仲昭朝，曾水云，張臻，唐惠煒

（南京大學生命科學實驗教學示范中心，南京大學生命科學學院，江蘇 南京）

高等教育承擔著培養(yǎng)高級專業(yè)人才、發(fā)展科學技術(shù)文化、促進社會主義現(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)的目標逐步從知識能力型向綜合素質(zhì)型轉(zhuǎn)化，21 世紀的高等教育課程改革也更加注重教學與科研的融合，兼顧學科間相互滲透。如何將大學生培養(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)目標改變帶來培養(yǎng)模式的改革

為了適應(yīng)人才培養(yǎng)目標變化帶來的挑戰(zhàn)，南京大學率先提出并構(gòu)建了“以學生發(fā)展為中心的‘三三制’本科人才培養(yǎng)體系”，并于2014 年獲得國家教學成果特等獎。“三三制”的本質(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)由學科群模塊和學科專業(yè)課程組成。[2]國家級生命科學實驗教學示范中心秉承“三三制”人才培養(yǎng)體系的指導思想，結(jié)合學科專業(yè)的特點，從實驗技術(shù)層面，創(chuàng)建了由基礎(chǔ)生物學技術(shù)訓練、中級生物學技術(shù)訓練、綜合技能與研究性實驗訓練構(gòu)成的“三級技能培訓體系”。

生物化學課程群是生命科學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，學科交叉性強，屬于中級生物學技術(shù)訓練，同時還具備了綜合性技能與研究性實驗訓練的特點，在課程群中起到承上啟下的作用。在生命科學領(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、生物化學及分析化學等課程為先導，要求學生首先學習相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識，熟悉并初步掌握基礎(chǔ)生物學技術(shù)；另一方面，在訓練技術(shù)的同時，引導學生自主設(shè)計實驗，注重綜合技能訓練和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為其將來的學習及科研工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

在“三三制”教學改革實踐的過程中，大多數(shù)專業(yè)培養(yǎng)課程（包括學科群模塊和學科專業(yè)課程）都要求在大二、大三兩年內(nèi)完成學習，課程多且任務(wù)重。因此在教學實踐中，教學團隊面臨三個難點：（1）“生化分析及實驗”面向的學生剛經(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 課時的教學內(nèi)容壓縮在6 課時內(nèi)完成。在這種情況下，如何保證學生更深入有效地理解和掌握所學技能。（3）新的人才培養(yǎng)目標注重學生的學習興趣和潛能培養(yǎng)。而傳統(tǒng)課程注重傳授系統(tǒng)的科學知識，教學中過于關(guān)注知識體系的構(gòu)建與傳授方式的完善，對學生的科學思維訓練不足。為了適應(yīng)新的人才目標的培養(yǎng)要求，在教學過程中如何更好地調(diào)動學生的積極性，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，強化學生綜合能力的培養(yǎng)。

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

二 運用翻轉(zhuǎn)教學模式填補專業(yè)知識不足

翻轉(zhuǎn)課堂是指學生在課外完成知識的學習，而將課堂變成了師生之間、學生之間互動的場所，包括答疑解惑、知識運用等，從而達到更好的教學效果。[3]這個教學模式的概念最初由J.Wesley Baker 在2000 年第11 屆大學教學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老師Jon Bergmann 和Aaron Sams 將該模式運用在化學教學中，并取得了可喜的成果。[4]翻轉(zhuǎn)課堂運用于理論學習的嘗試和推廣已經(jīng)非常普遍，但在實驗教學中的運用實例相對偏少。在實驗教學中運用翻轉(zhuǎn)模式，必須結(jié)合課程的特點，對素材進行精心篩選，充分發(fā)揮文本、動畫和視頻等各種資源的優(yōu)勢，避免進入“技術(shù)至上”的誤區(qū)，真正起到引導學生自主學習的效果。[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”，當結(jié)果不夠理想，學生就會茫然不知如何應(yīng)對。因此激發(fā)學生學習的積極性，發(fā)揮他們在通識課中學到的本領(lǐng)，利用好課內(nèi)課外時間，提高學習效率，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。

在這個思路的指導下，教學團隊除了準備相關(guān)課件和部分經(jīng)典文獻資料供學生課前自學外，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，方便初學者理解。學生利用翻轉(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 虛擬仿真與實訓相結(jié)合，強化技能訓練，促進知識理解

“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，需要學習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)讓學生更好地消化如此豐富的教學內(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，加深學生對實驗原理的理解。教學和科研過程中，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)化的條件讓學生進行實際操作，體驗不全面。但是在虛擬實驗中，學生可以根據(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酸性或強堿性條件進行模擬，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，虛擬實驗通過強化操作細節(jié)的訓練，培養(yǎng)學生的細節(jié)意識。生化分析實驗實踐性強，對動手能力的要求較高，往往細節(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，就會導致柱體出現(xiàn)截痕；或者加樣時速度過快，忽視了柱面保護，就會破壞柱面。這些細節(jié)會嚴重影響分離效果。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調(diào)并進行針對性訓練，可以切實提高學生的動手能力。

通過虛擬仿真引導學生對實驗參數(shù)及參數(shù)間協(xié)調(diào)作用的思考理解，同時加強細節(jié)訓練，探討忽略細節(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行實訓和評價，這種虛實結(jié)合的學習方式有效地增進了學生對知識的理解，提高了教學效率，節(jié)約了課時，為增加綜合能力訓練課時提供了可能。

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

為了應(yīng)對人才培養(yǎng)目標變化帶來的挑戰(zhàn)，在實現(xiàn)技能訓練的基礎(chǔ)上引入開放性大實驗，進一步培養(yǎng)學生的科學思維與綜合素養(yǎng)。[8,9,10]目前教學中常用的開放實驗模式主要有以下幾種：一、指定課題，并提供備選方案供學生選擇。這種模式有助于學生通過經(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，對學生綜合能力的訓練不夠；二、指定課題，開放實驗方案，讓學生自己查閱文獻，自主設(shè)計實驗方案。通過對文獻方法與經(jīng)典方案的比較，鍛煉學生的科學思維，提高解決實際問題的能力；三、開放選題，學生在課程相關(guān)的范圍內(nèi)自主選題，經(jīng)開題討論后完成設(shè)計并進行實驗。這種模式偏重知識的拓展，鼓勵學生關(guān)注學科前沿，但對學生的專業(yè)知識儲備有較高的要求。

結(jié)合教學的實際情況，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。教學團隊經(jīng)過反復的實踐與探索，在對第一種模式進行嘗試和總結(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，鼓勵學生根據(jù)生化技術(shù)的一般思路和原理查閱文獻，并結(jié)合所學知識來設(shè)計實驗，再經(jīng)過教師的指導和開題報告，最終完成實驗。同時，我們根據(jù)部分學生的想法，改善了實驗條件，引入FPLC，HPLC 和化學發(fā)光等大中型儀器。這些舉措給予學生充分發(fā)揮的空間，進一步激發(fā)了他們的積極性。有的學生使用HPLC 進行純化；有的學生設(shè)計并自制親和填料，采用親和層析的純化方案；有的學生嘗試了電泳分離后用電洗脫的方式進行純化；還有的學生做了誘導表達的實驗，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習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學生自主構(gòu)建新的“黑箱”，學習以科學的思維思考問題、解決問題，最終實現(xiàn)培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)的新目標。

通過這個階段的實驗教學，教學團隊也獲得很多寶貴的實踐經(jīng)驗：（1）如何引導并督促學生主動查閱文獻，傳授根據(jù)各種來源的文獻進行分析、比較和設(shè)計實驗的技巧，促進學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度的順利銜接，并鼓勵學生認真地將自己的設(shè)計方案付諸實施；（3）在實驗完成之后，指導學生通過對實驗結(jié)果進行分析和比較，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、物力和時間來達到實驗目的，提高實驗的成功率。

五 結(jié)語

南京大學國家級生命科學實驗教學示范中心的教學團隊通過這幾年對生化分析實驗課程改革的探索，將翻轉(zhuǎn)教學模式、虛擬仿真技術(shù)、開放性大實驗等教學手段應(yīng)用于生化分析的本科課堂教學。實踐證明：翻轉(zhuǎn)課堂教學可以激發(fā)學生自主預習專業(yè)知識，增強課堂教學過程中師生間的互動；利用虛擬仿真技術(shù)強化基礎(chǔ)實驗技能訓練，虛實結(jié)合相輔相成，加深對實驗原理的理解，有效提高了教學效率；綜合性大實驗則為鍛煉學生綜合解決問題的能力和科學思維提供了平臺。實驗教學逐步走向?qū)W生自主學習、開拓思維、綜合運用知識的新型實驗模式。從歷年的學生實驗效果來看，從早期的簡單重復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。我們團隊在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，只有堅持以學生為本，并以激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣、提升學生的自主學習能力、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，才是實驗教學改革的最終目標。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)容和教學方式的更新?lián)Q代、與時俱進也是實驗課程教學的新目標。如何把先進的知識和技術(shù)引入到課程中，讓多種教學手段融合在一起，更好地為教學服務(wù)，也是我們今后要繼續(xù)努力和探索的方向。