摘 要：科學(xué)有效的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)的積極性和能動(dòng)性是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的重要途徑之一。在教師的指導(dǎo)下學(xué)生們通過(guò)確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、查閱相關(guān)資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、在教師的組織下對(duì)實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)過(guò)可行性論證和修改、方案的實(shí)施并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等過(guò)程，使學(xué)生們鞏固了理論、提高了技術(shù)、初步建立了進(jìn)行科學(xué)研究的思維模式，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果 電泳技術(shù) 創(chuàng)新意識(shí)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）04（c）-0127-03

生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)是醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及相關(guān)學(xué)科學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程在理論和技術(shù)方面不但涉及到有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等四大化學(xué)的知識(shí)和技術(shù)，同時(shí)也涉及到物理學(xué)、高等數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等一些基礎(chǔ)性學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)。該課程的理論和技術(shù)也是學(xué)習(xí)其他專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)。因此，該課程的教學(xué)效果不但直接影響著學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，也影響著學(xué)生基本技能、動(dòng)手能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)以及學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的養(yǎng)成。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是教師給出實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐過(guò)程。開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)教師應(yīng)將新的教育思想和教學(xué)方法融入到設(shè)計(jì)過(guò)程中，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的求知欲望和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性[1]。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生鞏固和應(yīng)用基礎(chǔ)課知識(shí)、訓(xùn)練分析問(wèn)題的方法、剖析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的根源、提高解決問(wèn)題能力等方面具有重要作用。下面以醋酸纖維素薄膜電泳為例進(jìn)行介紹。

1 常規(guī)電泳技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和不足

電泳技術(shù)是生物化學(xué)四大實(shí)驗(yàn)技術(shù)（光譜技術(shù)、色譜技術(shù)、離心技術(shù)和電泳技術(shù)）之一，該技術(shù)是醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，各學(xué)校開(kāi)設(shè)的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括醋酸纖維素薄膜電泳、瓊脂糖凝膠電泳、聚丙烯酰胺凝膠電泳等。其中血清蛋白的醋酸纖維素薄膜電泳是該技術(shù)的基本教學(xué)內(nèi)容和首選教學(xué)內(nèi)容，是各個(gè)學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生電泳技術(shù)必須完成的教學(xué)內(nèi)容之一。一般情況下醋酸纖維素薄膜電泳實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)過(guò)程是老師講解實(shí)驗(yàn)原理和操作中的注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)室老師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)器材、儀器和試劑，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)講義的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)操作，最后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，老師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行批閱和總結(jié)。

教材中的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程經(jīng)過(guò)幾十年的不斷修改完成已經(jīng)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)化的效果，實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備工作也是由經(jīng)驗(yàn)非常豐富的實(shí)驗(yàn)室老師完成，學(xué)生如果嚴(yán)格按照操作流程完成實(shí)驗(yàn)的話一般不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程也比較順利，結(jié)果分析也比較容易，整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不需要思考太多問(wèn)題，當(dāng)然學(xué)生的收獲也比較少，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)效果也就非常一般。但是當(dāng)學(xué)生走向工作崗位或參與研究工作時(shí)實(shí)驗(yàn)條件往往變化多樣，不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的現(xiàn)象和結(jié)果，甚至實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)多次失敗而無(wú)法解決。如果在學(xué)校時(shí)僅僅通過(guò)幾次標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生很難熟練掌握該項(xiàng)技術(shù)的理論和技術(shù)，那么在實(shí)際工作中對(duì)于出現(xiàn)的問(wèn)題解決起來(lái)就比較麻煩。比如：在實(shí)際工作中遇到的遷移率過(guò)低或過(guò)高的問(wèn)題、電泳過(guò)程中溫度過(guò)高的問(wèn)題、同一介質(zhì)下各樣品間遷移率差別過(guò)大的問(wèn)題、樣品擴(kuò)散明顯的問(wèn)題等等。

2 如何在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)

創(chuàng)新意識(shí)是由創(chuàng)新意圖、愿望和動(dòng)機(jī)等對(duì)創(chuàng)新活動(dòng)有重大影響的各種精神因素構(gòu)成的一種穩(wěn)定的精神狀態(tài)。楊凌認(rèn)為創(chuàng)新意識(shí)包含懷疑精神、批判精神、創(chuàng)造性思維等基本要素[2]。培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，就必須構(gòu)建一套有利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的養(yǎng)成、有利于學(xué)生創(chuàng)新思維習(xí)慣的建立、有利于學(xué)生創(chuàng)新技能的提高的創(chuàng)新教育體系。創(chuàng)新性教育體系的構(gòu)建需要改變傳統(tǒng)的教育模式和教育方法，當(dāng)然也需要改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和協(xié)作能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)困難和失敗的承受力和抗挫折能力。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就是要學(xué)生通過(guò)一系列的置疑、判斷、比較、選擇以及相應(yīng)的分析、綜合、概括等多樣化的過(guò)程，由發(fā)散到收斂，由求異到求同的過(guò)程[3]。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目

筆者確定了4個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目，分別是緩沖液性質(zhì)對(duì)電泳結(jié)果的影響；點(diǎn)樣對(duì)電泳結(jié)果的影響；醋酸纖維素薄膜的濕度對(duì)電泳結(jié)果的影響；電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電泳結(jié)果的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求

學(xué)生2人一組，每組選擇一個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題目，課余時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)方法、預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及原因分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程

學(xué)生們通過(guò)重新學(xué)習(xí)電泳技術(shù)的基本知識(shí)、查閱相關(guān)文獻(xiàn)、集體討論等過(guò)程完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。指導(dǎo)老師與同學(xué)一起針對(duì)各組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、創(chuàng)新性和可行性進(jìn)行論證和交流，并增加探究性?xún)?nèi)容和不確定因素的分析。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效果

首先是改變教學(xué)的主體，從傳統(tǒng)的以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中僅僅起到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的論證、指導(dǎo)和答疑作用，突出了學(xué)生的主體地位；學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的復(fù)習(xí)、總結(jié)并指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了理論和實(shí)踐的結(jié)合，既有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也促進(jìn)了理論向應(yīng)用的過(guò)度，還有利于將理論知識(shí)內(nèi)化為學(xué)生自身的能力。學(xué)生們通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料和完成設(shè)計(jì)方案的過(guò)程使學(xué)生初步熟悉資料的分析、歸納和總結(jié)過(guò)程，領(lǐng)會(huì)了以問(wèn)題為中心的學(xué)習(xí)方法。在論證過(guò)程中注重啟發(fā)學(xué)生們養(yǎng)成積極思考的習(xí)慣、勇于探索的意識(shí)，通過(guò)討論讓學(xué)生們感覺(jué)到老師和其他同學(xué)怎么會(huì)有這樣的奇思妙想、筆者的這個(gè)想法是怎樣產(chǎn)生的等等好奇心。也讓學(xué)生們體會(huì)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的神奇、神妙和研究工作的神圣。通過(guò)這個(gè)過(guò)程既調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，活躍了學(xué)習(xí)氣氛，又使學(xué)生在思考中對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、方法和結(jié)果做到了心中有數(shù)，鞏固了基礎(chǔ)理論知識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生們的創(chuàng)新能力。

3 在設(shè)計(jì)方案的實(shí)施過(guò)程中注重培養(yǎng)學(xué)生的思辨能力

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施過(guò)程是檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的重要途徑，是檢驗(yàn)理論正確與否的根本方法，是重新認(rèn)識(shí)理論豐富理論和再造理論的重要過(guò)程。學(xué)生們根據(jù)理論知識(shí)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案是否合理、能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)、能否出現(xiàn)預(yù)想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果要通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)檢驗(yàn)。為了滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的多樣性需求采取了課余時(shí)間向?qū)W生全面開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生按照自己的設(shè)計(jì)方案安排時(shí)間完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。最后教師組織全體學(xué)生進(jìn)行討論。

3.1 緩沖液性質(zhì)對(duì)電泳結(jié)果的影響

同學(xué)們分別從緩沖液的組成、緩沖液的離子強(qiáng)度、pH值等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。其中一組同學(xué)在其他條件不變的情況下分別用離子強(qiáng)度為0.2 mol/L、0.06 mol/L和0.002 mol/L的3種緩沖液進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生進(jìn)一步明白了電極緩沖液離子強(qiáng)度對(duì)帶電粒子電泳結(jié)果的影響情況，進(jìn)一步理解了溶液的離子強(qiáng)度對(duì)帶電粒子擴(kuò)散雙電層的影響。

3.2 點(diǎn)樣對(duì)電泳結(jié)果的影響

在醋酸纖維素薄膜電泳中，點(diǎn)樣操作直接影響電泳結(jié)果，點(diǎn)樣量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致區(qū)帶擴(kuò)散、拖尾、笑臉等現(xiàn)象的發(fā)生；點(diǎn)樣量過(guò)少則會(huì)導(dǎo)致區(qū)帶模糊不清。點(diǎn)樣時(shí)用力的大小和均勻度也會(huì)因?yàn)橛绊懘姿崂w維素膜吸附作用從而改變樣品的擴(kuò)散程度，進(jìn)而影響電泳結(jié)果。

3.3 醋酸纖維素薄膜的濕度對(duì)電泳結(jié)果的影響

帶電粒子在電場(chǎng)的作用下進(jìn)行移動(dòng)，其移動(dòng)過(guò)程中與載體之間產(chǎn)生一定的摩擦力，其摩擦力的大小除與帶電粒子的形狀、大小等有關(guān)外還與載體的濕度等有關(guān)。在電泳前首先需要把醋酸纖維素薄膜在電極緩沖液中浸透，然后再用濾紙吸取多余的緩沖液。這一步操作非常重要，也有較高的技術(shù)含量，如果點(diǎn)樣時(shí)醋酸纖維素薄膜上的緩沖液過(guò)多，則降低樣品向醋酸纖維素薄膜中滲透的速度，反而加快樣品在醋酸纖維素薄膜表面的擴(kuò)散速度，最終導(dǎo)致區(qū)帶間界限不清分離效果不佳。如果醋酸纖維素薄膜的局部濕度過(guò)小的話會(huì)導(dǎo)致載體上電壓降不均勻，降低有效電場(chǎng)強(qiáng)度，電泳遷移率下降，影響分離效果。因此，在用濾紙吸取醋酸纖維素薄膜表面的多余緩沖液時(shí)一定用力均勻，打開(kāi)濾紙后醋酸纖維素薄膜表面折光性和色澤基本一致，不可出現(xiàn)白斑。

3.4 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電泳結(jié)果的影響

帶電粒子的電泳速度受許多因素的影響，當(dāng)其他條件一定的情況下，帶點(diǎn)粒子的電泳速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。但是電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)高的話會(huì)導(dǎo)致醋酸纖維素薄膜表面水分蒸發(fā)加速，局部離子強(qiáng)度增加，電流進(jìn)一步加大，甚至?xí)驗(yàn)闊嵝?yīng)導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性而影響電泳分辨率。在實(shí)驗(yàn)中同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)了多種影響電場(chǎng)強(qiáng)度的情況，如在同一個(gè)電泳槽中各醋酸纖維素薄膜分別使用不同厚度的鹽橋從而導(dǎo)致醋酸纖維素薄膜兩端的有效電壓降不同；在同一個(gè)電泳槽中使用不同厚度的醋酸纖維素薄膜；人為使同一條醋酸纖維素薄膜的不同位置電阻不同。其中一組同學(xué)在點(diǎn)樣后用小刀將點(diǎn)樣處薄膜的局部切斷，電泳后的結(jié)果如圖2所示。

雖然圖2是一種極端現(xiàn)象，但是以前的PAGE教學(xué)過(guò)程中遇到過(guò)因個(gè)別加樣孔中存在氣泡而導(dǎo)致遷移率明顯降低卻是常見(jiàn)的現(xiàn)象。另外極端的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往給學(xué)生們帶來(lái)深刻印象。

4 對(duì)開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的思考

創(chuàng)新能力是指人們?cè)谝丫邆涞目茖W(xué)知識(shí)和技能基礎(chǔ)上，按照事物發(fā)展的客觀規(guī)律提出新的設(shè)想、并通過(guò)一定的科學(xué)手段對(duì)其設(shè)想進(jìn)行驗(yàn)證的能力。是創(chuàng)造者以敏銳的感覺(jué)，從平凡的事物中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出問(wèn)題，產(chǎn)生探索動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性想象，推理判斷，獲得新的獨(dú)特的認(rèn)知能力。研究表明，人的創(chuàng)造性思維的提高不是一個(gè)自然而然的過(guò)程，而是一個(gè)需要精心培養(yǎng)的過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力、創(chuàng)新能力，鞏固和驗(yàn)證所學(xué)的理論知識(shí)尤其重要[4]。對(duì)于本科教育而言，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)并不是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中去攀登科技高峰、產(chǎn)出具有高水平應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)成果， 而是讓學(xué)生通過(guò)主動(dòng)學(xué)習(xí)去掌握科學(xué)研究的方法、培養(yǎng)創(chuàng)新的意識(shí)、提高創(chuàng)新能力。這也就決定了課程實(shí)驗(yàn)并不需要設(shè)計(jì)高深的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而需要在教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施方法上適當(dāng)做一些改進(jìn)和創(chuàng)造。通過(guò)此次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程學(xué)生們不但對(duì)電泳技術(shù)有了一個(gè)全面而深刻的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)了應(yīng)用理論知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基本方法，更重要的是學(xué)生們掌握了如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明和驗(yàn)證自己的想法，增加了學(xué)生們探究未知的興趣，提高了學(xué)生們的創(chuàng)新能力。

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