基于思維導圖、類比分析與過程性評價的教學設計

牟凌云 陳玉輝 沈劍敏 達朝山

基金項目：教育部高教司基礎科學拔尖學術培養計劃“拔尖學生綜合素養培養體系建設的研究”（20222166）；教育部第二批新工科研究與實踐項目“面向實踐創新的生物技術專業教育教學體系建設”（20ZSLKJYZD08）；甘肅省高等學校教學成果培育項目“生命科學主干課程兩性一度研究”（2023013）

第一作者簡介：牟凌云（1976-），女，漢族，四川蓬溪人，博士，副教授。研究方向為靶向G蛋白偶聯受體的新型多肽藥物。

*通信作者：達朝山（1968-），男，漢族，甘肅景泰人，博士，教授。研究方向為手性藥物、寡肽人工酶與仿生催化。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.12.030

摘? 要：糖生物學是生命科學領域中一個迅速發展的新興方向，在生物化學教學中加強對糖類和糖生物學的學習，可為深入學習糖生物學專業課程奠定基礎，有利于相關領域創新型人才的培養。該文介紹思維導圖等方法在糖類和糖生物學教學設計和實踐中的應用，結果表明思維導圖和類比分析有利于學生更加有效地掌握知識框架、理解內在邏輯，而過程性學習評價能顯著激發學生主動學習的意識。通過綜合運用線上線下的教學平臺，在課堂上開展多模式教學，達到提高學習效率和學習能力的目的。

關鍵詞：生物化學；糖類和糖生物學；思維導圖；類比分析；過程性評價

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）12-0126-04

Abstract： Glycobiology is a rapidly developing branch in the field of life science. The study of carbohydrates and glycobiology part in biochemistry course can lay a foundation for the in-depth study of glycobiology， which is beneficial to the cultivation of innovative talents in related fields. This paper introduces the application of mind mapping and other methods in the teaching of carbohydrates and glycobiology. The results show that mind mapping and analogical analysis can help students grasp the knowledge framework and understand the internal logic more effectively， and the process learning evaluation can significantly stimulate students' awareness of active learning. Through the comprehensive use of online and offline teaching platforms， multi-mode teaching is carried out in class to achieve the purpose of improving learning efficiency and learning ability.

Keywords： Biochemistry; carbohydrates and glycobiology; mind mapping; analogical analysis; procedural evaluation

探索和優化生命科學領域人才的培養符合我國的創新驅動發展戰略需求。生物化學是高等教育中生命科學各專業學生的必修基礎核心課程，既構筑了學生的基本專業素養，又培養了他們在專業領域的邏輯思維和創新能力。然而，生物化學學習內容繁雜、理論性強、知識點關聯復雜，是學生心目中一門最難啃的“硬骨頭”課程。如何激發學生的學習興趣，提高學習能力和學習效果，是我們一直在深入思考和探索的問題。教學實踐證明，結構生物化學模塊是整個生物化學課程學習的基礎。學生通過學習各類生物分子的結構與功能，為接下來進一步學習代謝和分子生物學打下基礎。充分認識生物分子的結構特點，有助于學生在后續學習中更好地理解物質代謝的轉變過程所蘊涵的深層邏輯以及生物信息流動過程的化學本質。我們以糖類和糖生物學為例，通過更新教學內容、引入思維導圖、類比分析和翻轉課堂等新型教學手段和全過程評價機制，探索了結構生物化學教學改革的實踐方向。

一? 糖類和糖生物學教學內容的分析與探討

蛋白質、核酸、脂類和糖類是組成生物體的四類大分子物質。但長期以來，結構生物化學的教學內容多偏重于蛋白質和核酸的相關內容，糖類分子的內容和課時安排相對較少，造成學生對于糖類分子的生物學功能和重要意義認識不足。隨著對細胞中糖類物質的研究持續深入，糖生物學（glycobiology）已經發展成為生物醫學的交叉點和新前沿，是生命科學領域的熱點研究方向[1]。關于糖類化學結構和代謝方式的研究，曾經是20世紀上半葉生物化學領域的最重要的科學問題。1953年，Watson和Crick提出DNA雙螺旋結構，開啟了以中心法則為核心的分子生物學研究時代。然而后基因組時代，科學家們發現遺傳信息從核酸傳遞到蛋白質的過程并不足以完整解釋各種生命現象以及其中的動態變化。研究表明，除了作為能源儲存和結構材料的重要作用，糖類化合物還是生物體內重要的信息分子，糖基化修飾為解釋生命過程中的復雜現象提供了巨大幫助[2]。自然界中的所有細胞和眾多大分子都通過共價結合的方式攜帶有各種類型單糖或寡糖結構修飾。這些糖綴合物分子在細胞與周圍基質之間的相互作用以及復雜生物的組裝中起重要作用，是細胞通信的重要途徑，決定蛋白命運，為胞外信號分子、寄生蟲、細菌和病毒等提供識別位點[3]。總之，生物體內的糖類化合物是繼蛋白質和核酸后的第三大類信息分子，是基因組信息的延續，是蛋白質功能的精細化修飾，對糖類的研究也是對生命現象探索的第三大里程碑。學習糖生物學的基本概念與知識，了解糖生物學的研究前沿，對于學生更深刻、全面地理解和未來探索生命現象的本質具有十分重要的意義[4-5]。

糖類的結構生物化學主要學習糖類物質的結構及其與生物學功能的關系（圖1）。糖類是自然界中的多羥基醛/酮類化合物，立體化學結構復雜。生物體中的單糖基本為D型結構，溶液中單糖又會形成分子內半縮醛的環式結構，進而產生新的手性中心（異頭碳）以及異構體（即α和β異頭物）。單糖之間通過糖苷鍵相連后就形成了寡糖和多糖。糖苷鍵的連接方式非常多樣，受單糖類型、異頭碳構型、參與成鍵的原子位置等因素影響。此外，一個單糖分子上可以形成多個糖苷鍵，因此很多寡糖和多糖都具有分支結構。糖苷鍵的多樣性是糖類與蛋白、核酸等其他生物大分子在結構上的重要差異，是影響糖類的結構和功能的重要因素。例如儲能多糖淀粉和結構多糖纖維素都是葡萄糖聚合物，但糖苷鍵差異導致二者在空間結構、生物學功能、理化性質上迥然不同。糖分子還可與蛋白質、脂類分子共價結合形成糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等糖綴合物。基于糖苷鍵結構的立體化學特點，糖綴合物中的寡糖鏈能提供極其豐富的結構信息，遠遠超過同等大小核酸或多肽分子中所包含的信息密度。細胞使用特定的寡糖鏈編碼有關信息，決定細胞內蛋白質的命運去向、細胞-細胞相互作用、細胞分化和組織發育以及細胞外信號傳遞等重要事件。我們針對本章節的內容特點，將單糖立體結構特征作為基礎知識重點講解，進而引導學生理解多糖結構與功能的關系，認識多糖結構的復雜多樣性及其產生原因，同時結合糖生物學的前沿方向，介紹糖基化修飾與蛋白功能、細胞通信、免疫應答等生命科學熱點研究的關系。多糖結構和功能的研究分析依賴于高分辨質譜、核磁共振、生物正交反應等先進的技術方法，我們將同時融入對這些分析方法和技術的介紹，拓展學生對生物大分子檢測分析手段的了解。

圖1? 糖類的結構及其生物學功能

二? 糖類和糖生物學的教學設計

（一）? 課前準備

1? 學情分析

本課程的授課對象為生物學專業大學二年級本科學生，全為國家理科基地班學生，專業基礎較好。學生大一時已經完成無機化學、有機化學等課程的學習，已掌握相關有機化合物的基本化學知識。本章內容涉及各種糖類物質的結構、性質、功能及應用，內容較為繁雜，與日常生活及醫藥學聯系較為緊密，更側重于應用，需要學生在以往學習的基礎上，從生物化學的角度將糖的化學結構應用于對其生物學功能的認識與理解。教師通過提前布置復習內容，結合課堂提問考察，對相關知識基礎進行回顧總結，提高課堂學習效率。

2? 問題導入

一提到糖，可能很多同學已經感覺到了甜甜的味道，那到底什么是糖？糖是不是一定都有甜味呢？首先通過這樣的問題引起同學們的興趣，接著我們來看一下自然界中的糖。精美的糖果蛋糕，清新的森林草原，它們看似不同，實則俱是我們身邊的“糖”。通過兩張圖片的對比，一張是棉花，一張是蟹殼，讓學生猜測它們的化學本質是什么？提出問題，設置懸念，大部分同學都能說出棉花是一種多糖，但是蟹殼的本質眾說紛紜，在爭論中告訴同學們蟹殼的本質也是糖類，會引發學生的驚訝、疑惑和思考。這時候再給出糖的定義，學生會留意糖作為“多羥基醛/酮及其聚合物、衍生物”的內涵和外延。

3? 明確學習目標

結構生物化學更重視在化學結構的基礎上理解分子如何實現其生物學功能。自然界中的糖類包括單糖、寡糖和多糖。單糖分子通過糖苷鍵連接形成寡糖和多糖。糖類是生物體重要的儲能物質，又能組成細胞壁、胞外基質等重要生物結構。寡糖分子與蛋白質、脂類形成復合物被稱為糖綴合物，糖綴合物中的寡糖結構通過分子識別參與調解各種生物學過程。糖的立體化學性質是影響其空間結構與生物學功能的關鍵因素。因此本章的主要學習目標是，掌握單糖的結構和性質，認識寡糖、多糖以及綴合糖的結構及其與生物學功能的關系；重點是認識單糖的立體結構特征以及糖苷鍵的類型。

（二）? 課堂教學與參與式學習

我們在課堂講授中將本章節內容劃分為三個模塊：第一模塊介紹生物體內常見的單糖分子種類和性質，重點了解它們的環式結構以及構型、構象等立體結構特征；第二模塊介紹糖苷鍵和多糖的概念，分別以淀粉和糖原、纖維素和幾丁質為例，重點學習貯存多糖和結構多糖在三維結構和功能上的差異；第三模塊糖生物學中主要介紹糖綴合物的概念和種類，以衰老紅細胞的清除機制、病毒入侵宿主細胞等為例，重點理解糖綴合物中寡糖結構的高度多樣性，細胞使用特定的寡糖結構作為“糖密碼”傳遞信息，決定細胞內蛋白質的命運去向、細胞-細胞相互作用、細胞外信號傳遞等重要事件。

第一模塊和第二模塊是傳統糖結構生物化學主要的教學內容，我們在教學中采取思維導圖與類比分析相結合的方法。這兩部分概念多，內容雜，關于糖類分子立體結構的知識抽象，不易理解，如果僅憑死記硬背的方式學習，很容易喪失興趣，也難以真正做到知識的內化與應用。思維導圖可以將分散的知識點整合在一起，建立知識框架，梳理出這些內容之間的邏輯關聯性。為了提高學習過程中的主動性，我們采取以學生為主的方式完成思維導圖：首先，請同學在預習過程中根據自己的理解完成第一張思維導圖；然后，教師完成對重點內容的課堂講授和總結后，請學生將這些內容與繪制的思維導圖對比，發現自己的知識盲區，作為課后復習的重點；最后，通過學習通在線課堂等方式上傳學生制作的優秀的思維導圖，供大家參考使用。這種方式學生參與度高，在自己完成思維導圖的過程中需要反復理解相關知識內容，不僅建立了自己的知識框架和知識模塊，還能培養邏輯思維能力。

類比分析是結構生物化學學習的有效方法。糖類分子與蛋白質、核酸、脂質分子是構成生命體的主要大分子物質。通過對前面章節中蛋白質結構的學習，學生們已經對結構生物化學的知識邏輯有了一定認識，即生物分子的功能是由它特定的結構決定的。就蛋白質而言，氨基酸按一定順序通過肽鍵連接形成一級結構，一級結構決定了蛋白質的空間結構，而蛋白質的空間結構決定了它所執行的特定功能。這一邏輯同樣適用于糖類分子的結構生物化學。單糖按一定順序通過糖苷鍵連接形成一級結構，一級結構決定了多糖的空間結構，而多糖的空間結構決定了它在生物體中扮演的角色。然而，與天然氨基酸和蛋白質相比，單糖的種類遠遠超過20種且立體結構復雜多變，糖苷鍵的連接方式也不同于肽鍵單一的連接方式，進一步增加了糖結構的多樣性，相應的，生物體中糖分子的功能也極其復雜。對比糖類和蛋白質在組成單元、連接方式、三維折疊的原則、結構與功能的關系等方面的區別聯系，既能重溫蛋白質結構的知識點，又幫助學生深入理解多糖結構與功能的關系（圖2）。

第三個模塊糖生物學聚焦于糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等糖綴合物的結構和功能，是生命科學中一個非常活躍的前沿領域，涉及糖生物學、糖化學、糖工程學、糖納米技術和糖分析技術等。這一模塊的理論知識和技術方法更新速度快，信息量大，教師在介紹糖綴合物結構的基礎上，可結合實際案例讓學生更直觀地理解“糖密碼”的生物學意義。例如，哺乳動物血液中衰老紅細胞的“清除”機制就與細胞膜上的糖蛋白有關，細胞膜上唾液酸基團的破壞會導致紅細胞在血液循環中的半衰期縮短。流感病毒顆粒表面的凝集素蛋白通過與宿主細胞膜表面的寡糖識別結合入侵宿主細胞。奧司他韋和扎納米韋等抗病毒藥物都是糖分子的類似物，臨床上常用于流感治療。這些藥物能抑制病毒與宿主細胞上的寡糖鏈結合，阻斷病毒感染的循環過程[6]。這兩個典型案例說明，生物體內的信息傳遞遠不止分子生物學中心法則中所描述的DNA-RNA-蛋白質之間的遺傳信息傳遞。從化學結構的角度看，單糖種類、糖苷鍵類型、分支點位置和硫酸化修飾等導致生物體內寡糖鏈的多樣性要遠遠超過同等大小的核酸分子，因此糖綴合物中寡糖鏈可提供的信息極其豐富，形成一個獨特的能夠被其他蛋白專一識別的化學結構。寡糖的結構和功能研究非常復雜，高度依賴于基質輔助激光解吸電離質譜、高分辨核磁共振、生物正交反應等先進的分析技術，而且這些技術在蛋白、核酸等生物大分子分析中也廣泛應用[7]。在這里我們可以通過翻轉課堂結合開放式作業的方法，選定若干主題案例，由學生完成講解，促進學生的主動學習，拓展視野，培養他們對糖類和糖生物學的研究興趣。例如，2022年諾貝爾化學獎授予著名的糖生物化學家Bertozzi教授[8]。學生課下收集相關研究工作的資料后，在課堂上自主講解關于Bertozzi教授利用生物正交反應工具研究細胞表面寡糖分子功能的研究工作，初步了解了糖生物學研究中的先進技術和應用領域，并嘗試思索和提出該領域的未知問題。

（三）? 過程性學習評價

我們在本章節教學中通過制作思維導圖、課前預測、章節檢測和翻轉課堂等多個環節考察學生，激發學生的學習熱情，鼓勵學生主動思考，主動探索新的知識領域。在章節學習結束后，我們通過隨堂測試和課后訪談的形式對教學效果進行考察。結果統計表明，94%的學生隨堂檢測合格，優秀率達到35%，說明大部分學生在課堂學習過程已基本掌握了本章知識點，達到預期效果。在課后隨訪中，部分學生表示學習過程中的多環節和多方式考察“迫使”他們放棄考前突擊的應付式學習，促使他們在課堂和課后的學習中投入更多時間精力。此外，多數受訪學生反饋他們通過制作思維導圖更加有效地掌握了章節中的知識點、知識框架和邏輯聯系，在一定程度上解決了“內容多而雜，不知該從何學起”的問題，學習過程中思路和目標更加清晰明確。

四? 結束語

糖類和糖生物學既是生物化學學習中的基礎內容，也是生命科學領域重要的研究前沿，因此我們在教學中一方面要強調基礎概念和基礎理論，另一方面也要引入新知、增強生物化學學習的時效性[9-10]。在教學內容安排上，我們始終堅持“以學生發展為中心”的理念，調動學生學習的主動性與積極性，對基礎概念和基礎理論環節的學習從學生實際的知識基礎出發，明確學習的內容和目標，同時引導學生以自主探索方式為主了解學科研究的發展動態，激發學生的學習興趣，拓展知識面。在互聯網時代背景下，我們強調教學手段和考核方式的多樣性，課堂講授中綜合運用思維導圖、類比分析、實例分析、課堂研討和翻轉課堂等多種模式，布置多樣化的學習任務充分發展學生的主動學習能力和科學思維方式，充分利用學習通等在線工具了解學生的學習進度、知識掌握程度，與學生增加實時的互動交流。問渠哪得清如許，為有源頭活水來。對糖類和糖生物學教學方式的探索和變革，促使我們教師進一步轉變教學理念，不僅充當知識的傳播者，更是學生學習的促進者和引路人，在教學過程中注重發展學生的學習能力和科學素養，為國家培養理想遠大、德學兼修、具有國際視野與面向未來的創新引領型人才。

參考文獻：

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向分析——評《生物無機化學導論（第四版）》[J].中國無機分析化學，2022，12（5）：126.