组织创新性实验,提高自学实践能力

摘 要：在本科大学生中开展研究性和创新性实验课程，要充分注意做好组织管理工作，综合应用各门课程的基础知识，对巩固所学基础知识和增加新的学科知识点、加大计算机应用能力和社会交往能力的培养，开拓专业视野，提高同学的自学能力、实践动手能力和科研创新能力是大有益处的。

关键词：研究性学习 创新性实验

一、组织小组同学学习相关基础课程知识

舟山小黄鱼为我国东海主要经济鱼类之一，其肉质鲜嫩，营养丰富，是優质食用鱼，也是婴幼儿及病后体虚者的滋补和食疗佳品，受到许多消费者的喜爱。但由于小黄鱼富含蛋白质，所以在加工和贮藏过程中容易生成生物胺(如组胺、腐胺、尸胺、酪胺、精胺和亚精胺等)，特别是鱼体不新鲜时可能含有较多的生物胺。当人体摄入过量的生物胺（尤其是同时摄入多种生物胺）后，可能产生诸如头痛、恶心、血压升高、心悸等一系列的不良反应，严重时还会危及生命。因此海产品中胺类物质的检测具有十分重要的意义。这样我们成立了“海产品小黄鱼中生物胺检测”的创新性实验小组。小组成立后，我们立即组织小组同学们复习专业基础课程《生物化学》相关内容：生物胺主要是通过氨基酸的脱羧作用生成，如组氨酸脱羧基生成组胺，酪氨酸脱羧基生成酪胺等等。同时进一步让同学加深对生物胺分类的认识：①根据其组成成分可以分成两类，即单胺和多胺。单胺主要有组胺、酪胺、色胺等。而多胺主要包括精胺和亚精胺。②根据其结构可分为三类，一是脂肪族类（腐胺、尸胺、精胺、亚精胺等）。二是芳香族类（酪胺、苯乙胺等）。 三是杂环胺类（组胺、色胺等）[1]。通过组织小组成员学习，大家明确了生物胺中的组胺对人类的健康的影响最大，其次是酪胺，其他生物胺的存在会增强组胺和酪胺的不良作用。有些生物胺，如尸胺、腐胺等能够与亚硝酸盐反应生成亚硝胺等杂环类致癌物质。这样再结合《仪器分析》课程的复习，同学们提出利用最普通的紫外可见分光光度测定小黄鱼中的组胺含量，而不用操作复杂和价格昂贵的高效液相色谱等仪器，为海产品中胺类物质的检测提供一种简单而有效的方法。

二、组织同学自主检索查阅文献，学习偏最小二乘回归方法

所用检测仪器确定之后，组织小组同学检索文献和文献资料的学习，在老师的指导下，大家认为吸光度结合偏最小二乘回归（Partial least squares regression，PLSR）方法可以克服吸收峰重叠的困难，完成样品中胺类物质的测定。如杨红宁等以血糖值为因变量，以收缩压、舒张压、血中甘油三酯、总胆固醇、低密度脂蛋白中胆固醇含量等为因变量，用偏最小二乘回归方法进行了相关分析，并说明了偏最小二乘回归具有传统线性回归方法不具备的许多优点，结论更为可靠等等[2]。

通过进一步的组织小组同学学习与讨论，大家都清楚了偏最小二乘回归方法就是“主成分分析+典型相关分析+普通多元线性回归”。所以偏最小二乘回归在分析结果中除了提供一个更为合理的回归模型外，还可以同时完成类似于主成分分析和典型相关分析的内容等等。通过以上组织小组同学的深入讨论与学习[3]，同学们则自己完成了以下设定：设海产品（小黄鱼）中组胺含量为单因变量y，设s个光谱数据为自变量{ x1, x2, …, xs}，分析 n 个样本，就分别构成因变量和自变量的“样本点×变量”型数据矩阵，

Y=[y]n×1与X=[x1, x2, …, xs]n×S

偏最小二乘回归方法要从自变量系统X中逐步提取m个对自变量系统X和因变量系统Y都具有最佳解释能力的新综合变量t1,t2,...tm(m≤s),，也称为主成分。偏最小二乘回归将通过实施y对t1,t2,...tm的回归,然后再表达成y 关于原变量x1,x2,...xs的回归方程，到此同学们偏最小二乘回归建模完成。

三、组织同学自已到市场上联系购买所需实验试剂

实验中所用主要仪器为全自动紫外可见分光光度计。而实验所用试剂不再是老师配制好后直接供同学使用，而是先让实验小组同学去联系市场购买而后同学自己配制。其组织管理工作是：第一步组织同学上网搜索供应化学试剂的公司或厂家。第二步让同学们确定能提供完成实验所需试剂的公司2-3家。第三步则由小组长主要负责联系这2-3家公司并与同学讨论比较（包括化学试剂纯度等）后购买。所有过程均由小组同学独立完成，目的是培养同学们独立办事和社会交往能力。

四、组织高年级同学辅导实验试剂的配制

指导老师在实验过程中，还挑选1-2名学习好、责任心强、实践能力强的高年级同学为指导“助理”，辅导和帮助实验小组同学完成实验试剂的具体配制。同学按文献[4]方法，先配制组胺标准储备液。称取分析纯盐酸组胺16.6g用蒸馏水溶解并定容在100ml容量瓶中。然后准确吸取组胺标准储备液10ml于100ml容量瓶中，加水定容到刻度，这样得到每毫升含组胺为10微克的标准使用液。再准确吸取0.5、1.0、2.0、3.0毫升标准使用液在4个比色管中各加水至5毫升，这样就得到了每毫升含组胺5微克、10微克、20微克和30微克的标准溶液。通过这样多次的实验试剂“辅导”配制过程，不仅提高了实验小组同学对分析仪器和玻璃仪器的充分认识和实际动手能力，而且对高年级同学来说也是一种锻炼和提高。

五、组织小组同学完成光谱扫描测定

在老师指导下，组织小组同学在分光光度计上完成几种不同浓度组胺的光谱扫描测定（在上述各标准溶液中再分别加入5.0毫升的对氨基苯磺酸钠和0.3毫升的盐酸亚硝酸钠溶液）。光谱曲线结果见图1，这样进一步加深了小组同学对《仪器分析》课程中光谱扫描和吸收光谱曲线概念的理解和认识。

六、组织好小组同学与老师的讨论学习，偏最小二乘回归建模分析测定结果

在整个实验过程中要组织好小组同学与老师的讨论学习，如偏最小二乘回归中主成分个数的确定，小组同学在老师指导下，将上述所得光谱数据和各标准溶液组胺含量用吸光度-偏最小二乘回归模型进行分析，在分析过程中，小组同学用交叉有效性判别方法决定主成分的个数，小组同学发现，在选择主成分个数为2时，变量之间就有了很好的线性关系，与指导老师充分讨论研究与学习后，说明同学所建模型是可靠的。接着在老师进一步指导下，小组同学取组胺含量是40.0微克的样本作预测，其所得结果见图2（图2是MATLAB命令窗口的部分截图），图中显示了同学们所建吸光度-偏最小二乘回归模型对组胺含量是40.0微克样本的预测结果（predictedvalue）以及（Ea 预测绝对误差）和（Er 预测相对误差）。从结果可见，通过同学们反复实验所建立的吸光度-偏最小二乘回归模型，不但充分利用了吸光度矩阵和浓度矩阵的的信息、具有高的精确度和准确度，而且更为重要的是培养和提高了同学们在科研实践中发现问题和解决问题的能力。

七、结论

在本次研究性和创新性实验教学中，教师重点作好组织管理工作：一是组织好小组同学重点复习与实验相关的基础课程内容，这样进一步加深了同学对基础课程中相关内容的理解和掌握。二是组织好小组同学检索和查阅相关文献，培养了同学们从文献中获取所需信息的能力。三是组织好同学自己去购买所用实验试剂，锻炼和培养了同学们的社会交往能力。四是组织好高年级同学帮助实验试剂的配制，培养了学生的独立动手能力。五是组织好老师与小组同学的讨论学习，培养同学的自主学习能力和知识应用能力。通过这些创新性实验活动，不但巩固了同学们所学相关基础知识，而且极大地加深了同学对所学基础知识的理解，很好地培养了同学们的自学能力、科研动手能力以及社会交往能力。◆

注：浙江海洋学院 大学生研究性学习和创新性实验项目。

参考文献：

[1] 张微 李秀缺 陆容等.浅谈食品中生物胺的检测方法[J].食品工程.2007，12（4）：55-57

[2] 杨红宁，武海滨，李 叶.影响血糖水平因素的偏最小二乘回归分析[J].中国卫生统计，2009，26（1）：77-79

[3] 李大东 杨兴林 林慧敏.艾滋病患者外周血单个核细胞的计算机分类[J].中华传染病杂志，2010，28（10）：630-633

[4] 郝宏兰.水产品中组胺的测定方法研究[J].食品科学，2000，21{8}：46-48