新工科背景下生物化學課程教學設計

崔文璟 周楠迪 周哲敏

摘? 要：在新工科建設背景下，生物化學這門課程在工科院校生物工程類專業人才培養中的作用日益重要。糖的分解代謝是這門課程中的重點和難點，學生在學習過程中往往難以全面地理解其中的關鍵代謝過程、代謝酶的功能以及生物學意義。如何提高教學成效，文章以糖的分解代謝為例，利用基于問題學習（PBL）的教學理念，運用多種教學手段，將講授、提問、討論、探索有機結合起來，設計了新穎的教學過程。文章對工科院校生物化學課程改革教學有一定的借鑒價值。

關鍵詞：生物化學;糖分解代謝;教學設計;教學改革;基于問題的學習

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）35-0006-04

Abstract： Under the background of new engineering construction， Biochemistry plays an increasingly important role in the training of bioengineering professionals in engineering colleges. Sugar Metabolism is the key and difficult point in this course. It is often difficult for students to fully understand the key metabolic processes， the functions of metabolic enzymes， and the biological significance during the learning process. How to improve the effectiveness of teaching， this paper takes Carbohydrate Catabolism as the object， uses the teaching concept based on problem learning， uses a variety of teaching methods， organically combines teaching， questioning， discussion， and exploration， and designs a novel teaching process. This paper has a certain reference value for the reform teaching of "Biochemistry" in engineering colleges.

Keywords： Biochemistry; Glucose Catabolism; teaching design; teaching reformation; problem-based study

作為生命學科的重要基礎學科與前沿學科，生物化學是生物類學科重要的專業基礎課程以及核心課程，在生物工程和生物技術等工科專業本科生專業培養中有重要的地位和作用。生物化學是有機化學、分析化學、生物學、物理化學和生理學交叉而產生的一門邊緣學科，其代謝反應錯綜復雜，基本原理抽象難懂，也是一門較難學的課程[1]。如何在教學實踐過程中把這些復雜的代謝反應和抽象深奧的代謝機理，以及代謝調控轉變成具體化、形象化和易懂、易學的知識教授給學生，增強學生學習生物化學的興趣，同時在教學實踐過程中有意識地培養學生的創新和創造能力，使學生的思維方式從單向思維向發散思維，從常規思維向立異性思維，從正向思維向逆向思維和從直覺思維向抽象思維轉變，這對于提高教學效果，增強學生綜合分析和解決復雜的生物化學問題以及培養科研創新力具有十分重要的意義。

優化教學體系和教學內容、改革教學方法和手段是深化本科課程改革，提高人才培養質量的兩大核心問題。近年來國內外的生化教學圍繞這兩個核心內容進行了許多改革[2-4]。主要包括：（1）教學手段的變革，引入了多媒體和微課;（2）教學內容的調整，把許多內容簡化講解，相關知識歸入別的課程;（3）教學方式的優化，采用了教師講解與課堂討論、提問等相結合的方法;（4）改變評價方式，變單純的應試評價為多維評價;（5）實驗教學輔助，通過實驗提高學生的學習興趣，增強其對理論課的理解。雖然這些改革舉措對教學質量的提升起到了一定的作用，但仍存在難于全面引導90后、95后和00后學生提升學習興趣的問題，同時還面臨課時數減少與教學內容不斷膨脹的矛盾。由于生物工程類學科培養目標、學科特色等方面的差異，生物化學課程群里系列課程的教學目標也有所不同。在不同學科特色下，對不同專業培養目標的學生培養要求也有所側重。在此基礎上，針對已全面進入00后的一代學生，知識的傳授方法就迫切需要不斷集成創新，實現與時俱進的創新授課形式尤為重要。針對此，可開展將紙質圖書與數字資源及在線交互三位一體的新形態教材的建設探索，再加上各種新型課堂教學方法和教學模式的引入，可為促進學生主動思考，深入理解并掌握生物化學課程群系列課程基礎知識，對全面提升教學效果起到至關重要的作用[5]。比如，在系列教材和教學過程中適當引入與抽象的理論知識有密切聯系的宏觀案例，并且穿插與之相關的最新研究成果，增進學生理論聯系實際的意識，培養其對學習的興趣。

除此之外，創新生物化學課程的考核方式對于積極評價教學效果，引導學生主動思考，增強學生獲取新知識能力等方面均具有重要的作用[6]。目前，在教學實踐過程中，“一考定終身”的考評方式已經逐步被摒棄，取而代之的是增強過程考核，突出平時學習的投入度和學習效果[7]。通過平時的課堂提問、小組討論、階段性測驗等環節，全方位評價學生在整個學習過程中對生物化學課程重要理論知識的掌握和運用。

生物化學課程中糖的分解代謝是教學重點之一，同時也是難點。作為中心代謝途徑，糖代謝溝通了蛋白質、脂肪、核酸等幾大生命分子的代謝途徑。因此，如何設計糖代謝的課堂教學方式對改革整個生物化學課程的教學體系具有重要指導意義。同時，對于學生進一步理解和掌握其他生物分子的代謝具有借鑒價值。基于此，本文在總結本科生物工程專業教學實踐的基礎上，針對糖的無氧氧化和有氧氧化這方面內容設計了新穎的教學方案，通過提煉教學重點、創新教學方式、發展新的教學思路，設計了以講授為主的教學方式，同時還融合了課堂討論、課后拓展等方面的教學環節。本文對雙一流建設背景下，工科院校生物化學課堂教學改革有一定的借鑒意義。

一、學情分析

本課程的授課對象為生物工程、生物技術專業的大二學生。先期已學習了大學化學、有機化學、分析化學等先導課程，學生基本已握了普通化學理論知識。同時，在這門課程的前半部分章節中已學習了有關糖類分子的基礎知識，初步了解了各種單糖、多糖的結構、分子構成以及理化性質。但糖代謝步驟較多，參與的代謝過程非常復雜，代謝調節的關鍵酶種類繁多，調節機制復雜，并且許多中間代謝產物都是聯系其他幾大類生物分子的紐帶，這增加了學生從整體上掌握代謝途徑和代謝調節的難度。因此，本章節的講學設計將運用多種教學手段，圍繞這些重難點開展系統教學活動。

二、教學目標

基于生物化學課程教學目標點，結合生物工程專業的學科特色，圍繞糖的分解代謝關鍵代謝過程、代謝途徑等知識點，提出本章節內容的教學目標，分為5點：

（1）能夠透徹理解糖的無氧氧化和有氧氧化的生理學意義，掌握這兩個糖代謝過程在原核和真核細胞中發生的部位，代謝過程的異同點。

（2）理解并熟練掌握糖的酵解和三羧酸循環過程中關鍵酶催化的代謝步驟，兩個過程的限速酶，以及限速酶的調節機制。

（3）熟練掌握糖酵解和三羧酸循環過程中ATP產生的部位和產生機理，能夠準確判斷出糖酵解和三羧酸循環中能與氨基酸、脂肪酸和核苷酸代謝產生聯系的代謝中間物。

（4）通過對糖酵解和三羧酸循環基礎知識的學習，能夠進一步拓展有關糖代謝及調節過程的最新進展，初步具備閱讀并理解有關糖代謝進展的專業綜述文獻的能力。

（5）通過學習和掌握糖的無氧和有氧氧化，進一步為學習糖的其他代謝途徑（如磷酸戊糖途徑以及糖異生）打下堅實的基礎。

三、教學重點和難點

（一）教學重點

本章節內容眾多，是進入物質代謝的開篇內容。如何結合學科特色、課程內容以及專業需求來提煉授課重點決定了最終的教學效果，也是教學目標達成的重要保證。對于糖酵解和三羧酸循環代謝途徑，以催化這兩個代謝途徑的關鍵酶、限速酶為教學重點，重點講授參與糖酵解的己糖激酶、磷酸果糖激酶1和及丙酮酸激酶以及參與三羧酸循環的檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶以及α-酮戊二酸脫氫酶等兩條途徑，六個限速酶的催化活性，酶分子結構和功能的關系以及參與糖代謝的調控方式、作用功能、生物學意義等關鍵知識點，并引導學生積極利用酶學調控的理論來揭示一些與糖代謝有關的發酵過程和某些代謝性疾病的病理機制（如糖尿?。?，基本教學重點和教學設計歸納如圖1所示。

（二）教學難點

掌握糖酵解和三羧酸循環的各代謝步驟，尤其是關鍵酶、限速酶的調節步驟以及限速酶的調節機理。

四、教學內容和過程設計

（一）糖的無氧氧化——糖酵解

首先設計課程導入環節。從自然現象出發，以我國短跑健將蘇炳添為例，引導學生討論人體在劇烈運動過程中，機體是如何持續提供能量的？都有哪些營養物質在這個過程中發揮了作用？通過討論，使學生建立起糖代謝在合成ATP過程中起重要作用的宏觀概念。

隨后，進入對糖酵解的理論闡釋環節。借鑒基于問題的學習策略（PBL）[8]，首先設置有關糖酵解的關鍵問題，即：單糖（葡萄糖）通過什么途徑完成無氧階段的分解代謝？這個代謝途徑是如何實現精密調控的？引導學生進入對糖代謝的思考中，激發其學習興趣和探索精神。

課程主體內容的設計分為以下步驟：

（1）介紹糖酵解的概念、在細胞中發生的定位，酵解和發酵概念的區分。

（2）糖酵解的三個階段：活化、裂解和無氧氧化。

a. 各階段的反應步驟，從六碳糖到三碳糖的裂解、異構——為下一階段無氧氧化提供基礎。

b. 三個階段的關鍵酶——己糖激酶、6-磷酸果糖激酶1（PFK-1）和丙酮酸激酶。

c. 系統介紹三個酶的調節機理：變構調節和共價修飾。PFK-1的介紹還需簡要介紹6-磷酸果糖激酶2（PFK-2）的產物果糖-2，6-二磷酸對PFK-1的調節機制（激素水平、共價修飾調節）。

（3）總結物質代謝過程。

a.重點引導學生理解從1分子六碳糖分解成2分子三碳糖后分別進行后續氧化過程，相當于進行了二輪氧化，為接下來介紹能量代謝做準備。

b. 無氧氧化過程中能量核算：介紹葡萄糖在活化和氧化產能階段ATP的消耗和生成。此部分內容聯系電子傳遞鏈和氧化磷酸化，兩條電子傳遞鏈分別生成不同數目的ATP，引導學生復習前述學過的知識。

（4）酵解生成的產物丙酮酸的去路。

a. 乳酸菌發酵乳酸，酵母菌發酵產出酒精、甘油等產物的意義和具體代謝方式。

b. 點出關鍵問題：氧化產生的NADH+H+需要尋找電子載體從而實現輔酶再生。

（二）糖的有氧氧化——三羧酸循環

1. 丙酮酸進一步氧化脫羧

（1）關鍵酶：丙酮酸脫氫酶復合體（PDC）。引導學生回顧概念——多酶復合體。區分多酶復合體和多功能酶及同工酶。

（2）介紹PDC復合體構成的三種酶以及六種輔因子，各個酶在丙酮酸轉化為乙酰CoA催化過程中所參與的具體反應過程，脫氫過程NADH如何再生，各個輔因子如何參與反應的。

（3）重點問題：這一過程是脫氫和脫羧過程，三碳的丙酮酸轉變為二碳的乙?；?。催化脫羧的輔因子，催化脫氫的輔酶。

2. 三羧酸循環的過程

（1）最初從乙酰CoA和草酰乙酸縮合生成檸檬酸開始，連續限速酶的催化過程。三個限速酶的調節受變構調節，產物抑制作用。

（2）檸檬酸合酶、異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶復合體（脫氫酶系）。重點介紹脫氫酶系的調控機理和催化機理，與丙酮酸脫氫酶系屬于酮酸脫氫酶超家族成員。

（3）逐一介紹三羧酸循環的各個反應步驟。這一過程中重點強調碳原子數目的變化是連續的二步脫羧的結果，從檸檬酸六碳轉變為四碳。

（4）整體介紹三羧酸循環過程中四步脫氫的過程和參與的輔酶，脫氫后還原型輔酶的去處。在此過程中能量生成的計算依據，從丙酮酸氧化脫羧伴隨脫氫開始，三羧酸循環中三步脫氫使用 NAD+做氫受體，一步反應使用FAD， 還有一步底物水平磷酸化過程。

五、教學互動和啟發引導

（一）啟發式討論

討論1：糖在生命活動中的重要性。請2-3位同學分別結合自己所學、 所見舉一些實際的例子來討論。

討論2：從酵母釀酒和劇烈運動后肌肉酸痛這些實際現象入手，討論微生物和人體是如何產生這些反應的？酒精的發酵和乳酸生成和這些實際現象有何聯系？引導學生從現象入手，逐步探討現象背后所蘊含的代謝過程。

（二）適時提問，溫故知新

提問1：結合前述“電子傳遞和氧化磷酸化”的內容，提問1-2位同學有關NADH+H+電子傳遞鏈和FADH2電子傳遞鏈生成ATP的數目，引導學生學會從實際代謝反應中來計算整個途徑ATP的凈生成。

提問2：丙酮酸脫氫酶復合體（系）。聯系前述酶化學章節中有關酶分子結構和功能的知識，來理解脫氫酶復合體的功能。

六、自主學習過程

科學問題：提出教科書上沒有但與糖類代謝密切相關的問題：葡萄糖是如何轉運進入細胞內的？細胞如何決定何時利用葡萄糖？葡萄糖效應背后蘊含了什么樣的機制？

課外閱讀材料[9-11]：圍繞重點內容丙酮酸脫氫酶復合體和呼吸鏈，拓展有關蛋白質復合體結構和功能的知識，引導學生加深對丙酮酸脫氫酶復合體參與乙酰輔酶A合成分子機制的理解。

七、教學反思

糖的無氧氧化和有氧氧化是糖代謝的第一節課，糖代謝催化的反應調控關鍵酶眾多，調節機制復雜，是高校授課教師普遍認為的教學重點和難點[12]。這些問題決定了學生在開始學習這一章節時普遍具有畏懼心理，面對眾多知識點無所適從，往往走向死記硬背或是不記不背兩個極端，影響學習成效，進而對物質代謝這一部分的內容產生厭學的情緒。因此，必須采用恰當的教學方法和豐富的授課方式，使學生能在較為輕松的學習氛圍中不斷主動地吸取新的知識。同時，運用啟發式教學，以問題為導向，不斷給學生提出新問題，引導學生主動思考，逐步引出所要講授的關鍵內容和難點內容，激發學生主動查閱資料、檢索文獻的學習興趣。對于糖代謝涉及到的酶學、蛋白質化學等方面的內容要學以致用，融會貫通，全面提升學習效果。

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