新工科背景下生物化學(xué)課程教學(xué)設(shè)計

崔文璟 周楠迪 周哲敏

摘? 要：在新工科建設(shè)背景下，生物化學(xué)這門課程在工科院校生物工程類專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用日益重要。糖的分解代謝是這門課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往難以全面地理解其中的關(guān)鍵代謝過程、代謝酶的功能以及生物學(xué)意義。如何提高教學(xué)成效，文章以糖的分解代謝為例，利用基于問題學(xué)習(xí)（PBL）的教學(xué)理念，運(yùn)用多種教學(xué)手段，將講授、提問、討論、探索有機(jī)結(jié)合起來，設(shè)計了新穎的教學(xué)過程。文章對工科院校生物化學(xué)課程改革教學(xué)有一定的借鑒價值。

關(guān)鍵詞：生物化學(xué);糖分解代謝;教學(xué)設(shè)計;教學(xué)改革;基于問題的學(xué)習(xí)

中圖分類號：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）35-0006-04

Abstract： Under the background of new engineering construction， Biochemistry plays an increasingly important role in the training of bioengineering professionals in engineering colleges. Sugar Metabolism is the key and difficult point in this course. It is often difficult for students to fully understand the key metabolic processes， the functions of metabolic enzymes， and the biological significance during the learning process. How to improve the effectiveness of teaching， this paper takes Carbohydrate Catabolism as the object， uses the teaching concept based on problem learning， uses a variety of teaching methods， organically combines teaching， questioning， discussion， and exploration， and designs a novel teaching process. This paper has a certain reference value for the reform teaching of "Biochemistry" in engineering colleges.

Keywords： Biochemistry; Glucose Catabolism; teaching design; teaching reformation; problem-based study

作為生命學(xué)科的重要基礎(chǔ)學(xué)科與前沿學(xué)科，生物化學(xué)是生物類學(xué)科重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程以及核心課程，在生物工程和生物技術(shù)等工科專業(yè)本科生專業(yè)培養(yǎng)中有重要的地位和作用。生物化學(xué)是有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、生物學(xué)、物理化學(xué)和生理學(xué)交叉而產(chǎn)生的一門邊緣學(xué)科，其代謝反應(yīng)錯綜復(fù)雜，基本原理抽象難懂，也是一門較難學(xué)的課程[1]。如何在教學(xué)實(shí)踐過程中把這些復(fù)雜的代謝反應(yīng)和抽象深奧的代謝機(jī)理，以及代謝調(diào)控轉(zhuǎn)變成具體化、形象化和易懂、易學(xué)的知識教授給學(xué)生，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)生物化學(xué)的興趣，同時在教學(xué)實(shí)踐過程中有意識地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造能力，使學(xué)生的思維方式從單向思維向發(fā)散思維，從常規(guī)思維向立異性思維，從正向思維向逆向思維和從直覺思維向抽象思維轉(zhuǎn)變，這對于提高教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生綜合分析和解決復(fù)雜的生物化學(xué)問題以及培養(yǎng)科研創(chuàng)新力具有十分重要的意義。

優(yōu)化教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法和手段是深化本科課程改革，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的兩大核心問題。近年來國內(nèi)外的生化教學(xué)圍繞這兩個核心內(nèi)容進(jìn)行了許多改革[2-4]。主要包括：（1）教學(xué)手段的變革，引入了多媒體和微課;（2）教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整，把許多內(nèi)容簡化講解，相關(guān)知識歸入別的課程;（3）教學(xué)方式的優(yōu)化，采用了教師講解與課堂討論、提問等相結(jié)合的方法;（4）改變評價方式，變單純的應(yīng)試評價為多維評價;（5）實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助，通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其對理論課的理解。雖然這些改革舉措對教學(xué)質(zhì)量的提升起到了一定的作用，但仍存在難于全面引導(dǎo)90后、95后和00后學(xué)生提升學(xué)習(xí)興趣的問題，同時還面臨課時數(shù)減少與教學(xué)內(nèi)容不斷膨脹的矛盾。由于生物工程類學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)科特色等方面的差異，生物化學(xué)課程群里系列課程的教學(xué)目標(biāo)也有所不同。在不同學(xué)科特色下，對不同專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的學(xué)生培養(yǎng)要求也有所側(cè)重。在此基礎(chǔ)上，針對已全面進(jìn)入00后的一代學(xué)生，知識的傳授方法就迫切需要不斷集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)與時俱進(jìn)的創(chuàng)新授課形式尤為重要。針對此，可開展將紙質(zhì)圖書與數(shù)字資源及在線交互三位一體的新形態(tài)教材的建設(shè)探索，再加上各種新型課堂教學(xué)方法和教學(xué)模式的引入，可為促進(jìn)學(xué)生主動思考，深入理解并掌握生物化學(xué)課程群系列課程基礎(chǔ)知識，對全面提升教學(xué)效果起到至關(guān)重要的作用[5]。比如，在系列教材和教學(xué)過程中適當(dāng)引入與抽象的理論知識有密切聯(lián)系的宏觀案例，并且穿插與之相關(guān)的最新研究成果，增進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的意識，培養(yǎng)其對學(xué)習(xí)的興趣。

除此之外，創(chuàng)新生物化學(xué)課程的考核方式對于積極評價教學(xué)效果，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，增強(qiáng)學(xué)生獲取新知識能力等方面均具有重要的作用[6]。目前，在教學(xué)實(shí)踐過程中，“一考定終身”的考評方式已經(jīng)逐步被摒棄，取而代之的是增強(qiáng)過程考核，突出平時學(xué)習(xí)的投入度和學(xué)習(xí)效果[7]。通過平時的課堂提問、小組討論、階段性測驗(yàn)等環(huán)節(jié)，全方位評價學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中對生物化學(xué)課程重要理論知識的掌握和運(yùn)用。

生物化學(xué)課程中糖的分解代謝是教學(xué)重點(diǎn)之一，同時也是難點(diǎn)。作為中心代謝途徑，糖代謝溝通了蛋白質(zhì)、脂肪、核酸等幾大生命分子的代謝途徑。因此，如何設(shè)計糖代謝的課堂教學(xué)方式對改革整個生物化學(xué)課程的教學(xué)體系具有重要指導(dǎo)意義。同時，對于學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握其他生物分子的代謝具有借鑒價值。基于此，本文在總結(jié)本科生物工程專業(yè)教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對糖的無氧氧化和有氧氧化這方面內(nèi)容設(shè)計了新穎的教學(xué)方案，通過提煉教學(xué)重點(diǎn)、創(chuàng)新教學(xué)方式、發(fā)展新的教學(xué)思路，設(shè)計了以講授為主的教學(xué)方式，同時還融合了課堂討論、課后拓展等方面的教學(xué)環(huán)節(jié)。本文對雙一流建設(shè)背景下，工科院校生物化學(xué)課堂教學(xué)改革有一定的借鑒意義。

一、學(xué)情分析

本課程的授課對象為生物工程、生物技術(shù)專業(yè)的大二學(xué)生。先期已學(xué)習(xí)了大學(xué)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等先導(dǎo)課程，學(xué)生基本已握了普通化學(xué)理論知識。同時，在這門課程的前半部分章節(jié)中已學(xué)習(xí)了有關(guān)糖類分子的基礎(chǔ)知識，初步了解了各種單糖、多糖的結(jié)構(gòu)、分子構(gòu)成以及理化性質(zhì)。但糖代謝步驟較多，參與的代謝過程非常復(fù)雜，代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵酶種類繁多，調(diào)節(jié)機(jī)制復(fù)雜，并且許多中間代謝產(chǎn)物都是聯(lián)系其他幾大類生物分子的紐帶，這增加了學(xué)生從整體上掌握代謝途徑和代謝調(diào)節(jié)的難度。因此，本章節(jié)的講學(xué)設(shè)計將運(yùn)用多種教學(xué)手段，圍繞這些重難點(diǎn)開展系統(tǒng)教學(xué)活動。

二、教學(xué)目標(biāo)

基于生物化學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)點(diǎn)，結(jié)合生物工程專業(yè)的學(xué)科特色，圍繞糖的分解代謝關(guān)鍵代謝過程、代謝途徑等知識點(diǎn)，提出本章節(jié)內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)，分為5點(diǎn)：

（1）能夠透徹理解糖的無氧氧化和有氧氧化的生理學(xué)意義，掌握這兩個糖代謝過程在原核和真核細(xì)胞中發(fā)生的部位，代謝過程的異同點(diǎn)。

（2）理解并熟練掌握糖的酵解和三羧酸循環(huán)過程中關(guān)鍵酶催化的代謝步驟，兩個過程的限速酶，以及限速酶的調(diào)節(jié)機(jī)制。

（3）熟練掌握糖酵解和三羧酸循環(huán)過程中ATP產(chǎn)生的部位和產(chǎn)生機(jī)理，能夠準(zhǔn)確判斷出糖酵解和三羧酸循環(huán)中能與氨基酸、脂肪酸和核苷酸代謝產(chǎn)生聯(lián)系的代謝中間物。

（4）通過對糖酵解和三羧酸循環(huán)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，能夠進(jìn)一步拓展有關(guān)糖代謝及調(diào)節(jié)過程的最新進(jìn)展，初步具備閱讀并理解有關(guān)糖代謝進(jìn)展的專業(yè)綜述文獻(xiàn)的能力。

（5）通過學(xué)習(xí)和掌握糖的無氧和有氧氧化，進(jìn)一步為學(xué)習(xí)糖的其他代謝途徑（如磷酸戊糖途徑以及糖異生）打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

（一）教學(xué)重點(diǎn)

本章節(jié)內(nèi)容眾多，是進(jìn)入物質(zhì)代謝的開篇內(nèi)容。如何結(jié)合學(xué)科特色、課程內(nèi)容以及專業(yè)需求來提煉授課重點(diǎn)決定了最終的教學(xué)效果，也是教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的重要保證。對于糖酵解和三羧酸循環(huán)代謝途徑，以催化這兩個代謝途徑的關(guān)鍵酶、限速酶為教學(xué)重點(diǎn)，重點(diǎn)講授參與糖酵解的己糖激酶、磷酸果糖激酶1和及丙酮酸激酶以及參與三羧酸循環(huán)的檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶以及α-酮戊二酸脫氫酶等兩條途徑，六個限速酶的催化活性，酶分子結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系以及參與糖代謝的調(diào)控方式、作用功能、生物學(xué)意義等關(guān)鍵知識點(diǎn)，并引導(dǎo)學(xué)生積極利用酶學(xué)調(diào)控的理論來揭示一些與糖代謝有關(guān)的發(fā)酵過程和某些代謝性疾病的病理機(jī)制（如糖尿?。?，基本教學(xué)重點(diǎn)和教學(xué)設(shè)計歸納如圖1所示。

（二）教學(xué)難點(diǎn)

掌握糖酵解和三羧酸循環(huán)的各代謝步驟，尤其是關(guān)鍵酶、限速酶的調(diào)節(jié)步驟以及限速酶的調(diào)節(jié)機(jī)理。

四、教學(xué)內(nèi)容和過程設(shè)計

（一）糖的無氧氧化——糖酵解

首先設(shè)計課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)。從自然現(xiàn)象出發(fā)，以我國短跑健將蘇炳添為例，引導(dǎo)學(xué)生討論人體在劇烈運(yùn)動過程中，機(jī)體是如何持續(xù)提供能量的？都有哪些營養(yǎng)物質(zhì)在這個過程中發(fā)揮了作用？通過討論，使學(xué)生建立起糖代謝在合成ATP過程中起重要作用的宏觀概念。

隨后，進(jìn)入對糖酵解的理論闡釋環(huán)節(jié)。借鑒基于問題的學(xué)習(xí)策略（PBL）[8]，首先設(shè)置有關(guān)糖酵解的關(guān)鍵問題，即：單糖（葡萄糖）通過什么途徑完成無氧階段的分解代謝？這個代謝途徑是如何實(shí)現(xiàn)精密調(diào)控的？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入對糖代謝的思考中，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣和探索精神。

課程主體內(nèi)容的設(shè)計分為以下步驟：

（1）介紹糖酵解的概念、在細(xì)胞中發(fā)生的定位，酵解和發(fā)酵概念的區(qū)分。

（2）糖酵解的三個階段：活化、裂解和無氧氧化。

a. 各階段的反應(yīng)步驟，從六碳糖到三碳糖的裂解、異構(gòu)——為下一階段無氧氧化提供基礎(chǔ)。

b. 三個階段的關(guān)鍵酶——己糖激酶、6-磷酸果糖激酶1（PFK-1）和丙酮酸激酶。

c. 系統(tǒng)介紹三個酶的調(diào)節(jié)機(jī)理：變構(gòu)調(diào)節(jié)和共價修飾。PFK-1的介紹還需簡要介紹6-磷酸果糖激酶2（PFK-2）的產(chǎn)物果糖-2，6-二磷酸對PFK-1的調(diào)節(jié)機(jī)制（激素水平、共價修飾調(diào)節(jié)）。

（3）總結(jié)物質(zhì)代謝過程。

a.重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生理解從1分子六碳糖分解成2分子三碳糖后分別進(jìn)行后續(xù)氧化過程，相當(dāng)于進(jìn)行了二輪氧化，為接下來介紹能量代謝做準(zhǔn)備。

b. 無氧氧化過程中能量核算：介紹葡萄糖在活化和氧化產(chǎn)能階段ATP的消耗和生成。此部分內(nèi)容聯(lián)系電子傳遞鏈和氧化磷酸化，兩條電子傳遞鏈分別生成不同數(shù)目的ATP，引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)前述學(xué)過的知識。

（4）酵解生成的產(chǎn)物丙酮酸的去路。

a. 乳酸菌發(fā)酵乳酸，酵母菌發(fā)酵產(chǎn)出酒精、甘油等產(chǎn)物的意義和具體代謝方式。

b. 點(diǎn)出關(guān)鍵問題：氧化產(chǎn)生的NADH+H+需要尋找電子載體從而實(shí)現(xiàn)輔酶再生。

（二）糖的有氧氧化——三羧酸循環(huán)

1. 丙酮酸進(jìn)一步氧化脫羧

（1）關(guān)鍵酶：丙酮酸脫氫酶復(fù)合體（PDC）。引導(dǎo)學(xué)生回顧概念——多酶復(fù)合體。區(qū)分多酶復(fù)合體和多功能酶及同工酶。

（2）介紹PDC復(fù)合體構(gòu)成的三種酶以及六種輔因子，各個酶在丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰CoA催化過程中所參與的具體反應(yīng)過程，脫氫過程N(yùn)ADH如何再生，各個輔因子如何參與反應(yīng)的。

（3）重點(diǎn)問題：這一過程是脫氫和脫羧過程，三碳的丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嫉囊阴；４呋擊鹊妮o因子，催化脫氫的輔酶。

2. 三羧酸循環(huán)的過程

（1）最初從乙酰CoA和草酰乙酸縮合生成檸檬酸開始，連續(xù)限速酶的催化過程。三個限速酶的調(diào)節(jié)受變構(gòu)調(diào)節(jié)，產(chǎn)物抑制作用。

（2）檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體（脫氫酶系）。重點(diǎn)介紹脫氫酶系的調(diào)控機(jī)理和催化機(jī)理，與丙酮酸脫氫酶系屬于酮酸脫氫酶超家族成員。

（3）逐一介紹三羧酸循環(huán)的各個反應(yīng)步驟。這一過程中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)碳原子數(shù)目的變化是連續(xù)的二步脫羧的結(jié)果，從檸檬酸六碳轉(zhuǎn)變?yōu)樗奶肌?/p>

（4）整體介紹三羧酸循環(huán)過程中四步脫氫的過程和參與的輔酶，脫氫后還原型輔酶的去處。在此過程中能量生成的計算依據(jù)，從丙酮酸氧化脫羧伴隨脫氫開始，三羧酸循環(huán)中三步脫氫使用 NAD+做氫受體，一步反應(yīng)使用FAD， 還有一步底物水平磷酸化過程。

五、教學(xué)互動和啟發(fā)引導(dǎo)

（一）啟發(fā)式討論

討論1：糖在生命活動中的重要性。請2-3位同學(xué)分別結(jié)合自己所學(xué)、 所見舉一些實(shí)際的例子來討論。

討論2：從酵母釀酒和劇烈運(yùn)動后肌肉酸痛這些實(shí)際現(xiàn)象入手，討論微生物和人體是如何產(chǎn)生這些反應(yīng)的？酒精的發(fā)酵和乳酸生成和這些實(shí)際現(xiàn)象有何聯(lián)系？引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象入手，逐步探討現(xiàn)象背后所蘊(yùn)含的代謝過程。

（二）適時提問，溫故知新

提問1：結(jié)合前述“電子傳遞和氧化磷酸化”的內(nèi)容，提問1-2位同學(xué)有關(guān)NADH+H+電子傳遞鏈和FADH2電子傳遞鏈生成ATP的數(shù)目，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會從實(shí)際代謝反應(yīng)中來計算整個途徑ATP的凈生成。

提問2：丙酮酸脫氫酶復(fù)合體（系）。聯(lián)系前述酶化學(xué)章節(jié)中有關(guān)酶分子結(jié)構(gòu)和功能的知識，來理解脫氫酶復(fù)合體的功能。

六、自主學(xué)習(xí)過程

科學(xué)問題：提出教科書上沒有但與糖類代謝密切相關(guān)的問題：葡萄糖是如何轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的？細(xì)胞如何決定何時利用葡萄糖？葡萄糖效應(yīng)背后蘊(yùn)含了什么樣的機(jī)制？

課外閱讀材料[9-11]：圍繞重點(diǎn)內(nèi)容丙酮酸脫氫酶復(fù)合體和呼吸鏈，拓展有關(guān)蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)和功能的知識，引導(dǎo)學(xué)生加深對丙酮酸脫氫酶復(fù)合體參與乙酰輔酶A合成分子機(jī)制的理解。

七、教學(xué)反思

糖的無氧氧化和有氧氧化是糖代謝的第一節(jié)課，糖代謝催化的反應(yīng)調(diào)控關(guān)鍵酶眾多，調(diào)節(jié)機(jī)制復(fù)雜，是高校授課教師普遍認(rèn)為的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)[12]。這些問題決定了學(xué)生在開始學(xué)習(xí)這一章節(jié)時普遍具有畏懼心理，面對眾多知識點(diǎn)無所適從，往往走向死記硬背或是不記不背兩個極端，影響學(xué)習(xí)成效，進(jìn)而對物質(zhì)代謝這一部分的內(nèi)容產(chǎn)生厭學(xué)的情緒。因此，必須采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和豐富的授課方式，使學(xué)生能在較為輕松的學(xué)習(xí)氛圍中不斷主動地吸取新的知識。同時，運(yùn)用啟發(fā)式教學(xué)，以問題為導(dǎo)向，不斷給學(xué)生提出新問題，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，逐步引出所要講授的關(guān)鍵內(nèi)容和難點(diǎn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生主動查閱資料、檢索文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)興趣。對于糖代謝涉及到的酶學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)等方面的內(nèi)容要學(xué)以致用，融會貫通，全面提升學(xué)習(xí)效果。

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