生物化學研究型教學的幾種典型案例

陳云，劉立軍，楊生妹

（揚州大學a.生物科學與技術學院；b.農學院，江蘇揚州225009）

生物化學研究型教學的幾種典型案例

陳云a，劉立軍b，楊生妹a

（揚州大學a.生物科學與技術學院；b.農學院，江蘇揚州225009）

大學研究型教學是培養創新型人才的合理選擇，高校各類課程已不同程度地實施了研究型教學。本文概述了生物化學課程幾種典型的研究型教學案例，為教師研究型的“教”和學生研究型的“學”提供參考。

研究型教學；生物化學；典型案例

研究性教學作為一種有效引導學生主動探究、培養學生實踐能力和創新精神的教學方式，已成為21世紀中國高等教育改革的熱點。所謂研究性教學，就是將課內講授與課外實踐、教師引導與學生自學、教材與閱讀有機結合并達到完整、和諧、統一的教學。研究性教學的本質在于“教”和“學”的全過程都貫穿著研究性的特征，包括教師研究型的“教”和學生研究型的“學”[1]。

生物化學是一門理論性和實驗性完美結合的科學。在其發展過程中，科學家們通過對未知領域內的問題的不斷探索，對生命現象化學本質的揭示，逐步積累形成系統的學科知識體系，這個過程是發現問題與解決問題的高度統一的過程。生物化學課程的教學也就是科學問題探索實踐過程的再現。結合我們十余年教學與科研工作中積累的經驗，就生物化學中的幾個案例談一些研究性教學的體會。

一、“科學實驗再現”型研究型課堂設計

作為一門探究性、實踐性強的學科，在設計研究性教學時，可以循著“提出問題、科學實驗再現、解決問題和自主探究”的模式。如教學案例“DNA是主要的遺傳物質”：

1.提出問題：“如何證明DNA是遺傳物質？”

2.科學實驗再現。重點講述經典的三個實驗。①1928年，Frederi ck Gri f f i t h利用肺炎雙球菌和老鼠進行的體內轉化實驗，結果證明細菌的遺傳訊息會因為轉化作用而發生改變。②1944年，Avery等人肺炎雙球菌轉化實驗，首次證明DNA是細菌遺傳性狀的轉化因子。③1952年，H ershey和Chase用35S和32P標記的噬菌體T2感染大腸桿菌實驗，證明噬菌體DNA攜帶了噬菌體的全部遺傳信息。

3.解決問題和自主探究。在這一階段，一方面可以讓學生思考和討論，并引導學生了解，自20世紀上半葉三個經典實驗的證明，繼而1953年W t son和Cri ck提出了DNA雙螺旋結構，解析了DNA作為遺傳物質的分子機制，自然轉接到后續DNA結構的相關內容的講述。另一方面讓學生自主探究，如：Avery轉化實驗的不足之處是什么；自主設計實驗證明DNA是遺傳物質；DNA是主要的遺傳物質的證明對現代科學技術革命有哪些深遠的影響。

類似的案例如：三聯體遺傳密碼的證明；脂肪酸β氧化途徑的發現等。

二、“物質結構與功能的關系”研究型教學設計

這一類型的典型案例是“蛋白質結構與功能的關系”。在學習了蛋白質的基本結構單位氨基酸、蛋白質的共價結構以及蛋白質的空間結構后，教師通過有效的研究性教學指導，促使學生探索蛋白質的結構與功能的緊密聯系，自主地提出、解釋、解決一些相關的問題。“蛋白質結構與功能的關系”研究性主題承上啟下、知識容量大、開放性強，每個學生都可以通過自主學習有所研究和收獲。

1.教師布置任務，啟動研究。蛋白質多肽鏈上氨基酸的排列方式，即蛋白質的一級結構與功能的關系：包括同源蛋白質的特種差異與生物進化的關系（以細胞色素c為例）、分子病（以鐮刀狀貧血病為例）；蛋白質的一級結構改變引起空間構象的變化進而導致功能改變：包括血液凝固的機制、酶原激活的實質以及核糖核酸酶變性與復性實驗；蛋白質空間構象改變引起功能改變：變構現象（以血紅蛋白與氧結合的關系為例）[2]。以上提出的問題不僅僅局限于書本上該章節的內容，它們涵蓋了蛋白質、酶、核酸的相關知識。通過這些問題的探究，不僅可以讓學生深入掌握蛋白質的結構與功能，還可以使學生認識生物體內大分子物質的相互聯系，為后續的物質代謝相互聯系的知識作鋪墊。

2.組織協調，跟蹤指導。教師深入班級，巡回檢查或召開分組會議，聽取匯報，掌握學生的研究過程，督促學生的研究正常開展，及時發現并研究解決存在的問題，答疑解惑，保證研究進度和質量。

3.研究成果展示與交流。學生匯報研究成果，“蛋白質結構與功能的關系”這一章節內容是生物化學教學內容中的重點和難點。蛋白質種類繁多，功能多樣，結構復雜。這部分內容所涉及的知識背景豐富，在課堂上教師要盡可能鼓勵每位同學從不同的視角提出問題，組織同學們進行討論，深化對教材知識的理解，并應用知識解釋身邊的生命現象，學會探索性學習，探索性工作。類似的案例如：DNA的結構與功能的關系；糖鏈的結構與糖生物學等。

三、“例證型”研究型教學案例設計

生物化學是解釋生命現象的化學本質的科學，因而其理論內容與實際緊密聯系，在理論教學時教師常常列舉日常生活中的生命現象以解釋抽象的理論知識，增強學生的理解，同時激發學生濃厚的研究興趣。如：禽流感病毒，其案例應用主要有以下章節[3]。

1.蛋白質的分類。禽流感病毒表面有兩種蛋白質都屬于糖蛋白，一種稱為紅血球凝集素（H em aggl ut i ni n），另一種稱為神經氨酸酶（neuram i ni dase）。高致病性禽流感病毒H 7N9中的“H”指代前者，“N”指代后者。而就目前而言，紅血球凝聚素有18（H 1－H 18）種形態，神經氨酸酶則有11（N1－N11）種形態。

2.酶的競爭性抑制作用。在酶的競爭性抑制劑中典型的例子是琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑丙二酸。禽流感防治藥物的開發是酶競爭性抑制機理的完美應用。目前市場上有效的抗流感藥物是羅氏公司獨家生產的達菲，通用名稱為磷酸奧司他韋（Osel t am i vi rphosphat e），化學名稱為（3R，4R，5S）-4-乙酰胺-5-氨基-3（1-乙基丙氧基）-1-環己烯-1-羧酸乙酯。奧司他韋口服后經肝臟和腸道酯酶迅速催化轉化為其活性代謝物奧司他韋羧酸，奧司他韋羧酸的構型與神經氨酸的過渡態相似，能夠競爭性地與流感病毒神經氨酸酶的活位點結合，因而是一種強效的高選擇性的流感病毒NA抑制劑，它主要通過干擾病毒從被感染的宿主細胞中釋放，從而減少流感病毒的傳播。

3.酶的作用機制。“流感酶（Fl udase）”是美國NexBi o生物制藥公司研發的最新抗流感藥物。與達菲等神經氨酸酶抑制劑類藥物不同，“流感酶”的主要成分是唾液酸酶融合蛋白。它作用的對象是細胞本身，使宿主細胞表面的唾液酸受體失去活性，流感病毒就無法與受體結合，也就無法附著細胞。而達菲等藥物的原理是抑制流感病毒表面的神經氨酸酶，使其無法感染細胞，因此病毒容易發生變異產生耐藥性。流感酶的作用機理可以用來說明酶的誘導契合學說，該學說認為當酶與底物分子結合時，底物分子誘導酶分子構象發生改變，酶的催化基因與底物的反應基因正確結合，形成酶與底物復合物，以利于催化。流感酶能切斷唾液酸的糖鏈，使神經氨酸酶與無法與底物結合發揮催化，則流感病毒無法脫離宿主細胞去感染新的細胞，從而達到預防流感的目的。

4.基因重組。核酸作為遺傳物質有三個功能：一是通過復制將遺傳信息由親代傳遞給子代；二是通過轉錄使遺傳信息在子代得以表達；三是通過變異在自然選擇過程中獲得新的遺傳信息。變異是核酸的核苷酸序列改變的結果，它包括由于核酸損傷和錯配得不到修復而引起的突變，以及由于不同核酸分子之間的交換而引起的遺傳重組。流感病毒的抗原性變異包括抗原漂移和抗原轉變。基因點突變正是造成病毒抗原漂移的主要因素。抗原轉變的主要原因則是基因重組。如果兩種不同病毒同時感染同一細胞，則可發生基因重組形成新亞型。中國杭州疾控中心和W H O中國流感中心共采集，分析了4個新H 7N9甲型禽流感的基因組，并在GISAID數據庫上公布。2013年，南方科技大學生物系賀建奎副教授用這4個基因組以及1193個已知的流感各亞型的基因組，做了一個全面的系統生成樹和進化分析。結果表明，在新H 7N9甲型禽流感的8個基因中，表面血凝素蛋白基因來自于H 7亞型病毒，神經氨酸酶基因來自H 11N9，其余6個內核基因都來自H 9N2。也就是說新H 7N9甲型禽流感是由這三個病毒的基因重組產生的一個全新的基因。禽流感在近幾年幾乎成為家喻戶曉的名詞，禽流感病毒中也蘊含著豐富的生物化學知識，在教學中充分引導學生發掘，一方面可以取得良好的課堂教學收獲，另一方面讓學生從不同側面了解禽流感，消除對流感病毒的神秘感，建立科學防控流感的信心。類似的案例如反式脂肪酸、各種激素等。

生物化學是生命科學專業學生必須學習的一門重要的學科基礎課。它涉及的內容多、范圍廣、難度大。許多同學在學習時缺乏自信，怯而止步[4]。我們通過以上典型案例的教學實踐證明：生物化學研究型課堂教學改革有效促進了學生探究性學習能力和創新意識。針對不同的內容采取不同的研究型教學模式，不但可以幫助學生更好地理解和掌握生物化學知識，還有助于培養學生的綜合素質，取得教學相長的良好效果。

[1]劉立軍.關于研究性教學在大學教育中的若干思考[J].天津工業大學學報，2013，32（增刊）：187-188.

[2]王鏡巖，朱圣庚，徐長法.生物化學（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]陳剛，馬曉，楊玉珍.H 1N 1病毒在生物化學教學中的案例作用[J].生物學通報，2010，45（8）：7-8.

[4]劉德立，袁永澤，熊麗.生物化學研究型教學改革與實踐初探——以學生主講生物化學部分章節為例.高校生物學教學研究（電子版），2012，2（4）：20-22.

G 642.0文獻標志碼：A文章編號：1674-9324（2014）50-0277-02

陳云（1973-），副教授；劉立軍（1973-），副教授；楊生妹（1964-），教授。

楊生妹。