醫用生物化學實驗教學改革探討

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摘要:醫用生物化學是高等醫學院校的主干基礎課程之一，其實驗教學在生物化學的教學中起著重要作用。為提高學生的創新意識和實踐能力，培養高素質的創新型人才，天津醫科大學生物化學與分子生物學系就醫用生物化學實驗課程進行了改革實踐與探索。闡述了前期醫用生物化學實驗教學存在的問題，提出了課程在優化實驗內容、多種教學模式相融合、更新儀器設備、鼓勵學生參與實驗準備、完善成績評價體系等方面的改革。實踐表明，改革后的實驗教學可有效提升學生的學習積極性和創新能力，實驗教學質量顯著提高。

關鍵詞:醫用生物化學實驗;教學改革;翻轉課堂;PBL教學;開放式實驗教學

醫用生物化學是我校基礎醫學、臨床醫學、藥學、口腔及護理等專業本科生必修的一門基礎課程，是聯系基礎醫學和臨床醫學的重要學科。實驗教學作為醫學生物化學教學內容的一部分，在整個教學過程中占有重要地位，不僅可以加強理論與實踐的結合，鞏固基礎知識，培養操作技能，更是培養醫學生科研能力、創新能力和整體素質的重要渠道［1］。因此如何利用實驗教學環節，提高學生的學習興趣，滿足學生對新知識的需求，培養學生創新能力、實踐能力和科研能力，值得教學工作者進行深入思考和探究。

1醫學生物化學實驗教學中存在的弊端

1．1教學內容陳舊受傳統教學理念的影響，長期以來，實驗教學一直依附于理論教學，驗證性實驗占主導地位，而缺少綜合性、設計性、開放性實驗，開設的實驗內容都較為陳舊，包括凝膠層析法分離血紅蛋白與魚精蛋白、蛋白質的提取及定量測定、動物組織核酸的提取與鑒定、食物中維生素C的提取與定量、溫度、pH、激活劑和抑制劑對酶活性的影響、肝糖原的提取與鑒定、血清蛋白醋酸纖維素薄膜電泳和瓊脂糖凝膠電泳法分離乳酸脫氫酶同工酶。其中動物組織核酸的提取與鑒定，僅停留在簡單粗提和定性反應上，缺乏定量方法的掌握，且實驗中使用硫酸，二苯胺等多種揮發性化學試劑;蛋白質的定量測定，課堂上直接為學生提供血清蛋白樣品而非自己從組織或細胞中提取，且定量操作方法和儀器不夠精確，操作步驟需要改進;食物中維生素C的提取與定量操作簡單并且在臨床和科研工作中應用極少;瓊脂糖凝膠電泳法分離乳酸脫氫酶同工酶電泳使用載玻片進行凝膠電泳，操作技術陳舊。1．2儀器設備陳舊且配置不足實驗教學設備陳舊，跟不上生物技術的發展，與科研實驗設備嚴重脫節［2］。實驗室常規配備的儀器主要是離心機、水浴鍋、分光光度計、電泳儀等常規儀器，且年代久遠，基本已經被科研實驗室淘汰，比如蛋白質的定量測定目前已使用更精確更節省樣品和時間的酶標儀，而傳統教學實驗仍在使用分光光度計;實驗過程中仍在使用移液管加樣，微量取樣無法保證精確度，而科研中已使用移液器，學生在實驗課中不僅要掌握前沿實驗技術方法，也應該熟悉先進科研儀器的使用，這樣才能更好地調動其學習的積極性，充分發揮實驗課的價值，此外一些大型精密儀器的缺乏也會限制實驗內容的更新，因此儀器設備的配備和更新迫在眉睫。1．3教學模式被動以往的實驗教學模式多采用填鴨式教學模式［3］，上課前由老師準備實驗試劑和調試儀器設備，課堂上學生被動接受老師講解，參照實驗教材按照固定的實驗步驟完成實驗，課后完成實驗報告的書寫，實驗現象、結果分析不透徹，甚至出現抄襲實驗報告的現象。這種模式下學生缺乏對實驗設計的審視和思考，缺少對實驗結果差異的分析，無法獨立思考解決實驗中出現的問題，約束了學生學習的主動性和創造性，不利于學生動手能力、創新能力和實驗技能的培養，與現代醫學院校培養復合型醫學人才的目標差距甚遠。因此，采用多元化教學方法提高實驗教學效果，勢在必行［4］。

2醫學生物化學實驗課程的改革措施

2．1調整實驗教學內容。(1)優化基礎教學實驗。從適應臨床醫學和基礎醫學科學發展需要的角度出發，更新后的實驗課程既包含驗證性實驗又包含綜合性實驗，涵蓋了蛋白質、核酸、酶和糖類等重要生物物質，包括唾液淀粉酶活力測定及溫度、pH、激活劑和抑制劑對酶活性的影響、肝糖原的提取與鑒定、血清蛋白醋酸纖維素薄膜電泳、蛋白質的提取及定量測定、SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質分子量、質粒DNA的提取及鑒定、質粒DNA的濃度測定與雙酶切鑒定。這些實驗既具有代表性又符合科研需求，學生通過這些實驗可以掌握電泳儀、離心機、酶標儀、Nanodrop2000、凝膠成像儀等生化儀器的使用方法，學會了大分子物質的分離純化和含量測定分析方法。實驗過程中2名學生1組，每位學生都有動手的機會，又能培養其團隊合作意識，允許學生根據具體的實驗內容和實際情況合理安排，比如在蛋白質的提取及定量測定實驗中，學生可以選擇考馬斯亮藍法、雙縮脲法和BCA法測定同一蛋白質的濃度，比較3種方法的優缺點，對實驗結果做出合理分析。質粒DNA的提取及鑒定取代了原來的動物組織核酸的提取與鑒定，操作上使用目前科研中常用的質粒小提試劑盒，與后續質粒DNA的濃度測定與雙酶切鑒定環環相扣，學生提取的質粒DNA會在下一次課進行濃度測定和雙酶切，這無形中使得學生認真對待每一次實驗，增加了學生對實驗的興趣和結果的期待，同時也培養了學生認真負責的學習態度。(2)增加設計性教學實驗。設計性實驗要求學生能夠將生物化學和分子生物學理論與實驗技術運用到實際的科研工作中去，目前開設的有腫瘤基因p62表達質粒構建及其對人宮頸癌Hela細胞增殖的影響、酒精代謝關鍵酶乙醛脫氫酶2(ALDH2)的基因多態性分析兩個實驗。以腫瘤基因p62表達質粒構建及其對人宮頸癌Hela細胞增殖的影響為例，由教師提出實驗題目，學生查閱文獻，互相討論，提出實驗設計方案開展實驗，涉及的實驗技術包括引物設計、PCR、質粒構建、質粒提取及濃度測定、細胞轉染、蛋白質的提取與定量測定、蛋白質免疫印跡、CCK-8等，由于實驗具有連貫性，這就要求學生合理安排時間，培養了學生的科研思維和創新能力。由于場地、課時和時間連續性的限制，目前該實驗主要針對基礎醫學專業“朱憲彝”班開設，其他具有一定科研基礎的學生可以進行開放性實驗預約選修。每個實驗項目的內容、時間、指導老師等信息統一錄入實驗教學預約平臺，學生根據專業需求和興趣進行選擇。此外，鼓勵學生結合臨床實際，開展創新型設計實驗，由學生自主選題設計實驗方案，經教師可行性分析討論后，予以實施，鼓勵學生申報大學生創新性課題，為學生提供創新實驗活動基地。設計性實驗部分既能鍛煉學生的科研能力、創新能力，又能鍛煉學生的學術論文寫作能力，為學生的科研工作搭建了很好的平臺。2．2改革傳統教學模式。(1)翻轉課堂。翻轉課堂是教師利用現有的信息技術手段，重新調整課內外時間，將創建好的教學視頻、動畫、圖片或課件等課前發送給學生，學生課前觀看，課堂上教師再針對性進行講解［5］。我系將生化實驗課程及實驗室精密儀器的使用操作制作成15min左右的視頻短片，錄制視頻時對操作的關鍵點給予近鏡頭，生動直觀的展示實驗內容。做好的課程短片配套實驗講義和實驗報告放在超星學習通上，每學期上課的學生通過二維碼進班級群，學生可以在課前通過電腦或手機隨時隨地進行預習，每個學生完成理論知識和操作要點的學習方可取得相應的分數，計入綜合成績，并且師生可以在線答疑和討論。課堂上以提問的方式檢查學生課前預習的情況，根據學生的回答再提出問題，節省了課堂講授環節的時間，讓學生有更多的時間操作和思考，并且避免了學生的不規范操作，提高了學生實驗的成功率。實驗結束后，通過分析討論實驗結果，出現與預期不符的情況，做好分析總結，尋找原因。(2)PBL教學。PBL教學法是以問題為導向的教學方法，能夠激發學生學習興趣，培養學生創造性思維以及解決問題的能力［6］。實驗教學前可以先提出問題，在做“腫瘤基因p62表達質粒構建及其對人宮頸癌Hela細胞增殖的影響”實驗時，先提出問題:目前科學前沿對腫瘤基因p62的研究進展，怎樣在腫瘤細胞中進行p62基因功能的研究，研究該基因功能的臨床意義等。這就需要學生在課前充分查閱文獻，了解國內外研究現狀。經小組討論給出科學嚴謹的實驗方案。課堂上，各小組通過PPT以類似開題報告的形式進行講解，教師根據設計方案的目的性、科學性、創新性和可行性進行提問，引導同學一起對實驗方案進行修訂，指導學生完成實驗，這樣就可以充分調動學生參與實驗的積極性并引導學生對實驗的內容步驟等進行思考，使學生更好地通過實驗教學理解生物化學的理論知識，將實驗教學與理論學習很好地結合起來。(3)案例教學。在實驗課前給學生布置相關的臨床案例，讓學生結合理論知識進行分析探討，讓學生理解實驗課程的臨床意義［7］。例如血清蛋白中各類蛋白的百分比對于肝、腎疾病和多發性骨瘤髓的診斷具有重要意義，在做“醋酸薄膜電泳分離血清蛋白質”實驗前，給出案例，讓學生根據肝病的血清蛋白電泳圖譜，結合血清蛋白和PA測定的數據，對肝病患者做出早期臨床診斷。這種教學模式將實驗課程與理論知識和臨床案例相結合，讓學生帶著興趣做實驗，使學生變被動為主動，激發了對實驗課學習的熱情。(4)開放式實驗教學。開放式實驗教學是在完成正常教學任務的前提下，將實驗時間、儀器設備、實驗場地、實驗項目、試劑耗材等資源通過教學實驗預約平臺，面向本科生開放［8］，使學生帶著問題進入實驗室，得到老師的指導［9］，充分體現了“以學生為主體，學以致用”的教學理念。開放式實驗教學更能突出學生參與實驗的主動性，激發學生的創造熱情［4］。實驗項目建設要體現學生的自主性，同時又要滿足不同層次學生的需要，因此既要設立可供學生選擇的指定性實驗項目，又要允許學生自行提出和設計實驗題目的創新型實驗項目。實驗項目可由教師提出、學生自主申請，也可由學生自主選題、選擇指導教師。其過程均是在教師指導下，學生設計實驗方案，自主完成實驗操作，具體操作過程中發現問題細心觀察，主動思考，并對實驗結果進行分析處理，培養了學生分析問題和解決問題的能力［10-11］。例如“酒精代謝關鍵酶乙醛脫氫酶2(ALDH2)的基因多態性分析”是學生自主設計的開放式實驗項目，通過對催化酒精代謝中間產物乙醛氧化分解的關鍵酶ALDH2的遺傳多態性分析［12-13］來檢測不同人對酒精的耐受程度。該項目貼近生活，學生通過查閱文獻，自主設計實驗，大大提高了學生自主學習的能力。2．3更新實驗教學設備。我院生化與分子生物學系提供教學實驗室4間，細胞房1間，承擔生物化學和分子生物學相關的基礎實驗、設計實驗和開放實驗教學任務。在學校和學院的大力支持下，實驗室進行了大規模改造，淘汰了部分陳舊設備，配備了熒光顯微鏡，凝膠成像分析儀、細胞破碎儀、酶標儀、伯樂電泳儀、生物安全柜、Nanodrop2000超微量分光光度計、恒溫金屬浴、化學發光儀、移液器等配置較高的儀器設備，提高了實驗操作的便利性和結果的精確度。儀器的數量盡可能滿足學生上課需求，為每位學生提供動手操作的機會。此外，學生還可在實驗室預約平臺上，根據實驗室空閑情況預約開放性和設計性實驗，大大提高了教學實驗室儀器設備的利用率。2．4調整實驗準備工作。以往實驗課程的準備工作和預實驗是由教師完成，不利于學生科研思維和科研習慣的培養［14］。為了逐漸改變這一狀況，鼓勵學生參與課前準備，學生通過實驗教學預約平臺預約，在教師和實驗人員的指導下，參與實驗的準備工作，比如蛋白質的提取及定量測定實驗，需要提前進行細胞的培養和傳代;質粒DNA的提取及鑒定實驗，需要提前做轉化搖菌;每學期的教學實驗開課前都要進行預實驗，可以由學生在老師的指導下完成，這無形中增加了學生動手的機會，使學生對實驗內容有一個完整的理解和認識，并且實驗準備很大程度上影響著實驗結果，學生的參與能夠充分發揮其主觀能動性，發現問題，引發思考，進而激發學習的興趣，更突出了學生在教學中的主體地位［15］。2．5完善成績評價體系。以前的生物化學實驗課程成績主要由統一的實驗報告結合學生的考勤、實驗操作按一定比例進行綜合評價。這就存在組內或組間同學互相抄襲實驗報告的情況，且一個班30名學生，教師很難客觀評價每位學生的操作是否規范。改革后的成績考核主要分2種:對于基礎教學實驗考核，包括課堂表現和實驗報告的書寫。教學中采用“教師提問+學生解答”或“學生講解+教師總結”的模式，實驗報告將不再統一模板，要求學生在實驗過程中做好數據記錄，并對實驗結果進行分析，重點考核課前預習、課程參與度、實驗操作和實驗數據分析的科學性;對于設計性實驗考核，實驗報告要求學生以科研小論文形式撰寫，考核時應注重查閱文獻、實驗方案設計、操作實施以及論文撰寫的規范性。這種分類考核的方式，保證實驗成績考核的客觀性和全面性，較真實反映了學生的綜合素質，調動了學生學習的積極性和主動性。2．6重視教學細節安排。(1)根據不同專業需求，開設不同層次的實驗課程。實驗教學改革之后，學生在課堂上的學習興趣明顯提高，積極參加課堂上的師生互動、總結討論環節，課堂氣氛非常活躍，教學效果明顯改善。通過問卷調查了解到，學生對實驗教學改革認可度較大，但各種問題依然有待解決。目前我校有7個學院14個專業開設了醫用生物化學實驗教學，很顯然，不同專業對教學內容及深度要求不一。但由于實驗教學課時偏少，實驗準備任務較重，造成不同專業的實驗課程內容相同。根據專業特色和需要對教學大綱進行修訂勢在必行。比如基礎醫學5+3“朱憲彝”班，是我校為培養基礎醫學學科創新拔尖人才開設的專業，對醫用生物化學課程的學習應更加深入，因此在完成基礎教學實驗后，還需要必修設計性教學實驗，將前沿的科學研究方法和技術引入教學中，進一步強化學生的科研思維，培養學生專業的科研能力，為今后投身基礎研究工作打下堅實的基礎;臨床5+3、口腔5+3、藥學等專業的學生，必修基礎教學實驗，對部分科研感興趣及后續考研或工作有需求的學生可以繼續選修設計性教學實驗;而護理、康復治療等專業只要選修其中與疾病診斷相關的實驗課程。(2)實驗內容步步遞進。基礎教學實驗課程中，蛋白質的提取及定量測定實驗提取出的蛋白樣品可以用作蛋白免疫印跡實驗的樣品，但由于課時的限制，課程中安排了SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳測定蛋白質分子量，學生在這兩次課程中掌握了蛋白提取定量以及電泳的方法后，可以通過實驗教學平臺預約蛋白免疫印跡實驗，進行后續的目的蛋白的檢測;質粒DNA的提取及鑒定實驗中提取的質粒，除了完成后續濃度測定與雙酶切的課程外，還可以設計引物進行RCR擴增出目的條帶，或將質粒轉染細胞以研究目的基因的功能。學生通過課上的學習和課下的思考可以延伸出許多相關的設計性實驗項目，同時也避免了實驗材料的浪費。(3)建設虛擬仿真課程，提高學生學習興趣。考慮到實驗室、課時、貴重儀器等方面的問題，我系擬建設部分虛擬仿真課程，例如蛋白質譜分析、蛋白免疫印跡等課程，學生可以通過虛擬實驗熟悉實驗原理，掌握實驗過程和操作步驟，了解實驗過程中可能出現的問題和解決方法，虛擬仿真實驗與真實實驗操作相結合可以顯著提高學生的學習興趣和學習效果，對學生掌握實驗操作技術具有重要意義。

3結語

醫用生物化學實驗課程的教學改革經歷對4屆學生的實踐與探索，在不斷試驗總結的基礎上形成了完善的實驗教學體系，取得了良好教學效果。教學內容與學科先進技術接軌，學生實驗操作技能明顯增強，對課程學習的興趣和積極性也顯著提高，學習態度由被動逐漸轉為主動，積極思考和分析實驗中遇到的問題。課堂上，有些學生因實驗結果不理想會主動通過教學實驗平臺預約重做實驗或更改實驗方案進行嘗試，有的學生會在實驗結束后主動與老師分析討論實驗結果，對實驗和儀器的探索欲明顯增強。開放性實驗教學的建設也為學生深入進行科學研究提供了更多的機會。通過教學改革，學生實驗設計能力得到鍛煉，創新思維也得到激發，為后續課題研究奠定了良好的基礎。

作者:任媛媛 蘇超 孫亞楠 孫曉明 劉靈 張緯 單位:天津醫科大學基礎醫學院