基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教學(xué)模式探究
——以蛋白質(zhì)與酶工程課堂教學(xué)為例

張妍妮，盧婷利，武祥龍，張辰艷

（西北工業(yè)大學(xué) 生命學(xué)院，陜西西安 710072）

經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展依賴于科技創(chuàng)新[1]。隨著我國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的深入實(shí)施，創(chuàng)新人才培養(yǎng)更加受到重視[1]，大學(xué)是培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才的重要基地。工程科技人員對(duì)前沿科學(xué)的探索與運(yùn)用能力及創(chuàng)新能力，取決于其扎實(shí)的工程科學(xué)基礎(chǔ)[2]。

高層次創(chuàng)新人才的培養(yǎng)離不開學(xué)科交叉[1]。蛋白質(zhì)與酶工程是生物技術(shù)專業(yè)的核心課，是理論性、綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，也是多門學(xué)科如分子生物學(xué)、生物化學(xué)、酶學(xué)、微生物學(xué)、工程學(xué)等的有機(jī)融合；其實(shí)踐性、應(yīng)用性也很強(qiáng)，可引導(dǎo)學(xué)生將生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的基本理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐。因此，在多學(xué)科交叉融合領(lǐng)域中，蛋白質(zhì)與酶工程可作為培養(yǎng)學(xué)生研究能力、創(chuàng)新能力及工程技術(shù)能力的良好中介[2-3]。蛋白質(zhì)/酶制劑的研發(fā)涉及很多高科技內(nèi)容，比如蛋白質(zhì)改造、高通量篩選等[4-5]，而這些研發(fā)熱點(diǎn)大多來(lái)源于工程應(yīng)用實(shí)際。與蛋白質(zhì)/酶工程相關(guān)的產(chǎn)品或服務(wù)已經(jīng)滲透到日常生產(chǎn)、生活、學(xué)術(shù)研究等方面，涉及食品、生物制藥、醫(yī)學(xué)診斷與治療、環(huán)境保護(hù)、生物能源等領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)效益可觀[6-9]。然而，與世界主要工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)相關(guān)的工程科技人才稀缺[10]。此外，課程思政是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[11-12]。基于此，如何在現(xiàn)有課程體系下推進(jìn)蛋白質(zhì)與酶工程的課堂改革，提升課堂的思政教育功能和學(xué)生的創(chuàng)新能力、專業(yè)素養(yǎng)，迫在眉睫。

1 課程內(nèi)容與過(guò)程設(shè)計(jì)

1.1 課程內(nèi)容模塊化

根據(jù)蛋白質(zhì)與酶工程課程目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)兼?zhèn)湎到y(tǒng)性、實(shí)用性、先進(jìn)性和前瞻性。課程選用汪世華編著的《蛋白質(zhì)工程》（第二版）和郭勇編著的《酶工程》（第四版）作為主要參考書，內(nèi)容具有理論深度和廣度。為加強(qiáng)課程的系統(tǒng)化建設(shè)，使課堂教學(xué)能夠與快速發(fā)展的蛋白質(zhì)/酶工程行業(yè)銜接，對(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行模塊劃分，如圖1 所示。

圖1 模塊化、分層次教學(xué)體系示意圖

4 個(gè)模塊在教學(xué)內(nèi)容上相互銜接，在教學(xué)方法上各有特點(diǎn)。（1）基礎(chǔ)模塊，側(cè)重于基礎(chǔ)理論導(dǎo)學(xué)，主要采用精講研學(xué)法。此部分內(nèi)容在整個(gè)課程內(nèi)容中起到承前啟后的作用，包括蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能、蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)、酶催化反應(yīng)的特點(diǎn)、影響酶催化反應(yīng)的因素等，可與專業(yè)基礎(chǔ)課生物化學(xué)、分子生物學(xué)等有效銜接，為學(xué)生構(gòu)建理論知識(shí)框架。（2）生產(chǎn)模塊，側(cè)重于工程案例導(dǎo)學(xué)，主要采用案例教學(xué)法。內(nèi)容包括蛋白質(zhì)/酶的表達(dá)系統(tǒng)、微生物發(fā)酵產(chǎn)蛋白質(zhì)/酶、蛋白質(zhì)/酶的分離純化等內(nèi)容，與專業(yè)課發(fā)酵工程交叉，讓學(xué)生在實(shí)際工程案例中體會(huì)蛋白質(zhì)與酶工程的特色。（3）改性模塊，側(cè)重于創(chuàng)新思維導(dǎo)學(xué)，主要采用探究教學(xué)法。涉及蛋白質(zhì)/酶的分子設(shè)計(jì)和定向進(jìn)化、蛋白質(zhì)/酶的化學(xué)修飾、酶的固定化、酶的非水相催化等，內(nèi)容富有前沿性和挑戰(zhàn)度，能夠讓學(xué)生深刻體會(huì)科學(xué)研究前沿進(jìn)展，拓展思維。（4）應(yīng)用模塊，側(cè)重于實(shí)踐能力導(dǎo)學(xué)，主要采用項(xiàng)目教學(xué)法。包括蛋白質(zhì)芯片技術(shù)、酶反應(yīng)器、酶制劑應(yīng)用等內(nèi)容，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，學(xué)生能夠針對(duì)蛋白質(zhì)與酶工程的相關(guān)科學(xué)問(wèn)題，結(jié)合工程實(shí)際，自主設(shè)計(jì)課題。

1.2 “課前—課中—課后”全過(guò)程教學(xué)

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮其學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，比學(xué)習(xí)知識(shí)本身更重要。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)有效挖掘和融入思政元素，實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授有機(jī)統(tǒng)一，積極探索“課前自主預(yù)習(xí)—課中積極參與—課后拓展提升”的全過(guò)程教學(xué)（見圖2）。

圖2 以學(xué)生為中心理念及全過(guò)程考核示意圖

（1）課前預(yù)習(xí)。教師借助雨課堂等媒介在課前發(fā)布教學(xué)任務(wù)，學(xué)生通過(guò)查閱資料對(duì)所設(shè)置的關(guān)鍵問(wèn)題展開思考，初步建立思維導(dǎo)圖。

（2）課堂教學(xué)。教師在各模塊章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的邏輯主線的基礎(chǔ)上，基于學(xué)生初步構(gòu)建的思維導(dǎo)圖，采用分層次教學(xué)方式（見圖1），讓學(xué)生在對(duì)知識(shí)重構(gòu)的過(guò)程中思維能力得到提升。同時(shí)，教師關(guān)注教學(xué)效果，并根據(jù)學(xué)生反饋，進(jìn)行教學(xué)反思，及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方式。

（3）課后拓展。學(xué)生完善思維導(dǎo)圖，自主對(duì)教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行條理化、系統(tǒng)化疏理，通過(guò)習(xí)題、資料查閱、報(bào)告等方式，提高對(duì)知識(shí)的理解程度和邏輯思維能力，鍛煉把控全局的能力，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)和思考的習(xí)慣。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生參加生物技術(shù)綜合大實(shí)驗(yàn)或者相關(guān)課題研究，提高動(dòng)手實(shí)踐、分析問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力。

（4）教學(xué)評(píng)價(jià)。教師通過(guò)診斷性、形成性和總結(jié)性教學(xué)評(píng)價(jià)[4]，對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。例如，對(duì)學(xué)情和學(xué)習(xí)效果采用多樣化考核方式，加強(qiáng)平時(shí)考核權(quán)重，注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，具體為：平時(shí)成績(jī)占比為50%（其中到課情況占比為10%、思維導(dǎo)圖占比為10%、課堂回答問(wèn)題和小組討論及作業(yè)占比為30%），期末考試占比為50%。將習(xí)題形式豐富化、任務(wù)內(nèi)容生活化，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性。

2 多模塊、分層次教學(xué)方法探索

在教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)不同模塊，采用不同的教學(xué)方法，能夠充分激發(fā)學(xué)生的自主性、能動(dòng)性，并更好地發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。

2.1 “蛋白質(zhì)與酶學(xué)基礎(chǔ)”模塊：精講研學(xué)法夯實(shí)理論知識(shí)

“蛋白質(zhì)與酶學(xué)基礎(chǔ)”模塊是其他3 個(gè)模塊的基礎(chǔ)。教學(xué)中以問(wèn)題啟發(fā)、建立思維導(dǎo)圖等方式引導(dǎo)學(xué)生回顧、梳理相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)注重課程的教學(xué)特色，理論聯(lián)系生活實(shí)際。如在講解蛋白酶抑制劑時(shí)，教師結(jié)合生活中常見的有機(jī)磷中毒和重金屬（如砷、汞等）中毒，引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么會(huì)中毒？如何解毒？機(jī)理是什么？在酶學(xué)研究簡(jiǎn)史中，關(guān)于“糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精”的原因，由酵母細(xì)胞生活引起？還是純化學(xué)催化劑作用？讓學(xué)生通過(guò)思考、討論和爭(zhēng)論等，自己獲得答案。進(jìn)一步通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)那榫埃寣W(xué)生自主進(jìn)行簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證自己答案的正確性。在此過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)思考，在深刻體會(huì)糖發(fā)酵本質(zhì)的同時(shí)，鍛煉了思維能力。

2.2 “蛋白質(zhì)與酶的生產(chǎn)”模塊：案例教學(xué)法培養(yǎng)實(shí)踐思維

“蛋白質(zhì)與酶的生產(chǎn)”模塊是將基礎(chǔ)理論應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，教學(xué)中教師通過(guò)問(wèn)題式、案例式和啟發(fā)式等，引導(dǎo)學(xué)生了解基因工程、發(fā)酵工程等在蛋白質(zhì)/酶的生產(chǎn)中的獨(dú)特性和挑戰(zhàn)性。例如，關(guān)于誘導(dǎo)酶的合成，學(xué)生已經(jīng)知道乳糖能夠誘導(dǎo)β-半乳糖苷酶，教師需要進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考在細(xì)菌細(xì)胞中乳糖誘導(dǎo)開啟復(fù)雜的基因表達(dá)的機(jī)制，通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生自主總結(jié)出不同類型的基因調(diào)控模式，以及這些調(diào)控模式對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中酶的合成的影響？通過(guò)對(duì)β-半乳糖苷酶生產(chǎn)的工程案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以通過(guò)自主查閱文獻(xiàn)、小組討論對(duì)同類案例進(jìn)行辨析，舉一反三。

2.3 “蛋白質(zhì)與酶的改性”模塊：探究教學(xué)法培養(yǎng)創(chuàng)新精神

探究教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生追求科學(xué)發(fā)現(xiàn)或科學(xué)研究，培養(yǎng)學(xué)生追求卓越的創(chuàng)新精神。如對(duì)于酶非水相催化中主要影響因素的講解，導(dǎo)入經(jīng)典案例，通過(guò)問(wèn)題啟發(fā)式、探究式教學(xué)，展示科學(xué)研究中打破思維定勢(shì)、創(chuàng)新的重要性。教師在教學(xué)中，（1）給出常識(shí)性認(rèn)識(shí)，即“酶只能在水溶液中進(jìn)行催化反應(yīng)，有機(jī)溶劑導(dǎo)致酶變性失活”。然后用相反經(jīng)典案例證明酶在有機(jī)介質(zhì)中也能進(jìn)行催化反應(yīng)，讓學(xué)生進(jìn)一步思考為什么“能”？（2）適時(shí)采用類比方式。以“四兩撥千斤和彼之毒藥，吾之蜜糖”類比有機(jī)介質(zhì)中“水和有機(jī)溶劑”的作用，并留下懸念，為什么這么類比？激發(fā)學(xué)生探知的欲望。（3）回答懸念問(wèn)題。用“動(dòng)力學(xué)剛性”（剛性）和“熱力學(xué)穩(wěn)定性”（柔性）來(lái)界定酶分子在有機(jī)介質(zhì)中保持最大催化活性所具備的空間構(gòu)象（“剛?cè)岵?jì)”），微小水量的變化會(huì)導(dǎo)致酶催化活力的較大改變（“四兩撥千斤”）。（4）發(fā)揮學(xué)生能動(dòng)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖表，引導(dǎo)學(xué)生分析除了水的因素之外，有機(jī)介質(zhì)對(duì)酶催化反應(yīng)的影響。激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)是什么？（5）尋找理論依據(jù)。有機(jī)溶劑會(huì)“搶占”結(jié)合水的結(jié)合位點(diǎn)（甚至酶活性中心位點(diǎn)）、會(huì)“奪走”結(jié)合水，這與溶劑的極性有關(guān)。引導(dǎo)學(xué)生思考：溶劑極性怎么影響酶催化反應(yīng)？是否極性越小越好？須知凡事“過(guò)猶不及”，溶劑極性會(huì)影響底物與酶的結(jié)合。引導(dǎo)學(xué)生理解只有選擇“極性”適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑才能保證酶促反應(yīng)順利進(jìn)行，否則酶催化反應(yīng)速率低，即所謂“彼之毒藥，吾之蜜糖”。

2.4 “蛋白質(zhì)與酶的應(yīng)用”模塊：項(xiàng)目教學(xué)法提升實(shí)踐能力

“蛋白質(zhì)與酶的應(yīng)用”是理論與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系密切的模塊，主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，并形成高級(jí)思維，以打破生產(chǎn)實(shí)際中的行業(yè)壁壘，實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新和超越。如在講解酶反應(yīng)器類型時(shí)，教師以CoorsTek 公司主導(dǎo)開發(fā)并在Science期刊上發(fā)表的膜反應(yīng)器生產(chǎn)氫氣的項(xiàng)目為例，進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科研成果轉(zhuǎn)化的信心和興趣。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生以小組為單位確定一個(gè)主題，通過(guò)查閱資料、小組內(nèi)討論，形成研究思路，完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并在課堂上分享。項(xiàng)目訓(xùn)練法能有效地鍛煉學(xué)生的文獻(xiàn)查閱能力、邏輯思維、分析和解決問(wèn)題能力、語(yǔ)言表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及理論聯(lián)系實(shí)際能力，為以后從事相關(guān)行業(yè)的創(chuàng)新性工作奠定基礎(chǔ)。目前，有學(xué)生團(tuán)隊(duì)的進(jìn)化酶降解環(huán)境污染物塑料的項(xiàng)目已發(fā)展成為國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目；還有學(xué)生團(tuán)隊(duì)以漆酶的定向進(jìn)化為主題，入圍國(guó)際遺傳工程的機(jī)器設(shè)計(jì)（iGEM）大賽。

2.5 課程思政貫穿教學(xué)始終

教學(xué)團(tuán)隊(duì)深度挖掘思政案例，建立課程思政案例庫(kù)[13]。教師根據(jù)課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)及學(xué)情分析，選擇合適的思政案例，以達(dá)到潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的效果[14]。教師可以科學(xué)問(wèn)題為切入點(diǎn)，通過(guò)情感體驗(yàn)和換位思考，實(shí)現(xiàn)思政元素的融入和對(duì)學(xué)生的價(jià)值引領(lǐng)。例如，在講解酶定向進(jìn)化時(shí)，通過(guò)不同案例的引入，讓學(xué)生在體會(huì)科學(xué)家研究進(jìn)化酶的思維與方法的同時(shí)，對(duì)概念加以理解，強(qiáng)化學(xué)生記憶。在教學(xué)過(guò)程中，緊扣“酶定向進(jìn)化”，展示科學(xué)研究和工程應(yīng)用，即需要進(jìn)行學(xué)科交叉、發(fā)散思維突破創(chuàng)新。選取3個(gè)具有代表性的案例：“定向進(jìn)化提高酶的催化效率”（I）、“愛‘吃’塑料的酶”（II）和“綠色化學(xué)合成糖尿病藥西格列汀”（III）。這3 個(gè)案例有相似性，都能體現(xiàn)酶定向進(jìn)化的過(guò)程，卻又不同，案例I 側(cè)重于理論機(jī)制研究，讓學(xué)生體會(huì)到開展科學(xué)研究要“知己知彼”才能“百戰(zhàn)不殆”，保持“知其然，知其所然”的“打破沙鍋問(wèn)到底”的精神。案例II 的亮點(diǎn)是酶的定向進(jìn)化與理性設(shè)計(jì)結(jié)合，引發(fā)學(xué)生產(chǎn)生“環(huán)境保護(hù)，青山綠水”的共識(shí)，了解我國(guó)古代兵法與科學(xué)研究（如酶定向進(jìn)化）的關(guān)聯(lián)性，提升學(xué)生的文化素養(yǎng)。案例III 在酶定向進(jìn)化過(guò)程中，通過(guò)環(huán)境選擇的“突變—篩選”的循環(huán)累積以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的，讓學(xué)生了解科學(xué)研究的精益求精、追求卓越，感受我國(guó)女科學(xué)家追求真理的精神。案例中，對(duì)酶的進(jìn)化“殊途同歸”，但不同方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生在思辨的過(guò)程中，深刻體會(huì)酶定向進(jìn)化的內(nèi)涵，從而拓寬學(xué)生的思維，提高學(xué)生靈活解決問(wèn)題的能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

蛋白質(zhì)與酶工程是一門綜合性較強(qiáng)的課程，其理論與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系密切，是創(chuàng)新型生物技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的核心課程。課程根據(jù)學(xué)科特色，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和成長(zhǎng)規(guī)律，結(jié)合學(xué)科前沿發(fā)展，劃分不同模塊，其內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)不同，教學(xué)方法有所區(qū)別，教學(xué)效果互補(bǔ)，全面提升了學(xué)生的綜合能力，效果明顯，值得推廣和借鑒。