張榮蘭　楊維興　王驪麗　申燁華　趙建社

(西北大學化學與材料科學學院，西安710069)

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在化學生物學實驗中開設小班式創(chuàng)新實驗的嘗試

張榮蘭*楊維興王驪麗申燁華趙建社

(西北大學化學與材料科學學院，西安710069)

摘要：以化學專業(yè)大四本科生為研究對象，嘗試在化學生物學創(chuàng)新實驗課程中開設小班式創(chuàng)新實驗，從實驗內容、教學方法等方面設計創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)學生綜合運用大學前3年所學的基本知識和基本實驗技能，提高學生的綜合能力和創(chuàng)新意識。

關鍵詞：創(chuàng)新實驗；小班式課堂；綜合能力；創(chuàng)新意識

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近年來，在大四本科生課程教學中開設小班式創(chuàng)新實驗課，成為加強本科生創(chuàng)新能力和學科素質教育的重要環(huán)節(jié)。西北大學化學與材料科學學院國家級化學實驗示范中心通過開設化學生物學創(chuàng)新實驗的教學實踐，加強了學生實驗的綜合能力，提高了學生的學習興趣及創(chuàng)新能力，收到了較好的教學效果。化學生物學創(chuàng)新實驗室具備基本的化學合成和生物合成條件，實驗中心擁有色譜、紫外、熒光等測試儀器，為開設小班式創(chuàng)新實驗提供了良好的實驗條件。

1　開設化學生物學創(chuàng)新實驗課程的教學意義

化學生物學是一門基于化學原理研究生命過程的基礎二級學科?；瘜W生物學作為用化學的理論和方法研究生命現(xiàn)象及生命過程的化學基礎，通過探索干預和調整疾病發(fā)生發(fā)展的途徑和機理，為新藥的研發(fā)提供必不可少的理論依據(jù)[1,2]。

本實驗的教學對象為化學專業(yè)的大四本科生，他們已學習了基本化學知識和基本實驗操作技能，具備了完成綜合創(chuàng)新實驗的能力。在大四時，大部分學生已為自己的未來做了大致規(guī)劃(有的上研究生，有的找工作)。開設化學生物學創(chuàng)新實驗的目的在于將國內外研究熱點融入教學，為即將進入研究生階段學習和踏入工作崗位的學生做好知識的銜接，讓他們提前接觸科研前沿。這樣既能培養(yǎng)他們的科研創(chuàng)新能力，也可以開拓他們的視野。由于資源限制，一些傳統(tǒng)的實驗，尤其是涉及使用大型儀器的實驗都是每組由8－9個學生組成，分3－4組，整個班級在一堂課上完成，在實驗過程中，教師難以兼顧到每個學生，學生的動手機會很少，很多學生感覺實驗枯燥乏味，這樣不利于調動學生的積極性；而開設小班式創(chuàng)新實驗課堂，每堂課安排6人，分3組進行實驗，不僅教師可以充分地顧及到每一位學生，而且有利于促進學生本身對創(chuàng)新實驗產生濃厚的興趣。本文將以化學生物學創(chuàng)新實驗之一“人工金屬核酸酶-鄰菲啰啉銅配合物的合成及其與DNA作用”為例，介紹在化學生物學實驗中開設小班式創(chuàng)新實驗。

2　創(chuàng)新實驗課的組織實施

2.1靈活安排教學方案

傳統(tǒng)上，實驗課是大課堂，教師對每一個實驗都嚴格地按照教科書的安排，對于實驗目的、實驗原理、實驗步驟等，一般都是先由教師逐一講解，之后再安排學生動手操作。這樣對于一些實驗(尤其是一些比較簡單易行的實驗)來說會浪費很多時間。雖然教師在費心費力地講解，但實際上學生并不感興趣，甚至會產生逆反心理或者覺得教師懷疑自己的實驗能力。這種不信任的感覺甚至會導致學生對教師講解的排斥，使教學效果大打折扣。而對于一些有一定難度、部分內容需要重點講解的實驗，這種不分主次的講解又會使實驗過程拉得太長，在不知不覺中消磨掉學生做實驗的熱情。

開設小班式實驗課堂可以靈活地避開以上的問題。教師可以根據(jù)學生的實際水平及對知識的掌握程度結合實驗類型等實際情況，合理安排教學方案。比如在實驗“人工金屬核酸酶-鄰菲啰啉銅配合物的合成及其與DNA作用”中，鄰菲啰啉銅配合物的合成需要較長的時間，為了充分利用時間，教師可以先系統(tǒng)地分主次給學生講解實驗步驟與方法，充分調動學生的動手積極性，讓學生在合理安排時間的同時自己動手做實驗。為保障學生實驗操作的規(guī)范化，在講解過程中，對于諸如放藥品、放磁子等基本操作都讓學生回憶一下基礎實驗課所學的正確操作，并至少要求一名學生示范該步驟的規(guī)范操作。在實驗過程中教師可以仔細觀察每個學生實驗時出現(xiàn)的問題以及可能存在的誤區(qū)，適時給予強調和指導；在必要時再由教師做示范。表1列出了我們對創(chuàng)新實驗教學的時間安排，由表1可以看出，學生在創(chuàng)新實驗中的參與時間遠遠高于傳統(tǒng)的實驗教學模式，更能體現(xiàn)出以學生為主體，由教師啟發(fā)引導的互動教學模式。

表1　傳統(tǒng)實驗教學模式和創(chuàng)新實驗教學模式時間安排

在實驗過程中，為了讓學生感受到主動參與和動手的樂趣，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，在實驗動手操作之前可以給學生提出幾個問題，這樣一來可以讓學生對整個實驗的關鍵點有清晰的認識；二來帶著問題做實驗更容易激發(fā)學生的好奇心和求知欲，巧妙地調動他們對實驗的興趣。這樣的學習效果會比傳統(tǒng)的“填鴨式”教學要好許多。這對于基礎實驗已經很熟練的大四學生來說尤其重要，在未來他們有人可能要承擔許多大型實驗的操作，所以我們要在為他們打好基礎、樹立自信心的同時還要刻意培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。一個要在未來擔起大任的科學實驗者除了需要有扎實的科學知識，更需要有敏銳的洞察力和靈活多樣的解決問題的能力，而大四階段就是培養(yǎng)他們這些能力的關鍵時期。

在鄰菲啰啉銅配合物的合成實驗中，將6名學生分成兩人一組，讓他們互相配合、積極參與到實驗過程中。在實驗前可以提出：(1)配合物是在無水乙醇溶液中反應生成的，需要在燒瓶中室溫攪拌反應5 h，為防止灰塵等雜質的混入，反應時蓋上了真空塞，但如果室溫較高，燒瓶蓋上真空塞，塞子容易崩出去，對此應如何改進實驗裝置；(2)根據(jù)以前所學知識，回憶配合物有哪些合成方法。讓學生根據(jù)在理論課上所學的知識和基礎實驗中所學的操作經驗，對這些問題做出相應的推測和答復，教師根據(jù)學生的回答適時進行正確的評價和引導。由于是讓學生帶著問題做實驗，所以學生在實驗過程中更加主動，有效地提高了學生參與實驗的興趣。根據(jù)學生對問題的回答，再加上教師的正確引導，可使學生認識到在燒瓶上裝一個冷凝管是最好的改進方案。這樣既培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，還幫助學生進一步掌握配合物的合成原理和方法。

為使學生更多地了解科學前沿，學會主動思考，培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，在小班式創(chuàng)新實驗課堂上，我們增加了相應實驗要求。比如在本實驗中，不僅要求學生熟練地掌握金屬配合物反應的原理與操作方法，熟悉抽濾、旋轉蒸發(fā)儀、熔點儀的操作，掌握用紫外分光光度儀測定DNA純度的原理與操作，掌握金屬配合物的表征(包括人工金屬核酸酶-鄰菲啰啉銅配合物與DNA分子相互作用的光譜性能和電化學性能)，掌握鄰菲啰啉銅配合物與DNA結合常數(shù)及結合位點的計算；還要求學生在實驗后查閱相關文獻，了解人工金屬核酸酶的研究進展、應用價值和研究意義，了解人工金屬核酸酶與核酸酶的專一性作用；了解有關分子識別及其在分子水平上金屬配合物與生物分子(DNA)相互作用的研究，并通過閱讀文獻寫一篇不少于1000字的論文，作為期末考核內容。

2.2互動講解創(chuàng)新實驗知識

傳統(tǒng)實驗教學基本都是以教師的系統(tǒng)講解為主的教學方法，形式比較單一，教師占主導地位，學生在下面被動的接受，缺少發(fā)問及參與的機會。而小班式實驗課堂能夠克服傳統(tǒng)實驗教學課堂枯燥無味，學生怕教師、不敢提問等弊端。6個學生坐在教師周圍，與教師近距離接觸，這種面對面的交流方式不會使學生產生恐懼心理。學生在教師的引導下進行有目的、有計劃的學習。教師在課堂上與學生互動，鼓勵學生積極思考，注重培養(yǎng)學生的獨立性和自主性；學生在課堂上大膽提問，積極討論，勇于發(fā)表自己的觀點。比如在講解金屬核酸酶與核酸可能發(fā)生的作用方式時，教師讓學生結合自身的理解積極思考，展開討論，每位學生都要發(fā)表自己的觀點并說出理由。學生根據(jù)以前所學知識和自己的理解，大膽猜測：任何兩種物質之間都有靜電作用，它們也可能發(fā)生靜電作用；根據(jù)以前所學配位化學知識猜測金屬離子可能和堿基中的氮原子發(fā)生配位結合；知道DNA雙螺旋結構有大溝和小溝，金屬配合物可能會插進去發(fā)生插入結合等等。在每位學生發(fā)表自己的觀點后，由教師給出詳細的點評、講解，并適當?shù)貙δ承┲R進行拓展。比如講解金屬配合物與DNA的配位作用時，教師會拓展順鉑(cisplatin)類藥物在人體內發(fā)生抗腫瘤作用時就是以病毒的核酸為靶子，與核酸堿基通過配位結合的。師生間這種互動、提問、解答，調動了學生的積極性，能使學生在愉悅的情境中完成對抽象知識的學習，把學過的無機化學、材料化學與化學生物學的基礎知識融會貫通，并主動參與到分析問題、解決問題中，從而提高思辨能力和創(chuàng)造能力。

2.3全面講解儀器分析實驗

現(xiàn)代分析測試手段是我們認識客觀物質世界的眼睛，越來越多的科研工作和生產實踐離不開儀器分析，越來越多的學生反映在就業(yè)面試中經常會被詢問到在校期間對各種分析儀器尤其是大型分析儀器了解、掌握和應用的情況。對于大四學生來說，很多大型儀器是他們已經用過的，但教師當時只是對儀器操作進行講解，在學生測完實驗數(shù)據(jù)后，整個實驗就基本結束了，很少留出充足的時間讓學生獨立思考。這樣就難以在實驗過程中調動學生學習的積極性和主動性，學生感受不到動手的樂趣，更談不上操作能力的提高了。這種情況，對儀器分析實驗教學提出了嚴峻的挑戰(zhàn)[3－5]。

我們采用小班式實驗課堂，在儀器操作教學過程中，除了要求學生學會正確、安全地使用儀器進行實驗操作，還要求學生對測試結果進行預測。我們開設該創(chuàng)新實驗需要測試紫外光譜和熒光光譜，在測試之前，教師要求學生根據(jù)制備的配合物的結構特點，對配合物溶液中加入DNA溶液前后可能出現(xiàn)的光譜圖變化進行推測，讓學生帶著自己推測的答案，積極投入到實驗中去，充分感受主動參與和動手的樂趣。學生通過親自動手測試紫外光譜，發(fā)現(xiàn)隨著DNA濃度的增大，吸收光譜有明顯的減色效應，并伴有一定程度的紅移現(xiàn)象；通過測試熒光光譜，發(fā)現(xiàn)發(fā)射光譜隨著DNA濃度的增大而增強。測試結果印證了他們的推測結論，這更加激起了學生實驗的積極性和主動性。

2.4成績評定方法

為促進實驗教學的改善和提高，采取有效的評價措施是很必要的。成績評定的目的是促進學生在科學素養(yǎng)上獲得發(fā)展提高，并具備良好的動手操作能力[6]。傳統(tǒng)的教學實驗完成后，通常要求學生交一份按規(guī)定格式寫出的實驗報告，其中大部分內容都是照抄實驗教材，結課后進行一次近乎形式的考試，這樣的成績評定難以提高學生的學習興趣。把實驗當做考試的目的，被動學習，不可能達到提高學生分析總結能力、訓練學生科學思維的目的。開設小班式創(chuàng)新實驗課，教師可以照顧到每一位學生，可以對學生在課上表現(xiàn)的每一個環(huán)節(jié)進行評定，其中包括考勤、實驗操作、在實驗講解環(huán)節(jié)學生回答問題的情況、實驗態(tài)度、實驗報告等。實驗報告采用發(fā)表論文的方式，格式相對靈活，有利于學生發(fā)揮各自優(yōu)勢，提交質量較高的實驗報告。這樣通過在實驗過程中的行為來評價學生的學習情況，可以更真實、全面、公平地反映出學生對整個創(chuàng)新實驗的掌握情況。學生也能根據(jù)自己每個環(huán)節(jié)的所得成績，詳細了解自己在實驗過程中的優(yōu)缺點，以便今后揚長避短。表2給出了“人工金屬核酸酶-鄰菲啰啉銅配合物的合成及其與DNA作用”實驗的成績評定標準細則。

表2　成績評定標準細則

3　開設小班式創(chuàng)新實驗課的成果

(1)提高了學生對實驗的重視程度，激發(fā)了學生的學習興趣。

興趣是個體行動的巨大動力[7]。學生只有對實驗感興趣，才能主動去了解實驗、探索實驗，積極思考和實踐。本實驗的選題與制藥、生活的聯(lián)系非常密切，容易使學生對實驗內容感興趣，他們對未來克服“癌癥”等分子疾病充滿了期待，充分感受到了學習化學生物學課程的重要性；他們相信：很有希望從人工金屬核酸酶中遴選出一些與基因有關的疾病的“診斷試劑”和化學治療藥物。該種模式的創(chuàng)新實驗大大提高了學生對實驗的重視程度，激發(fā)了他們的學習興趣。

(2)提高了學生的實驗操作技能和合理安排實驗的能力。

開設小班式綜合性創(chuàng)新實驗在大學本科實驗教材和教學中是很少見的。本實驗包括配合物的合成和后續(xù)的分析測試，配合物合成的純度和收率會影響下一步的測試，因此學生對每個步驟都要仔細完成，這有助于提高學生的實驗技能。在該實驗中，配合物的合成需要5小時，在此期間，學生可以為下一步的測試做準備工作，如配制Tris-HCl緩沖溶液、DNA溶液儲備液等，在有限的時間內做多項工作，可以培養(yǎng)學生統(tǒng)籌安排實驗的能力，為后續(xù)的科研工作打好基礎。

(3)拓寬了學生的科學研究思路，提高了學生的科學研究能力。

我們在教學中結合當前國內外的科研進展，設計了較為豐富的教學內容，創(chuàng)設了有利于學生自主探索的學習情境，讓學生積極主動地參與到科學探究的活動中，充分發(fā)揮他們的主觀能動性，使學生在學到前沿知識的同時，還能掌握科學探究的方法，提高科學探究的能力。在教學中，通過對創(chuàng)新知識的講解，鼓勵學生獨立思考、設計實驗，不僅調動了學生學習的主動性，還使學生的科學研究能力得以提高。

總之，與傳統(tǒng)實驗尤其是涉及大型儀器的實驗相比，我們開設的小班式化學生物學創(chuàng)新實驗取得了良好的效果。在創(chuàng)新實驗的小班課堂上，整個實驗過程都能體現(xiàn)學生為主體，教師為主導的良好氛圍，使學生的綜合能力在有條不紊中得到提升。

4　結束語

開設小班式創(chuàng)新實驗課有助于激發(fā)學生的學習興趣，充分調動學生學習的主動性。參與創(chuàng)新實驗課堂的學生普遍感到很有收獲，學會了主動思考，敢于發(fā)表自己的見解。在今后的實驗課程中，我們要繼續(xù)努力，改進實驗中的不完善之處，不斷更新教學觀念，引入更多適應專業(yè)需要的創(chuàng)新實驗，給學生以更多的鍛煉機會，全面提高化學實驗教學的水平和質量，為培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才提供一條新途徑。

參考文獻

[1]馬林,古練權.化學生物學導論.北京:化學工業(yè)出版社, 2012.

[2]王驪麗,申燁華,楊科武.大學化學, 2013, 28 (2), 36.

[3]崔連義.實驗室研究與探索, 2011, 30, 189.

[4]王宇昕,張永忠,徐雅琴.實驗室技術與管理, 2009, 26, 135.

[5]鮑長利,賈瓊,陳博,宋乃忠,張建會.實驗室研究與探索, 2009, 28, 123.

[6]趙艷芳,徐魯斌.大學化學, 2014, 29 (1), 37.

[7]陳永寶,訾學紅,劉淑珍.大學化學, 2013, 28 (6), 17.

?教學研究與改革?

An Attempt of Innovative Experiment Offered to the Small-Sized Class in Chemical Biology Laboratory

ZHANG Rong-Lan*YANG Wei-XingWANG Li-LiSHEN Ye-HuaZHAO Jian-She
(College of Chemistry & Materials Science, Northwest University, Xi'an 710069, P. R. China)

Abstract:We attempt to offer the innovative experiment to the small-sized class in the chemical biology laboratory for the senior undergraduates majoring in chemistry. The innovative experiments are designed in terms of experimental content and pedagogy, among others, in order to foster the students′ability to apply the basic knowledge and experimental skills in the first 3 years and to further improve their comprehensive ability and creativity.

Key Words:Innovative experiment; Small-sized class; Comprehensive ability; Creativity

中圖分類號：O6-339；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160323

*通訊作者，Email: zhangrl@nwu.edu.cn

基金資助：國家基礎人才培養(yǎng)基金(J1103311，J1210057)