基于問題的細胞生物學課程知識體系的解構(gòu)及教學實踐

陳連水, 袁鳳輝, 周亞平, 李江

(東華理工大學 生物系， 南昌330013)

細胞生物學是重要的基礎(chǔ)學科，也是現(xiàn)代生命科學發(fā)展的支柱之一。它處處體現(xiàn)著與其他學科的交叉與整合，歷來都是諾貝爾獎等重大成果的匯集地。早在1925年生物學大師Wilson就提出：“一切生命的關(guān)鍵問題都要到細胞中去尋找”[1]。細胞生物學是一門研究細胞結(jié)構(gòu)、功能以及細胞生命活動規(guī)律的科學[2]。它的發(fā)展得益于顯微觀察與操縱技術(shù)的日益突破，其知識更新也是許多學科無法比擬的；加之細胞生物學涵蓋了經(jīng)典的細胞學內(nèi)容與前沿的細胞分子生物學成果，所以，細胞生物學是一門既新且廣、既泛且難的課程，它日益成為各院校重點探究和建設的學科。

基于問題的教學方法(Problem-based learning,PBL)是目前發(fā)達國家普遍采用并被廣泛認同的一種課程模式[3-6]。要基于問題來構(gòu)建細胞生物學課程知識體系，教材的建設和選擇是關(guān)鍵。鑒于國內(nèi)外細胞生物學相關(guān)教材很多，本文涉及的知識體系是以北京大學翟中和院士等編寫的各版《細胞生物學》為藍本，采用國內(nèi)外相關(guān)著作或教材作為參考對象來進行構(gòu)建和闡釋的。因為該教材體系完整，其知識性、可讀性、前沿性較強，能基本滿足本科層次的教學要求，所以國內(nèi)大多數(shù)院校選用了該教材；不過，由于該教材過于側(cè)重知識性和前沿性，忽略了對各章節(jié)內(nèi)容深淺和關(guān)聯(lián)的把握，概念不一或結(jié)論不明確，知識單元和知識點相對雜亂，尤以第4版為甚，重點、難點與熱點難于辨別，等等。介于上述的不足，本文特從問題入手，來解構(gòu)細胞生物學本科課程的知識體系，以整合課程內(nèi)容，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)[7-8]，理順細胞學、細胞生物學與細胞分子生物學之間的關(guān)系；適當強調(diào)研究性教學[9]，強化作業(yè)設置與評價[10]，以突出課程重點、化解課程難點、顧及課程熱點；使師生更好地把握該課程教學的主要目標與任務，提升教與學的水平。

1 基于問題的細胞生物學知識體系的解構(gòu)

本課程解構(gòu)參照北大教材第2版[1]以結(jié)構(gòu)對比或關(guān)聯(lián)為主線、從細胞外到細胞內(nèi)、從細胞結(jié)構(gòu)到細胞功能再到細胞生命活動來編撰體系目錄；該目錄很好地體現(xiàn)了細胞學、細胞生物學和細胞分子生物學的發(fā)展歷程，便于引導學生入門，也容易使學生辨識該課程的基礎(chǔ)、重點和難點或熱點內(nèi)容。

1.1 緒論知識單元的解構(gòu)

問題：簡述細胞學與細胞生物學的發(fā)展歷程。該問題涉及緒論知識單元中細胞學(Cytology)、細胞生物學(Cell Biology)和細胞分子生物學(Molecular Cell Biology)概念，及發(fā)展歷程的時段與節(jié)點、主要成果與技術(shù)手段、代表性人物等知識點(見表1)。

1.2 細胞生物學研究方法與技術(shù)知識單元的解構(gòu)

問題：比較光學顯微鏡、電子顯微鏡與掃描隧道顯微鏡？該問題涉及細胞生物學研究方法與技術(shù)知識單元中三大類別顯微鏡的技術(shù)特點、原理和主要類型等知識點(見表2)。

1.3 細胞多樣性與一致性知識單元的解構(gòu)

問題：原生質(zhì)成分如何造型？該問題涉及細胞多樣性與一致性知識單元中細胞的化學與生物進化、模式細胞與細胞多樣性、人造細胞或虛擬細胞等知識點(見表3)。

表1 細胞學與細胞生物學的發(fā)展歷程簡表

表2 光學顯微鏡、電子顯微鏡與掃描隧道顯微鏡的比較

表3 原生質(zhì)成分造型情況

1.4 細胞表面與細胞質(zhì)膜知識單元的解構(gòu)

問題一：簡述細胞質(zhì)膜的特性。該問題涉及細胞表面與細胞質(zhì)膜知識單元中生物膜或單位膜共性、流動性與影響因素、外周蛋白與內(nèi)在蛋白、整合蛋白與整聯(lián)蛋白等知識點。

問題二：紅細胞為什么能維持特定的細胞外形？該問題涉及細胞表面與細胞質(zhì)膜知識單元中細胞膜骨架結(jié)構(gòu)組成與作用等知識點。

問題三：細胞外基質(zhì)(ECM)是什么？它如何影響細胞運動？該問題涉及細胞表面與細胞質(zhì)膜知識單元中細胞外基質(zhì)的組成與作用、細胞粘連與細胞遷移、鈣黏蛋白與鈣調(diào)蛋白等知識點。

問題四：為什么說神經(jīng)突觸是一種通訊連接？該問題涉及細胞表面與細胞質(zhì)膜知識單元中細胞連接、細胞社會性、細胞同步性等知識點。

問題五：簡述Na+-K+泵工作原理。該問題涉及細胞表面與細胞質(zhì)膜知識單元中Na+-K+泵分子機理、動物細胞膜電位、靜息電位與動作電位、相關(guān)生物毒素機理等知識點。

問題六：Na+、K+、H+、Ca2+或Cl-各有幾種跨膜運輸方式？該問題涉及細胞表面與細胞質(zhì)膜知識單元中簡單擴散與協(xié)助擴散、主動運輸與協(xié)同運輸、ABC超家族、相關(guān)生物毒素機理等知識點。

問題七：胰島素和胰高血糖素如何調(diào)節(jié)糖元的合成和分解？該問題涉及細胞表面與細胞質(zhì)膜知識單元中親脂信號分子與親水信號分子、G蛋白及作用、磷酸化與去磷酸化、蛋白激酶與蛋白磷酸水解酶、信號的級聯(lián)放大、信號傳導或轉(zhuǎn)導途徑、一路多效或多路一效與生物網(wǎng)絡信息等知識點。

1.5 細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)知識單元的解構(gòu)

問題一：為什么說細胞質(zhì)基質(zhì)和細胞內(nèi)膜系統(tǒng)各細胞器是結(jié)構(gòu)區(qū)域化(房室化)和功能有序化的一個

連續(xù)整體？該問題涉及細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)知識單元中細胞質(zhì)與細胞質(zhì)基質(zhì)、細胞內(nèi)膜系統(tǒng)、合成性細胞器(結(jié)構(gòu))與分解性細胞器(結(jié)構(gòu))、游離核糖體與附著核糖體、生物分子修飾、三類生物大分子糖類(多糖或寡糖)、脂類(簡單脂或復合脂)和蛋白質(zhì)(駐留蛋白、膜蛋白與分泌蛋白)在細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)中的合成、加工、轉(zhuǎn)運與定位等具體途徑及囊泡運輸、跨膜運輸與核孔運輸?shù)戎R點。

問題二：概述蛋白質(zhì)的分選機制及分選過程。該問題涉及細胞質(zhì)基質(zhì)與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)知識單元中蛋白質(zhì)的分選機制、三類蛋白的合成、加工、轉(zhuǎn)運與定位中的信號分選過程、分子伴侶及作用等知識點。

1.6 線粒體與葉綠體知識單元的解構(gòu)

問題：比較線粒體與葉綠體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、半自主性和起源等。該問題涉及線粒體與葉綠體知識單元中線粒體基粒與葉綠體基粒、呼吸鏈與光合鏈、ATP合酶與ATP合成酶、光合作用單位、光反應與暗反應、氧化磷酸化與光合磷酸化、TCA酶系與RuBP羧化氧合酶、mtDNA與ctDNA等知識點。

1.7 細胞核與基因知識單元的解構(gòu)

問題一：染色質(zhì)與染色體的轉(zhuǎn)換。該問題涉及細胞核與基因知識單元中常染色質(zhì)與異染色質(zhì)、染色質(zhì)

與染色體、著絲粒DNA與端粒DNA、染色質(zhì)重塑與異染色質(zhì)化、染色體多級螺旋與染色體骨架-放射環(huán)包裝模型、核型與帶型、多線染色體與燈刷染色體等知識點。

問題二：概述細胞核的主要功能。該問題涉及細胞核與基因知識單元中遺傳物質(zhì)的貯存、包裝，遺傳物質(zhì)的傳遞和實現(xiàn)在細胞(核)內(nèi)區(qū)域化和有序化運行的具體過程，及NORs與NPC、snRNA與hnRNA、核小體與核糖體等知識點。

1.8 細胞骨架知識單元的解構(gòu)

問題一：概述肌肉收縮的分子機制。該問題涉及細胞骨架知識單元中與肌細胞收縮有關(guān)的組織與細胞結(jié)構(gòu)(粗絲與細絲的組成、肌漿網(wǎng))、肌肉收縮的基本過程(動作電位的產(chǎn)生、Ca2+的釋放、原肌球蛋白位移、粗絲與細絲相對滑動、Ca2+的回收)等知識點。

問題二：與細胞分裂五大事件相關(guān)的主要細胞骨架成分是什么？其主要動力來源是什么？該問題涉及細胞骨架知識單元中與染色質(zhì)和染色體動態(tài)轉(zhuǎn)化相關(guān)的是染色體骨架或核基質(zhì)，與中心體復制、紡錘體出現(xiàn)相關(guān)的是微管(即紡錘體微管與星體微管)，與核仁的消失和重建相關(guān)的是核仁基質(zhì)，與核膜崩解和重建相關(guān)的是核纖層，與染色體排列、均分和遷移運動相關(guān)的是著絲點微管，與胞質(zhì)分裂環(huán)形成相關(guān)的是微絲，及摩托蛋白(肌球蛋白、驅(qū)動蛋白和動力蛋白)與作用、分子自組裝與影響因素、踏車行為、微絲與微管及其結(jié)合蛋白與作用等知識點。

1.9 細胞增殖與周期知識單元的解構(gòu)

問題：概述細胞增殖周期分子調(diào)控方式。該問題涉及細胞增殖與周期知識單元中細胞增殖與細胞類型、細胞周期檢驗點及作用、周期蛋白依賴性激酶CDK組成及作用、癌基因與抑癌基因、周期蛋白泛素化降解、細胞生長與細胞分化等知識點。

1.10 細胞衰老與凋亡知識單元的解構(gòu)

問題：概述細胞凋亡的分子調(diào)控方式。該問題涉及細胞增殖與周期知識單元中細胞衰老與Hayflick界限、細胞凋亡與Caspases家族、抑癌基因產(chǎn)物(p53蛋白)與癌基因(Bcl-2家族與Bax基因)等知識點。

2 細胞生物學知識體系解構(gòu)下的教學實踐

本課程組成員長期從事細胞生物學的教學與研究，在細胞生物學精品課程的建設過程中，積累了較為豐富的教學經(jīng)驗?，F(xiàn)將該課程知識體系下的教學體會提煉匯集于此，以供借鑒。

2.1 精悉學科地位，洞察學科前沿

清楚所教學科的地位與特色，了解它與其他學科的關(guān)系，熟悉本學科的發(fā)展史，也就能把握本學科的脈搏，才能站得高、看得遠，才能發(fā)現(xiàn)問題，預見問題，才能有前瞻性。對緒論章節(jié)處理的好壞，會直接影響整門學科的教學。譬如，我們把北大教材緒論章節(jié)細胞學與細胞生物學發(fā)展歷程概括的5個階段進行了重新整理，將其前兩個階段并為一個階段，中間3個階段基本保持不變，最后設定一個細胞分子生物學和細胞工程時期，并且適當調(diào)整和簡化各時間節(jié)點和技術(shù)成果等(參見表1)，這樣能使學科發(fā)展史更好地與生命科學發(fā)展歷程相吻合，對師生把握該課程知識體系十分有利。

2.2 明確教學目的，實施循序漸進

根據(jù)教學對象、課時要求與設置、教學重點與難點，制定明晰而具體的教學大綱和教學日歷，分步實施，循序漸進，始終圍繞主線索開展教學，才能突出教學重點，化解教學難點。譬如在制定課程教學大綱和教學目標中，我們始終以細胞生物學內(nèi)容即第四、五、六和七單元為教學重點，突出強調(diào)細胞結(jié)構(gòu)的區(qū)域化與功能的有序化、細胞的物質(zhì)、能量與信息代謝等特征和規(guī)律；以細胞分子生物學內(nèi)容即第八、九和十單元為難點和熱點，緊緊圍繞細胞遷移與細胞粘連、細胞運動與細胞骨架、細胞增殖與細胞凋亡、細胞生長與細胞分化等細胞空間、數(shù)量和質(zhì)量調(diào)控手段的分子機理，將細胞生命活動規(guī)律講清講透；簡化第一、二和三單元的細胞學內(nèi)容，補充鋪墊學科發(fā)展史、顯微技術(shù)手段和細胞的進化等新基礎(chǔ)知識。

2.3 精選優(yōu)秀教材，廣泛涉獵參考資料

好的書籍必有一條清晰的思路，它有作者對本學科的獨特見解，能反映本學科的最新成就；好的教材除了具備這些優(yōu)點外，它還應有若干個知識點，有其在本學科的權(quán)威性，因此選擇優(yōu)秀教材進行教學，能減少很多疑惑，較為方便地跨入本學科的門檻；如果輔之以參考書，定能相得益彰，促進教與學。譬如，在教材的選擇過程中，我們還以國內(nèi)外有影響的教材或著作如美國阿爾伯茨等編撰的《細胞分子生物學》、清華大學陳曄光等、復旦大學沈大棱等和韓貽仁等編撰的《細胞生物學》或《分子細胞生物學》為參考教材或資料，以保證知識的科學性和前沿性。

2.4 精煉教學語言，掌握教學節(jié)奏

在具體施教過程中，精煉重要概念和主要機理的板書語言，注意處理概括語言與詮釋語言的速度快慢、精準度與清晰度、通俗性與有趣性等關(guān)系，注重其對教學節(jié)奏的調(diào)節(jié)，換言之，適當放慢重要概念和主要機理的講解速度，增加其清晰度和準確性，適當加快詮釋語言的通俗性和有趣性，對教學能取到事半功倍的效果。如在 “細胞生物學”概念的教學過程中，不同教材、甚至同一教材往往有不同的表述，為了使該概念具有權(quán)威和指導性，不使學生產(chǎn)生歧義，我們精煉了“細胞生物學”概念，突出該概念下的“三個三”，即物理、化學和分子3種研究方法，顯微、亞顯微和分子3個研究層次，及細胞結(jié)構(gòu)、功能和細胞生命活動規(guī)律3個研究內(nèi)容；在強調(diào)“細胞生命活動規(guī)律”時，常會提及該研究內(nèi)容表述的變遷與學科發(fā)展的關(guān)聯(lián)。

2.5 尋求因材施教，挖掘教學手段

細胞學科的最大特點是內(nèi)容相對具體，建立微觀空間尺度觀念和具備微觀空間想象能力就十分重要，因此充分利用視覺獲取信息能力較強的特點，采用形象教學手段，能輕易化解細胞學科中一些難度較大的知識點。本人最大的體會就是多采用圖形化語言、示意性圖解、概括性圖表和動態(tài)性視頻等形象生動的多媒體或網(wǎng)絡教學手段，進行綜合講解，既能減輕老師備課的壓力，也能增強學生的直觀理解。如在第二單元的教學中我們會把3類顯微鏡的分辨范圍簡化為原子(?)級、分子(nm)級和細胞(μm)級并表格化，將微觀尺度形象化(參見表2)，以使學生盡早地建立起微觀空間尺度觀念，更快地熟悉、理解和掌握相關(guān)內(nèi)容。

2.6 精編習題解答，突出教學重點

精編一套細胞學科的習題解答，圍繞每章節(jié)的重點和難點提出一至二個綜合性或比較性強的問題，最好是本學科敏感且賦有挑戰(zhàn)性的熱點或難點問題，各題間要有連貫性，盡量不重復，然后進行創(chuàng)造性地解答，每次課后布置給學生做，結(jié)合課堂內(nèi)容、課本和改后所反映的問題，在隨后課堂上公開及時地進行訂正，注意解答語言要精練準確、要便于記憶與復習、要有新意。譬如，前述細胞骨架單元問題二涉及的知識點就是該問題較權(quán)威精準的解答，它強化了第七、八和九等單元中有關(guān)細胞分裂內(nèi)容的縱向聯(lián)系。

2.7 厘清重要概念，標明英文出處

細胞學科發(fā)展迅速，知識更新快，名詞概念層出不窮，經(jīng)常會遇到多詞一義或一詞多義的情況，叫法也多種多樣，因此，要厘清重要概念，做到科學準確，就必須盡量標明名詞的英文和出處，便于學生查找和閱讀相關(guān)文獻，或把字面相似或相關(guān)的概念進行對比解釋，并說明兩者的關(guān)系，以示明辨。如課程中的“細胞學與細胞生物學”“鈣調(diào)蛋白與鈣黏蛋白”“整合蛋白與整聯(lián)蛋白”“著絲點與著絲粒”“錨蛋白與錨定蛋白”“核小體與核糖體”，等等，通過標定其英文和說明兩者之間的關(guān)系就能很好厘清這些概念的內(nèi)涵與外延。

2.8 注重課間交流，適時調(diào)整思路

課余時間有意識地與學生交談，能一定程度上消除師生間的隔閡，可以從側(cè)面了解學生的知識結(jié)構(gòu)水平和興趣點，同時，也能了解學生對老師的認同程度，使教學有的放矢，促進教學互長。如該課程中“原核細胞與真核細胞”“動物細胞與植物細胞”“有絲分裂與減數(shù)分裂”等知識結(jié)構(gòu)常成為衡量學生細胞認識水平的標尺，而課程中眾多諾貝爾獎的研究技術(shù)、經(jīng)歷與成果又往往成為師生交流的話題或?qū)W生的興趣點。

2.9 緊扣教學環(huán)節(jié)，瞻顧教學氣氛

教學過程中，除了要緊扣教學環(huán)節(jié)外，兼顧教學氣氛的營造，做到輕松教學也十分重要；要注意學生心理承受力與教學要求的松緊度的合理調(diào)配。如考慮到細胞課程教學內(nèi)容較多，重點難點內(nèi)容頻現(xiàn)，為減輕學習壓力，做到循序漸進，故在實際教學過程中我們常設置期中和期末考試，兩次考試分別側(cè)重于課程的前、后部分，其考試形式和考核目標也略有差別，前者以開卷為主，常涉及實驗設計等環(huán)節(jié)，后者以閉卷為主，顧及整門課程或相關(guān)課程間的關(guān)聯(lián)。

2.10 理論實踐結(jié)合，做到游刃有余

細胞學科是理論和實踐高度結(jié)合的學科，它既有艱深的理論知識，又與農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、環(huán)保、軍事等密切相關(guān)，只有精心備好課，做到理論的形象化、語言的通俗化和知識的實用化，才能在授課中旁征博引，深入淺出，引人入勝，真正做到游刃有余。如細胞生物學主要涉及的是模式細胞結(jié)構(gòu)與功能及細胞生命活動規(guī)律，同時，它也有神經(jīng)細胞、肌細胞、肝細胞、干細胞等具體細胞內(nèi)容；它既涉及動物細胞，也涵蓋有植物細胞、微生物細胞等；既有正常細胞知識，又有病理細胞內(nèi)容。另外，它還與生物化學、分子生物學、遺傳學和發(fā)育生物學等很多學科發(fā)生聯(lián)系，其理論知識和實踐運用輻射范圍極其廣泛，加上本學科發(fā)展帶來的新知識和新技術(shù)導出不窮，這為該課程的教學提供了豐富而有趣的素材。