以創(chuàng)新教育為核心的生物化學課程建設

胡康棣 樊婷婷 石瑋 張華 姚改芳 王軍輝 潘利華 羅建平

摘要 生物化學是生物、食品、醫(yī)學等相關專業(yè)的一門基礎課程。為建設適應新時代要求的國家一流本科課程，提出以提高學生創(chuàng)新能力為核心，提升生物化學教學的高階性，提高教學內容和教學模式的創(chuàng)新性，增加學生學習生物化學的挑戰(zhàn)度。從高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度3個層面培養(yǎng)學生深度分析、大膽質疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力。

關鍵詞 生物化學;創(chuàng)新能力;高階性;創(chuàng)新性;挑戰(zhàn)度

中圖分類號 S-01;G-642? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）22-0268-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.068

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Construction of Biochemistry Course with Innovation Education as the Core

HU Kang-di， FAN Ting-ting， SHI Wei et al

（School of Food and Biological Engineering， Hefei University of Technology， Hefei，Anhui? 230009）

Abstract Biochemistry is a basic course for biology， food， medicine and other related majors. In order to build a first-class national undergraduate course that meets the requirements of the new era， it was proposed that the improvement of students creative ability should be used as the core to improve the high-order characteristics of biochemistry teaching， improve the innovation of teaching content and teaching mode， and increase the degree of challenge for students to learn biochemistry. At the three levels of high-order characteristics， innovative and challenging degree， the studentsspirit and ability of in-depth analysis， bold questioning and innovation should be cultivated.

Key words Biochemistry;Innovative ability;High-order characteristics;Innovation;Challenging degree

生物化學是研究生命體的化學組成和化學變化規(guī)律的一門學科，是生物技術、生物工程、食品科學與工程、藥學、農(nóng)學等專業(yè)的專業(yè)基礎課程[1]。由于生物化學是細胞生物學、遺傳學和基因工程、細胞工程、免疫學和免疫技術、微生物學等課程的前置課程，在教學中會形成一個以生物化學為中心，與多學科有著密切聯(lián)系的課程體系[2]。生物化學的發(fā)展史主要包括靜態(tài)生物化學、動態(tài)生物化學和功能生物化學。目前生物化學的研究領域已深入到蛋白質高級結構、大分子功能研究等方面，可見生物化學是一門不斷發(fā)展的學科。分子生物學從生物化學中衍生出來，已經(jīng)成為迅速發(fā)展的一門學科，而在生物化學的研究過程中利用分子生物學的手段（如基因克隆、遺傳轉化等技術）極大地促進了生物化學的發(fā)展。

生物化學具有知識點繁多、理論性強、機制復雜等特點，此外由于生物化學是一門不斷發(fā)展的學科，內容不斷更新、技術不斷突破，給學生學習和教師教學帶來了較大的挑戰(zhàn)[3-4]。靜態(tài)生物化學主要研究生命物質的化學組成，如糖類、蛋白質、脂肪、核酸的組成和結構，通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，由于學生前期學習了有機化學、無機化學等課程，所以對于靜態(tài)生物化學能夠充分理解，學習困難不大;此后課程進入動態(tài)生物化學部分，例如在氧化磷酸化和電子傳遞鏈的教學過程中學生普遍反映課程難度較大，理解起來很困難，這就要求不斷創(chuàng)新教學方法和教學模式，通過多種信息化手段，提高教學效果。教高[2019]8號文件《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》提出，為貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神，必須把教學改革成果落實到課程建設上。由于在生物化學教學中存在滿堂灌、教學內容陳舊的現(xiàn)象，因此要實現(xiàn)一流本科課程建設，就需要提升生物化學教學內容的高階性，增加教學內容的廣度和深度，培養(yǎng)學生深度分析、勇于創(chuàng)新、厚積而薄發(fā)、博觀而約取的精神和能力;及時將學術研究、科技發(fā)展前沿成果引入課程教學，教學內容要體現(xiàn)生物化學研究的前沿性與時代性;在課程設計中增加研究性、創(chuàng)新性、互動性內容，讓學生體驗到生物化學不是一門靠背書就可以學好的課程，進而增加課程的挑戰(zhàn)度。筆者以國家一流本科課程標準為目標，從教學內容、教學方法、教學模式等方面探討了如何實現(xiàn)生物化學教學的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。

1 更新教學內容，豐富教學資源，提高生物化學教學的高階性

首先，生物化學課程的教學目標是要堅持知識、能力、素質的有機融合，培養(yǎng)學生分析復雜問題的綜合能力和高級思維。課程教學目標不應僅僅停留在當前的目標，如掌握核酸、蛋白質、糖類和脂類的基本結構、性質和代謝規(guī)律;掌握基本生化試驗的原理和方法;掌握遺傳信息的傳遞規(guī)律;該課程要求深層次理解生物化學的基本規(guī)律，分析生命世界的常見現(xiàn)象，能理解和應用研究生物化學問題的技術方法。在教學中可以引導學生思考，進而將生物化學和進化生物學、生態(tài)學課程結合起來，引導學生在更廣的時間和空間維度進行思考。

其次，生物化學課程教學內容要不斷更新，通過研讀生物化學相關最新進展，解析學科前沿動態(tài)，不斷更新生物化學教學課件。在教學過程中，要不斷梳理生物化學知識點，分析不同章節(jié)的內在聯(lián)系，設計能力一體化教學結構圖，培養(yǎng)學生融會貫通的系統(tǒng)性思維。例如，通常認為酶可分為6大類，包括氧化還原酶類、轉移酶類、水解酶類、裂合酶類、異構酶類和合成酶類，但根據(jù)酶命名數(shù)據(jù)庫（enzyme nomenclature database，https：//enzyme.expasy.org/）已經(jīng)重新定義一大類酶即轉位酶，通過搜索EC 7.1.1.1可以發(fā)現(xiàn)這是一種質子轉運酶，可以幫助質子穿越質膜。此外，以EC1.2.1.3為例進行檢索，發(fā)現(xiàn)該酶是一個aldehyde dehydrogenase[NAD（+）]，可以催化D-glucuronolactone氧化為D-glucarate。通過點擊Staphylococcus epidermidis（strain ATCC 35984/RP62A）中的putative aldehyde dehydrogenase SERP1729，可以展示更具體的信息，例如具體的反應機制以及酶促反應的活性中心位點。

最后，利用豐富多樣的教學資源，體現(xiàn)課程內容的思想性、科學性與時代性。大規(guī)模在線開放課程慕課（massive open online courses，MOOC）是由網(wǎng)易與高等教育出版社攜手推出的在線教育平臺，由于資源豐富、課程多樣，受到廣大學生的歡迎[5]。慕課平臺上有很多生物化學課程資源，例如浙江工業(yè)大學和河南中醫(yī)藥大學提供的國家精品生物化學在線課程，融合了現(xiàn)代生物化學的最新發(fā)現(xiàn)，對生物化學基礎知識進行了拓展，例如介紹了小分子活性肽、蛋白質翻譯后加工與運輸?shù)惹把刂R。此外，生物化學內容抽象，難以理解，因此在具體的教學實踐中在課堂上運用視頻教學的方法能很好地激發(fā)學生的學習熱情，促進學生對所學知識的快速掌握。例如，網(wǎng)站https：//www.bilibili.com/video/av95083254通過動畫的方式生動地介紹了電子傳遞鏈與ATP的合成過程，學生可以對ATP合成機制形成快速的直觀認識。

2 追蹤前沿動態(tài)，融合信息技術，提升生物化學教學的創(chuàng)新性

首先，要體現(xiàn)前沿性，及時將學術研究、科技發(fā)展前沿成果引入課程教學中。生物化學相關的研究論文不斷涌現(xiàn)，不斷有新的知識出現(xiàn)，這就要求在教學內容中要體現(xiàn)前沿性和時代性。例如，構成蛋白質的氨基酸為L-型，但D-型氨基酸在生命體中也存在，目前已經(jīng)報道了D-型氨基酸在生命體中的新功能，例如Seckler等[6]綜述了D-型氨基酸在神經(jīng)科學中的研究進展，論述了D-天門冬氨酸和D-絲氨酸通過激活N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受體，進而參與阿爾茨海默病的形成。

其次，利用生物化學相關在線資源，開展生物化學教學。蛋白質的分子結構中，蛋白質的結構層次包括一級結構（組成蛋白質多肽鏈的線性氨基酸序列）、二級結構（依靠不同氨基酸之間的C=O和N-H基團間的氫鍵形成的穩(wěn)定結構，主要為α螺旋、β折疊、β轉角和無規(guī)卷曲）和三級結構（通過多個二級結構元素在三維空間排列所形成的一個蛋白質分子的三維結構）和四級結構[用于描述由不同多肽鏈（亞基）間相互作用形成具有功能的蛋白質復合物分子][1]。為加深學生對蛋白質結構的理解，通過介紹如何利用網(wǎng)絡資源檢索蛋白質序列，分析蛋白質的二級結構和三級結構，可以提高學生主動探索的能力和創(chuàng)新思維。蛋白質序列即一級結構可以用https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/，通過搜索蛋白質名稱關鍵詞（如superoxide dismutase），可以發(fā)現(xiàn)superoxide dismutase [Glycine max] Accession：NP_001235936.2 是一個含有152個氨基酸殘基的蛋白質，獲得蛋白質序列后繼續(xù)分析蛋白質的結構域，這主要通過SMART網(wǎng)站進行[7]，即http：//smart.embl-heidelberg.de/，可以發(fā)現(xiàn)該蛋白質包含一個Sod_Cu domain，如圖1（a）所示。蛋白質三維結構分析網(wǎng)站為https：//swissmodel.expasy.org/interactive，通過在框中輸入蛋白質氨基酸序列進行建模，運行結束后生成蛋白質三級結構，該立體三級結構可以旋轉，更直觀地體現(xiàn)其中的二級結構元件（如α螺旋、β折疊、β轉角和無規(guī)卷曲），如圖1（b）所示。因此，通過多種生物化學相關在線資源，可以提高學生學習生物化學的興趣和主觀能動性。

3 改革課程設計，加大學生投入，增加學習生物化學的挑戰(zhàn)度

為實現(xiàn)教學方法和教學模式的創(chuàng)新，以能力導向一體化為培養(yǎng)目標，通過學生PPT匯報、啟發(fā)式教學、研討式教學和在線教學，使學生積極主動地參與到生物化學的學習中來，以實現(xiàn)教師授課和學生參與的平行銜接[8-9]。例如，在2019年和2020年的生化教學中，通過設計生物化學相關前沿專題，組織學生進行資料搜集，以3名同學為1組，分別進行了20 min左右的匯報。從PPT的匯報情況來看，2020年的學生匯報在資料收集、PPT制作、PPT演講方面均有很大提高。學生的報告內容涵蓋PCR技術的應用、阿爾茨海默病的研究進展、糖尿病的發(fā)病機制和治療方法等方面，這些報告有效提高了學生收集資料和PPT匯報的能力，又融合和應用了生物化學的基礎知識。此外，利用雨課堂等智慧教學手段，開展課堂互動、課堂測驗等過程性考核，提高學生在課堂上的參與度，提高學生學習生物化學的積極性。例如，在蛋白質化學這一部分的學習中，通過設置5道選擇題，在課堂上給學生5 min時間進行快速測試，能充分反映學生在課堂學習中的投入程度。

此外，建立沒有標準答案的生物化學開放性試題庫，提高課程的挑戰(zhàn)度。因為2020年的新冠疫情，春季學期的生物化學教學在線上完成，同時期末考試也需要在線完成，由于無法進行考場監(jiān)考，就需要設計開放性題目，即沒有標準答案、需要綜合應用所學知識進行解決的問題。通過這些開放性試題，增加了學習生物化學的挑戰(zhàn)度，學生實現(xiàn)了基礎理論知識的應用，對理論知識進行了深度思考。

4 結語

生物化學是食品科學與工程、生物技術、生物工程、藥學等專業(yè)教學不可忽視的一門重要基礎課程，同時生物化學也是一門正在迅速發(fā)展的新興學科，因而生物化學的研究深度和廣度不斷擴展，研究成果不斷涌現(xiàn)[10]。生物化學課程的特點是化學結構復雜、化學反應繁多、概念抽象，難以激發(fā)學生的學習興趣。為了解決這一問題，筆者以國家一流課程為目標，提出以提高學生創(chuàng)新能力為核心，從教學內容方面提升生物化學教學的高階性，提高教學內容和教學模式的創(chuàng)新性，增加學生學習生物化學的挑戰(zhàn)度。在生物化學課程內容上，要依據(jù)學科前沿動態(tài)，增加研究性、創(chuàng)新性、互動性內容。具體措施如下：首先，通過介紹生物化學相關的生物信息學網(wǎng)絡資源，實時演示相關網(wǎng)站的使用方法，讓學生掌握如何檢索蛋白序列，構建蛋白三維結構，檢索酶的相關信息等;其次，通過安排學生講專題報告的形式，提高學生檢索文獻資料、搜集整理的能力，以實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標;再次，建立沒有標準答案的生物化學開放性試題庫，提高課程的挑戰(zhàn)度。在教學方式中，充分利用網(wǎng)絡資源（如慕課MOOC），廣泛獲取教學資源;利用雨課堂等智慧教學手段，開展課堂互動、課堂測驗等過程性考核，積極實施互動式教學、啟發(fā)式教學、研討式教學和在線教學，體現(xiàn)生物化學的創(chuàng)新性、科學性與時代性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)新時代社會主義人才作出貢獻。

參考文獻

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