新工科背景下生物化学课程教学设计

崔文璟 周楠迪 周哲敏

摘  要：在新工科建设背景下，生物化学这门课程在工科院校生物工程类专业人才培养中的作用日益重要。糖的分解代谢是这门课程中的重点和难点，学生在学习过程中往往难以全面地理解其中的关键代谢过程、代谢酶的功能以及生物学意义。如何提高教学成效，文章以糖的分解代谢为例，利用基于问题学习（PBL）的教学理念，运用多种教学手段，将讲授、提问、讨论、探索有机结合起来，设计了新颖的教学过程。文章对工科院校生物化学课程改革教学有一定的借鉴价值。

关键词：生物化学;糖分解代谢;教学设计;教学改革;基于问题的学习

中图分类号：G640 文献标志码：A          文章编号：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

作為生命学科的重要基础学科与前沿学科，生物化学是生物类学科重要的专业基础课程以及核心课程，在生物工程和生物技术等工科专业本科生专业培养中有重要的地位和作用。生物化学是有机化学、分析化学、生物学、物理化学和生理学交叉而产生的一门边缘学科，其代谢反应错综复杂，基本原理抽象难懂，也是一门较难学的课程[1]。如何在教学实践过程中把这些复杂的代谢反应和抽象深奥的代谢机理，以及代谢调控转变成具体化、形象化和易懂、易学的知识教授给学生，增强学生学习生物化学的兴趣，同时在教学实践过程中有意识地培养学生的创新和创造能力，使学生的思维方式从单向思维向发散思维，从常规思维向立异性思维，从正向思维向逆向思维和从直觉思维向抽象思维转变，这对于提高教学效果，增强学生综合分析和解决复杂的生物化学问题以及培养科研创新力具有十分重要的意义。

优化教学体系和教学内容、改革教学方法和手段是深化本科课程改革，提高人才培养质量的两大核心问题。近年来国内外的生化教学围绕这两个核心内容进行了许多改革[2-4]。主要包括：（1）教学手段的变革，引入了多媒体和微课;（2）教学内容的调整，把许多内容简化讲解，相关知识归入别的课程;（3）教学方式的优化，采用了教师讲解与课堂讨论、提问等相结合的方法;（4）改变评价方式，变单纯的应试评价为多维评价;（5）实验教学辅助，通过实验提高学生的学习兴趣，增强其对理论课的理解。虽然这些改革举措对教学质量的提升起到了一定的作用，但仍存在难于全面引导90后、95后和00后学生提升学习兴趣的问题，同时还面临课时数减少与教学内容不断膨胀的矛盾。由于生物工程类学科培养目标、学科特色等方面的差异，生物化学课程群里系列课程的教学目标也有所不同。在不同学科特色下，对不同专业培养目标的学生培养要求也有所侧重。在此基础上，针对已全面进入00后的一代学生，知识的传授方法就迫切需要不断集成创新，实现与时俱进的创新授课形式尤为重要。针对此，可开展将纸质图书与数字资源及在线交互三位一体的新形态教材的建设探索，再加上各种新型课堂教学方法和教学模式的引入，可为促进学生主动思考，深入理解并掌握生物化学课程群系列课程基础知识，对全面提升教学效果起到至关重要的作用[5]。比如，在系列教材和教学过程中适当引入与抽象的理论知识有密切联系的宏观案例，并且穿插与之相关的最新研究成果，增进学生理论联系实际的意识，培养其对学习的兴趣。

除此之外，创新生物化学课程的考核方式对于积极评价教学效果，引导学生主动思考，增强学生获取新知识能力等方面均具有重要的作用[6]。目前，在教学实践过程中，“一考定终身”的考评方式已经逐步被摒弃，取而代之的是增强过程考核，突出平时学习的投入度和学习效果[7]。通过平时的课堂提问、小组讨论、阶段性测验等环节，全方位评价学生在整个学习过程中对生物化学课程重要理论知识的掌握和运用。

生物化学课程中糖的分解代谢是教学重点之一，同时也是难点。作为中心代谢途径，糖代谢沟通了蛋白质、脂肪、核酸等几大生命分子的代谢途径。因此，如何设计糖代谢的课堂教学方式对改革整个生物化学课程的教学体系具有重要指导意义。同时，对于学生进一步理解和掌握其他生物分子的代谢具有借鉴价值。基于此，本文在总结本科生物工程专业教学实践的基础上，针对糖的无氧氧化和有氧氧化这方面内容设计了新颖的教学方案，通过提炼教学重点、创新教学方式、发展新的教学思路，设计了以讲授为主的教学方式，同时还融合了课堂讨论、课后拓展等方面的教学环节。本文对双一流建设背景下，工科院校生物化学课堂教学改革有一定的借鉴意义。

一、学情分析

本课程的授课对象为生物工程、生物技术专业的大二学生。先期已学习了大学化学、有机化学、分析化学等先导课程，学生基本已握了普通化学理论知识。同时，在这门课程的前半部分章节中已学习了有关糖类分子的基础知识，初步了解了各种单糖、多糖的结构、分子构成以及理化性质。但糖代谢步骤较多，参与的代谢过程非常复杂，代谢调节的关键酶种类繁多，调节机制复杂，并且许多中间代谢产物都是联系其他几大类生物分子的纽带，这增加了學生从整体上掌握代谢途径和代谢调节的难度。因此，本章节的讲学设计将运用多种教学手段，围绕这些重难点开展系统教学活动。

二、教学目标

基于生物化学课程教学目标点，结合生物工程专业的学科特色，围绕糖的分解代谢关键代谢过程、代谢途径等知识点，提出本章节内容的教学目标，分为5点：

（1）能够透彻理解糖的无氧氧化和有氧氧化的生理学意义，掌握这两个糖代谢过程在原核和真核细胞中发生的部位，代谢过程的异同点。

（2）理解并熟练掌握糖的酵解和三羧酸循环过程中关键酶催化的代谢步骤，两个过程的限速酶，以及限速酶的调节机制。

（3）熟练掌握糖酵解和三羧酸循环过程中ATP产生的部位和产生机理，能够准确判断出糖酵解和三羧酸循环中能与氨基酸、脂肪酸和核苷酸代谢产生联系的代谢中间物。

（4）通过对糖酵解和三羧酸循环基础知识的学习，能够进一步拓展有关糖代谢及调节过程的最新进展，初步具备阅读并理解有关糖代谢进展的专业综述文献的能力。

（5）通过学习和掌握糖的无氧和有氧氧化，进一步为学习糖的其他代谢途径（如磷酸戊糖途径以及糖异生）打下坚实的基础。

三、教学重点和难点

（一）教学重点

本章节内容众多，是进入物质代谢的开篇内容。如何结合学科特色、课程内容以及专业需求来提炼授课重点决定了最终的教学效果，也是教学目标达成的重要保证。对于糖酵解和三羧酸循环代谢途径，以催化这两个代谢途径的关键酶、限速酶为教学重点，重点讲授参与糖酵解的己糖激酶、磷酸果糖激酶1和及丙酮酸激酶以及参与三羧酸循环的柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶以及α-酮戊二酸脱氢酶等两条途径，六个限速酶的催化活性，酶分子结构和功能的关系以及参与糖代谢的调控方式、作用功能、生物学意义等关键知识点，并引导学生积极利用酶学调控的理论来揭示一些与糖代谢有关的发酵过程和某些代谢性疾病的病理机制（如糖尿病），基本教学重点和教学设计归纳如图1所示。

（二）教学难点

掌握糖酵解和三羧酸循环的各代谢步骤，尤其是关键酶、限速酶的调节步骤以及限速酶的调节机理。

四、教学内容和过程设计

（一）糖的无氧氧化——糖酵解

首先设计课程导入环节。从自然现象出发，以我国短跑健将苏炳添为例，引导学生讨论人体在剧烈运动过程中，机体是如何持续提供能量的？都有哪些营养物质在这个过程中发挥了作用？通过讨论，使学生建立起糖代谢在合成ATP过程中起重要作用的宏观概念。

随后，进入对糖酵解的理论阐释环节。借鉴基于问题的学习策略（PBL）[8]，首先设置有关糖酵解的关键问题，即：单糖（葡萄糖）通过什么途径完成无氧阶段的分解代谢？这个代谢途径是如何实现精密调控的？引导学生进入对糖代谢的思考中，激发其学习兴趣和探索精神。

课程主体内容的设计分为以下步骤：

（1）介绍糖酵解的概念、在细胞中发生的定位，酵解和发酵概念的区分。

（2）糖酵解的三个阶段：活化、裂解和无氧氧化。

a. 各阶段的反应步骤，从六碳糖到三碳糖的裂解、异构——为下一阶段无氧氧化提供基础。

b. 三个阶段的关键酶——己糖激酶、6-磷酸果糖激酶1（PFK-1）和丙酮酸激酶。

c. 系统介绍三个酶的调节机理：变构调节和共价修饰。PFK-1的介绍还需简要介绍6-磷酸果糖激酶2（PFK-2）的产物果糖-2，6-二磷酸对PFK-1的调节机制（激素水平、共价修饰调节）。

（3）总结物质代谢过程。

a.重点引导学生理解从1分子六碳糖分解成2分子三碳糖后分别进行后续氧化过程，相当于进行了二轮氧化，为接下来介绍能量代谢做准备。

b. 无氧氧化过程中能量核算：介绍葡萄糖在活化和氧化产能阶段ATP的消耗和生成。此部分内容联系电子传递链和氧化磷酸化，两条电子传递链分别生成不同数目的ATP，引导学生复习前述学过的知识。

（4）酵解生成的产物丙酮酸的去路。

a. 乳酸菌发酵乳酸，酵母菌发酵产出酒精、甘油等产物的意义和具体代谢方式。

b. 点出关键问题：氧化产生的NADH+H+需要寻找电子载体从而实现辅酶再生。

（二）糖的有氧氧化——三羧酸循环

1. 丙酮酸进一步氧化脱羧

（1）关键酶：丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）。引导学生回顾概念——多酶复合体。区分多酶复合体和多功能酶及同工酶。

（2）介绍PDC复合体构成的三种酶以及六种辅因子，各个酶在丙酮酸转化为乙酰CoA催化过程中所参与的具体反应过程，脱氢过程NADH如何再生，各个辅因子如何参与反应的。

（3）重点问题：这一过程是脱氢和脱羧过程，三碳的丙酮酸转变为二碳的乙酰基。催化脱羧的辅因子，催化脱氢的辅酶。

2. 三羧酸循环的过程

（1）最初从乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成柠檬酸开始，连续限速酶的催化过程。三个限速酶的调节受变构调节，产物抑制作用。

（2）柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体（脱氢酶系）。重点介绍脱氢酶系的调控机理和催化机理，与丙酮酸脱氢酶系属于酮酸脱氢酶超家族成员。

（3）逐一介绍三羧酸循环的各个反应步骤。这一过程中重点强调碳原子数目的变化是连续的二步脱羧的结果，从柠檬酸六碳转变为四碳。

（4）整体介绍三羧酸循环过程中四步脱氢的过程和参与的辅酶，脱氢后还原型辅酶的去处。在此过程中能量生成的计算依据，从丙酮酸氧化脱羧伴随脱氢开始，三羧酸循环中三步脱氢使用 NAD+做氢受体，一步反应使用FAD， 还有一步底物水平磷酸化过程。

五、教学互动和启发引导

（一）启发式讨论

讨论1：糖在生命活动中的重要性。请2-3位同学分别结合自己所学、 所见举一些实际的例子来讨论。

讨论2：从酵母酿酒和剧烈运动后肌肉酸痛这些实际现象入手，讨论微生物和人体是如何产生这些反应的？酒精的发酵和乳酸生成和这些实际现象有何联系？引导学生从现象入手，逐步探讨现象背后所蕴含的代谢过程。

（二）适时提问，温故知新

提问1：结合前述“电子传递和氧化磷酸化”的内容，提问1-2位同学有关NADH+H+电子传递链和FADH2电子传递链生成ATP的数目，引导学生学会从实际代谢反应中来计算整个途径ATP的净生成。

提问2：丙酮酸脱氢酶复合体（系）。联系前述酶化学章节中有关酶分子结构和功能的知识，来理解脱氢酶复合体的功能。

六、自主学习过程

科学问题：提出教科书上没有但与糖类代谢密切相关的问题：葡萄糖是如何转运进入细胞内的？细胞如何决定何时利用葡萄糖？葡萄糖效应背后蕴含了什么样的机制？

课外阅读材料[9-11]：围绕重点内容丙酮酸脱氢酶复合体和呼吸链，拓展有关蛋白质复合体结构和功能的知识，引导学生加深对丙酮酸脱氢酶复合体参与乙酰辅酶A合成分子机制的理解。

七、教学反思

糖的无氧氧化和有氧氧化是糖代谢的第一节课，糖代谢催化的反应调控关键酶众多，调节机制复杂，是高校授课教师普遍认为的教学重点和难点[12]。这些问题决定了学生在开始学习这一章节时普遍具有畏惧心理，面对众多知识点无所适从，往往走向死记硬背或是不记不背两个极端，影响学习成效，进而对物质代谢这一部分的内容产生厌学的情绪。因此，必须采用恰当的教学方法和丰富的授课方式，使学生能在较为轻松的学习氛围中不断主动地吸取新的知识。同时，运用启发式教学，以问题为导向，不断给学生提出新问题，引导学生主动思考，逐步引出所要讲授的关键内容和难点内容，激发学生主动查阅资料、检索文献的学习兴趣。对于糖代谢涉及到的酶学、蛋白质化学等方面的内容要学以致用，融会贯通，全面提升学习效果。

参考文献：

[1]Lang FK， Bodner GM. A Review of Biochemistry Education Research[J]. J Chem Edu，2020，97（8）：2091-2103.

[2]陈睿，霍丽妮，吕金燕，等.WPBL教学法在中医类院校生物化学教学中的课程设计[J].高等教育，2015（25）：79.

[3]鄢雯，李囡，古同男，等.基于微课的翻转课堂在生物化学教学实践中的应用[J].基础医学教育，2021，23（6）：433-435.

[4]兰蕾.基于逻辑思维能力培养的生物化学教学方法探讨[J].生命的化学，2021，41（7）：1627-1631.

[5]何海伦，李文凯，刘丹，等.精学以致用——生物化学线上线下混合式教学改革研究[J].生命的化学，2021，41（6）：1295-1301.

[6]胡兴，王晓红，付明，等.以专业能力培养为核心的生物化学课程考核评价方式改革与实践[J].高教学刊，2017（3）：70-71.

[7]韦勤.加强过程性考核，增强思政课教学实效性[J].教育教学论坛，2019（19）：47-49.

[8]黄佩蓓，陈世华.PBL教学法在中医药院校生物化学教学中的应用[J].科技文汇，2021（9）：129-131.

[9]Patel MS， Nemeria NS， Furey W，et al. The pyruvate dehydrogenase complexes： structure-based function and regulation[J]. J Biol Chem，2014，289（24）：16615-16623.

[10]Efremov RG， Baradaran R， Sazanov LA. The architecture of respiratory complex I [J]. Nature，2010，465（7297）：441-445.

[11]Vinothkumar KR， Zhu J， Hirst J. Architecture of mammalian respiratory complex I [J]. Nature，2014，515（7525）：80-84.

[12]黃春洪.医学生物化学代谢部分授课方法与技巧[J].生命的化学，2021，41（7）：1408-1411.