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(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116600)

生物化學(xué)分為結(jié)構(gòu)生物化學(xué)、代謝生物化學(xué)和分子生物學(xué)三大部分，本校的化學(xué)工程與工藝專業(yè)生物化學(xué)理論課共計(jì)64學(xué)時(shí)，主要講結(jié)構(gòu)生物化學(xué)和代謝生物化學(xué)部分。結(jié)構(gòu)生物化學(xué)知識(shí)點(diǎn)覆蓋面非常廣，代謝生物化學(xué)各種代謝之間的聯(lián)系非常復(fù)雜，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度很大。而且因?yàn)榻虒W(xué)內(nèi)容多，課程進(jìn)度就快，學(xué)生不能及時(shí)地消化掌握課堂內(nèi)容，細(xì)碎的知識(shí)點(diǎn)之間建立不起好的邏輯關(guān)系，重要的內(nèi)容記不清，記不牢，相近的內(nèi)容容易混淆。目前主要采用PPT結(jié)合雨課堂插件的教學(xué)模式，可隨堂做題，跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，可是因?yàn)檎n時(shí)有限，不能充分地練習(xí)。為了提高教學(xué)效果，嘗試采用思維導(dǎo)圖法和科學(xué)發(fā)現(xiàn)案例法(教師課堂分享和翻轉(zhuǎn)課堂等形式)提高學(xué)生的邏輯思維能力，幫助學(xué)生理解和記憶。

1 使用思維導(dǎo)圖培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力

思維導(dǎo)圖是英國(guó)記憶學(xué)家Tony Buzan于20世紀(jì)70年代創(chuàng)造的一種圖形思維工具，用層級(jí)圖表現(xiàn)各級(jí)主題之間的關(guān)系，將枯燥煩瑣的教學(xué)內(nèi)容按照內(nèi)在邏輯順序建立相互的節(jié)點(diǎn)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(shí)點(diǎn)多、繁瑣復(fù)雜的生物化學(xué)的教學(xué)和學(xué)習(xí)[1]。

思維導(dǎo)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(xué)教學(xué)內(nèi)容思維導(dǎo)圖采用Xmind軟件制作。這款軟件在實(shí)用的同時(shí)具有簡(jiǎn)單易學(xué)、教學(xué)內(nèi)容可視化、操作界面美觀等優(yōu)點(diǎn)。

制作思維導(dǎo)圖的過(guò)程可以使制作人明白各知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，在制作的過(guò)程中必須不斷地提取出關(guān)鍵詞，而關(guān)鍵詞可以幫助大腦更好地儲(chǔ)藏信息。

除了老師制作思維導(dǎo)圖用于每章內(nèi)容教學(xué)的開始和每章內(nèi)容的復(fù)習(xí)外，為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性與積極性，還鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立制作每一章更細(xì)致的思維導(dǎo)圖。如果信息點(diǎn)還是太密集的話，還可以以每節(jié)課為單位制作更精細(xì)的思維導(dǎo)圖，了解重要的細(xì)節(jié)。

教學(xué)中在第一節(jié)緒論課時(shí)就把結(jié)構(gòu)生物化學(xué)和代謝生物化學(xué)兩個(gè)模塊的整體知識(shí)框架呈現(xiàn)給學(xué)生，給出圖1和圖2，讓學(xué)生對(duì)于生物化學(xué)要學(xué)什么心中有數(shù)。同時(shí)講一講兩大模塊內(nèi)容學(xué)習(xí)方法的差異：結(jié)構(gòu)生物化學(xué)是按照結(jié)構(gòu)-性質(zhì)-功能的線來(lái)學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)理解分子結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系；代謝生物化學(xué)是按照生化反應(yīng)邏輯來(lái)學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)反應(yīng)發(fā)生的邏輯順序、分室化和調(diào)控[3]。

圖1 結(jié)構(gòu)生物化學(xué)的主要內(nèi)容

圖2 代謝生物化學(xué)的主要內(nèi)容

結(jié)構(gòu)生物化學(xué)每一部分的思維導(dǎo)圖，老師示例如圖3所示，可布置學(xué)生就其中某分支部分做思維導(dǎo)圖再展開。代謝生物化學(xué)的思維導(dǎo)圖，老師示例如圖4所示。通過(guò)思維導(dǎo)圖可以理清各部分之間的關(guān)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(nèi)容

2 科學(xué)發(fā)現(xiàn)案例

案例教學(xué)法(case method)一般認(rèn)為是由哈佛大學(xué)法學(xué)院前院長(zhǎng)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(xué)法要求學(xué)生課前要閱讀資料做準(zhǔn)備，課堂互動(dòng)也更為積極。其結(jié)構(gòu)可分解為四個(gè)維度：以科學(xué)為基礎(chǔ)；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(biāo)。二十世紀(jì)八十年代，我國(guó)開始引入案例教學(xué)法，這是一種積極的雙向教學(xué)方法，其實(shí)質(zhì)就是充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，強(qiáng)調(diào)教師的主導(dǎo)作用[4]。

生物化學(xué)發(fā)展至今，每一項(xiàng)重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都凝聚了大量科學(xué)家的失敗教訓(xùn)，成功經(jīng)驗(yàn)，曲折的研究經(jīng)歷背后有豐富的故事，也有在錯(cuò)誤中調(diào)整思維的過(guò)程[5]。重要的是，通過(guò)具體而微的科學(xué)發(fā)現(xiàn)過(guò)程介紹讓學(xué)生明白，科學(xué)家也和我們一樣會(huì)犯錯(cuò)誤，會(huì)走入思維誤區(qū)，但他們能夠根據(jù)失敗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和出現(xiàn)的新現(xiàn)象及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)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(diǎn)[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(shí)驗(yàn)動(dòng)物從兔子，猴子到雞，做了很多實(shí)驗(yàn)都沒有分離到腳氣病的致病菌。后來(lái)在飼養(yǎng)員的提醒下，留意到可能是飼料營(yíng)養(yǎng)成分缺乏導(dǎo)致了腳氣病，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。又經(jīng)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(jié)合變化學(xué)說(shuō)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(xué)滲透學(xué)說(shuō)以后，F(xiàn)1F0-ATP合酶是如何利用質(zhì)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(guò)程中可能存在的高能中間物，以失敗告終。意識(shí)到中間物可能并不存在，他的思路轉(zhuǎn)向：氧化的能量可能并不是用來(lái)制造ATP分子，而是用來(lái)驅(qū)動(dòng)緊密結(jié)合的ATP釋放。之后，他的研究小組發(fā)現(xiàn)，ATP合酶的3個(gè)催化亞基總是按照一種有序的方式進(jìn)行催化。Boyer由此提出，ATP合酶的一個(gè)亞基就像汽車上的凸輪軸，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致催化位點(diǎn)經(jīng)歷3個(gè)步驟：ADP和Pi結(jié)合，ATP形成和收緊，ATP釋放。在持續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)催化過(guò)程中，所有的3個(gè)催化位點(diǎn)在任何時(shí)候都處于不同的構(gòu)象。當(dāng)時(shí)已有幾千種酶被發(fā)現(xiàn)，但還沒發(fā)現(xiàn)哪一種酶能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)催化。之后John Walker確定了ATP合酶催化亞基的三維結(jié)構(gòu)，Yoshida使用特殊方法在顯微鏡下觀察到亞基的旋轉(zhuǎn)。這些精彩的科學(xué)發(fā)現(xiàn)案例除了讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)到科學(xué)家鍥而不舍的工作精神，也讓學(xué)生體會(huì)到其中的思維脈絡(luò)，學(xué)會(huì)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(zhuǎn)課堂，鼓勵(lì)學(xué)生自選科學(xué)發(fā)現(xiàn)案例，學(xué)習(xí)科學(xué)家的奮戰(zhàn)求真精神和邏輯思維能力[8]。諾貝爾獎(jiǎng)是一個(gè)很好的切入口。除了諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)跟生物化學(xué)相關(guān)以外，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)也有近一半頒發(fā)給了生物化學(xué)領(lǐng)域，這是一個(gè)認(rèn)識(shí)化學(xué)與生物學(xué)密切關(guān)系的好機(jī)會(huì)。布置化工專業(yè)學(xué)生選取與生物化學(xué)內(nèi)容相關(guān)的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)或生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)案例，以4～5人為1組，查閱資料、歸納、總結(jié)，翻轉(zhuǎn)課堂上以PPT展示[9]，展示后有和同學(xué)互動(dòng)問答環(huán)節(jié)，老師點(diǎn)評(píng)環(huán)節(jié)。翻轉(zhuǎn)課堂激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生做的精彩展示有：

(1)綠色熒光蛋白——2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：下村修20世紀(jì)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(yīng)用，錢永健發(fā)明多個(gè)GFP變種。GFP被用作新型報(bào)告基因，進(jìn)行蛋白定位和作為免疫標(biāo)記物。老師在點(diǎn)評(píng)中，重點(diǎn)幫學(xué)生建立成果應(yīng)用的思維。老師還可以在點(diǎn)評(píng)中由錢永健引申到錢氏家訓(xùn)和錢家世代讀書的故事，推薦紀(jì)錄片《讀書的力量》，引導(dǎo)學(xué)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(xué)獎(jiǎng)：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(jù)青蒿素的溶解性質(zhì)，做了兩個(gè)重要改進(jìn)：改水漬為醇取(后來(lái)是醚取)，改高溫醇取為低溫萃取。老師點(diǎn)評(píng)時(shí)可推薦饒毅講述青蒿素研發(fā)詳盡時(shí)代背景和艱苦過(guò)程的《呦呦有蒿》：是扎扎實(shí)實(shí)做事的精神讓青蒿素這個(gè)抗瘧新藥獲得成功，挽救了無(wú)數(shù)人的生命。

(3)酶的定向進(jìn)化和多肽及抗體的噬菌體展示技術(shù)——2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論，變異經(jīng)選擇固定下來(lái)，促進(jìn)了進(jìn)化。酶的定向進(jìn)化即是在試管中進(jìn)行的微觀進(jìn)化，是經(jīng)隨機(jī)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(shí)現(xiàn)分子水平的模擬進(jìn)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(dá)于噬菌體的蛋白質(zhì)外殼上，可作為有效抗原，誘導(dǎo)抗體的定向進(jìn)化，研制新藥。老師點(diǎn)評(píng)時(shí)重點(diǎn)啟發(fā)學(xué)生進(jìn)化思想從宏觀到微觀的遷移和應(yīng)用。

(4)細(xì)胞感知和適應(yīng)氧氣——2019年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)：由發(fā)現(xiàn)缺氧誘導(dǎo)因子HIF開始，科學(xué)家逐漸發(fā)現(xiàn)HIF與紅細(xì)胞生成素，心血管形成的關(guān)系。可通過(guò)調(diào)控HIF-1通路促進(jìn)紅細(xì)胞生長(zhǎng)，治療貧血；通過(guò)干擾HIF-1降解促進(jìn)血管生成，治療循環(huán)不良；通過(guò)降解HIF相關(guān)蛋白，抑制新生血管的形成從而對(duì)抗惡性腫瘤。老師點(diǎn)評(píng)重點(diǎn)啟發(fā)學(xué)生由一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，引申出可能的應(yīng)用領(lǐng)域。

(5)基因編輯——2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)：法國(guó)的Emmanuelle Charpentier和美國(guó)的Jennifer A.Doudna 兩位女科學(xué)家因基因編輯獲獎(jiǎng)。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(xì)菌利用CRISPR抗噬菌體入侵，2013年首次使用CRISPR-cas9對(duì)人、鼠基因定點(diǎn)突變。兩位女科學(xué)家因在開發(fā)基因組編輯方法方面的卓越貢獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)。CRISPR未來(lái)有廣闊的應(yīng)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(rèn)識(shí)到的是，改寫和創(chuàng)造生命將帶來(lái)嚴(yán)重的倫理學(xué)問題，會(huì)加劇社會(huì)的不平等，會(huì)導(dǎo)致特征趨同，甚至可能會(huì)產(chǎn)生自私、好戰(zhàn)特性得到強(qiáng)化的人，造成極大的安全隱患。老師點(diǎn)評(píng)時(shí)可推薦諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)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(yáng)》。另一方面，老師也可以結(jié)合兩位女科學(xué)家獲獎(jiǎng)的勵(lì)志故事講述幾代女科學(xué)家在科學(xué)史上堅(jiān)韌奮斗的歷史，激勵(lì)熱愛研究工作的女生珍惜今天的好機(jī)會(huì)，奮發(fā)努力，成就一番事業(yè)。

3 結(jié) 語(yǔ)

在生物化學(xué)教學(xué)中引入思維導(dǎo)圖，可以幫助學(xué)生把零碎的知識(shí)系統(tǒng)化，邏輯化。結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的案例教學(xué)法激發(fā)了學(xué)生探究科學(xué)發(fā)現(xiàn)背后邏輯和故事的興趣，有助于學(xué)生在清楚科學(xué)發(fā)現(xiàn)來(lái)龍去脈的基礎(chǔ)上建立創(chuàng)新嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣，也引導(dǎo)學(xué)生在洞悉科學(xué)發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用價(jià)值和倫理難題平衡中建立起對(duì)人類和社會(huì)的責(zé)任感。怎樣在生物化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的生化思維，同時(shí)立德育人,潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲地進(jìn)行課程思政建設(shè),這只是初步的嘗試和探索。今后將進(jìn)一步探索好的教學(xué)方法,挖掘生物化學(xué)有意義的案例資源,培養(yǎng)有素質(zhì),有情懷的學(xué)生。