蛋白質組學教學改革與思考

武 陶，趙 培，阮海華

(天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300314)

蛋白質組學是一門典型的交叉學科，內容涉及生物學、化學、生物信息學等，具有涵蓋內容多、知識范圍廣等特點。該學科相關研究技術和方法廣泛用于生物、農學、食品、醫學等與生命科學密切相關的領域。作為生物技術專業本科專業核心課程，課程教學目標是使學生掌握蛋白質組學的基礎理論與經典實驗技術，同時能夠具備一定解決實際問題的能力，從而為學生后續深造學習或從事相關科研工作打下理論基礎。為實現上述教學目標，提高學生的綜合素質，進行課程改革就顯得至關重要。

1 教學現狀與存在的問題

蛋白質組學包含的知識點較多，涉及實驗技術新穎，綜合性較強。多數學生認為，該課程學習難度較大，質譜儀的工作原理、蛋白質組定量技術等知識抽象、枯燥，理解較困難。而且傳統的教學方式以教師課堂講授理論為主，授課方式較單一，學生參與度不足，課堂氣氛不夠活躍，難以達到提升學生綜合能力的目標。為解決上述問題，將BOPPS教學模式貫穿于課程教學過程，同時輔以多元化的教學手段，對蛋白質組學教學改革進行了探究。

2 教學改革具體內容

基于培養能夠跟隨技術發展進步，能用所學知識解決實際復雜生物技術問題的應用型創新創業人才的培養目標，同時結合課時數以及學生的學習基礎，筆者選擇何華勤主編，中國林業出版社2011年出版的《簡明蛋白質組學》作為教材，該教材內容簡明清晰，配圖豐富，易于學生理解。在實際教學中，打破了教材內容原有框架，按照蛋白質組學的技術層次對教學內容進行了模塊化重組與優化。對于教材內容中與生物化學、蛋白質化學以及生物信息學等課程交叉的部分進行簡要講解或要求學生自學。在授課過程中介紹該領域的前沿技術、熱點話題，并通過與公司合作，定期組織蛋白質組學先進技術講座，作為教學內容的輔助部分，要求學生可將經典理論與前沿技術進展有機聯系、融會貫通。

該課程分為4個模塊(表1)。模塊1：緒論，著重介紹蛋白質組與基因組的聯系與區別以及蛋白質組學研究的技術路線，使學生建立蛋白質組學的整體知識框架；模塊2：蛋白質組學的三大經典基礎技術，即雙向電泳技術、生物質譜技術、生物信息學。其中，重點講解雙向電泳中蛋白質樣品制備的注意事項以及電泳過程中第一向電泳與第二向電泳操作的注意事項、生物質譜分析蛋白質結構的原理與操作流程，關于生物信息學部分只作簡介。模塊3：蛋白質組學技術中的高階技術，即基于質譜技術的定量蛋白質組學分析技術(重點介紹熱門的iTRAQ技術與SILAC技術)，介紹蛋白質相互作用研究的基本原理和主要技術方法，使學生掌握蛋白質相互作用研究的主要技術流程、應用和優缺點；模塊4：在完成前3個模塊學習后，學生具備了扎實的蛋白質組學理論與實驗基礎，在此基礎上進入模塊4的學習，學生可以更好地理解蛋白質組學技術在微生物學、食品科學、植物學等領域的應用。

上述教學模塊之間相互聯系，前一教學模塊是后一教學模塊的基礎(理論基礎或技術基礎)。其中，模塊4既可作為單獨的教學內容，又可適當穿插在模塊2與模塊3的教學中，在講授蛋白質組學的具體技術時介紹這些技術的應用實例，促進學生對技術原理的理解。

表1 蛋白質組學教學模塊Table 1 Teaching modules contained in Proteomics Course

在教學過程中，注重教學與科研的結合。科研是教學的源頭活水，以科研促進教學是提高教學質量的重要途徑。利用科研上的研究進展為教學內容服務，將科研精神融入教育理念，可使晦澀難懂的知識點變得容易理解。筆者在博士期間曾進行過外膜蛋白的提取與定量分析研究，其中用到了蛋白質組學研究中的基礎操作，即蛋白質樣品的制備與電泳分析。因此，在講解蛋白質組學二維電泳中蛋白樣品制備這一部分時，展示樣品制備過程，并展示SDS-PAGE電泳圖片，通過電泳分析，為后續定量分析與生物質譜分析打下基礎。此外，結合筆者所在課題組利用蛋白質組學技術研究外泌體功能與侵染宿主的機制等方面的研究進展，向學生介紹定量蛋白質組學技術的流程，以及對應結果的分析方法，使學生體會到蛋白質組學在實際科研中的應用。

在當下“大數據”特別是后疫情時代，多媒體教學法、小組討論法、案例分析教學法等新型教學手段層出不窮。這一現狀要求在教學形式上不斷推陳出新。因此，在組織教學過程中，根據蛋白質組學的課程特點與該專業人才培養的目標，有選擇性地使用先進的教學方法，使課堂教學更加豐富多彩，也使學生的學習效果有所改善。

BOPPS教學模式的應用。在泛雅超星學習通平臺建立了課程班級，且借助這一網絡教學平臺在蛋白質組學教學中運用BOPPS教學模型，合理調整課前—課中—課后的知識點分布。在具體的教學設計中，采用與生活相關的事例來激發學生對于將要學習知識點的興趣，同時利用超星學習通在線教學平臺發布教學目標以及學生需要提前預習的內容，要求學生完成對應的前測試題，并且針對預習的內容提出問題，課堂上帶著問題進行有針對性的學習。課堂上，教師講授重點知識點后，提出主題討論供師生共同討論，提高學生的參與度，另外，采用超星學習通在線教學平臺發布課堂同步習題并要求學生在規定時間內完成作答，檢驗學生學習情況。最后教師針對授課內容進行總結，并留給學生思考作業。

以教學模塊2中的生物質譜技術為例，具體闡述如何在教學過程中運用BOPPS教學模型。首先，以學生已經比較熟悉的液相(氣相)色譜技術導入新內容學習，同時告知學生這部分內容的教學目標。教學目標包括3個方面，即知識目標：掌握質譜儀的結構與組成，掌握2種代表性質譜的基本原理與優缺點。技能目標：能夠獨立操作使用質譜儀。情感目標：培養學生誠實守信、認真負責、嚴謹治學的態度。然后教師發布前測試題，了解學生的前期知識儲備，課上教師重點講授基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜與液相色譜-電噴霧-串聯質譜的工作原理與優缺點。為了更好地理解設備的運行原理，利用網上的教學視頻，加深學生的理解。此外，為及時鞏固所學知識點，在理論知識學習完成后，及時在課堂上發布習題(圖1)。教學內容完成后，課后留給學生總結作業：查閱2種質譜技術的具體應用。BOPPS教學模型在蛋白質組學教學過程中的應用，充分發揮了學生的主觀能動性與主體參與度，得到了學生的積極反響。

此外，在完成每一章節的課堂教學后，教師將錄制的包含有教學重難點的視頻、PPT等教學資源上傳至學習通中對應的課程班級，這樣，學生可以永久保留，有助于學生在課后學習、思考與復習。經過筆者多輪教學實踐，取得了良好效果。

堅持立德樹人，融入思政元素。在教學過程中，該課程還注重滲透課程思政的理念。緒論部分講述蛋白質組學的產生與發展歷程時，著重介紹我國蛋白質組學的發展歷程，其中重要的時間點，如1998年我國啟動了蛋白質組學研究，以賀福初院士為首的科研團隊領銜我國的蛋白質組學研究，并在2003年主導了人類肝臟蛋白組研究計劃；2014年6月，中國人類蛋白質組學計劃全面啟動實施。在講授上述發展歷程時，著重介紹我國科學家在高度的國家使命感的驅動下，刻苦鉆研、銳意創新、永攀高峰的科學精神，使學生了解我國科學家的科學精神，增強民族自豪感，并號召學生學習前輩不畏艱難、勇于探索的精神。

在教學過程中，關注新冠肺炎疫情防控與疫苗研制的最新動態，介紹鐘南山、張伯禮、陳薇院士等的抗疫事跡，號召學生向人民英雄學習。并且針對疫情防控與生物技術發布主題討論(圖2)，師生展開互動討論，鼓勵學生積極思考、提問、發言，加大學生的參與度。通過該方式可以在教學過程中很好地融入思政元素，增強學生對專業的自信心和認同感。

圖1 課堂習題事例Fig.1 Exercises delivered in class

圖2 課堂主題討論實例Fig.2 An example of topic discussion in class

充分利用網絡教學資源。由于課時量有限，目前暫時未開設對應的實驗課程，因此筆者利用網絡資源，制作了相關的實驗視頻和PPT演示實驗。在教學過程中邊播放邊講解，總結實驗步驟和重點細節等。增強學生的感官認識，使學生進一步理解抽象的概念。在講到固定pH梯度(IPG)膠條、二維電泳設備、質譜儀等蛋白質組學中比較經典與重要的實驗設備時，通過多媒體進行全方位展示。對于一些比較重要的實驗操作，如雙向電泳的準備工作以及重點操作過程，結合實驗教學視頻給學生進行直觀展示。這些教學實踐在一定程度上彌補了缺少實驗課的不足。

輕翻轉，多師生互動。在課程教學的后半段，翻轉課堂的模式，鍛煉學生的語言組織能力與歸納總結能力，同時加深學生對各專題所涉及理論知識的理解。該課程嘗試了2種設置專題的模式：①固定專題內容：蛋白質組學的應用。②設置多個題目，即專題1：酶裂解在植物組織蛋白質樣品提取中的應用與優勢；專題2：請舉出一例實例說明iTRAQ技術的應用；專題3：請舉出一例實例說明SILAC的應用；專題4：蛋白質組學樣品制備中如何提高膜蛋白的提取效率；專題5：植物葉綠體蛋白質組學分析。學生在完成基本理論與技術的學習后，根據教師給出的專題內容，通過調研文獻，課前完成PPT制作。課堂上，按照學生講—老師評—學生評的方式進行探討與學習。通過多學期的實踐以及收集學生反饋，表明專題教學效果良好。不論是固定專題內容，還是任選專題內容，師生互動的課堂討論方式可以通過啟發式教育引導學生主動思考，增強學生的團隊協作能力，使學生的文獻收集能力與自主學習能力得到增強與提升。

考核是教學活動的重要環節，課程考核對教學起到反饋、調節、評價和促進作用，對培養學生良好的學習習慣及調動學生學習的積極性具有重要作用。該課程的考核注重學生學習過程的考查，課程考核總成績包括期末成績與平時成績，并加大了平時成績的比例。平時成績包括課堂研討參與度、隨堂測驗完成度、分組匯報內容PPT 講解，并綜合評價學生課堂表現和課外拓展的學習效果(表2)。這種綜合考核方式強化了課程教學過程中學生的參與度和靈活性，使學生在輕松的環境下主動學習；教師也可以根據考核后的反饋信息，以學生為主體，及時改進教學內容及教學方法，促進教學水平的提高及教學效果的優化。

表2 蛋白質組學課程考核方式Table 2 Assessment method of Proteomics Course

3 小結與討論

蛋白質組學是一門內容新穎、發展迅猛、技術先進，且與實際應用緊密結合的課程，經過多輪教學改革與實踐，課程教學取得了良好效果。BOPPS教學模式與網絡教學平臺的聯合應用，提高了學生的學習參與度，為學生獲取課程學習材料與課后及時鞏固復習提供了更多的學習資源，有助于學生理解抽象的技術原理，減少學生學習的畏難情緒。但是，仍存在很多不足之處，如個別基礎薄弱的學生課堂參與度不夠，還有一些學生克服困難的精神不足。因此，課程改革需要以注重培養學生運用所學知識解決復雜工程問題的能力為抓手持續改進，針對不同學生選用個性化的教學方法，并加強對學生學習情況的反饋與收集。另外，還應優化課時量分配，適當增設經典實驗環節，使學生具備基本的實驗操作能力。同時應鼓勵教師和學生積極參與相關科學研究，真正做到學以致用，增強學生的成就感與自信心，實現學生與工作崗位的順利對接，實現教與學的雙贏。