以慕课为基础在生物化学实验课程中引入情景设计式开放实验

摘  要：生物化学实验课程是一门与生物科学相关的专业基础必修课，是配合生物化学理论课程的实验课程。2018年底南京大学第一个实验操作型慕课生物化学实验正式上线。以慕课为基础的生化实验教学改革，即以情景设计式开放实验为特色的生物化学实验课程，由此展开。情景设计式开放实验即以真实实验过程为基础，设计实验中的障碍、问题、缺陷和不足，引导学生设计实验，解决问题并进行实践。

关键词：生物化学实验；场景设计；开放实验；慕课；经验与反思

中图分类号：G642         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）08-0111-04

Abstract： Biochemistry Experiments course is a basic compulsory course related to biological science， which is an experimental course matching with theoretical Biochemistry course. At the end of 2018， the first experimental operation-oriented MOOC Biochemistry Experiment in Nanjing University was online. After more than two years of online and offline teaching practice， we summarized the experience of biochemical experiment teaching reform based on MOOC， that is， the biochemical experiment course characterized by open experiment based on scenario design， which in open experiment is based on the real experimental process to propose the obstacles， problems， defects and deficiencies in the experiment， guide students to design experiment protocols in order to solve the problems， at last to carry out the practice.

Keywords： Biochemistry Experiments; scenario design; open experiment course; MOOC; experience and reflection

生物化学实验课程是一门与生命科学相关的专业基础必修课。实验内容主要是针对生物功能分子，如核酸、蛋白质、多糖、维生素和酶，进行分离纯化、定性定量和活力测定等多维度的实验，同时该课程还涉及了生化研究中的常用仪器，如分光光度计、分析天平、电泳装置和层析装置等的操作。因此，生物化学实验综合了操作性、验证性和综合性等实验项目，通过实验训练，有助于学生通过掌握生化的主要方法与技术，进一步加深对书本理论知识的理解和记忆，同时通过反复操作样品试剂和仪器设备，形成肌肉记忆，提高协调性和动手能力。

在生物化学实验课程授课过程中，传统授课方法是由教师讲解过程，并演示实验关键步骤，再由学生完成实验。由于课时有限，往往教师的课堂演示无法充分展示实验进行的动态与状态。在早些年，考虑到这些问题，本教研室已经完成实验演示的课程录影工作，但是由于课堂放映时间有限，课后学生自学不及时，存储播放介质缺乏，同时实验项目与器材更新快，实验录影并没有起到预想的效果。

慕课（MOOC），即大规模在线开放课程 （Massive Open Online Course），是指受教育者通过互联网获取免费学习资源，进行有效学习的一种开放网络课程集合。同时，慕课还汇集了课程视频、阅读材料、测试题及交流论坛等方面的功能。因此，慕课具有规模大、开放程度高、学习时间灵活和学习资源丰富等一系列特征，能够在一定程度上促进学生自主学习，并提升师生之间的交流与互动的效率[1]。基于此，我们在2018年底上线了南京大学第一个实验操作型慕课——生物化学实验[2]，经过两年多的线上线下教学实践，我们总结了以相关慕课为基础的实验教学改革经验，即以情景设计式开放实验为特色的生化实验课程。

一  情景设计式与自由开放实验

“开放实验”是检验学生课堂学习效果的有效手段，通常会作为考试实验或生化高阶实验的一部分[3]。但是在“前慕课”时期，由于学时的压缩导致学生实验操作减少，无法独立展示实验设计，因此，通常只能给少数选修高级生化实验课程的学生开放。随着慕课的开放和小规模限制课程（SPOC）（学校专有课程）的线上线下同步化，学生可以先行学习大部分生化实验的原理和操作，充分了解生化实验室的现有装备，为设计开放实验奠定了坚实的基础。

基于此，我们首先进行了自由开放实验的教学改革尝试。在这个实验设计中，我们对学生的要求是在慕课演示的实验仪器和装备范围内，即给予学生充分的自由度，甚至还可以申请购买额外的试剂样品和申请使用科研仪仪器。在改革尝试中，学生和教师皆投入了大量的物力和精力，取得了良好的教学效果。学生通过开放实验，从原理和步骤设计，学会了按需求查阅文献，从结果分析实践了生物统计操作，尤其从失败中总结了大量的经验，进一步体会了生命科学研究的不易。学生自主设计的开放实验项目选取见表1。

由表1可知，学生对于自由设计实验的态度决定了实验设计的优劣，大部分学生还是选择简单改变实验样本，而多维度分析，尤其是参数优化、条件选择等在自主选项中并不多见，但这些参数上的微调往往才是研究工作者日常面对的困境和难题。有少数学生的实验设计考虑全面，如“苹果酶促褐变的影响因素及酶促褐变对苹果营养价值的影响”，但在实验过程中，由于缺乏对实验整体耗费时间缺乏认识，往往复杂的实验最终无法完成的。

针对以上自由开放实验的缺陷，我们在不同生源中，根据学生基础、学科特点及学时规划，进一步改革和完善开放实验，引入情景设计，以期满足不同专业学生的学习要求。所谓情景设计，即以真实实验过程为基础，设计实验中的障碍、问题、缺陷和不足，引导学生设计实验，解决问题并进行实践。

二  情景设计式开放实验的实例

情景设计不仅明确了自主实验的目的，优化了实验实施过程，同时还调动了任课教师的参与性，鼓励学生针对性地查阅文献，加强师生互动。图1为情景设计实验的基本流程。下面我们将以醋酸纤维薄膜电泳分离血清蛋白质为例，具体说明该开放实验的设计与完成过程。

醋酸纤维薄膜电泳由于操作简便、分辨力高和电泳时间短等优点，在很多方面被广泛应用。同时，醋酸纤维素薄膜电泳也被列为生物化学实验教学中的经典实验之一，在慕课中有详细的实验过程和讲解。其主要的实验目的为：①掌握血清蛋白质各组分的等电点、相对分子量和酸碱性等基本性质；②学习电泳分离蛋白质的基本操作；③了解如醋酸纤维薄膜等薄膜电泳介质的属性，同时和其他蛋白质电泳方法进行比较。该实验的过程紧凑、结果明确且完成度较好，但是从以往的实验过程中也发现了很多主观和客观问题，笔者从图1方法中收集到一些典型的情景，例如，①实验中使用的缓冲溶液-巴比妥/巴比妥钠缓冲液（pH=8.6，离子强度0.06 mol/L），属于麻醉类药品，普通渠道无法采购获得，而且在本实验中用量较大存在安全隐患。②用于替换的磷酸、硼酸缓冲溶液分离度差，电泳条带模糊。③人血清为生物管制类制品，涉及医学伦理和传染源性危害，较难获得。④醋酸纤维薄膜因市场需求不足导致工厂停产。笔者将这些问题呈现给学生，并要求学生结合实际实验结果，拟定针对且不仅限于以上4点的情景进行实验重设计或优化设计。从上交的实验设计中，发现学生们还提出了其他问题。如，点样量的控制、电泳条件优化和计算机处理分析等各种实验遇到的瓶颈，并给出了相应的解决方案，如图2所示。

汇总以上开放实验的结果，得到了如下结论。

1）pH为8.6的磷酸缓冲液与硼酸缓冲液的分离效果相当，都可以用以取代原巴比妥缓冲液。

2）文献中采取的订书机或滤纸点样法不可行，效果差。

3）如图3（a）所示，鸡蛋清液离心后取上清，采用一定比例的鸡清和水混合作为血清的替代品，电泳实验可行，且电泳效果优于血清。

4）由于电泳条带不清晰，硝酸纤维薄膜不适合在本体系里使用，其原因可能是介质的电荷影响。

5）如图3（b）所示，牛血清不适合替代人血清，因此电泳条带较少，且区分度差，可能是由于牛血清中含非蛋白杂质较多影响电泳，此外本实验采用的牛血清经过了细胞无害化处理，也可能导致电泳后呈现的蛋白质条带较少。

6）牛奶中粗提取的酪蛋白不适合作为蛋白质电泳上样，主要是酪蛋白不易溶解于水，如图3（c）所示，用碱性溶液助溶，则酪蛋白易发生水解，产生大量碎片肽链，电泳条带不可见。

从实验整体情况分析，约有一半实验组没有得到与实验预设一致的结果，大部分的学生能在结果不理想的时候积极调整实验设计，进一步优化实验步骤。但也有少部分学生不能很好地理解开放实验的容错性，对结果表示沮丧，担忧实验“不成功”带来的负面影响。此时需要任课老师积极介入，如解释“阴性”结果也是一种结论。并鼓励他们在课后，通过结合来自各方的信息，如文献、平行实验组等，分析实验数据，在得到确实的结论后，从横向和纵向展开有效的讨论，给出合理化的建议。以上实验过程经过充分的组间交流和工作汇报，不仅丰富了学生的实验“实战训练”，同时也为今后的教学工作提供了优化改进的线索。

例如，“牛奶中提取和纯化酪蛋白”是生化实验课程中的一次基础实验，完成该实验后，部分学生对自己提取的酪蛋白产物是否能作为目标蛋白产生了兴趣，于是积极设计了相关实验。由于前期缺乏对酪蛋白的基本物化性质的考察，在实验过程中无法得到足够的酪蛋白溶液，因此预实验没有电泳（染色）成功。于是在二次实验时，该组同学补充了其他溶解性较好的商品化蛋白质，如牛血红蛋白和牛血清白蛋白作为平行参照（图3（c））。虽然没有获得设想中的单一条带，但是学生们在实验报告中加入了积极的讨论和思考，摘抄如下“①在清水（约50 mL）中所取酪蛋白（约2 g）不易溶解，溶解度过低从而导致在溶液中酪蛋白含量过少，导致酪蛋白电泳效果不好。加碱溶液后溶解度会变高，但此次实验所加碱溶液浓度和量（0.16 g NaOH溶于10 mL去离子水）较少，效果提升不明显，最终酪蛋白溶液浓度仍然很低，所以酪蛋白的电泳结果是空白，几乎没有酪蛋白存在。②点样过多，醋酸纤维薄膜上牛血红蛋白和牛血清白蛋白的量过多，从而使电泳条带很宽。③在配置蛋白质溶液时，没有精确称量蛋白质固体质量和蒸馏水的体积，导致对蛋白质溶液浓度没有定量，浓度或高或低，电泳结果十分不理想。④根据文献、牛血红蛋白等电点高于牛血清白蛋白，牛血红蛋白所带电荷少于牛血清白蛋白，因此在实验结果中可以明显看到，在相同电泳条件下，牛血清白蛋白的条带扩散范围更广，而牛血红蛋白的条带则相对集中。该差异也有可能是因为初始点样时两种蛋白的量不同而造成的。（19级医学院李粤）”

目前在生物化学实验课程开放实验中我们设计了两种情景，除上述的醋酸薄膜纤维电泳实验以外，我们还提供了“牛奶中酪蛋白提取”的实验框架，具体提供了以下常见实验情景，如提取实验中蛋白质在等电点时不沉淀，抽滤时无法抽干，粗提成品发黄和酪蛋白成品粘度高等。