項(xiàng)目教學(xué)法在生物儀器分析類實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)踐

趙偉睿 胡升 楊麗 梅樂和

［摘 要］ 傳統(tǒng)儀器分析類實(shí)驗(yàn)課程通常采用單一儀器的驗(yàn)證性或觀摩性實(shí)驗(yàn)。這種教學(xué)模式的內(nèi)容簡(jiǎn)單且固化，缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，綜合分析和解決問題等高階能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)；再加之大型分析儀器數(shù)量之多和教學(xué)時(shí)間的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果往往難求實(shí)效。為了克服傳統(tǒng)《生物化學(xué)儀器分析及檢測(cè)技術(shù)》教學(xué)模式不足，作者以生物工程領(lǐng)域常見問題分析為背景；通過建立涉及多種分析儀器且適合本科生的探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；采用基于項(xiàng)目導(dǎo)向的教學(xué)法來開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐表明，基于項(xiàng)目導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可以有效提升教學(xué)效果。該教學(xué)模式不僅可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解；而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

［關(guān)鍵詞］ 生物化學(xué)儀器分析及檢測(cè)技術(shù)；項(xiàng)目導(dǎo)向；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］2019年度浙大寧波理工學(xué)院校級(jí)教改項(xiàng)目“OBE理念下‘PBL教學(xué)法在《生物化學(xué)儀器分析及檢測(cè)技術(shù)》教學(xué)中的實(shí)踐與探索”（NITJG-201939）；2019年度浙大寧波理工學(xué)院校級(jí)教改項(xiàng)目“生物工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)體系建設(shè)與完善”（NITJG-201918）；2022年度浙大寧波理工學(xué)院專業(yè)綜合教改項(xiàng)目“以學(xué)生發(fā)展為中心的生物工程專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐”；2021年度浙大寧波理工學(xué)院專業(yè)綜合教改項(xiàng)目“面向‘高質(zhì)量應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學(xué)改革與成果培育”

［作者簡(jiǎn)介］ 趙偉睿（1983—），男，甘肅蘭州人，博士，浙大寧波理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院講師，主要從事生物工程研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）13-0000-04［收稿日期］ 2022-11-03

“生物化學(xué)儀器分析及檢測(cè)技術(shù)”是生物工程類專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，是從事現(xiàn)代生命科學(xué)領(lǐng)域研發(fā)，生產(chǎn)和管理工作的必要知識(shí)儲(chǔ)備［1］。該課程主要講授現(xiàn)代生物化學(xué)分析儀器的原理、結(jié)構(gòu)、用途和測(cè)試方法［2-3］，注重對(duì)分析方法的選擇和設(shè)計(jì)以及對(duì)測(cè)試結(jié)果科學(xué)意義的闡釋。該課程是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，教學(xué)環(huán)節(jié)分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論教學(xué)的延伸，對(duì)于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力和綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用；也是應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)不可或缺的重要環(huán)節(jié)［4-6］。

然而傳統(tǒng)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程通常采用“單一分析儀器的驗(yàn)證性或觀摩性實(shí)驗(yàn)”［7-9］進(jìn)行教學(xué)，在教學(xué)過程中通過教師先講授分析儀器的原理和結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)步驟和演示實(shí)驗(yàn)，隨后學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)講義完成實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。這種教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固化而且相對(duì)簡(jiǎn)單，僅能簡(jiǎn)單地訓(xùn)練學(xué)生的基本操作技能，缺乏對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力、綜合分析能力和解決問題能力等高階能力和創(chuàng)新思維的訓(xùn)練；同時(shí)由于分析儀器設(shè)備普遍價(jià)格較高且數(shù)量有限；加之課堂時(shí)間有限，而供學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的資源和時(shí)間普遍不足，因此教學(xué)效果往往難求實(shí)效。

新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的形成與發(fā)展對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提出了更高要求［10］。為了更好適應(yīng)時(shí)代發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的需求，做到以學(xué)生學(xué)習(xí)效果和發(fā)展為核心，課程團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)“生物化學(xué)儀器分析和檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中面臨的問題，對(duì)教學(xué)模式和方法進(jìn)行了改革，采用綜合探究式項(xiàng)目教學(xué)法來重構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系（圖1）；同時(shí)在項(xiàng)目實(shí)施過程中，采用靈活的教學(xué)時(shí)間，通過小組預(yù)約和老師協(xié)調(diào)的方式，在有限的儀器資源條件下，確保學(xué)生有充足的儀器資源和時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而保證教學(xué)效果，讓學(xué)生在掌握分析儀器基本使用方法的基礎(chǔ)上，鍛煉實(shí)驗(yàn)方案制定、分析和解決問題等高階能力。

一、基于探究項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

課程組采用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和實(shí)施方式具體如圖1所示。具體為：（1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建。以生命科學(xué)和工程常見分析問題為背景，建立涉及多種分析儀器聯(lián)用且適合本科生的實(shí)踐型綜合性項(xiàng)目：如大腸桿菌綠色熒光蛋白表達(dá)情況分析、松針中總黃酮和花旗松素含量的測(cè)定、細(xì)菌谷氨酸脫羧酶基因表達(dá)情況分析等；（2）學(xué)生團(tuán)隊(duì)組建。組建每組不超過4名學(xué)生的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以保證每名學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中得到充分的學(xué)習(xí)資源；（3）學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)方案。在老師發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)和介紹項(xiàng)目背景后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)需要針對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行協(xié)同調(diào)研、分析和討論、設(shè)計(jì)出初步實(shí)驗(yàn)方案，之后與教師討論并對(duì)方案進(jìn)行修正，明確分析測(cè)定指標(biāo)所需使用的分析儀器和實(shí)驗(yàn)方法；（4）學(xué)習(xí)儀器使用方法。確定最終實(shí)驗(yàn)方案后，學(xué)生可以通過線上視頻觀看以及在線下教師指導(dǎo)實(shí)踐操作的方式來學(xué)習(xí)分析儀器的使用方法和注意事項(xiàng)；（5）項(xiàng)目實(shí)施。學(xué)生在學(xué)會(huì)使用分析儀器的基礎(chǔ)上，根據(jù)制定的方案開展實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，教師在過程中起引導(dǎo)和輔助作用；（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。學(xué)生自主處理和分析數(shù)據(jù)并撰寫規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告；（7）項(xiàng)目總結(jié)。教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)并和學(xué)生一起找出項(xiàng)目實(shí)施和數(shù)據(jù)分析存在的問題，進(jìn)而使學(xué)生進(jìn)行總結(jié)和改進(jìn)。

二、探究項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)案例

下面以教學(xué)體系中“大腸桿菌綠色熒光蛋白表達(dá)情況分析”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施進(jìn)行做簡(jiǎn)要介紹。

1.教學(xué)設(shè)計(jì)：綠色熒光蛋白（GFP）在現(xiàn)代生物科學(xué)和工程研究中有重要的應(yīng)用價(jià)值：如蛋白定位、啟動(dòng)子活性、蛋白表達(dá)情況和蛋白相互作用研究，對(duì)其熒光強(qiáng)度進(jìn)行分析也是現(xiàn)代生命科學(xué)與工程常見問題。GFP在藍(lán)色波長(zhǎng)范圍的光激發(fā)下可發(fā)出肉眼可見的綠色熒光，這有利于激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感。因此在光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)中，課程組設(shè)計(jì)了測(cè)定重組綠色熒光蛋白在大腸桿菌中表達(dá)情況的微課題。學(xué)生需要通過建立蛋白質(zhì)含量標(biāo)準(zhǔn)曲線、GFP熒光強(qiáng)度與其蛋白含量標(biāo)準(zhǔn)曲線來完成對(duì)GFP標(biāo)準(zhǔn)品的濃度測(cè)定。菌體破胞液中總蛋白含量和GFP含量定量后，才能最終得出重組GFP在大腸桿菌破胞液中總蛋白所占的比例，并與SDS-PAGE電泳結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及紫外-可見分光光度計(jì)、熒光分光光度法、酶標(biāo)儀等多個(gè)分析儀器的使用。學(xué)生需要對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、做圖、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性；學(xué)生需要明確整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)每一步實(shí)驗(yàn)操作的目的和意義，才能建立起清晰的整體實(shí)驗(yàn)邏輯關(guān)系進(jìn)而較好的完成實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)對(duì)于中低年級(jí)的本科生具有較高的挑戰(zhàn)度。

2.教學(xué)實(shí)施：教師首先通過動(dòng)畫視頻向?qū)W生介紹GFP的發(fā)現(xiàn)歷史和應(yīng)用價(jià)值，再向?qū)W生介紹實(shí)驗(yàn)背景和目標(biāo)和基本的研究思路。學(xué)生以小組為單位，通過查閱和分析文獻(xiàn)，明確如何測(cè)定菌體胞內(nèi)總蛋白和GFP蛋白含量，GFP標(biāo)準(zhǔn)品蛋白濃度等問題。在此基礎(chǔ)上制定出具體實(shí)驗(yàn)流程和方法及所需分析儀器的初步研究方案。在和教師對(duì)方案進(jìn)行討論，修正和完善后，通過線上和線下結(jié)合的方式學(xué)習(xí)紫外-可見分光光度計(jì)、熒光分光光度計(jì)和酶標(biāo)儀的使用方法。學(xué)生同時(shí)需要了解實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)章制度。上述準(zhǔn)備工作完成后，學(xué)生與教師約定實(shí)驗(yàn)時(shí)間并自主開展實(shí)驗(yàn)；完成實(shí)驗(yàn)后及時(shí)與老師一起分析獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否合理。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生會(huì)遇到許多問題：例如GFP標(biāo)準(zhǔn)蛋白如何有效稀釋；如何確定合理的標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍；熒光強(qiáng)度數(shù)據(jù)線性回歸效果不佳；儀器為什么沒顯示數(shù)據(jù)等問題。教師要與學(xué)生一起分析問題原因，采用引導(dǎo)的方式讓學(xué)生提出解決方案，從而充分鍛煉學(xué)生的分析和解決問題能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，然后教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)和總結(jié)。完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)后，教師指導(dǎo)學(xué)生利用剩余的GFP蛋白進(jìn)行作畫，并讓學(xué)生在藍(lán)光切膠儀下進(jìn)行拍攝，在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)GFP蛋白光致發(fā)光理解的基礎(chǔ)上，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性和學(xué)生的體驗(yàn)感。

三、基于探究項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

通過4輪教學(xué)實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相比，基于探究項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有助于學(xué)生深度學(xué)習(xí)；更有助于學(xué)生高價(jià)能力的培養(yǎng)和教學(xué)效果的提升，這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.改變了學(xué)生照著實(shí)驗(yàn)講義按部就班的學(xué)習(xí)觀念。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要在教師講解實(shí)驗(yàn)思路的基礎(chǔ)上，通過查閱文獻(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)方案和步驟進(jìn)行制定和優(yōu)化。這有效促進(jìn)了學(xué)生主動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程思考和理解，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、分析和解決問題的能力。

2.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有較強(qiáng)的綜合性。學(xué)生不僅需要掌握多種分析儀器的使用和一系列基本實(shí)驗(yàn)操作，而且需要對(duì)實(shí)驗(yàn)整體思路和方案，以及多門課程理論知識(shí)有較好的理解和貫通才能有效完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，促進(jìn)了學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)思維和能力的培養(yǎng)。

3.采用開放式教學(xué)。開放式教學(xué)突破了時(shí)間與空間的限制，為學(xué)生提供寬松的環(huán)境和更多實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)間，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能的掌握。很多組學(xué)生在實(shí)驗(yàn)未能獲得理想結(jié)果情況下，通過分析和總結(jié)主動(dòng)與教師約定重新實(shí)驗(yàn)時(shí)間，表現(xiàn)出良好求知欲。

4.有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己成功地理解整體實(shí)驗(yàn)并通過自己的知識(shí)和信息來分析解決問題時(shí)，展現(xiàn)了明顯的成就感，這進(jìn)一步提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和興趣。

5.促進(jìn)了師生之間的交流；促進(jìn)了師生關(guān)系的和諧；構(gòu)建了教學(xué)相長(zhǎng)的氛圍，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

很多畢業(yè)學(xué)生的反饋印證了該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)于提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力的有效性。他們普遍認(rèn)為該教學(xué)模式對(duì)其后期課程學(xué)習(xí)，研究生入學(xué)復(fù)試和在高校、企業(yè)中從事研發(fā)工作的起步階段有重大幫助。

結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和教學(xué)質(zhì)量的提升，對(duì)大學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)有重要作用?！吧锘瘜W(xué)儀器分析及檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革表明，基于探索項(xiàng)目導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可以有效提升高校生物化學(xué)儀器分析類課程的教學(xué)效果，具有良好的推廣價(jià)值。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不僅加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于分析儀器使用和相應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握；而且可以有效加深學(xué)生對(duì)于理論課的理解；還有助于訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。因此，進(jìn)一步探索和優(yōu)化基于實(shí)踐項(xiàng)目導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法對(duì)于提升和完善高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義。

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Abstract： The traditional instrument analysis courses usually adopted “single instrument verification or observation experiments”， which were simple and solidified， and lacked the cultivation of students innovative thinking and advanced abilities， such as designing experiment， and analyzing and solving problems. In order to overcome the shortcomings of the traditional teaching model， we adopted inquiry project-oriented teaching method to improving the experimental teaching effect. The experiments used in our inquiry project-oriented teaching were designed based on the background of common analytical problems in the field of bioengineering， which involving a variety of analytical instruments and suitable for undergraduates to study. The teaching practice showed that the project-based experimental teaching method could effectively improve the teaching effect， and the teaching mode could not only promote students understanding of theoretical knowledge effectively， but also help students to develop scientific thinking and comprehensive experimental ability.

Key words： Biochemistry instrument analysis and detection technology; project-oriented principle; experiment teaching; teaching reform