發布時間：2018-11-09所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：生物化學在農林院校的本科教學中占有重要位置，將這門課程的前沿研究成果融入教學之中，可以使學生直接接觸到學科前沿，目前已經成為了教學改革的一個優化方向。利用教師直接講授和反轉課堂等手段將生物化學前沿研究融入本科教學的理論和實驗課程中，
摘要：生物化學在農林院校的本科教學中占有重要位置，將這門課程的前沿研究成果融入教學之中，可以使學生直接接觸到學科前沿，目前已經成為了教學改革的一個優化方向。利用教師直接講授和反轉課堂等手段將生物化學前沿研究融入本科教學的理論和實驗課程中，可以提高生物化學課程的“含金量”。從學生對理論和實驗課堂的實際反應可以看出，融入后的教學效果提升較為明顯，使學生們提起了自主學習的興趣，從而更加積極地參與到這門課程的學習討論之中。教學方法的優化更新為學生對本學科領域的前沿研究進展提供學習、應用的窗口，也為農業高校生物化學課程的本科教學改革提供新的思路。
關鍵詞：生物化學,本科教學,前沿研究,教學方法
1引言
在生命科學還沒有發展的古代，人們就對生物的多種多樣、絢麗多彩產生了濃厚的興趣。隨著現代生物學的蓬勃發展，生命科學已經演化出了具有眾多分支的龐大知識體系，生物化學就是其中重要的學科之一。在教學工作中，生物化學是一門理論與實踐連接緊密的基礎學科，也是一門新研究、新成果集中體現的前沿學科。它不僅在課程內容中詳細闡述了各生物體的結構組成和代謝規律，通過化學原理探究生命活動變化的規律，為分子生物學、細胞生物學、植物學、動物學等專業課程的教學奠定了重要的理論基礎[1]。
還在實驗教學中為學生提供了將理論知識運用到實際生活當中的平臺，可以更好地培養、提升學生的動手能力和創新思維[2]。生物化學課程的基礎概念較多，物質和能量代謝過程相對復雜，知識體系也較為龐雜，為達到預期的教學效果，往往改善教學方法會成為教研人員優先選擇的課程改革方向。但不可忽視的是，隨著生命科學的飛速發展，生物化學已然是一門從理論基礎到研究內容都在不斷創新的前沿學科[3]。
目前，農業院校本科生物化學課程體系中安排的理論和實驗教學內容普遍存在內容守舊、與新理論知識缺乏銜接的現象。近些年來，許多新方法、新技術的創立與應用在為生命科學的發展提供了源源不斷前進動力的同時，也給本科生物化學的課程教學提出了新的要求與挑戰[4]。隨著生命科學相關學科的進一步的發展，在農業高校本科教學課程中，生物化學顯得愈加重要。那么，如何針對這門課程的研究前沿成果，在理論教學中進行嘗試性融入，并在實驗教學中加以深化，已然成為教研人員應該思考的重要方向[5]。
本文討論了如何將生物化學研究前沿成果融入到本科教學課程中，并在嘗試性融入后針對教學效果進行全面分析。力求在確保學生充分掌握核心基礎知識的同時，能夠了解、觸碰、掌握生命科學相關新理論技術的研究成果，從而提高生物化學課程的“含金量”，提升學生的自主學習興趣，更好地達到本科生物化學理論與實驗課程的教學效果。
2生物化學研究前沿簡介
2.1生物化學研究史
人們普遍認為現代生命科學研究系統的建立始于16世紀。在那時人們就開始對生命現象進行觀察和實驗，建立了以生命為對象的相關生物分支學科，并逐漸形成一個龐大的生命科學體系。19世紀前后，遺傳學的建立推動了生物化學的發展。時至20世紀中葉，圍繞著能量和生物大分子物質代謝的研究，發現了生物以三磷酸循環(TCA循環)為樞紐的有著復雜循環結構的代謝途徑，和以電子傳遞鏈系統及氧化磷酸化為中心的生物能量獲取、利用的基本方式，使生物化學進入了發展的“快車道”，并為下游分子生物學等相關學科的出現及發展提供了重要支撐。
遺傳學的研究預示了生物遺傳物質的存在，而DNA雙螺旋結構的發現和對生物中心法則的探究使人們了解了生命運作的基礎框架與世代更替之間的神秘關聯。從此，以基因組成、基因表達和遺傳調控為核心的生物化學相關研究方法迅速深入到了與生命科學相關的各個研究領域，極大地推動了生命科學的發展。
2.2部分生物化學前沿方向
生物化學與人類生活的許多方面都有著非常密切的關系。其作為一門基礎科學，傳統上一直是農學和醫學的基礎，涉及種植、畜牧、醫療、制藥等多個方面。隨著生物化學理論與方法的不斷發展，它的應用領域也不斷擴大。目前，生物化學的影響已突破上述傳統領域，擴展到食品、化工、環境保護、能源和冶金工業等方方面面。
2.2.1合成生物學概念
合成生物學是在生物化學分支下剛剛出現的新興學科。近些年來物質的生物合成相關研究進展較快。與傳統生物學通過解剖生命體以研究其內在構造的辦法不同，合成生物學的研究方向與其完全相反，它是在生物化學的基礎上從最基本的要素開始一步步建造“零部件”。這與基因工程學科把一個物種的基因改變并轉移至新物種的作法有著本質不同，合成生物學的目的是如何建立人工生物反應系統(ArtificialBiosystem)，讓它們像集成電路板一樣運行。
2009年由Chen等[6]發表在Nature上關于烷型萜烯(Eudesmaneterpenes)合成文章中使用合成生物學的概念。Mendoza等[7]在2012年的研究中也進行過實踐。
2.2.2異相催化概念
異相催化又叫做接觸催化或多相催化，指將催化劑和反應物置于不同的相中，在催化劑界面發生的催化反應[8]。在異相催化中最重要的是使用固體催化劑，反應物為液相或氣相。催化反應在兩相間的界面上發生，例如氨的合成和氧化、烷烴脫氫成烯烴、石油裂化和重整等，均屬于異相催化過程。一般通過直接使用多相催化劑而在反應結束后可以分離底物產物混合物與催化劑本身，或者利用均相催化劑多相化(例如吸附、固載、鍵合于高分子樹脂鏈、水-有機兩相反應等)的方法實現催化劑的無痕回收與循環利用，有效降低工業化生產的成本[9]。這些新研究成果與傳統生物化學課程中所提到的酶催化雖然有相通之處，但也存在較大差別。
2.2.3CRISPR/Cas9技術
大多數的人類遺傳病都是由點突變——DNA序列中單個堿基錯誤所引起。然而，人們普遍認知的基因組編輯方法卻無法高效地糾正細胞內的這些突變，往往還會導致隨機核苷酸的插入或者缺失(indels)一類的副作用。2015年，哈佛大學的研究人員Dong等[10]通過改造CRISPER/Cas9技術解決了這些問題，構建出了一種新型的“堿基編輯器”。
可以在人類或者小鼠細胞中以低出錯率永久且高效地將堿基中的胞嘧啶(C)轉換成尿嘧啶(U)，相關研究成果發表在《Nature》國際頂尖學術期刊上。此系統的工作原理是crRNA(CRISPR-derivedRNA)通過堿基配對與tracrRNA(trans-activatingRNA)結合形成tracrRNA/crRNA復合物，這個復合物可引導核酸酶Cas9蛋白在與crRNA配對的序列靶位點剪切雙鏈DNA。通過人工特異性設計這兩種RNA，可以得到具有引導作用的sgRNA(singleguideRNA)，進而達到引導Cas9對DNA的定點靶向切割的目的[11]。
3融入生物化學理論與實驗教學
3.1融入理論教學
3.1.1教師直接講授
由于生物化學在下游多學科中具有基礎性地位，目前大部分本科院校普遍重視理論課程的教學工作。而教學內容是使學生掌握一門課程的基礎，優質的教學內容有助于學生理解抽象復雜的理論知識，同時也有助于培養學生良好的邏輯思維能力和創新意識[12]。但是傳統一成不變的授課內容較為枯燥，很難激發起學生的學習興趣，學生在學習過程中容易出現懈怠情緒。
近些年來，生物化學相關研究發展日新月異，新知識、新技術、新成果集中體現，層出不窮。如果只局限于原有的教學內容，很難獲得期望的教學效果，也很難接近國際知名大學的教育水平[13]。因此，在理論教學中，我們嘗試將生物化學前沿研究內容融入理論教學之中。在以往的研究中，筆者從事的課題研究內容是“小麥真菌性病害相關基因的挖掘研究”。
課題組應用VIGS技術成功地對小麥抗病相關基因進行了病毒介導的基因沉默，探索了小麥抗病的分子調控機制。因此，在理論教學中，向學生講解介紹植物基因組學、特定核酸分子探針設計、病毒介導基因沉默過程等相關知識。小麥基因組不同于相關研究中的模式植物擬南芥，它是一種6倍體經濟作物。
首先利用RNA-Seq或GWAS等相關生物信息學技術初步篩選小麥抗病響應基因是思考的第一步，然后針對特定的靶標基因進行核酸分子探針設計，再進行后續VIGS病毒介導基因沉默及驗證等工作[14]。在核酸這一章節的教學內容中，可較為準確地進行融入。另外，在講授RNA的功能時，可介紹RNAi的相關新知識，讓學生了解并掌握RNAi這種新技術在近幾年是如何發展起來的，且是如何干擾目的基因表達的，這也是在傳統理論功能之外發現的RNA所具有的一種新功能[15]。在進行蛋白質合成這一章節教學時，介紹講解以基因組學為前提的蛋白質組學的新研究。
基因組是指生命體、病毒或細胞器之中包含的全部遺傳物質。而在真核生物中，基因組是指一套完整的染色體DNA�；蚪M學相關內容主要目的是應用DNA制圖、高通量測序及計算機大數據識別分析等新技術手段，解析生命體中全部基因組的結構和功能特點[16]。蛋白質組學則是研究蛋白質在時間和空間中的表達情況，也是近幾年生物化學相關研究前沿[17]。在蛋白質從頭合成相關教學章節中講授研究熱點，可以顯著激發學生們對生物化學這門學科，甚至生命科學相關科學研究的興趣和熱情。
3.1.2利用學生翻轉課堂
近些年來，“翻轉課堂”已經成為國外日漸流行的創新式教學方法，翻轉課堂的概念于2012年進入我國，目前已經在醫學、微生物學及免疫學等課程教學中廣泛開展[18]。在翻轉課堂教學過程中，教師的角色由主講人轉變成為了課堂的引導者和聆聽者，能夠和學生們共同參與到學習中。這為學生提供更多思考和交流空間的同時，也拉近了教師與學生之間的距離。
教師從知識海洋中的一名舵手，轉變成為了真正的燈塔，而這艘知識的大船，則由學生自己親手開動，掌握方向。教師在學生迷茫時給予及時的指導和幫助，培養學生自主學習、獨立思維的能力，從而全面提高學生的綜合素質，讓學生成為提問者和主導者[19]。筆者設計的翻轉課堂分為課前和課堂兩個循序漸進的階段。
例如在核酸和蛋白質相關章節中的課前準備階段，學生查找資料并搜尋相關CRISPR/Cas9技術最新前沿研究成果，結合課程理論相關知識進行闡述解析。CRISPR/Cas9基因組編輯方法一直依賴于被稱作同源介導修復(Homology-directedrepair,HDR)的細胞基質，而DNA雙鏈斷裂可以出發HDR。相關研究人員提供給細胞一個包含所需序列的模板，用Cas9酶蛋白造成靶向雙鏈斷裂，隨后等待著HDR是否能夠整合進這一模板重新連接DNA鏈。
但是這種方法效率比較低，且往往會以隨機核苷酸插入或者缺失形式在斷裂點周圍導入一些新的錯配，使之無法適用于治療糾正點突變�；谶@樣的結果，研究人員將Cas9的一部分失活，使之無法造成雙鍵的斷裂。隨后將Cas9與胞苷脫氨酶連接到一起，無需切割DNA胞苷脫氨酶就能夠直接催化堿基C轉換成為U。而將這種自動化的系統放入到細胞內則可以在靶位點處造成堿基對錯配，使靶DNA上出現新導入的堿基U，而反義鏈上仍為原始的堿基G。
而這樣會觸發細胞自身的錯配修復機制，從而靶向修復人們不想要的DNA鏈[20]。通過這次翻轉課堂，學生們更好地掌握了生物化學教學課程中的核心重點內容“中心法則”，并使自己的邏輯思維進一步延伸，觸及到了學科前沿熱點研究，可將核酸與蛋白質相關章節內容掌握得更加牢固。
3.2融入實驗課堂
生物化學是以實驗為基礎的學科，實驗課程是對理論教學的復習和強化。需要教師及時把握學科熱點研究前沿，對實驗教學內容進行不斷更新。只有這樣，才能使學生了解現代生物化學學科發展的方向，并增強學生對生物化學實驗課程的興趣和關注度，有助于提高學生的主動學習欲望和動手操作能力。生物催化是生物化學學科的重點內容，然而在實驗教學中關于催化方面的內容多以酶蛋白作為主要實驗材料，異相催化的實驗內容涉及較少。
我們在實驗教學過程中設計實施了以異相催化為主的生物化學實驗，在與傳統酶蛋白催化實驗的對比中，讓學生了解到生物化學學科發展研究的前沿。例如“雙氧水的異相催化分解”實驗。利用土壤和地表水體中廣泛存在的氧化鐵作為催化劑，在接近中性的環境下催化分解H2O2，使其分解產生的羥基自由基并帶有強氧化性，這可以使很多有機污染物發生降解轉化，具有非常高的理論研究價值[21]。這種反應系統常在環境化學等領域用來處理有機污染的廢水。
將H2O2的異相催化分解實驗引入生物化學實驗中有以下幾個優點。第一，催化劑的合成方法簡單，催化分解H2O2反應實驗無需使用昂貴的儀器設備，并且表征還可以根據實際情況進行相應調整。如果實驗條件不允許，即使不做任何表征也不會影響后續實驗的進行和實驗數據結果的處理。第二，實驗得到的信息較為豐富。不僅測得了反應速率常數和活化能等基本動力學參數，還可以從催化機理與具體實驗操作步驟方面等與傳統生物化學酶蛋白催化實驗做對比。
最后，這種反應體系與實際應用聯系非常緊密。通過這樣的實驗不僅能讓學生初步了解生物化學前沿熱點研究內容，掌握異相催化的基本知識，而且其靈活的實驗條件設置還有利于發揮學生學習的主動性和積極性，培養學生的綜合實踐能力，特別是創新意識與創新能力。除此之外，安排學生參與進入準備實驗和預實驗階段，提高學生的參與感和獲得感，加深學生對理論知識的理解，使實驗動手操作能力進一步提升，可以使實驗的教學效果得到明顯提升。
4融入后的教學效果
4.1理論課程教學中學生興趣高漲
生物化學課程內容覆蓋全面、知識點繁雜。需要記憶的內容較多，很多學生對這門課程興趣不高。在理論教學課程中，我們根據重點章節的特點，將相關前沿研究成果融入有趣的科研故事進行講授，并在課堂上利用啟發及互動等方法與同學們進行交流，更好地激發了學生的學習興趣。由于生物化學基礎知識和人們的日常生活密切相關，且一些前沿研究成果可以延伸到實際應用方面。所以在理論教學過程中，充分結合了實際應用問題的前沿熱點研究對學生們來說具有極大的吸引力。
在課前預先提出與所講內容相關的科學問題，讓學生帶著問題有針對性地聽課、思考，學生們主動地參與到教學中來，既豐富了學生們對生物化學這門課程學習的興趣點，又增強了學習的主動性，取得了更好的教學效果。例如，一些同學在課程學習總結中寫道：“這學期的生物化學是我們最喜歡上的課程之一，因為老師經常讓大家討論一些目前的前沿研究熱點問題，這些問題與教科書的理論知識也是環環相扣的。
老師讓我們首先進行小組討論，把自己的見解與看法說出來，得出我們小組最終的討論意見。然后，老師又給我們一個展示自己的機會，在課堂上讓同學們將討論結果進行匯報，全班同學都會積極響應，對于其他小組提出的而自己不太明白的問題進行請教、質疑，大家群策群力，共同面對、思考、解決這些問題。在這個過程中，學生們真正的參與其中，得到了學習的快樂。而每一次前沿研究成果地討論，都給我留下了極其深刻的印象，讓我真正感受到了思考、質疑、交換、解答的學習魅力，讓我和同學們在思想交流中找到了許多靈感，碰撞出了很多火花。”
4.2實驗課程教學中學生積極主動
“學起于思，思源于疑”。在實驗課教學過程中加入前沿研究內容，著重培養學生們的思考能力。同時，在課堂中多進行啟發式提問，調動學生的積極性。一項學科前沿研究成果的背后，都有怎樣的成功元素作為支撐?又如何使學生們在掌握相關專業知識的同時，培養他們的科技創新意識和科學精神，這是實驗教學過程中必須解決的一個重要問題[4]。
科學研究中的重大發現或重要實驗進展，不僅給學生講授最終的結果和意義，還要重點使學生們了解一個新現象、一種新理論或者創新實驗的發現過程。在過程中強調關鍵問題，新穎的實驗構思和巧妙的實驗設計，使學生們不僅“知其然”，更重要的是“知其所以然”[22]。例如，CRISPR/Cas9全新基因編輯系統的原理是：cr-RNA(CRISPR-derivedRNA)通過堿基配對與tracrRNA(trans-activatingRNA)相結合，從而形成tracrRNA/cr-RNA復合物，此復合物可引導核酸酶Cas9蛋白在與cr-RNA配對的序列靶位點對雙鏈DNA進行剪切。那么，通過人工設計這兩種RNA，可以定向改造形成具有引導作用的sgRNA(singleguideRNA)，用來引導Cas9對DNA的精準切割。
因此，Cas9能在任何dsDNA序列處帶來任何融合蛋白及RNA，這為生物化學的相關研究帶來了巨大改變。而在生物化學的實驗課程中，我們將醋酸纖維膜電泳分離核苷酸、花菜中的DNA分離提取及定量測定及酶的特性等常規生物化學實驗進行講授的同時，引入CRISPR/Cas9基因編輯的概念，使同學們將理論知識與前沿研究熱點聯合起來，在實驗思路及原理方面，掌握了前沿熱點研究內容，得到了全新的思路啟發。在幾個實驗結束后，同學們設想以后的研究生活中，如何去操作CRISPR/Cas9基因編輯系統，來為自己感興趣的生命科學領域做些自己的貢獻。開心、活躍、鉆研、好學的學術氛圍，貫穿整個學期的實驗課程。
5結語
通過在生物化學理論授課和實驗教學中引入前沿研究內容，教學質量得到了明顯提升，不僅使學生掌握了基礎知識、開拓了科學視野，還系統地提升了學生的思維能力，培養了學生將實踐動手和前沿創新相結合的能力，提高了學生的積極性，增強了學習的主動性。綜上所述,談及教學改革的種種嘗試，教學理念的創新是關鍵，教學方法的改革是根本，與學生們的心靈溝通是保障。在將生物化學學科前沿研究成果融入理論和實驗教學時，教師們應當不斷地探索、思考、總結和研究，摸索出一套適應本學科特點的教學方法，“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。
綜上所述，根據生物化學教材特點和教學內容的需要，適當地將學科前沿研究成果融入理論和實驗教學，并加以解析，既有利于將教學重點難點系統化、簡明化，培養學生的邏輯思維能力;同時，也有利于學生對相關知識的記憶和思考，從而達到良好的教學效果[23]。
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