基于创新型人才培养的教学模式探究<br/>——以蛋白质与酶工程课堂教学为例

基于创新型人才培养的教学模式探究
——以蛋白质与酶工程课堂教学为例

2024-03-16张妍妮卢婷利武祥龙张辰艳

创新创业理论研究与实践 2024年4期

张妍妮，卢婷利，武祥龙，张辰艳

（西北工业大学生命学院，陕西西安 710072）

经济、社会的发展依赖于科技创新[1]。随着我国创新驱动发展战略的深入实施，创新人才培养更加受到重视[1]，大学是培养高层次创新人才的重要基地。工程科技人员对前沿科学的探索与运用能力及创新能力，取决于其扎实的工程科学基础[2]。

高层次创新人才的培养离不开学科交叉[1]。蛋白质与酶工程是生物技术专业的核心课，是理论性、综合性很强的学科，也是多门学科如分子生物学、生物化学、酶学、微生物学、工程学等的有机融合；其实践性、应用性也很强，可引导学生将生物化学、分子生物学、微生物学等基础学科的基本理论知识应用于工程实践。因此，在多学科交叉融合领域中，蛋白质与酶工程可作为培养学生研究能力、创新能力及工程技术能力的良好中介[2-3]。蛋白质/酶制剂的研发涉及很多高科技内容，比如蛋白质改造、高通量筛选等[4-5]，而这些研发热点大多来源于工程应用实际。与蛋白质/酶工程相关的产品或服务已经渗透到日常生产、生活、学术研究等方面，涉及食品、生物制药、医学诊断与治疗、环境保护、生物能源等领域，经济效益可观[6-9]。然而，与世界主要工业强国相比，我国相关的工程科技人才稀缺[10]。此外，课程思政是落实立德树人根本任务的关键环节[11-12]。基于此，如何在现有课程体系下推进蛋白质与酶工程的课堂改革，提升课堂的思政教育功能和学生的创新能力、专业素养，迫在眉睫。

1 课程内容与过程设计

1.1 课程内容模块化

根据蛋白质与酶工程课程目标，教学内容应兼备系统性、实用性、先进性和前瞻性。课程选用汪世华编著的《蛋白质工程》（第二版）和郭勇编著的《酶工程》（第四版）作为主要参考书，内容具有理论深度和广度。为加强课程的系统化建设，使课堂教学能够与快速发展的蛋白质/酶工程行业衔接，对授课内容进行模块划分，如图1 所示。

图1 模块化、分层次教学体系示意图

4 个模块在教学内容上相互衔接，在教学方法上各有特点。（1）基础模块，侧重于基础理论导学，主要采用精讲研学法。此部分内容在整个课程内容中起到承前启后的作用，包括蛋白质的结构和功能、蛋白质的分子设计、酶催化反应的特点、影响酶催化反应的因素等，可与专业基础课生物化学、分子生物学等有效衔接，为学生构建理论知识框架。（2）生产模块，侧重于工程案例导学，主要采用案例教学法。内容包括蛋白质/酶的表达系统、微生物发酵产蛋白质/酶、蛋白质/酶的分离纯化等内容，与专业课发酵工程交叉，让学生在实际工程案例中体会蛋白质与酶工程的特色。（3）改性模块，侧重于创新思维导学，主要采用探究教学法。涉及蛋白质/酶的分子设计和定向进化、蛋白质/酶的化学修饰、酶的固定化、酶的非水相催化等，内容富有前沿性和挑战度，能够让学生深刻体会科学研究前沿进展，拓展思维。（4）应用模块，侧重于实践能力导学，主要采用项目教学法。包括蛋白质芯片技术、酶反应器、酶制剂应用等内容，能够充分发挥学生的能动性，学生能够针对蛋白质与酶工程的相关科学问题，结合工程实际，自主设计课题。

1.2 “课前—课中—课后”全过程教学

学生是学习的主体，引导学生发挥其学习的能动性，比学习知识本身更重要。因此，在教学过程中，教师应有效挖掘和融入思政元素，实现价值塑造、能力培养和知识传授有机统一，积极探索“课前自主预习—课中积极参与—课后拓展提升”的全过程教学（见图2）。

图2 以学生为中心理念及全过程考核示意图

（1）课前预习。教师借助雨课堂等媒介在课前发布教学任务，学生通过查阅资料对所设置的关键问题展开思考，初步建立思维导图。

（2）课堂教学。教师在各模块章节知识点的逻辑主线的基础上，基于学生初步构建的思维导图，采用分层次教学方式（见图1），让学生在对知识重构的过程中思维能力得到提升。同时，教师关注教学效果，并根据学生反馈，进行教学反思，及时调整教学内容和方式。

（3）课后拓展。学生完善思维导图，自主对教学难点进行条理化、系统化疏理，通过习题、资料查阅、报告等方式，提高对知识的理解程度和逻辑思维能力，锻炼把控全局的能力，养成自主学习和思考的习惯。同时，教师引导学生参加生物技术综合大实验或者相关课题研究，提高动手实践、分析问题以及解决问题的能力。

（4）教学评价。教师通过诊断性、形成性和总结性教学评价[4]，对教学方式进行相应的调整。例如，对学情和学习效果采用多样化考核方式，加强平时考核权重，注重学生能力的培养，具体为：平时成绩占比为50%（其中到课情况占比为10%、思维导图占比为10%、课堂回答问题和小组讨论及作业占比为30%），期末考试占比为50%。将习题形式丰富化、任务内容生活化，以此调动学生学习的积极性、主动性。

2 多模块、分层次教学方法探索

在教学实践中，根据不同模块，采用不同的教学方法，能够充分激发学生的自主性、能动性，并更好地发挥教师的主导作用。

2.1 “蛋白质与酶学基础”模块：精讲研学法夯实理论知识

“蛋白质与酶学基础”模块是其他3 个模块的基础。教学中以问题启发、建立思维导图等方式引导学生回顾、梳理相关知识点，同时注重课程的教学特色，理论联系生活实际。如在讲解蛋白酶抑制剂时，教师结合生活中常见的有机磷中毒和重金属（如砷、汞等）中毒，引导学生思考：为什么会中毒？如何解毒？机理是什么？在酶学研究简史中，关于“糖发酵产生酒精”的原因，由酵母细胞生活引起？还是纯化学催化剂作用？让学生通过思考、讨论和争论等，自己获得答案。进一步通过设置适当的情景，让学生自主进行简单的实验设计，验证自己答案的正确性。在此过程中，学生通过思考，在深刻体会糖发酵本质的同时，锻炼了思维能力。

2.2 “蛋白质与酶的生产”模块：案例教学法培养实践思维

“蛋白质与酶的生产”模块是将基础理论应用于生产实践，教学中教师通过问题式、案例式和启发式等，引导学生了解基因工程、发酵工程等在蛋白质/酶的生产中的独特性和挑战性。例如，关于诱导酶的合成，学生已经知道乳糖能够诱导β-半乳糖苷酶，教师需要进一步引导学生思考在细菌细胞中乳糖诱导开启复杂的基因表达的机制，通过具体实验现象，让学生自主总结出不同类型的基因调控模式，以及这些调控模式对于实际生产中酶的合成的影响？通过对β-半乳糖苷酶生产的工程案例的学习，学生可以通过自主查阅文献、小组讨论对同类案例进行辨析，举一反三。

2.3 “蛋白质与酶的改性”模块：探究教学法培养创新精神

探究教学法引导学生追求科学发现或科学研究，培养学生追求卓越的创新精神。如对于酶非水相催化中主要影响因素的讲解，导入经典案例，通过问题启发式、探究式教学，展示科学研究中打破思维定势、创新的重要性。教师在教学中，（1）给出常识性认识，即“酶只能在水溶液中进行催化反应，有机溶剂导致酶变性失活”。然后用相反经典案例证明酶在有机介质中也能进行催化反应，让学生进一步思考为什么“能”？（2）适时采用类比方式。以“四两拨千斤和彼之毒药，吾之蜜糖”类比有机介质中“水和有机溶剂”的作用，并留下悬念，为什么这么类比？激发学生探知的欲望。（3）回答悬念问题。用“动力学刚性”（刚性）和“热力学稳定性”（柔性）来界定酶分子在有机介质中保持最大催化活性所具备的空间构象（“刚柔并济”），微小水量的变化会导致酶催化活力的较大改变（“四两拨千斤”）。（4）发挥学生能动性。通过实验图表，引导学生分析除了水的因素之外，有机介质对酶催化反应的影响。激发学生进一步思考实验的理论依据是什么？（5）寻找理论依据。有机溶剂会“抢占”结合水的结合位点（甚至酶活性中心位点）、会“夺走”结合水，这与溶剂的极性有关。引导学生思考：溶剂极性怎么影响酶催化反应？是否极性越小越好？须知凡事“过犹不及”，溶剂极性会影响底物与酶的结合。引导学生理解只有选择“极性”适当的有机溶剂才能保证酶促反应顺利进行，否则酶催化反应速率低，即所谓“彼之毒药，吾之蜜糖”。

2.4 “蛋白质与酶的应用”模块：项目教学法提升实践能力

“蛋白质与酶的应用”是理论与生产实际联系密切的模块，主要培养学生对相关知识的综合应用能力，并形成高级思维，以打破生产实际中的行业壁垒，实现自主创新和超越。如在讲解酶反应器类型时，教师以CoorsTek 公司主导开发并在Science期刊上发表的膜反应器生产氢气的项目为例，进行项目教学，增强学生对科研成果转化的信心和兴趣。在此基础上，学生以小组为单位确定一个主题，通过查阅资料、小组内讨论，形成研究思路，完成项目设计，并在课堂上分享。项目训练法能有效地锻炼学生的文献查阅能力、逻辑思维、分析和解决问题能力、语言表达能力、团队协作能力及理论联系实际能力，为以后从事相关行业的创新性工作奠定基础。目前，有学生团队的进化酶降解环境污染物塑料的项目已发展成为国家级大学生创新创业项目；还有学生团队以漆酶的定向进化为主题，入围国际遗传工程的机器设计（iGEM）大赛。

2.5 课程思政贯穿教学始终

教学团队深度挖掘思政案例，建立课程思政案例库[13]。教师根据课堂内容设计及学情分析，选择合适的思政案例，以达到润物细无声的效果[14]。教师可以科学问题为切入点，通过情感体验和换位思考，实现思政元素的融入和对学生的价值引领。例如，在讲解酶定向进化时，通过不同案例的引入，让学生在体会科学家研究进化酶的思维与方法的同时，对概念加以理解，强化学生记忆。在教学过程中，紧扣“酶定向进化”，展示科学研究和工程应用，即需要进行学科交叉、发散思维突破创新。选取3个具有代表性的案例：“定向进化提高酶的催化效率”（I）、“爱‘吃’塑料的酶”（II）和“绿色化学合成糖尿病药西格列汀”（III）。这3 个案例有相似性，都能体现酶定向进化的过程，却又不同，案例I 侧重于理论机制研究，让学生体会到开展科学研究要“知己知彼”才能“百战不殆”，保持“知其然，知其所然”的“打破沙锅问到底”的精神。案例II 的亮点是酶的定向进化与理性设计结合，引发学生产生“环境保护，青山绿水”的共识，了解我国古代兵法与科学研究（如酶定向进化）的关联性，提升学生的文化素养。案例III 在酶定向进化过程中，通过环境选择的“突变—筛选”的循环累积以达到实际应用的目的，让学生了解科学研究的精益求精、追求卓越，感受我国女科学家追求真理的精神。案例中，对酶的进化“殊途同归”，但不同方法有其独特的优势，让学生在思辨的过程中，深刻体会酶定向进化的内涵，从而拓宽学生的思维，提高学生灵活解决问题的能力。