人工智能背景下代谢生物化学知识树问题链构建

2024-12-03张静王雅梅孔璐

医学教育研究与实践 2024年6期

摘要：通过设计层层递进的问题链构建代谢生物化学知识树，以提高学生的自主学习能力和批判性思维能力。以“蛋白质的消化吸收与氨基酸代谢”章节为例，教师通过设置基础、进阶、应用和综合层次的问题，引导学生从基础知识到综合应用逐步构建系统的知识结构。结合生成式人工智能技术，帮助学生在自主探索中保持学习兴趣和注意力。这种方法的应用不仅增强了课堂互动性和有效性，也为医学教育的发展提供新思路。

关键词：问题链；代谢生物化学；知识树；自主学习；批判性思维；人工智能

DOI：10.13555/j.cnki.c.m.e.2024.06.013

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-3181（2024）06-0751-06

基金项目：北京市高等教育学会2023年课题面上项目（MS2023291）

Constructing a Knowledge Tree of Metabolic Biochemistry Based on a Chain of Questions in the Era of Artificial Intelligence

ZHANG Jing，WANG Yamei，KONG Lu

Department of Biochemistry and Molecular Biology， Capital Medical University， Beijing 100069， China

Abstract： This paper proposes an innovative teaching method that constructs a knowledge tree of metabolic biochemistry by designing a progressive chain of questions to enhance students’ self-directed learning ability and critical thinking skills. Taking the chapter “Digestion and Absorption of Proteins and Amino Acid Metabolism” as an example， teachers set up questions at foundational， intermediate， application， and comprehensive levels to guide students from basic knowledge to comprehensive application， gradually building a systematic knowledge structure. By incorporating generative AI technology， this method helps students maintain interest in learning and attention in their independent exploration. This approach can not only enhance classroom interactivity and effectiveness but also provide new perspectives for the development of medical education.

Keywords： Chain of questions； Metabolic biochemistry； Knowledge tree； Self-directed learning； Critical thinking； Artificial intelligence

近年来，中国教育部深入推进新医科建设，致力于推动医学教育的创新发展。重点在于医德为先、课程为本、临床为重、创新为源、质量为根，以培养具有创新能力的医学人才[1]。在这一背景下，学生自学能力和批判性思维能力的培养成为医学教育的核心目标。医学知识体系庞大且更新迅速，要求医学生必须具备自主学习和终身学习的能力，以应对不断变化的医学发展。同时，批判性思维能力作为医学人才的核心素质之一，能够帮助学生在复杂多变的医疗环境中做出科学、合理的判断。党的二十大报告明确提出，推进健康中国建设，将保障人民健康作为优先发展的战略[2]。这一政策方针强调了批判性思维在医学教育和实践中的关键作用，要求培养学生的批判性思维能力，以适应未来医学领域的挑战和需求。

基于以上因素，中国医学院校纷纷进行课程改革，注重培养学生的自学能力和批判性思维能力。首都医科大学等众多医学院校引入基于案例的学习（Case-based Learning，CBL）[3-5]和基于团队的学习（Team-based Learning，TBL）[6-8]等教学方法，通过实际案例和团队合作，增强学生的批判性思维和自主学习能力；利用现代信息技术手段，例如建立电子图书馆、在线课程平台和虚拟实验室等，提供丰富的学习资源和平台，促进学生自主学习[9-10]；提供实验室和科研平台，鼓励医学生参与科研项目，通过科学研究培养学生的批判性思维能力和创新能力[11-12]。虽然这些改革措施取得了一定的成效，但在实施过程中仍面临一些问题和挑战，比如受众有限、学生参与积极性不高、资源利用不足，以及科研机会有限等。

在医学教育中，课堂教学的重要性不言而喻。课堂教学不仅是传授知识，更是培养学生自学能力和批判性思维能力的关键环节。问题驱动法在医学教育中具有显著的优势[13-14]。通过精心设计的问题，教师可以抓住学生的注意力和兴趣，帮助他们更清楚地理解并掌握所学内容。课堂教学中，通过一个个问题促使学生自主思考，将知识串联起来，并应用所学知识进行批判性思考，有效提高学生的自学能力和批判性思维能力。

1 进行代谢生物化学问题驱动法教学的必要性

生物化学是医学的核心学科，在理解生命过程、疾病机制和开发治疗方法中具有重要地位。而包括糖、脂、蛋白质、核酸几大物质代谢及代谢整合调控的篇章普遍被认为是医学课程中非常难以理解和掌握的部分。首都医科大学2022级临床及相关专业500多名学生的调查问卷显示，教师在教学过程中引入临床案例及与日常生活等相关的话题能提高学生的兴趣及知识应用的能力，但由于代谢篇章知识体系繁杂且联系紧密，通过有限课时的学习，学生难以有效构建代谢网络。此外，研究显示学生的课堂注意力通常能维持15 ～ 20 min[15]，而一堂课的时间通常为一个半小时甚至更久。如何提高和维持学生的注意力，引导学生树立正确的学习态度，培养学生的自主学习能力和批判性思维能力，是一个值得深入研究的课题。

代谢生物化学教学，通过设计基础、进阶、应用和综合层次的问题，不仅可以激发学生的兴趣，还可以帮助他们更清楚地理解和掌握复杂的生化过程。作者旨在构建一个系统的问题库，并以“蛋白质的消化吸收与氨基酸代谢”一章为例，探讨如何在教学过程中通过持续问问题——问题链，吸引学生的注意力，帮助学生构建代谢篇章的知识树，引导他们自主学习并批判地思考问题。

2 问题库的构建

构建一个全面的问题库，应包括多种类型的问题，以便全面覆盖代谢生物化学的各个方面，并培养学生的兴趣、自主学习能力和批判性思维能力。

2.1 基础知识类问题

基础知识类问题是构建问题库的核心部分，通过具体描述这些问题，帮助学生牢固掌握代谢生物化学的基本概念、过程和机制。①定义和概念：什么是代谢？代谢包括哪些类型？ATP的结构和功能是什么？合成和分解代谢的区别是什么？②过程描述：糖酵解的步骤是什么？各步骤中的关键酶是什么？脂肪酸的β-氧化过程是什么？其主要产物是什么？③机制和功能：细胞如何利用NADPH在抗氧化反应和生物合成中发挥作用？胆固醇在体内的功能是什么？

通过回答基础知识类问题，学生对代谢生物化学的基本概念和机制有更深入的理解，从而激发他们对该学科产生浓厚兴趣。掌握基础知识可以让学生在后续学习中更加自信，逐步建立学习成就感。其次，学生需要查阅教材、参考资料或通过与生成式人工智能工具的对话回答这些基础知识类问题，有助于培养他们独立学习的能力。此外，基础知识类问题需要学生整合不同的知识点，培养他们的综合分析能力，为解决更复杂的问题打下基础。

2.2 理解与应用类问题

理解与应用类问题通过将基础知识与实际情况相结合，帮助学生更好地理解代谢生物化学的应用知识。①应用场景：当体内血糖水平过低时，糖异生会发生什么变化？在剧烈运动时，肌肉中的糖原如何被利用？②临床相关：糖尿病患者的代谢特征是什么？高胆固醇血症与心血管疾病之间的关系是什么？③病例分析：某患者表现出极度疲劳和低血糖症状，可能的代谢原因是什么？解释某患者的血液检测结果显示高乳酸水平的可能原因。

此类问题将基础知识与实际应用场景或临床案例相结合，使学生能够看到学习内容的实际意义和应用价值，激发他们的学习兴趣。理解与应用类问题往往涉及多个方面，学生需要查阅相关文献、教材、临床资料或人机互动，从不同角度进行分析和综合，有助于培养他们查找和整合信息的能力、主动学习的习惯和能力以及批判性思维能力。

2.3 批判性思维类问题

批判性思维类问题旨在培养学生的逻辑推理、综合分析和评估能力。①比较与对比：比较糖酵解和糖异生的过程和调控。比较脂肪酸合成与分解的异同点。②假设和推理：假设一种新发现的激素会影响糖原代谢，预测其可能的作用机制。如果某种关键酶的基因发生了突变，会对代谢过程产生什么影响？③争论与辩论：讨论高脂肪饮食对脂质代谢和整体健康的影响。评估使用药物干预代谢途径治疗代谢性疾病的利与弊。

为了激发学生的求知欲和探索精神，批判性思维类问题的设计往往具有挑战性，使他们在解决问题的过程中感受到成就感和乐趣。学生需要运用逻辑推理和分析技能，深入理解和比较不同的代谢过程和调控机制。学生需要综合评估不同因素的影响，提出合理的假设和预测，并进行辩论和评估，培养他们的批判性思维能力和决策能力。

2.4 综合与整合类问题

这类问题旨在帮助学生将不同知识点联系起来，全面理解代谢生物化学的复杂网络。①代谢途径整合：描述在饥饿状态下，身体如何整合不同代谢途径以维持血糖水平。解释在剧烈运动中，糖代谢和脂质代谢如何协同工作。②系统思维：讨论代谢网络中的关键节点和它们的调控机制。分析代谢疾病如何影响整个代谢网络。③实验设计与数据分析：设计一个实验来研究某种代谢途径中的关键酶活性。分析实验数据，确定某种代谢异常的可能原因。

通过综合和整合类问题，学生可以看到代谢过程的全局图景，理解各个代谢途径如何相互关联和协同工作，这种全局视角可以激发他们的学习兴趣。综合与整合类问题通常涉及复杂的代谢网络和调控机制，学生需要运用批判性思维进行分析和解决问题，因此要培养他们解决复杂问题的能力。学生需要进行逻辑推理，提出假设，并通过实验设计和数据分析来验证假设，因此要培养他们科学思维和批判性思考的能力。

2.5 开放性问题

开放性问题旨在激发学生的创新思维、探索精神和综合应用能力。通过回答这些问题，学生能够运用所学知识进行深入思考和大胆假设。①探索与创新：预测未来在代谢生物化学研究中的可能突破点。讨论基于代谢途径的个性化医疗的前景和挑战。②实验设计与新方法：设计一个实验来验证一种新发现的代谢调控因子在细胞中的作用。提出一种新方法来检测体内代谢产物的动态变化。③理论探讨与未来展望：探讨代谢与衰老之间的关系，以及如何通过调控代谢延缓衰老。分析如何利用代谢工程改造微生物生产重要的医药和工业产品。

开放性问题通常涉及当前科学前沿和未解之谜，激发学生对未知领域的好奇心和探索欲望，使他们乐于深入思考和研究。这些问题往往涉及多学科知识，如生物学、化学、医学和工程学，学生在解决问题的过程中能感受到学科交叉的魅力，激发对综合知识的兴趣。开放性问题引导学生不断关注科学前沿和技术进展，培养他们的终身学习意识和能力。开放性问题没有标准答案，学生需要辩证地思考问题，从多个角度分析和评估不同观点，培养他们的科学辩证思维能力。

3 基于问题链构建代谢生物化学知识树的教学设计

首都医科大学面向临床及相关专业大二学生开设的生物化学课程以人民卫生出版社九版《生物化学与分子生物学》为教材，代谢篇章涵盖糖代谢、脂代谢、生物氧化、氨基酸代谢、核苷酸代谢、代谢的整合与调节6章共28学时，占总学时的44. 4%，是公认的最难学的部分。笔者以“蛋白质的消化吸收与氨基酸代谢”这一章为例，基于问题链并结合生成式人工智能引导学生积极探索并应用相关医学知识，从而促进他们具备终身学习的能力和批判性应用先进技术手段的能力。

以问号导入：蛋白质（Proteins）来源于希腊词“πρωτε～？ο？”（proteios），意为“首位的”或“最重要的”。问题1：为什么蛋白质是“最重要的”？这跟它们的生理功能密切相关。问题2：（回忆）蛋白质有哪些生理功能？蛋白质及其代谢与营养、保健、疾病等息息相关。问题3：（关于蛋白质与营养）每天应该摄入多少蛋白质？优质蛋白、劣质蛋白，动物蛋白、植物蛋白在质量上有哪些差异？蛋白质摄入量过少、过多会有哪些危害？问题4：（关于蛋白质与保健）想练肌肉一定要补充蛋白质吗？蛋白粉和氨基酸补充品你选择哪一种？吃胶原蛋白就一定可以补充胶原蛋白吗？问题5：（关于蛋白质与疾病）氨基酸代谢异常会引起很多疾病，常见的氨基酸代谢病包括胱氨酸尿症、高血氨症、高同型半胱氨酸血症、苯丙酮尿症、黑酸尿症、白化病等，你知道这些疾病的发病机制吗？带着这些问题，开始本章的学习，一起探索蛋白质及其代谢在营养、保健和疾病中的重要角色。

毋庸置疑，体内蛋白质的重要来源是食物，引入第一节“蛋白质的营养价值与消化、吸收”。问题6：如何分析体内蛋白质的代谢状况，以帮助识别潜在的代谢异常和健康问题？引导学生回忆蛋白质的重要参数——氮含量，引出氮平衡这一概念。问题7：了解体内蛋白质的代谢状况是否还有其他方法和指标？引导学生课后利用生成式人工智能寻找答案并讨论。问题8：氮平衡的三种情况分别对应哪一种人群？通过“连连看”的小游戏可以更好地理解和记忆不同氮平衡状态与对应的人群，帮助巩固相关知识。问题9：运动员需要摄入足够的优质蛋白来保持氮总平衡，什么是优质蛋白？通过该问题引出必需氨基酸这一重要概念。问题10：摄入的蛋白质进入人体后如何进行消化、吸收？结合学过的解剖学知识回忆胃中不同类型细胞的生理功能，为什么胃会分泌胃酸？为什么小肠中的pH在7左右？（回忆）酶原如何被激活，进而将蛋白质分解成小肽和氨基酸？带领学生化身蛋白质分子开启神秘的人体之旅。问题11：蛋白质经过胃和小肠的消化分解成二肽、三肽和氨基酸后通过转运蛋白被肠黏膜细胞吸收，引导学生通过图片观察消化产物以何种形式进入血液？如果某种转运蛋白缺陷是否会引起相关疾病？引出胱氨酸尿症的案例，并引导学生通过Osmosis等智能互联网资源深入学习。问题12：关于氨基酸的转运还存在γ-谷氨酰循环，引导学生通过图片观察γ-谷氨酰循环其实也是利用了转运蛋白，那么γ-谷氨酰循环有何存在的必要性？学生通过课后查阅相关资料寻找该问题的答案。这一小节虽然不是本章的重点，但通过本节的学习，学生能科学地判断蛋白质与营养相关的问题，如导入中提出的系列问题：吃蛋白粉还是蛋白肽？人类食用受朊蛋白感染的牛肉或牛产品会感染该病吗？被吸收的氨基酸通过门静脉入肝，进入肝脏后发生了哪些事件？由此进入第二节“氨基酸的一般代谢”。肝脏作为关键的代谢中心，负责处理和分配这些氨基酸。问题13：氨基酸首先会被用来干什么？学生结合已有的代谢知识得出“合成蛋白质”的结论。问题14：氨基酸除了来源于食物蛋白质的消化吸收，在体内用于蛋白质的合成，还有哪些来源与去路？进而引出氨基酸代谢库的重要知识点。问题15：（回忆）与糖原、脂肪的储备相比，氨基酸代谢库有何不同？通过回答该问题可以理解为什么需要每日摄入足够的蛋白质以满足身体需求？短期内缺乏碳水化合物和脂肪是否会对身体造成严重影响？通过对比可以将糖、脂、氨基酸代谢联系到一起，搭建网状而不是线状的知识树。问题16：氨基酸的来源除了食物蛋白、组织蛋白，还有体内合成的非必需氨基酸，这与第一节重点介绍的必需氨基酸又联系在了一起。问题17：氨基酸在肝脏和其他组织中的去路可以分为哪两种途径？除了合成蛋白质和其他的含氮化合物（与第4节联系在一起），还会分解成什么物质？学生结合氨基酸的结构可推断出氨、α-酮酸或胺、CO2，引出脱氨基的内容，同时强调氨基酸在哪些情况下才会氧化分解，帮助学生建立代谢的整体观。问题18：对于最常见的两种转氨酶，为什么它们能成为肝功的重要标志物？哪一种更为特异？体检时发现ALT水平升高是否一定意味着肝损伤？肝功检查还有哪些其他项目？通过系列问题引导学生应用所学知识并批判地思考问题。问题19：转氨并非真正的脱氨基，而谷氨酸脱氢酶可以催化谷氨酸脱掉氨基。谷氨酸脱氢酶（GDH）活性过高时，会导致过多的氨生成，超过肝脏处理能力，导致高血氨。那么检测到高血氨时，是否可以从GDH的检测入手？除了GDH检测，还应考虑进行哪些相关检测以排除其他高血氨的原因？除了肝脏疾病，GDH还有哪些其他的临床应用？教导学生利用生成式人工智能、Osmosis、Scopus AI等进行有效信息获取，并通过信息共享与讨论，学会分析和评估不同来源和观点的信息的可信度和价值。问题20：结合已讲的转氨作用和谷氨酸脱氢酶，引导学生大胆猜测多数氨基酸的脱氨方式是什么？对于骨骼肌、心肌，为何通过嘌呤核苷酸循环进行脱氨，由此将氨基酸代谢与核苷酸代谢联系在一起。问题21：氨基酸的一般代谢除了脱掉氨，还产生了α-酮酸，它会何去何从？通过小实验引出生糖、生酮、生糖兼生酮氨基酸的概念，运用口诀帮助学生记忆。由此，糖、脂、氨基酸代谢知识联系就形成了“网络”。

脱下的氨又去了哪里？第三节“氨的代谢”由系列问题导入，问题22：氨在人体内具有毒性，为什么？为什么大脑对氨尤为敏感？体内如何保持氨的平衡？氨的来源与去路是本章的重点，结合氨的三个重要来源，引导学生分析。问题23：为什么临床上对高血氨病人采用弱酸性透析液做结肠透析？临床上对因肝硬化产生腹水的病人，为什么使用酸性利尿药？在代谢性酸中毒的情况下，为什么肾脏会增强谷氨酰胺的代谢？问题24：氨的主要去路是在肝脏中合成尿素，在肝脏以外的组织产生的氨又是如何安全地运输到肝脏进一步代谢？引出丙氨酸-葡萄糖循环的重要知识点，并与糖异生、糖酵解等糖代谢途径相联系。此外，为什么临床上对氨中毒的病人服用或输入谷氨酸盐，以降低氨的浓度？天冬酰胺酶治疗白血病的机理是什么？问题25：氨除了被运送至肝脏合成尿素，还有没有其他的去路？在此总结氨的“三来四去”，引导学生选用合适的口诀理解记忆。问题26：Krebs和Henseleit如何设计实验进而提出尿素循环学说？经过90年的发展，实验技术已大大进步，你认为哪些现代技术可以替代和改进Krebs等的实验方法？鼓励学生在科学研究中大胆假设、小心求证，提高科研素养和实践能力。问题27：该循环是否与其他代谢途径关联？引导学生发现代谢网络中的重要联系。问题28：肝脏发生病变或尿素合成相关酶缺陷会导致高血氨症。除此之外，高血氨症其他的诱因还有哪些？学生可结合前面讲的血氨“三来四去”作出推断。问题29：高血氨症发展到一定程度后会引起氨中毒，氨中毒可能的机制有哪些？结合临床案例，学生可对氨中毒、肝性脑病有更深入的理解。至此，该小节导入部分的系列问题（问题22）可得到解答。

氨基酸的分解代谢除了上述途径之外，个别的氨基酸由于其特殊的结构及相应的酶，还存在其他代谢途径，这也是最后一小节的内容。这部分内容与日常生活和疾病密切相关，更容易抓住学生的注意力，但内容相对分散，因此更需要帮助学生构建知识树网络。问题30：回忆氨基酸的分类，引导学生归纳出哪些氨基酸可能存在特殊代谢。问题31：为什么被蚊子叮咬后会红肿、痒？这与组氨酸脱羧产生的组胺有关。是否还有其他氨基酸能脱羧？谷氨酸脱羧产生γ-氨基丁酸，二者都是神经递质但作用相反，引导学生想象若天平失衡会出现什么情况？色氨酸脱羧产生血清素和褪黑素，血清素在抑郁症的治疗中起到重要作用（除了血清素，还有哪些神经递质可能与抑郁症有关？血清素假说有哪些局限性？当前有哪些新的研究方向？）；褪黑素则是维持昼夜节律的关键（褪黑素如何调节睡眠和昼夜节律？褪黑素保健品的安全性如何？褪黑素水平与哪些生活习惯有关？如何通过改变这些习惯来改善睡眠？褪黑素在临床上主要用于治疗哪些疾病？）。这些层层递进的问题从基本合成途径到不同应用，再到新研究方向，这不仅能抓住学生的注意力，还能激发他们的自主学习和批判性思维能力。问题32：组氨酸和色氨酸除了脱羧外还能产生一碳单位，其他能产生一碳单位的氨基酸有哪些？通过口诀“施舍竹竿”帮助记忆。一碳单位把氨基酸代谢和核酸代谢联系起来。问题33：生成甲基四氢叶酸是一个单向反应，如果甲基THF的利用受阻，会对生物体产生多方面的影响。体内唯一利用甲基四氢叶酸的反应是同型半胱氨酸生成甲硫氨酸的反应，引出甲硫氨酸循环的重要知识点。催化甲基转移反应的酶—甲硫氨酸合成酶及其辅酶维生素B12，一旦缺陷或缺乏会引起什么病症？引出巨幼细胞贫血和高同型半胱氨酸血症，与临床案例结合。问题34：除了甲硫氨酸循环，甲硫氨酸、甘氨酸（回忆：一碳单位的生成）和精氨酸（回忆：鸟氨酸循环）还参与肌酸（回忆：生物氧化）的生成。与之相关的肌酸激酶和肌酐在临床上的应用有哪些？问题35：回忆具有特殊结构的一类氨基酸——芳香族氨基酸，回忆为什么苯丙氨酸属于必需氨基酸而酪氨酸不是？苯丙氨酸是否都先转变为酪氨酸再进一步代谢？引出苯丙酮尿症这一病例。问题36：酪氨酸代谢与帕金森病、白化病、尿黑酸尿症等代谢病密切相关，通过真实图片帮助学生更直观地理解酪氨酸代谢与疾病之间的关系，深入了解罕见病患者的挑战和需求，从而增强他们的医学人文素养和社会责任感。

最后，引导学生列举一系列相关问题，通过回答问题将本章所有内容交织成网状，并注意前（前因）后（后果）、上（理论）下（实践）、左（已学）右（将要学）的联系。

以问号导入，再以问号结束，一个个紧密衔接的问题将整章内容连成“网络”。通过及时回顾、关联不同的代谢途径、联系理论知识与日常生活及临床应用、批判式利用生成式人工智能分析探讨开放性问题，学生在回答问题的过程中，不仅能够掌握基础知识、构建网状的知识树，还能培养其综合分析和批判性思维能力，增强医学人文素养。

4 基于问题链构建代谢生物化学知识树的教学效果反馈

选取首都医科大学2022级五年制临床医学专业两个班级共86名学生，实验组和对照组各43人。在实验组中实施基于问题链构建知识树的教学方法，对照组继续使用传统讲授式教学方法。在实验前后对两个班级的学生进行测试，评估他们的自主学习能力和批判性思维能力。同时，通过问卷调查了解学生对新教学方法的接受度和满意度。前测与后测结果显示，实验组学生在自主学习能力和批判性思维能力测试中的后测平均分（85. 3±5. 1）显著高于前测平均分（68. 5±6. 2），且提升幅度大于对照组（前测平均分为69. 1±6. 0，后测平均分为75. 6±5. 8）。研究结果表明，基于问题链构建知识树的教学方法在提高学生的自主学习能力和批判性思维能力方面效果显著，实验组学生在测试中的表现明显优于对照组。问卷调查结果显示，实验组学生普遍认为新教学方法有助于理解课程内容，并接受继续使用该教学方法，表明该方法在实际教学中的应用前景良好。

5 结语

基于问题链构建知识树是一种有效的教学方法，特别是在知识庞杂学科（如生物化学）的教学中。师生通过不断提问和回答，学生能够逐步深入理解相关概念，形成系统的知识结构。这种方法不仅能帮助学生更好地掌握知识，还能提高他们的学习兴趣和注意力，从而在课堂上保持更长时间的专注。同时，利用人工智能工具辅助教学，可以使这种方法更加高效和互动，为学生提供个性化的学习体验。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明张静：提出论文构思及撰写论文；孔璐、王雅梅：总体把关，审订论文。

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