基于拔尖人才培養的生化實驗教學改革初探

李 欣， 趙玉紅， 李小菊， 李登文， 周 浩，張翠竹， 張 鈞， 張金紅， 趙立青

(南開大學 生命科學學院 生物實驗教學中心，天津 300071)

基于拔尖人才培養的生化實驗教學改革初探

李 欣， 趙玉紅， 李小菊， 李登文， 周 浩，張翠竹， 張 鈞， 張金紅， 趙立青

(南開大學 生命科學學院 生物實驗教學中心，天津 300071)

伯苓班是南開大學入選的國家“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”試點班?；趯W校的重視及其自身的優勢，針對生物學科伯苓班，課程組通過增設實驗教學內容、改進實驗教學模式和建立師生激勵機制等方法，對基礎性生物化學實驗課程進行教學改革，探索生化實驗教學的新路徑，有效提升學生的創新實踐能力和教師的綜合業務水平，并且緊跟實驗教學改革步伐，建立起多元化的實驗室管理模式。改革后的教學體系連續4年應用于面向伯苓班的生物化學實驗課程，并取得了良好的實驗教學效果，提升學生科研素養的同時，更激發學生的創新能力，對伯苓班的拔尖人才培養起到舉足輕重的作用。

伯苓班； 人才培養； 生化實驗； 教學改革

0 引 言

我校生命科學學院“伯苓班”是入選的國家“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”的生物學科人才培養試點班。從2009年開始，每年經過筆試和面試的嚴格考核，本著“優中選優”的原則，從新生中選拔出20～30人組成“伯苓班”。人才培養是高等教育的核心與靈魂，而探索適合拔尖人才的培養模式，也一直是高校教學改革關注的重點。作為拔尖人才培養的重要舉措之一，伯苓班的成立，能夠讓學有余力的學生獲得更多更好的學習機會，凸顯了教育中因材施教的重要性，同時，也為教學質量的提高和教學改革的推進提供了更強大的動力和更廣闊的平臺[1]。

生物化學實驗(以下簡稱“生化實驗”)是生物實驗教學中心面向本院大二年級學生開設的基礎實驗必修課程。作為實驗類專業課程的先導課，生化實驗涵蓋了滴定、電泳、層析、離心和分光光度法等多項常用實驗技術。這些技術內容是生物學科入門的“敲門磚”，更是遺傳學、分子生物學、細胞生物學及動植物學等其他領域的重要研究工具。大二年級的伯苓班也是該課程的授課對象之一。生化實驗教學的重要性以及伯苓班的特殊性無疑對本門課程提出了更高的目標和要求。因此，探索基于伯苓班人才培養的生化實驗教學改革模式則勢在必行。

1 教學改革的必要前提

1.1 學生基礎好

伯苓班學生是經過筆試、面試層層選拔出來的，在學習能力、溝通能力和科研素養等諸多方面有著明顯的優勢。另外，院里依托科研平臺專門為伯苓班開設了科研訓練課程，讓學生在大二上學期就有機會進入科研實驗室，了解更多的實驗技術和儀器應用，拓展知識面的同時，還能提前體驗科研學習氛圍。因此，對于“見多識廣”的伯苓班學生而言，傳統的基礎性實驗教學內容已不足以滿足他們的求知欲。因此，只有在實驗教學中涉及更廣博的知識內容、更熱門的科學前沿和更先進的儀器設備，才能充分調動起學生的積極性，激發學生的學習熱情。也正是基于伯苓班學生良好的學習基礎和綜合素質，才能把更加豐富的教學內容和多樣化的教學模式水到渠成的引入實驗教學體系中，大力推進了實驗教學改革。

1.2 經費保障足

實驗教學改革中，增設或拓展實驗項目必然會涉及到相應試劑、耗材以及相關儀器設備的購置。因此，充足的實驗教學經費也就成為了實驗教學改革的必要前提。為此，學校為伯苓班實驗課劃撥專項經費，用來購買課程所需的實驗用品，為實驗教學改革提供了可行性。另外，一些精密貴重儀器的購置也得到了學校和院里經濟上的大力支持，如近年來生化實驗室引進的Nanodrop 2000C超微量分光光度計，Tecan Infinite F50酶標儀和G:BOX CHEMI XR5熒光、化學發光凝膠成像儀等，這些先進的儀器設備的引入無疑為生化實驗教學內容的拓展和革新提供了有力的硬件保障。

1.3 師資力量強

作為教學過程的主導，教師的業務能力和水平在人才培養過程中起著至關重要的作用。伯苓班旨在拔尖人才培養，其所配備的教師必然要具備突出的教學能力和專業技術水平。在生化實驗課程組中，任課教師不但具備多年的教學經驗，還主持或參加多項高水平的科研項目，這更有利于將研究成果轉化成實驗教學內容，利用科研反哺教學，促進實驗教學的改革。另外，實驗室技術人員也參與到伯苓班生化實驗課程中。技術人員均具有碩士學歷，并參加過實驗室儀器設備的專業培訓，可以在實驗室儀器設備的使用和維護等方面為學生進行理論講解和操作指導，成為任課教師實驗教學內容之外的有力補充，讓學生不再對那些“高大上”儀器望而卻步，而是做到知己知彼，心中有數，提高學生的實踐能力和創新能力，為將綜合性和開放性實驗教學項目引入基礎教學打下堅實的基礎。

2 教學改革的具體措施

為了充分發揮生化實驗教學在培養高層次、高質量創新人才中的作用，生化實驗課程組在教學內容、教學模式和激勵機制等方面進行不斷的探索和嘗試，更加注重培養學生的自學能力、實踐能力、獨立分析問題和解決問題的能力，并取得了良好的效果[2-3]。

2.1 增設實驗內容，完善實驗教學體系

傳統的基礎生化實驗項目堪稱經典，但隨著知識與技術的迅猛發展，實驗教學內容也必須要與時俱進，對原有實驗進行不斷的拓展和補充，才能滿足當下拔尖人才培養的迫切需求。為此，合理增設實驗內容，將科研成果、綜合性及開放性實驗項目轉化并融入到基礎性生化實驗教學中，才能不斷完善實驗教學體系，提高實驗教學效果[4]。

2.1.1 增設“質粒DNA的小量提取及核酸電泳”實驗

質粒小提及核酸電泳技術一直是面向大三年級開設的分子生物學實驗教學內容之一，但考慮到該項實驗技術應用廣泛，以及伯苓班學生要提前進入科研實驗室的特殊性，課程組便將該技術補充到生化實驗教學內容之中。課上采用實驗室常用的試劑盒提取方法，更貼合目前科研工作的實際情況，為學生進入科研實驗室做好鋪墊。與此同時，教學中實驗原理的講解巧妙的結合了傳統的堿裂解法，讓學生充分意識到，任何先進的技術方法都源于經典，只有夯實基礎才能有所創新。

2.1.2 將二維電泳技術引入實驗教學體系

原有實驗教學內容中包含了“SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質分子量”(SDS-PAGE)和“聚丙烯酰胺凝膠等電聚焦電泳測定蛋白質等電點”(IEF-PAGE)這兩個實驗，而二維電泳作為近年來的熱點，正是這兩項電泳的有機結合。但由于二維電泳技術復雜，操作精細，耗時較長，因此一直作為綜合性項目，沒能引入到基礎實驗教學體系當中。而對于伯苓班而言，新知識的接受速度和實驗操作的完成速度更快，學習能力和實踐能力也更強，因此，將二維電泳的雙向——“SDS-PAGE”和“IEF-PAGE”進行拆分，分別吸納到兩個基礎實驗的剩余學時中，讓學生在鞏固基本內容的同時，學習到先進的熱門技術，大大提高了學生的學習積極性。至此，新的生化實驗教學內容已基本囊括了本科階段所有常用的電泳技術，包括基礎性的核酸電泳、SDS-PAGE和IEF-PAGE，以及綜合性的二維電泳，不僅拓展了伯苓班學生的知識面，也使實驗教學體系得到了很好的完善[5-6]。

2.1.3 利用兩種方法進行肝組織DNA的提取和含量檢測

基礎實驗教學內容中采用“濃鹽法”提取肝臟組織中的DNA，并用二苯胺法進行含量檢測。為了更加符合科研實驗室的實際應用需要，開闊學生的眼界，伯苓班在完成經典實驗的基礎上，還要求利用“動物組織/細胞基因組DNA提取試劑盒”提取肝臟組織DNA，并利用先進的Nanodrop 2000C超微量分光光度計進行含量測定，讓學生在同一堂課上體驗經典技術與現代方法的不同，并深入探討它們各自的適用范圍。另外，利用Nanodrop 2000C檢測DNA含量，樣品量只需2 μL，測量時間僅需數秒，而且不僅可以定量，還可檢測樣品的純度，讓學生充分體會到先進儀器設備的人性化設計為實驗帶來的方便與快捷。一個實驗內容采用兩種方法完成，不僅拓寬了學生的思路，激發了學習興趣，同時也為培養學生的創新能力奠定了基礎。

2.1.4 利用HPLC進行維生素C含量測定

高效液相色譜(HPLC)是一種在化學、醫學、工業、農業等諸多學科領域中不可或缺的分離分析技術。和二維電泳一樣，HPLC同樣存在著技術復雜，耗時長的問題，所不同的是，它不能拆分，需要一氣呵成，因此一直應用于面向高年級開設的在連續時間內集中完成教學任務的開放性實驗。為了讓伯苓班學生能夠了解這一技術并不增加學生課余負擔，課程組依托實驗教學中心設備資源，在前期摸索出適合檢測水果中維生素C含量的條件，并提前做好樣品前處理和儀器調試，讓學生在學習完傳統的滴定法測含量后，由實驗技術人員對HPLC進行儀器原理和操作要點的講解并指導學生進樣，得出實驗結果。這樣的安排既可以讓學生在有限的學時中親自體驗并操作HPLC，還能夠將開放性實驗的部分內容引入到基礎實驗教學中，有效推進了生化實驗的教學改革[7-8]。

2.2 改進教學模式，提高學生學習熱情

基于伯苓班人才培養的特殊性，除了豐富實驗內容外，探索教學模式的革新也是教學改革的重要環節之一，是提高學生創新實踐能力的必要途徑。

2.2.1 單獨組班，單人操作

為了便于集中管理和授課，學院將從每屆中選拔出的20～30名伯苓班學生單獨組班。不同于大班實驗課受實驗場地和資源的限制而往往需要兩人一組進行實驗，伯苓班采用小班教學，由任課教師先集中講授，再由學生單人操作。這樣既方便教師掌握每個學生的真實情況，利于進行針對性的指導，又培養了學生獨立發現問題、分析問題、解決問題的能力，為以后獨立進行科研工作做了良好的準備。

2.2.2 網上預習，翻轉課堂

對于學有余力的伯苓班學生而言，良好的課前預習會讓課堂教學內容的理解和掌握事半功倍。因此，教師將自己精心制作的多媒體課件放在生物實驗教學中心的線上教學網站上，供學生隨時觀看。多媒體課件制作精良，重點突出，使學生的預習不再只停留在生硬的教材上，大大提高學生預習的主動性和積極性，從而達到理想的預習效果。學生在預習的基礎上，對實驗內容更容易消化吸收，動手操作也更規范迅速，這就使教師在實驗課堂上有更多的時間組織學生對實驗結果進行分析和討論，從而不斷提高學生的溝通能力、思辨能力和創新能力，為翻轉生化實驗課堂，建立更加適合伯苓班的教學模式作出努力探索和嘗試。

2.2.3 儀器培訓，親自上手

在以往的大班實驗課上，教學大多關注實驗內容本身，往往忽略了對所用到儀器設備的具體講解，再加上受人數和資源所限，有些學生就會錯過親自操作的鍛煉機會。而在伯苓班實驗教學中，任課教師和實驗技術人員會在儀器原理、操作要點及日常維護等方面向學生進行專門的介紹和培訓，并指導學生對所用到的儀器親自上手操作，既提高了學生的實踐能力和教師及實驗技術人員的業務水平，更為教學改革提供了有力的智力支持。

2.3 建立激勵機制，促進教學改革長效發展

2.3.1 學生方面

伯苓班小班授課，單人操作，每個人都是獨立完成自己的實驗，成績的評定只和本人的操作過程、實驗素養、課堂表現和實驗報告等方面有關，因此，本著對自己成績負責的原則，學生在教學過程中會更加嚴謹認真，使教學改革達到更為理想的效果。另外，在課程最后會組織生化實驗基本技能競賽，目的是考察學生生化實驗基本功的掌握情況，教師可以在今后的實驗教學中更加有的放矢。競賽要求伯苓班全體參加，由任課教師和實驗技術人員考評并給出成績和名次，并根據競賽結果發放加蓋院章的證書。該證書對于伯苓班今后的保研、夏令營、聯合培養等深造機會的申請都有加分作用，因此一直以來的都備受學生重視，對學生起到有效的激勵作用。

2.3.2 教師方面

為保證生化實驗課程的教學效果，伯苓班每個學生都要根據每位任課教師的教學態度、教學內容、教學方法和教學效果等進行評教打分，結果上報生物實驗教學中心。學生的評價既是對教師工作的鞭策和激勵，也是教學改革效果的重要反饋，可以讓教師清楚地認識到自己工作中的優點和不足，能夠在今后的工作中，強化優勢，取人之長，補己之短。與此同時，學校和院里一直鼓勵教師和實驗技術人員申請教學改革項目，在晉升機制上也會向教學方面有所傾斜，這充分體現了對教學工作的高度重視和認可。政策上的大力支持無疑是對教師教學積極性的激勵，不但為教學改革創造了有利條件，更成為推進教學改革長效發展的有力手段。

3 教學改革的重要意義

3.1 突出拔尖人才優勢，提高學生創新實踐能力

因材施教一直是高等教育工作中的重要原則。伯苓班作為“基礎學科拔尖學生培養試驗計劃”的試點班，其整體素質突出，在學習能力、理解能力和實踐能力等多方面有著明顯的優勢，因此，傳統的實驗教學已不能滿足他們的求知欲。通過實驗教學改革，將更多、更新、更前沿的知識和技術傳授給學生，激發他們對科學研究的好奇心和學習熱情，鼓勵他們在夯實基礎的前提下有所創造，既充分發揮了伯苓班的拔尖優勢，又提高了學生的創新實踐能力。近年來，本科生積極參與“國家級大學生創新訓練計劃”“天津市大學生創新訓練計劃”和“百項工程”等項目，并有多人獲獎，教學改革成效可見一斑[9-11]。

3.2 完善實驗課程體系，提升教師綜合業務水平

實驗教學的革新，就需要將新的教學內容和新的教學模式引入到實驗課堂上，一方面可以不斷增加貼近當下科研工作的新知識新方法的傳授，使實驗課程體系得到進一步完善；另一方面也對教師和實驗技術人員提出了更高的要求。教師和技術人員不能墨守成規，而是要與時俱進，不斷為自己充電，補充專業知識和技術的同時對其他研究領域也要有所涉獵，努力提升自身的綜合業務水平，和拔尖人才教學相長，成為勝任伯苓班教學的“拔尖教師”。

3.3 加強生化實驗室建設，促進實驗室管理多元化

良好的實驗環境是推行教學改革的物質基礎和硬件保障?；趯W校對伯苓班的高度重視和經費支持，生化實驗室近年來購置了多種先進儀器設備，要在有限的空間內，使精密儀器既方便師生使用，又利于儀器的維護和保養，就必然需要實驗室的合理布局。另外，根據院里和實驗中心的相關規定，儀器還可以在課外對師生開放。為此，實驗室建立起相應的開放管理制度，在保證人身財產安全的前提下，使儀器物盡其用，最大程度上實現資源共享[12-13]。與此同時，實驗內容的增設會導致使用的試劑藥品種類更加多樣，實驗產生的廢液、固體廢棄物也隨之增加。做好實驗室藥品試劑的安全管理，妥善處理實驗“三廢”，樹立綠色環保意識，也是實驗室管理的重要任務之一。因此，加強實驗室建設，實現實驗室多元化管理，構建人性化的實驗環境，是教學改革過程中帶給師生的又一福利[14]。

4 教學改革的成效

經過多年的積累與探索，課程組已成功建立起基于伯苓班人才培養的生物化學實驗教學體系，并已連續4年應用于生化實驗課程中。改革后的教學體系提高了學生的學習積極性，增強了學生的動手操作能力，取得了良好的實驗教學效果。另外，伯苓班學生在實驗技能類競賽中多次獲得優異成績，其表現得到廣泛認可和一致好評，也在一定程度上體現了實驗教學改革的成效。與此同時，伯苓班學生可以提前進入科研實驗室學習，在有生化實驗課程作鋪墊的前提下，能夠更好地理解并參與到科研工作當中，不斷總結心得，梳理思路，通過自主選題、自組團隊、自選導師的方式，研究自己感興趣的小課題，其中最具代表性的就是申請學校專門為鼓勵本科生科學研究而設立的“創新科研計劃項目”，不但大大提高了學生的科研素養，更能充分激發學生的創新意識和創造力，為實現伯苓班人才培養目標奠定堅實的基礎。

5 結 語

人才培養是高等院校教育工作的重中之重。伯苓班作為拔尖人才培養對象，其教育模式和培養方式一直是教育工作者關注和探究的熱點。在為伯苓班開設的基礎性生化實驗課程中，根據伯苓班的優勢和特點，通過完善實驗內容，改進教學模式和建立健全激勵機制等方法，有效的對生化實驗教學進行了革新，不但提高了學生的創新實踐能力和教師及技術人員的綜合業務水平，并且建立起實驗室多元化管理模式，對拔尖人才的培養具有深遠意義。

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Research on the Teaching Reform of Biochemistry Experiment Based Tip-top Talent Cultivation

LIXin，ZHAOYuhong，LIXiaoju，LIDengwen，ZHOUHao，ZHANGCuizhu，ZHANGJun，ZHANGJinhong，ZHAOLiqing

(Biological Experimental Center， College of Life Science， Nankai University， Tianjin 300071， China)

Boling class in Nankai University is an experimental class with “the Plan for Cultivating Top-notch Students of Basic Disciplines”. Based on the importance and advantages of Boling class majored in Biological Sciences, the teaching group has carried out reform, such as adding the experiment teaching content, improving the experiment teaching mode and establishing the incentive mechanism for teachers and students to explore a new path of biochemical experiment teaching. These methods have effectively improved students’ innovative practical ability and teachers’ comprehensive business level. Simultaneously, a diversified laboratory management model was established to closely follow the pace of the reform in the experimental teaching. Reformed teaching system has been applied in biochemistry experiment to Boling class for four years, and good experiment teaching effect has been obtained. The reform not only improves students’ scientific literacy, but also stimulates students’ innovation ability, and has played an important role in the talent cultivation of Boling class.

Boling class; talent cultivation; biochemical experiment; teaching reform

2016-08-01

2013年國家基金委人才建設培養基金條件建設項目(J1310003)

李 欣(1985-)，女，天津人，碩士，實驗師，主要從事生物化學和分子生物學實驗教學輔助工作。

Tel.：13682032704;E-mail：stjkhyxf@126.com

趙立青(1962-),女，云南洱源人，教授，研究方向為肺組織遠端發育及腫瘤免疫。E-mail: zhaolq@nankai.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)05-0184-04