薄弱帶來的困擾，發(fā)揮他們理科基礎(chǔ)扎實的長處，強(qiáng)化學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

面對這樣的挑戰(zhàn)，教學(xué)團(tuán)隊依托南京大學(xué)生命科學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心這個平臺，利用翻轉(zhuǎn)課堂的模式引導(dǎo)學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)，引入虛擬仿真技術(shù)促進(jìn)學(xué)生對所學(xué)知識的深入理解，并在教改實踐過程中針對綜合性實驗教學(xué)進(jìn)行探索，增加實驗的開放度鍛煉學(xué)生的綜合能力和科學(xué)思維，逐步形成了具有特色的適應(yīng)教改的生化分析實驗教學(xué)模式。

二 運用翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式填補(bǔ)專業(yè)知識不足

翻轉(zhuǎn)課堂是指學(xué)生在課外完成知識的學(xué)習(xí)，而將課堂變成了師生之間、學(xué)生之間互動的場所，包括答疑解惑、知識運用等，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。[3]這個教學(xué)模式的概念最初由J.Wesley Baker 在2000 年第11 屆大學(xué)教學(xué)國際會議上明確提出并使用。真正引起關(guān)注則是2007 年美國科羅拉多州落基山林地公園高中的兩位化學(xué)老師Jon Bergmann 和Aaron Sams 將該模式運用在化學(xué)教學(xué)中，并取得了可喜的成果。[4]翻轉(zhuǎn)課堂運用于理論學(xué)習(xí)的嘗試和推廣已經(jīng)非常普遍，但在實驗教學(xué)中的運用實例相對偏少。在實驗教學(xué)中運用翻轉(zhuǎn)模式，必須結(jié)合課程的特點，對素材進(jìn)行精心篩選，充分發(fā)揮文本、動畫和視頻等各種資源的優(yōu)勢，避免進(jìn)入“技術(shù)至上”的誤區(qū)，真正起到引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效果。[5]

“生化分析及實驗”課程所涉及的實驗原理大多屬于比較抽象的微觀層面，假如學(xué)生相關(guān)專業(yè)知識儲備不足，那么這些實驗對他們來說，就如同一個個待解構(gòu)的“黑箱”：按部就班地進(jìn)行實驗是“黑箱”的輸入端，得到既定的結(jié)果是“黑箱”的輸出端。如果不能解構(gòu)“黑箱”，當(dāng)結(jié)果不夠理想，學(xué)生就會茫然不知如何應(yīng)對。因此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮他們在通識課中學(xué)到的本領(lǐng)，利用好課內(nèi)課外時間，提高學(xué)習(xí)效率，自發(fā)提升專業(yè)知識背景，最終成功解構(gòu)“黑箱”，成為任課教師關(guān)注的焦點。

在這個思路的指導(dǎo)下，教學(xué)團(tuán)隊除了準(zhǔn)備相關(guān)課件和部分經(jīng)典文獻(xiàn)資料供學(xué)生課前自學(xué)外，還精心制作了小視頻，例如針對蛋白質(zhì)分離、純化的基本原理，特別設(shè)計了微觀部分的文字和動畫演示相結(jié)合的方式，配以淺顯的解說，方便初學(xué)者理解。學(xué)生利用翻轉(zhuǎn)課堂提前了解實驗的基本原理，課堂上再輔以講解和討論，使同學(xué)們在動手實驗前就能充分掌握理論知識。

三 虛擬仿真與實訓(xùn)相結(jié)合，強(qiáng)化技能訓(xùn)練，促進(jìn)知識理解

“生化分析及實驗”課程的主要實驗材料—蛋白質(zhì)具有特殊性，在分離純化的過程中要保持樣品的生物活性，所以需要根據(jù)不同樣品的特性，多方嘗試才能找到合適的分離方法。在以往的教材中，需要學(xué)習(xí)和掌握的分離純化方法很多，僅層析方法就有9 種，電泳方法有8 種，此外還包括光譜分析、儀器分析等相關(guān)內(nèi)容。為了在有限的課時內(nèi)讓學(xué)生更好地消化如此豐富的教學(xué)內(nèi)容，我們引入了虛擬仿真技術(shù)來解決這個問題。[6,7]

一方面，虛擬實驗通過模擬參數(shù)變化對實驗結(jié)果的影響，加深學(xué)生對實驗原理的理解。教學(xué)和科研過程中，在探討自變量和因變量之間關(guān)系的同時，經(jīng)常需要引入一些與當(dāng)前問題相關(guān)的其他變量，這樣的變量叫作參變量，也稱參數(shù)。生化分析實驗中參數(shù)的變化直接影響實驗的結(jié)果，這也是實驗原理的客觀體現(xiàn)。以離子交換層析實驗為例，理論上可以采用不同的洗脫緩沖體系、改變pH、鹽濃度、鹽梯度等分離參數(shù)，從而得到不同的分離結(jié)果和產(chǎn)率，然而在實驗室中，一般只能提供一種或少數(shù)幾種最優(yōu)化的條件讓學(xué)生進(jìn)行實際操作，體驗不全面。但是在虛擬實驗中，學(xué)生可以根據(jù)自己掌握的實驗原理，嘗試更多的參數(shù)組合，甚至可以對某些極端條件如強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性條件進(jìn)行模擬，得到相應(yīng)的實驗結(jié)果，驗證自己的設(shè)想，加深對知識的理解。

另一方面，虛擬實驗通過強(qiáng)化操作細(xì)節(jié)的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的細(xì)節(jié)意識。生化分析實驗實踐性強(qiáng)，對動手能力的要求較高，往往細(xì)節(jié)決定成敗。比如，層析實驗在裝柱添加填料時，若未將已經(jīng)形成的界面攪散，就會導(dǎo)致柱體出現(xiàn)截痕；或者加樣時速度過快，忽視了柱面保護(hù)，就會破壞柱面。這些細(xì)節(jié)會嚴(yán)重影響分離效果。因此通過總結(jié)以往實驗中高頻出現(xiàn)的誤操作，在虛擬仿真中用特寫鏡頭加以強(qiáng)調(diào)并進(jìn)行針對性訓(xùn)練，可以切實提高學(xué)生的動手能力。

通過虛擬仿真引導(dǎo)學(xué)生對實驗參數(shù)及參數(shù)間協(xié)調(diào)作用的思考理解，同時加強(qiáng)細(xì)節(jié)訓(xùn)練，探討忽略細(xì)節(jié)可能造成的結(jié)果及造成這些結(jié)果的原因，幫助他們解構(gòu)“黑箱”。在解構(gòu)“黑箱”的基礎(chǔ)上，再挑選有代表性的實驗進(jìn)行實訓(xùn)和評價，這種虛實結(jié)合的學(xué)習(xí)方式有效地增進(jìn)了學(xué)生對知識的理解，提高了教學(xué)效率，節(jié)約了課時，為增加綜合能力訓(xùn)練課時提供了可能。

四 設(shè)計開放性大實驗，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和綜合素養(yǎng)

為了應(yīng)對人才培養(yǎng)目標(biāo)變化帶來的挑戰(zhàn)，在實現(xiàn)技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上引入開放性大實驗，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與綜合素養(yǎng)。[8,9,10]目前教學(xué)中常用的開放實驗?zāi)Ｊ街饕幸韵聨追N：一、指定課題，并提供備選方案供學(xué)生選擇。這種模式有助于學(xué)生通過經(jīng)典方法之間的比較，加深對課本知識的理解和掌握，但拓展性不足，對學(xué)生綜合能力的訓(xùn)練不夠；二、指定課題，開放實驗方案，讓學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)，自主設(shè)計實驗方案。通過對文獻(xiàn)方法與經(jīng)典方案的比較，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維，提高解決實際問題的能力；三、開放選題，學(xué)生在課程相關(guān)的范圍內(nèi)自主選題，經(jīng)開題討論后完成設(shè)計并進(jìn)行實驗。這種模式偏重知識的拓展，鼓勵學(xué)生關(guān)注學(xué)科前沿，但對學(xué)生的專業(yè)知識儲備有較高的要求。

結(jié)合教學(xué)的實際情況，既要滿足實驗材料的生物活性相對穩(wěn)定，又要保證實驗方法的多樣化，還要兼顧實驗的容錯性。教學(xué)團(tuán)隊經(jīng)過反復(fù)的實踐與探索，在對第一種模式進(jìn)行嘗試和總結(jié)的基礎(chǔ)上，最終確定以“天然酵母中蔗糖酶的提取、純化和鑒定”為題，并按照第二種模式實施開放實驗課程。在進(jìn)行實驗設(shè)計時，教師僅給出蛋白質(zhì)分離和分析這一籠統(tǒng)的范圍，鼓勵學(xué)生根據(jù)生化技術(shù)的一般思路和原理查閱文獻(xiàn)，并結(jié)合所學(xué)知識來設(shè)計實驗，再經(jīng)過教師的指導(dǎo)和開題報告，最終完成實驗。同時，我們根據(jù)部分學(xué)生的想法，改善了實驗條件，引入FPLC，HPLC 和化學(xué)發(fā)光等大中型儀器。這些舉措給予學(xué)生充分發(fā)揮的空間，進(jìn)一步激發(fā)了他們的積極性。有的學(xué)生使用HPLC 進(jìn)行純化；有的學(xué)生設(shè)計并自制親和填料，采用親和層析的純化方案；有的學(xué)生嘗試了電泳分離后用電洗脫的方式進(jìn)行純化；還有的學(xué)生做了誘導(dǎo)表達(dá)的實驗，嘗試提高蔗糖酶的產(chǎn)量。實踐表明，開放性的綜合實驗對提高學(xué)習(xí)積極性的作用非常顯著。在前期課程掌握基本知識并成功解構(gòu)“黑箱”的基礎(chǔ)上，以設(shè)計綜合性實驗的方式引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建新的“黑箱”，學(xué)習(xí)以科學(xué)的思維思考問題、解決問題，最終實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的新目標(biāo)。

通過這個階段的實驗教學(xué)，教學(xué)團(tuán)隊也獲得很多寶貴的實踐經(jīng)驗：（1）如何引導(dǎo)并督促學(xué)生主動查閱文獻(xiàn)，傳授根據(jù)各種來源的文獻(xiàn)進(jìn)行分析、比較和設(shè)計實驗的技巧，促進(jìn)學(xué)生更好地理解以科研和以生產(chǎn)為目的的實驗方案的差異；（2）協(xié)助學(xué)生統(tǒng)籌設(shè)計整個實驗方案，合理安排實驗時間以保證實驗進(jìn)度的順利銜接，并鼓勵學(xué)生認(rèn)真地將自己的設(shè)計方案付諸實施；（3）在實驗完成之后，指導(dǎo)學(xué)生通過對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和比較，總結(jié)實驗方案設(shè)計和實驗操作中的得失，體會如何根據(jù)實際需要合理使用人力、物力和時間來達(dá)到實驗?zāi)康?，提高實驗的成功率?/p>

五 結(jié)語

南京大學(xué)國家級生命科學(xué)實驗教學(xué)示范中心的教學(xué)團(tuán)隊通過這幾年對生化分析實驗課程改革的探索，將翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式、虛擬仿真技術(shù)、開放性大實驗等教學(xué)手段應(yīng)用于生化分析的本科課堂教學(xué)。實踐證明：翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生自主預(yù)習(xí)專業(yè)知識，增強(qiáng)課堂教學(xué)過程中師生間的互動；利用虛擬仿真技術(shù)強(qiáng)化基礎(chǔ)實驗技能訓(xùn)練，虛實結(jié)合相輔相成，加深對實驗原理的理解，有效提高了教學(xué)效率；綜合性大實驗則為鍛煉學(xué)生綜合解決問題的能力和科學(xué)思維提供了平臺。實驗教學(xué)逐步走向?qū)W生自主學(xué)習(xí)、開拓思維、綜合運用知識的新型實驗?zāi)Ｊ?。從歷年的學(xué)生實驗效果來看，從早期的簡單重復(fù)書本上的實驗并提交雷同的實驗報告，到現(xiàn)在運用各種方法得到純化物質(zhì)并做出分析和比較，學(xué)生動手能力、分析能力、解決問題的能力都得到了鍛煉和提高，通過切身體會更好地了解相關(guān)領(lǐng)域科研工作的一般流程以及可能遇到的問題，學(xué)會實驗的統(tǒng)籌安排。

高等教育的目的旨在培養(yǎng)社會所需要的高級專門人才，他們不僅要有知識，更要能夠靈活運用掌握的知識解決問題并有所創(chuàng)新。我們團(tuán)隊在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，只有堅持以學(xué)生為本，并以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、提出和解決實際問題的能力以及創(chuàng)造性思維能力為宗旨，才是實驗教學(xué)改革的最終目標(biāo)。因此，面對快速發(fā)展的科技水平和人才培養(yǎng)要求的提高，課程內(nèi)容和教學(xué)方式的更新?lián)Q代、與時俱進(jìn)也是實驗課程教學(xué)的新目標(biāo)。如何把先進(jìn)的知識和技術(shù)引入到課程中，讓多種教學(xué)手段融合在一起，更好地為教學(xué)服務(wù)，也是我們今后要繼續(xù)努力和探索的方向。