基于問題的細胞生物學課程知識體系的解構及教學實踐

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學科，也是現代生命科學發展的支柱之一。它處處體現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構、功能以及細胞生命活動規律的科學[2]。它的發展得益于顯微觀察與操縱技術的日益突破，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典的細胞學內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]。要基于問題來構建細胞生物學課程知識體系，教材的建設和選擇是關鍵。鑒于國內外細胞生物學相關教材很多，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，采用國內外相關著作或教材作為參考對象來進行構建和闡釋的。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，所以國內大多數院校選用了該教材；不過，由于該教材過于側重知識性和前沿性，忽略了對各章節內容深淺和關聯的把握，概念不一或結論不明確，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，來解構細胞生物學本科課程的知識體系，以整合課程內容，優化課程結構[7-8]，理順細胞學、細胞生物學與細胞分子生物學之間的關系；適當強調研究性教學[9]，強化作業設置與評價[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

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

1.1 緒論知識單元的解構

問題：簡述細胞學與細胞生物學的發展歷程。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，及發展歷程的時段與節點、主要成果與技術手段、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知識單元的解構

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知識單元中三大類別顯微鏡的技術特點、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

問題：原生質成分如何造型？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 原生質成分造型情況

1.4 細胞表面與細胞質膜知識單元的解構

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

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膜知識單元中細胞膜骨架結構組成與作用等知識點。

問題三：細胞外基質(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膜知識單元中細胞外基質的組成與作用、細胞粘連與細胞遷移、鈣黏蛋白與鈣調蛋白等知識點。

問題四：為什么說神經突觸是一種通訊連接？該問題涉及細胞表面與細胞質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膜知識單元中簡單擴散與協助擴散、主動運輸與協同運輸、ABC超家族、相關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節糖元的合成和分解？該問題涉及細胞表面與細胞質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、信號的級聯放大、信號傳導或轉導途徑、一路多效或多路一效與生物網絡信息等知識點。

1.5 細胞質基質與細胞內膜系統知識單元的解構

問題一：為什么說細胞質基質和細胞內膜系統各細胞器是結構區域化(房室化)和功能有序化的一個

連續整體？該問題涉及細胞質基質與細胞內膜系統知識單元中細胞質與細胞質基質、細胞內膜系統、合成性細胞器(結構)與分解性細胞器(結構)、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(駐留蛋白、膜蛋白與分泌蛋白)在細胞質基質與細胞內膜系統中的合成、加工、轉運與定位等具體途徑及囊泡運輸、跨膜運輸與核孔運輸等知識點。

問題二：概述蛋白質的分選機制及分選過程。該問題涉及細胞質基質與細胞內膜系統知識單元中蛋白質的分選機制、三類蛋白的合成、加工、轉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

問題：比較線粒體與葉綠體的形態、結構、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

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

與染色體、著絲粒DNA與端粒DNA、染色質重塑與異染色質化、染色體多級螺旋與染色體骨架-放射環包裝模型、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的貯存、包裝，遺傳物質的傳遞和實現在細胞(核)內區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

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的組織與細胞結構(粗絲與細絲的組成、肌漿網)、肌肉收縮的基本過程(動作電位的產生、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和染色體動態轉化相關的是染色體骨架或核基質，與中心體復制、紡錘體出現相關的是微管(即紡錘體微管與星體微管)，與核仁的消失和重建相關的是核仁基質，與核膜崩解和重建相關的是核纖層，與染色體排列、均分和遷移運動相關的是著絲點微管，與胞質分裂環形成相關的是微絲，及摩托蛋白(肌球蛋白、驅動蛋白和動力蛋白)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

問題：概述細胞增殖周期分子調控方式。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

問題：概述細胞凋亡的分子調控方式。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驗。現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系，熟悉本學科的發展史，也就能把握本學科的脈搏，才能站得高、看得遠，才能發現問題，預見問題，才能有前瞻性。對緒論章節處理的好壞，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細胞學與細胞生物學發展歷程概括的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，并且適當調整和簡化各時間節點和技術成果等(參見表1)，這樣能使學科發展史更好地與生命科學發展歷程相吻合，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容即第四、五、六和七單元為教學重點，突出強調細胞結構的區域化與功能的有序化、細胞的物質、能量與信息代謝等特征和規律；以細胞分子生物學內容即第八、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、數量和質量調控手段的分子機理，將細胞生命活動規律講清講透；簡化第一、二和三單元的細胞學內容，補充鋪墊學科發展史、顯微技術手段和細胞的進化等新基礎知識。

2.3 精選優秀教材，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點外，它還應有若干個知識點，有其在本學科的權威性，因此選擇優秀教材進行教學，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系，注重其對教學節奏的調節，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威和指導性，不使學生產生歧義，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，及細胞結構、功能和細胞生命活動規律3個研究內容；在強調“細胞生命活動規律”時，常會提及該研究內容表述的變遷與學科發展的關聯。

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、概括性圖表和動態性視頻等形象生動的多媒體或網絡教學手段，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、理解和掌握相關內容。

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，然后進行創造性地解答，每次課后布置給學生做，結合課堂內容、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威精準的解答，它強化了第七、八和九等單元中有關細胞分裂內容的縱向聯系。

2.7 厘清重要概念，標明英文出處

細胞學科發展迅速，知識更新快，名詞概念層出不窮，經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文獻，或把字面相似或相關的概念進行對比解釋，并說明兩者的關系，以示明辨。如課程中的“細胞學與細胞生物學”“鈣調蛋白與鈣黏蛋白”“整合蛋白與整聯蛋白”“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系就能很好厘清這些概念的內涵與外延。

2.8 注重課間交流，適時調整思路

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，可以從側面了解學生的知識結構水平和興趣點，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”“有絲分裂與減數分裂”等知識結構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、經歷與成果又往往成為師生交流的話題或學生的興趣點。

2.9 緊扣教學環節，瞻顧教學氣氛

教學過程中，除了要緊扣教學環節外，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配。如考慮到細胞課程教學內容較多，重點難點內容頻現，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節，后者以閉卷為主，顧及整門課程或相關課程間的關聯。

2.10 理論實踐結合，做到游刃有余

細胞學科是理論和實踐高度結合的學科，它既有艱深的理論知識，又與農業、食品、醫藥、環保、軍事等密切相關，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構與功能及細胞生命活動規律，同時，它也有神經細胞、肌細胞、肝細胞、干細胞等具體細胞內容；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，又有病理細胞內容。另外，它還與生物化學、分子生物學、遺傳學和發育生物學等很多學科發生聯系，其理論知識和實踐運用輻射范圍極其廣泛，加上本學科發展帶來的新知識和新技術導出不窮，這為該課程的教學提供了豐富而有趣的素材。