医用生物化学实验教学改革探讨

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摘要:医用生物化学是高等医学院校的主干基础课程之一,其实验教学在生物化学的教学中起着重要作用。为提高学生的创新意识和实践能力,培养高素质的创新型人才,天津医科大学生物化学与分子生物学系就医用生物化学实验课程进行了改革实践与探索。阐述了前期医用生物化学实验教学存在的问题,提出了课程在优化实验内容、多种教学模式相融合、更新仪器设备、鼓励学生参与实验准备、完善成绩评价体系等方面的改革。实践表明,改革后的实验教学可有效提升学生的学习积极性和创新能力,实验教学质量显著提高。

关键词:医用生物化学实验;教学改革;翻转课堂;PBL教学;开放式实验教学

医用生物化学是我校基础医学、临床医学、药学、口腔及护理等专业本科生必修的一门基础课程,是联系基础医学和临床医学的重要学科。实验教学作为医学生物化学教学内容的一部分,在整个教学过程中占有重要地位,不仅可以加强理论与实践的结合,巩固基础知识,培养操作技能,更是培养医学生科研能力、创新能力和整体素质的重要渠道[1]。因此如何利用实验教学环节,提高学生的学习兴趣,满足学生对新知识的需求,培养学生创新能力、实践能力和科研能力,值得教学工作者进行深入思考和探究。

1医学生物化学实验教学中存在的弊端

1.1教学内容陈旧受传统教学理念的影响,长期以来,实验教学一直依附于理论教学,验证性实验占主导地位,而缺少综合性、设计性、开放性实验,开设的实验内容都较为陈旧,包括凝胶层析法分离血红蛋白与鱼精蛋白、蛋白质的提取及定量测定、动物组织核酸的提取与鉴定、食物中维生素C的提取与定量、温度、pH、激活剂和抑制剂对酶活性的影响、肝糖原的提取与鉴定、血清蛋白醋酸纤维素薄膜电泳和琼脂糖凝胶电泳法分离乳酸脱氢酶同工酶。其中动物组织核酸的提取与鉴定,仅停留在简单粗提和定性反应上,缺乏定量方法的掌握,且实验中使用硫酸,二苯胺等多种挥发性化学试剂;蛋白质的定量测定,课堂上直接为学生提供血清蛋白样品而非自己从组织或细胞中提取,且定量操作方法和仪器不够精确,操作步骤需要改进;食物中维生素C的提取与定量操作简单并且在临床和科研工作中应用极少;琼脂糖凝胶电泳法分离乳酸脱氢酶同工酶电泳使用载玻片进行凝胶电泳,操作技术陈旧。1.2仪器设备陈旧且配置不足实验教学设备陈旧,跟不上生物技术的发展,与科研实验设备严重脱节[2]。实验室常规配备的仪器主要是离心机、水浴锅、分光光度计、电泳仪等常规仪器,且年代久远,基本已经被科研实验室淘汰,比如蛋白质的定量测定目前已使用更精确更节省样品和时间的酶标仪,而传统教学实验仍在使用分光光度计;实验过程中仍在使用移液管加样,微量取样无法保证精确度,而科研中已使用移液器,学生在实验课中不仅要掌握前沿实验技术方法,也应该熟悉先进科研仪器的使用,这样才能更好地调动其学习的积极性,充分发挥实验课的价值,此外一些大型精密仪器的缺乏也会限制实验内容的更新,因此仪器设备的配备和更新迫在眉睫。1.3教学模式被动以往的实验教学模式多采用填鸭式教学模式[3],上课前由老师准备实验试剂和调试仪器设备,课堂上学生被动接受老师讲解,参照实验教材按照固定的实验步骤完成实验,课后完成实验报告的书写,实验现象、结果分析不透彻,甚至出现抄袭实验报告的现象。这种模式下学生缺乏对实验设计的审视和思考,缺少对实验结果差异的分析,无法独立思考解决实验中出现的问题,约束了学生学习的主动性和创造性,不利于学生动手能力、创新能力和实验技能的培养,与现代医学院校培养复合型医学人才的目标差距甚远。因此,采用多元化教学方法提高实验教学效果,势在必行[4]。

2医学生物化学实验课程的改革措施

2.1调整实验教学内容。(1)优化基础教学实验。从适应临床医学和基础医学科学发展需要的角度出发,更新后的实验课程既包含验证性实验又包含综合性实验,涵盖了蛋白质、核酸、酶和糖类等重要生物物质,包括唾液淀粉酶活力测定及温度、pH、激活剂和抑制剂对酶活性的影响、肝糖原的提取与鉴定、血清蛋白醋酸纤维素薄膜电泳、蛋白质的提取及定量测定、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量、质粒DNA的提取及鉴定、质粒DNA的浓度测定与双酶切鉴定。这些实验既具有代表性又符合科研需求,学生通过这些实验可以掌握电泳仪、离心机、酶标仪、Nanodrop2000、凝胶成像仪等生化仪器的使用方法,学会了大分子物质的分离纯化和含量测定分析方法。实验过程中2名学生1组,每位学生都有动手的机会,又能培养其团队合作意识,允许学生根据具体的实验内容和实际情况合理安排,比如在蛋白质的提取及定量测定实验中,学生可以选择考马斯亮蓝法、双缩脲法和BCA法测定同一蛋白质的浓度,比较3种方法的优缺点,对实验结果做出合理分析。质粒DNA的提取及鉴定取代了原来的动物组织核酸的提取与鉴定,操作上使用目前科研中常用的质粒小提试剂盒,与后续质粒DNA的浓度测定与双酶切鉴定环环相扣,学生提取的质粒DNA会在下一次课进行浓度测定和双酶切,这无形中使得学生认真对待每一次实验,增加了学生对实验的兴趣和结果的期待,同时也培养了学生认真负责的学习态度。(2)增加设计性教学实验。设计性实验要求学生能够将生物化学和分子生物学理论与实验技术运用到实际的科研工作中去,目前开设的有肿瘤基因p62表达质粒构建及其对人宫颈癌Hela细胞增殖的影响、酒精代谢关键酶乙醛脱氢酶2(ALDH2)的基因多态性分析两个实验。以肿瘤基因p62表达质粒构建及其对人宫颈癌Hela细胞增殖的影响为例,由教师提出实验题目,学生查阅文献,互相讨论,提出实验设计方案开展实验,涉及的实验技术包括引物设计、PCR、质粒构建、质粒提取及浓度测定、细胞转染、蛋白质的提取与定量测定、蛋白质免疫印迹、CCK-8等,由于实验具有连贯性,这就要求学生合理安排时间,培养了学生的科研思维和创新能力。由于场地、课时和时间连续性的限制,目前该实验主要针对基础医学专业“朱宪彝”班开设,其他具有一定科研基础的学生可以进行开放性实验预约选修。每个实验项目的内容、时间、指导老师等信息统一录入实验教学预约平台,学生根据专业需求和兴趣进行选择。此外,鼓励学生结合临床实际,开展创新型设计实验,由学生自主选题设计实验方案,经教师可行性分析讨论后,予以实施,鼓励学生申报大学生创新性课题,为学生提供创新实验活动基地。设计性实验部分既能锻炼学生的科研能力、创新能力,又能锻炼学生的学术论文写作能力,为学生的科研工作搭建了很好的平台。2.2改革传统教学模式。(1)翻转课堂。翻转课堂是教师利用现有的信息技术手段,重新调整课内外时间,将创建好的教学视频、动画、图片或课件等课前发送给学生,学生课前观看,课堂上教师再针对性进行讲解[5]。我系将生化实验课程及实验室精密仪器的使用操作制作成15min左右的视频短片,录制视频时对操作的关键点给予近镜头,生动直观的展示实验内容。做好的课程短片配套实验讲义和实验报告放在超星学习通上,每学期上课的学生通过二维码进班级群,学生可以在课前通过电脑或手机随时随地进行预习,每个学生完成理论知识和操作要点的学习方可取得相应的分数,计入综合成绩,并且师生可以在线答疑和讨论。课堂上以提问的方式检查学生课前预习的情况,根据学生的回答再提出问题,节省了课堂讲授环节的时间,让学生有更多的时间操作和思考,并且避免了学生的不规范操作,提高了学生实验的成功率。实验结束后,通过分析讨论实验结果,出现与预期不符的情况,做好分析总结,寻找原因。(2)PBL教学。PBL教学法是以问题为导向的教学方法,能够激发学生学习兴趣,培养学生创造性思维以及解决问题的能力[6]。实验教学前可以先提出问题,在做“肿瘤基因p62表达质粒构建及其对人宫颈癌Hela细胞增殖的影响”实验时,先提出问题:目前科学前沿对肿瘤基因p62的研究进展,怎样在肿瘤细胞中进行p62基因功能的研究,研究该基因功能的临床意义等。这就需要学生在课前充分查阅文献,了解国内外研究现状。经小组讨论给出科学严谨的实验方案。课堂上,各小组通过PPT以类似开题报告的形式进行讲解,教师根据设计方案的目的性、科学性、创新性和可行性进行提问,引导同学一起对实验方案进行修订,指导学生完成实验,这样就可以充分调动学生参与实验的积极性并引导学生对实验的内容步骤等进行思考,使学生更好地通过实验教学理解生物化学的理论知识,将实验教学与理论学习很好地结合起来。(3)案例教学。在实验课前给学生布置相关的临床案例,让学生结合理论知识进行分析探讨,让学生理解实验课程的临床意义[7]。例如血清蛋白中各类蛋白的百分比对于肝、肾疾病和多发性骨瘤髓的诊断具有重要意义,在做“醋酸薄膜电泳分离血清蛋白质”实验前,给出案例,让学生根据肝病的血清蛋白电泳图谱,结合血清蛋白和PA测定的数据,对肝病患者做出早期临床诊断。这种教学模式将实验课程与理论知识和临床案例相结合,让学生带着兴趣做实验,使学生变被动为主动,激发了对实验课学习的热情。(4)开放式实验教学。开放式实验教学是在完成正常教学任务的前提下,将实验时间、仪器设备、实验场地、实验项目、试剂耗材等资源通过教学实验预约平台,面向本科生开放[8],使学生带着问题进入实验室,得到老师的指导[9],充分体现了“以学生为主体,学以致用”的教学理念。开放式实验教学更能突出学生参与实验的主动性,激发学生的创造热情[4]。实验项目建设要体现学生的自主性,同时又要满足不同层次学生的需要,因此既要设立可供学生选择的指定性实验项目,又要允许学生自行提出和设计实验题目的创新型实验项目。实验项目可由教师提出、学生自主申请,也可由学生自主选题、选择指导教师。其过程均是在教师指导下,学生设计实验方案,自主完成实验操作,具体操作过程中发现问题细心观察,主动思考,并对实验结果进行分析处理,培养了学生分析问题和解决问题的能力[10-11]。例如“酒精代谢关键酶乙醛脱氢酶2(ALDH2)的基因多态性分析”是学生自主设计的开放式实验项目,通过对催化酒精代谢中间产物乙醛氧化分解的关键酶ALDH2的遗传多态性分析[12-13]来检测不同人对酒精的耐受程度。该项目贴近生活,学生通过查阅文献,自主设计实验,大大提高了学生自主学习的能力。2.3更新实验教学设备。我院生化与分子生物学系提供教学实验室4间,细胞房1间,承担生物化学和分子生物学相关的基础实验、设计实验和开放实验教学任务。在学校和学院的大力支持下,实验室进行了大规模改造,淘汰了部分陈旧设备,配备了荧光显微镜,凝胶成像分析仪、细胞破碎仪、酶标仪、伯乐电泳仪、生物安全柜、Nanodrop2000超微量分光光度计、恒温金属浴、化学发光仪、移液器等配置较高的仪器设备,提高了实验操作的便利性和结果的精确度。仪器的数量尽可能满足学生上课需求,为每位学生提供动手操作的机会。此外,学生还可在实验室预约平台上,根据实验室空闲情况预约开放性和设计性实验,大大提高了教学实验室仪器设备的利用率。2.4调整实验准备工作。以往实验课程的准备工作和预实验是由教师完成,不利于学生科研思维和科研习惯的培养[14]。为了逐渐改变这一状况,鼓励学生参与课前准备,学生通过实验教学预约平台预约,在教师和实验人员的指导下,参与实验的准备工作,比如蛋白质的提取及定量测定实验,需要提前进行细胞的培养和传代;质粒DNA的提取及鉴定实验,需要提前做转化摇菌;每学期的教学实验开课前都要进行预实验,可以由学生在老师的指导下完成,这无形中增加了学生动手的机会,使学生对实验内容有一个完整的理解和认识,并且实验准备很大程度上影响着实验结果,学生的参与能够充分发挥其主观能动性,发现问题,引发思考,进而激发学习的兴趣,更突出了学生在教学中的主体地位[15]。2.5完善成绩评价体系。以前的生物化学实验课程成绩主要由统一的实验报告结合学生的考勤、实验操作按一定比例进行综合评价。这就存在组内或组间同学互相抄袭实验报告的情况,且一个班30名学生,教师很难客观评价每位学生的操作是否规范。改革后的成绩考核主要分2种:对于基础教学实验考核,包括课堂表现和实验报告的书写。教学中采用“教师提问+学生解答”或“学生讲解+教师总结”的模式,实验报告将不再统一模板,要求学生在实验过程中做好数据记录,并对实验结果进行分析,重点考核课前预习、课程参与度、实验操作和实验数据分析的科学性;对于设计性实验考核,实验报告要求学生以科研小论文形式撰写,考核时应注重查阅文献、实验方案设计、操作实施以及论文撰写的规范性。这种分类考核的方式,保证实验成绩考核的客观性和全面性,较真实反映了学生的综合素质,调动了学生学习的积极性和主动性。2.6重视教学细节安排。(1)根据不同专业需求,开设不同层次的实验课程。实验教学改革之后,学生在课堂上的学习兴趣明显提高,积极参加课堂上的师生互动、总结讨论环节,课堂气氛非常活跃,教学效果明显改善。通过问卷调查了解到,学生对实验教学改革认可度较大,但各种问题依然有待解决。目前我校有7个学院14个专业开设了医用生物化学实验教学,很显然,不同专业对教学内容及深度要求不一。但由于实验教学课时偏少,实验准备任务较重,造成不同专业的实验课程内容相同。根据专业特色和需要对教学大纲进行修订势在必行。比如基础医学5+3“朱宪彝”班,是我校为培养基础医学学科创新拔尖人才开设的专业,对医用生物化学课程的学习应更加深入,因此在完成基础教学实验后,还需要必修设计性教学实验,将前沿的科学研究方法和技术引入教学中,进一步强化学生的科研思维,培养学生专业的科研能力,为今后投身基础研究工作打下坚实的基础;临床5+3、口腔5+3、药学等专业的学生,必修基础教学实验,对部分科研感兴趣及后续考研或工作有需求的学生可以继续选修设计性教学实验;而护理、康复治疗等专业只要选修其中与疾病诊断相关的实验课程。(2)实验内容步步递进。基础教学实验课程中,蛋白质的提取及定量测定实验提取出的蛋白样品可以用作蛋白免疫印迹实验的样品,但由于课时的限制,课程中安排了SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量,学生在这两次课程中掌握了蛋白提取定量以及电泳的方法后,可以通过实验教学平台预约蛋白免疫印迹实验,进行后续的目的蛋白的检测;质粒DNA的提取及鉴定实验中提取的质粒,除了完成后续浓度测定与双酶切的课程外,还可以设计引物进行RCR扩增出目的条带,或将质粒转染细胞以研究目的基因的功能。学生通过课上的学习和课下的思考可以延伸出许多相关的设计性实验项目,同时也避免了实验材料的浪费。(3)建设虚拟仿真课程,提高学生学习兴趣。考虑到实验室、课时、贵重仪器等方面的问题,我系拟建设部分虚拟仿真课程,例如蛋白质谱分析、蛋白免疫印迹等课程,学生可以通过虚拟实验熟悉实验原理,掌握实验过程和操作步骤,了解实验过程中可能出现的问题和解决方法,虚拟仿真实验与真实实验操作相结合可以显著提高学生的学习兴趣和学习效果,对学生掌握实验操作技术具有重要意义。

3结语

医用生物化学实验课程的教学改革经历对4届学生的实践与探索,在不断试验总结的基础上形成了完善的实验教学体系,取得了良好教学效果。教学内容与学科先进技术接轨,学生实验操作技能明显增强,对课程学习的兴趣和积极性也显著提高,学习态度由被动逐渐转为主动,积极思考和分析实验中遇到的问题。课堂上,有些学生因实验结果不理想会主动通过教学实验平台预约重做实验或更改实验方案进行尝试,有的学生会在实验结束后主动与老师分析讨论实验结果,对实验和仪器的探索欲明显增强。开放性实验教学的建设也为学生深入进行科学研究提供了更多的机会。通过教学改革,学生实验设计能力得到锻炼,创新思维也得到激发,为后续课题研究奠定了良好的基础。

作者:任媛媛 苏超 孙亚楠 孙晓明 刘灵 张纬 单位:天津医科大学基础医学院