提高學生生物化學專業(yè)思維能力的教學實踐*

高明波，海 華，門 磊，冮 潔，李興太，何明磊，張艷梅，金黎明，李春斌

(大連民族大學生命科學學院，遼寧 大連 116600)

生物化學分為結構生物化學、代謝生物化學和分子生物學三大部分，本校的化學工程與工藝專業(yè)生物化學理論課共計64學時，主要講結構生物化學和代謝生物化學部分。結構生物化學知識點覆蓋面非常廣，代謝生物化學各種代謝之間的聯(lián)系非常復雜，學生學習的難度很大。而且因為教學內容多，課程進度就快，學生不能及時地消化掌握課堂內容，細碎的知識點之間建立不起好的邏輯關系，重要的內容記不清，記不牢，相近的內容容易混淆。目前主要采用PPT結合雨課堂插件的教學模式，可隨堂做題，跟蹤學生的學習情況，可是因為課時有限，不能充分地練習。為了提高教學效果，嘗試采用思維導圖法和科學發(fā)現(xiàn)案例法(教師課堂分享和翻轉課堂等形式)提高學生的邏輯思維能力，幫助學生理解和記憶。

1 使用思維導圖培養(yǎng)學生邏輯思維能力

思維導圖是英國記憶學家Tony Buzan于20世紀70年代創(chuàng)造的一種圖形思維工具，用層級圖表現(xiàn)各級主題之間的關系，將枯燥煩瑣的教學內容按照內在邏輯順序建立相互的節(jié)點聯(lián)系，從而變成容易記憶的、有高度組織性、發(fā)散性的系統(tǒng)圖。這種方式特別適合知識點多、繁瑣復雜的生物化學的教學和學習[1]。

思維導圖可以用手工繪制，也可以采用目前普遍流行的專用軟件制作，有三種普遍使用的軟件如Xmind、Mindmanager和Freehand[2]。本文繪制的生物化學教學內容思維導圖采用Xmind軟件制作。這款軟件在實用的同時具有簡單易學、教學內容可視化、操作界面美觀等優(yōu)點。

制作思維導圖的過程可以使制作人明白各知識點之間的關系，在制作的過程中必須不斷地提取出關鍵詞，而關鍵詞可以幫助大腦更好地儲藏信息。

除了老師制作思維導圖用于每章內容教學的開始和每章內容的復習外，為了充分調動學生學習的主觀能動性與積極性，還鼓勵學生獨立制作每一章更細致的思維導圖。如果信息點還是太密集的話，還可以以每節(jié)課為單位制作更精細的思維導圖，了解重要的細節(jié)。

教學中在第一節(jié)緒論課時就把結構生物化學和代謝生物化學兩個模塊的整體知識框架呈現(xiàn)給學生，給出圖1和圖2，讓學生對于生物化學要學什么心中有數。同時講一講兩大模塊內容學習方法的差異：結構生物化學是按照結構-性質-功能的線來學習，強調理解分子結構和功能的關系；代謝生物化學是按照生化反應邏輯來學習，強調反應發(fā)生的邏輯順序、分室化和調控[3]。

圖1 結構生物化學的主要內容

圖2 代謝生物化學的主要內容

結構生物化學每一部分的思維導圖，老師示例如圖3所示，可布置學生就其中某分支部分做思維導圖再展開。代謝生物化學的思維導圖，老師示例如圖4所示。通過思維導圖可以理清各部分之間的關系，有助于培養(yǎng)系統(tǒng)思維能力。

圖3 脂的分類

圖4 糖酵解的主要內容

2 科學發(fā)現(xiàn)案例

案例教學法(case method)一般認為是由哈佛大學法學院前院長Christopher Columbus Langdell于1870年前后首創(chuàng)。與傳統(tǒng)的講授法相比，案例教學法要求學生課前要閱讀資料做準備，課堂互動也更為積極。其結構可分解為四個維度：以科學為基礎；以案例為素材；以蘇格拉底式方法(問答法)為手段；以“像律師一樣思考”為目標。二十世紀八十年代，我國開始引入案例教學法，這是一種積極的雙向教學方法，其實質就是充分發(fā)揮學生的主體作用，強調教師的主導作用[4]。

生物化學發(fā)展至今，每一項重要的科學發(fā)現(xiàn)都凝聚了大量科學家的失敗教訓，成功經驗，曲折的研究經歷背后有豐富的故事，也有在錯誤中調整思維的過程[5]。重要的是，通過具體而微的科學發(fā)現(xiàn)過程介紹讓學生明白，科學家也和我們一樣會犯錯誤，會走入思維誤區(qū)，但他們能夠根據失敗的實驗結果和出現(xiàn)的新現(xiàn)象及時調整實驗思路，逐步走到正確的思維道路上。維生素的發(fā)現(xiàn)充分體現(xiàn)了這一點[6]：一開始Eijkman沿著微生物感染的思路尋找腳氣病的致病菌，實驗動物從兔子，猴子到雞，做了很多實驗都沒有分離到腳氣病的致病菌。后來在飼養(yǎng)員的提醒下，留意到可能是飼料營養(yǎng)成分缺乏導致了腳氣病，并設計實驗證明了這一點。又經Hopkins和Funk的持續(xù)努力，最終確定腳氣病是由于缺乏VB1造成。而結合變化學說的提出則充分體現(xiàn)了創(chuàng)造性思維的意義[7]：Mitchell提出氧化磷酸化的化學滲透學說以后，F(xiàn)1F0-ATP合酶是如何利用質子梯度合成ATP的問題一直懸而未決。Boyer一開始的思路是尋找氧化磷酸化過程中可能存在的高能中間物，以失敗告終。意識到中間物可能并不存在，他的思路轉向：氧化的能量可能并不是用來制造ATP分子，而是用來驅動緊密結合的ATP釋放。之后，他的研究小組發(fā)現(xiàn)，ATP合酶的3個催化亞基總是按照一種有序的方式進行催化。Boyer由此提出，ATP合酶的一個亞基就像汽車上的凸輪軸，通過轉動導致催化位點經歷3個步驟：ADP和Pi結合，ATP形成和收緊，ATP釋放。在持續(xù)不斷的旋轉催化過程中，所有的3個催化位點在任何時候都處于不同的構象。當時已有幾千種酶被發(fā)現(xiàn)，但還沒發(fā)現(xiàn)哪一種酶能進行旋轉催化。之后John Walker確定了ATP合酶催化亞基的三維結構，Yoshida使用特殊方法在顯微鏡下觀察到亞基的旋轉。這些精彩的科學發(fā)現(xiàn)案例除了讓學生領會到科學家鍥而不舍的工作精神，也讓學生體會到其中的思維脈絡，學會有邏輯和有創(chuàng)造性地思考問題。

除了老師課堂講述，也積極開展翻轉課堂，鼓勵學生自選科學發(fā)現(xiàn)案例，學習科學家的奮戰(zhàn)求真精神和邏輯思維能力[8]。諾貝爾獎是一個很好的切入口。除了諾貝爾生理或醫(yī)學獎跟生物化學相關以外，諾貝爾化學獎也有近一半頒發(fā)給了生物化學領域，這是一個認識化學與生物學密切關系的好機會。布置化工專業(yè)學生選取與生物化學內容相關的諾貝爾化學獎或生理醫(yī)學獎案例，以4～5人為1組，查閱資料、歸納、總結，翻轉課堂上以PPT展示[9]，展示后有和同學互動問答環(huán)節(jié)，老師點評環(huán)節(jié)。翻轉課堂激發(fā)了學生的學習熱情，學生做的精彩展示有：

(1)綠色熒光蛋白——2008年諾貝爾化學獎：下村修20世紀60年代發(fā)現(xiàn)GFP(綠色熒光蛋白)，90年代Chalfie充分開發(fā)了GFP的應用，錢永健發(fā)明多個GFP變種。GFP被用作新型報告基因，進行蛋白定位和作為免疫標記物。老師在點評中，重點幫學生建立成果應用的思維。老師還可以在點評中由錢永健引申到錢氏家訓和錢家世代讀書的故事，推薦紀錄片《讀書的力量》，引導學生愛讀書，讀好書，立志向，勤努力。

(2)青蒿素——屠呦呦2015年諾貝爾生理或醫(yī)學獎：屠呦呦從中醫(yī)古籍中“淘金”-“青蒿-握，以水二升漬，絞取汁，盡服之”，之后根據青蒿素的溶解性質，做了兩個重要改進：改水漬為醇取(后來是醚取)，改高溫醇取為低溫萃取。老師點評時可推薦饒毅講述青蒿素研發(fā)詳盡時代背景和艱苦過程的《呦呦有蒿》：是扎扎實實做事的精神讓青蒿素這個抗瘧新藥獲得成功，挽救了無數人的生命。

(3)酶的定向進化和多肽及抗體的噬菌體展示技術——2018年諾貝爾化學獎：根據達爾文的進化論，變異經選擇固定下來，促進了進化。酶的定向進化即是在試管中進行的微觀進化，是經隨機突變、重組，人為制造大量變異，按特定需要、目的給予選擇壓力(高溫、高毒性等)，篩選出具有期望特征的蛋白(酶)(高活性，高穩(wěn)定性)，實現(xiàn)分子水平的模擬進化。而噬菌體展示是可將多肽(如惡性瘧原蟲的多肽)或蛋白表達于噬菌體的蛋白質外殼上，可作為有效抗原，誘導抗體的定向進化，研制新藥。老師點評時重點啟發(fā)學生進化思想從宏觀到微觀的遷移和應用。

(4)細胞感知和適應氧氣——2019年諾貝爾生理或醫(yī)學獎：由發(fā)現(xiàn)缺氧誘導因子HIF開始，科學家逐漸發(fā)現(xiàn)HIF與紅細胞生成素，心血管形成的關系?？赏ㄟ^調控HIF-1通路促進紅細胞生長，治療貧血；通過干擾HIF-1降解促進血管生成，治療循環(huán)不良；通過降解HIF相關蛋白，抑制新生血管的形成從而對抗惡性腫瘤。老師點評重點啟發(fā)學生由一個科學發(fā)現(xiàn)，引申出可能的應用領域。

(5)基因編輯——2020年諾貝爾化學獎：法國的Emmanuelle Charpentier和美國的Jennifer A.Doudna 兩位女科學家因基因編輯獲獎。最初是日本研究小組1987年在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)。2005年發(fā)現(xiàn)CRISPR與宿主菌外染色體基因高度同源，2007年發(fā)現(xiàn)細菌利用CRISPR抗噬菌體入侵，2013年首次使用CRISPR-cas9對人、鼠基因定點突變。兩位女科學家因在開發(fā)基因組編輯方法方面的卓越貢獻而獲獎。CRISPR未來有廣闊的應用前景：可用于基因治療遺傳病，消除致病微生物，改寫和創(chuàng)造生命。但也必需認識到的是，改寫和創(chuàng)造生命將帶來嚴重的倫理學問題，會加劇社會的不平等，會導致特征趨同，甚至可能會產生自私、好戰(zhàn)特性得到強化的人，造成極大的安全隱患。老師點評時可推薦諾貝爾文學獎得主石黑一雄拷問基因編輯倫理問題的新作《克拉拉與太陽》。另一方面，老師也可以結合兩位女科學家獲獎的勵志故事講述幾代女科學家在科學史上堅韌奮斗的歷史，激勵熱愛研究工作的女生珍惜今天的好機會，奮發(fā)努力，成就一番事業(yè)。

3 結 語

在生物化學教學中引入思維導圖，可以幫助學生把零碎的知識系統(tǒng)化，邏輯化。結合翻轉課堂的案例教學法激發(fā)了學生探究科學發(fā)現(xiàn)背后邏輯和故事的興趣，有助于學生在清楚科學發(fā)現(xiàn)來龍去脈的基礎上建立創(chuàng)新嚴謹的思維習慣，也引導學生在洞悉科學發(fā)現(xiàn)的應用價值和倫理難題平衡中建立起對人類和社會的責任感。怎樣在生物化學教學中培養(yǎng)學生的生化思維，同時立德育人,潤物細無聲地進行課程思政建設,這只是初步的嘗試和探索。今后將進一步探索好的教學方法,挖掘生物化學有意義的案例資源,培養(yǎng)有素質,有情懷的學生。