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将生物化学前沿研究融入教学课程的相关探讨

发布时间:2018-11-09 15:45所属分类:教育论文浏览:1

摘要:生物化学在农林院校的本科教学中占有重要位置,将这门课程的前沿研究成果融入教学之中,可以使学生直接接触到学科前沿,目前已经成为了教学改革的一个优化方向。利用教师直接讲授和反转课堂等手段将生物化学前沿研究融入本科教学的理论和实验课程中,

  摘要:生物化学在农林院校的本科教学中占有重要位置,将这门课程的前沿研究成果融入教学之中,可以使学生直接接触到学科前沿,目前已经成为了教学改革的一个优化方向。利用教师直接讲授和反转课堂等手段将生物化学前沿研究融入本科教学的理论和实验课程中,可以提高生物化学课程的“含金量”。从学生对理论和实验课堂的实际反应可以看出,融入后的教学效果提升较为明显,使学生们提起了自主学习的兴趣,从而更加积极地参与到这门课程的学习讨论之中。教学方法的优化更新为学生对本学科领域的前沿研究进展提供学习、应用的窗口,也为农业高校生物化学课程的本科教学改革提供新的思路。

  关键词:生物化学,本科教学,前沿研究,教学方法

生物化学

  1引言

  在生命科学还没有发展的古代,人们就对生物的多种多样、绚丽多彩产生了浓厚的兴趣。随着现代生物学的蓬勃发展,生命科学已经演化出了具有众多分支的庞大知识体系,生物化学就是其中重要的学科之一。在教学工作中,生物化学是一门理论与实践连接紧密的基础学科,也是一门新研究、新成果集中体现的前沿学科。它不仅在课程内容中详细阐述了各生物体的结构组成和代谢规律,通过化学原理探究生命活动变化的规律,为分子生物学、细胞生物学、植物学、动物学等专业课程的教学奠定了重要的理论基础[1]。

  还在实验教学中为学生提供了将理论知识运用到实际生活当中的平台,可以更好地培养、提升学生的动手能力和创新思维[2]。生物化学课程的基础概念较多,物质和能量代谢过程相对复杂,知识体系也较为庞杂,为达到预期的教学效果,往往改善教学方法会成为教研人员优先选择的课程改革方向。但不可忽视的是,随着生命科学的飞速发展,生物化学已然是一门从理论基础到研究内容都在不断创新的前沿学科[3]。

  目前,农业院校本科生物化学课程体系中安排的理论和实验教学内容普遍存在内容守旧、与新理论知识缺乏衔接的现象。近些年来,许多新方法、新技术的创立与应用在为生命科学的发展提供了源源不断前进动力的同时,也给本科生物化学的课程教学提出了新的要求与挑战[4]。随着生命科学相关学科的进一步的发展,在农业高校本科教学课程中,生物化学显得愈加重要。那么,如何针对这门课程的研究前沿成果,在理论教学中进行尝试性融入,并在实验教学中加以深化,已然成为教研人员应该思考的重要方向[5]。

  本文讨论了如何将生物化学研究前沿成果融入到本科教学课程中,并在尝试性融入后针对教学效果进行全面分析。力求在确保学生充分掌握核心基础知识的同时,能够了解、触碰、掌握生命科学相关新理论技术的研究成果,从而提高生物化学课程的“含金量”,提升学生的自主学习兴趣,更好地达到本科生物化学理论与实验课程的教学效果。

  2生物化学研究前沿简介

  2.1生物化学研究史

  人们普遍认为现代生命科学研究系统的建立始于16世纪。在那时人们就开始对生命现象进行观察和实验,建立了以生命为对象的相关生物分支学科,并逐渐形成一个庞大的生命科学体系。19世纪前后,遗传学的建立推动了生物化学的发展。时至20世纪中叶,围绕着能量和生物大分子物质代谢的研究,发现了生物以三磷酸循环(TCA循环)为枢纽的有着复杂循环结构的代谢途径,和以电子传递链系统及氧化磷酸化为中心的生物能量获取、利用的基本方式,使生物化学进入了发展的“快车道”,并为下游分子生物学等相关学科的出现及发展提供了重要支撑。

  遗传学的研究预示了生物遗传物质的存在,而DNA双螺旋结构的发现和对生物中心法则的探究使人们了解了生命运作的基础框架与世代更替之间的神秘关联。从此,以基因组成、基因表达和遗传调控为核心的生物化学相关研究方法迅速深入到了与生命科学相关的各个研究领域,极大地推动了生命科学的发展。

  2.2部分生物化学前沿方向

  生物化学与人类生活的许多方面都有着非常密切的关系。其作为一门基础科学,传统上一直是农学和医学的基础,涉及种植、畜牧、医疗、制药等多个方面。随着生物化学理论与方法的不断发展,它的应用领域也不断扩大。目前,生物化学的影响已突破上述传统领域,扩展到食品、化工、环境保护、能源和冶金工业等方方面面。

  2.2.1合成生物学概念

  合成生物学是在生物化学分支下刚刚出现的新兴学科。近些年来物质的生物合成相关研究进展较快。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同,合成生物学的研究方向与其完全相反,它是在生物化学的基础上从最基本的要素开始一步步建造“零部件”。这与基因工程学科把一个物种的基因改变并转移至新物种的作法有着本质不同,合成生物学的目的是如何建立人工生物反应系统(ArtificialBiosystem),让它们像集成电路板一样运行。

  2009年由Chen等[6]发表在Nature上关于烷型萜烯(Eudesmaneterpenes)合成文章中使用合成生物学的概念。Mendoza等[7]在2012年的研究中也进行过实践。

  2.2.2异相催化概念

  异相催化又叫做接触催化或多相催化,指将催化剂和反应物置于不同的相中,在催化剂界面发生的催化反应[8]。在异相催化中最重要的是使用固体催化剂,反应物为液相或气相。催化反应在两相间的界面上发生,例如氨的合成和氧化、烷烃脱氢成烯烃、石油裂化和重整等,均属于异相催化过程。一般通过直接使用多相催化剂而在反应结束后可以分离底物产物混合物与催化剂本身,或者利用均相催化剂多相化(例如吸附、固载、键合于高分子树脂链、水-有机两相反应等)的方法实现催化剂的无痕回收与循环利用,有效降低工业化生产的成本[9]。这些新研究成果与传统生物化学课程中所提到的酶催化虽然有相通之处,但也存在较大差别。

  2.2.3CRISPR/Cas9技术

  大多数的人类遗传病都是由点突变——DNA序列中单个碱基错误所引起。然而,人们普遍认知的基因组编辑方法却无法高效地纠正细胞内的这些突变,往往还会导致随机核苷酸的插入或者缺失(indels)一类的副作用。2015年,哈佛大学的研究人员Dong等[10]通过改造CRISPER/Cas9技术解决了这些问题,构建出了一种新型的“碱基编辑器”。

  可以在人类或者小鼠细胞中以低出错率永久且高效地将碱基中的胞嘧啶(C)转换成尿嘧啶(U),相关研究成果发表在《Nature》国际顶尖学术期刊上。此系统的工作原理是crRNA(CRISPR-derivedRNA)通过碱基配对与tracrRNA(trans-activatingRNA)结合形成tracrRNA/crRNA复合物,这个复合物可引导核酸酶Cas9蛋白在与crRNA配对的序列靶位点剪切双链DNA。通过人工特异性设计这两种RNA,可以得到具有引导作用的sgRNA(singleguideRNA),进而达到引导Cas9对DNA的定点靶向切割的目的[11]。

  3融入生物化学理论与实验教学

  3.1融入理论教学

  3.1.1教师直接讲授

  由于生物化学在下游多学科中具有基础性地位,目前大部分本科院校普遍重视理论课程的教学工作。而教学内容是使学生掌握一门课程的基础,优质的教学内容有助于学生理解抽象复杂的理论知识,同时也有助于培养学生良好的逻辑思维能力和创新意识[12]。但是传统一成不变的授课内容较为枯燥,很难激发起学生的学习兴趣,学生在学习过程中容易出现懈怠情绪。

  近些年来,生物化学相关研究发展日新月异,新知识、新技术、新成果集中体现,层出不穷。如果只局限于原有的教学内容,很难获得期望的教学效果,也很难接近国际知名大学的教育水平[13]。因此,在理论教学中,我们尝试将生物化学前沿研究内容融入理论教学之中。在以往的研究中,笔者从事的课题研究内容是“小麦真菌性病害相关基因的挖掘研究”。

  课题组应用VIGS技术成功地对小麦抗病相关基因进行了病毒介导的基因沉默,探索了小麦抗病的分子调控机制。因此,在理论教学中,向学生讲解介绍植物基因组学、特定核酸分子探针设计、病毒介导基因沉默过程等相关知识。小麦基因组不同于相关研究中的模式植物拟南芥,它是一种6倍体经济作物。

  首先利用RNA-Seq或GWAS等相关生物信息学技术初步筛选小麦抗病响应基因是思考的第一步,然后针对特定的靶标基因进行核酸分子探针设计,再进行后续VIGS病毒介导基因沉默及验证等工作[14]。在核酸这一章节的教学内容中,可较为准确地进行融入。另外,在讲授RNA的功能时,可介绍RNAi的相关新知识,让学生了解并掌握RNAi这种新技术在近几年是如何发展起来的,且是如何干扰目的基因表达的,这也是在传统理论功能之外发现的RNA所具有的一种新功能[15]。在进行蛋白质合成这一章节教学时,介绍讲解以基因组学为前提的蛋白质组学的新研究。

  基因组是指生命体、病毒或细胞器之中包含的全部遗传物质。而在真核生物中,基因组是指一套完整的染色体DNA。基因组学相关内容主要目的是应用DNA制图、高通量测序及计算机大数据识别分析等新技术手段,解析生命体中全部基因组的结构和功能特点[16]。蛋白质组学则是研究蛋白质在时间和空间中的表达情况,也是近几年生物化学相关研究前沿[17]。在蛋白质从头合成相关教学章节中讲授研究热点,可以显著激发学生们对生物化学这门学科,甚至生命科学相关科学研究的兴趣和热情。

  3.1.2利用学生翻转课堂

  近些年来,“翻转课堂”已经成为国外日渐流行的创新式教学方法,翻转课堂的概念于2012年进入我国,目前已经在医学、微生物学及免疫学等课程教学中广泛开展[18]。在翻转课堂教学过程中,教师的角色由主讲人转变成为了课堂的引导者和聆听者,能够和学生们共同参与到学习中。这为学生提供更多思考和交流空间的同时,也拉近了教师与学生之间的距离。

  教师从知识海洋中的一名舵手,转变成为了真正的灯塔,而这艘知识的大船,则由学生自己亲手开动,掌握方向。教师在学生迷茫时给予及时的指导和帮助,培养学生自主学习、独立思维的能力,从而全面提高学生的综合素质,让学生成为提问者和主导者[19]。笔者设计的翻转课堂分为课前和课堂两个循序渐进的阶段。

  例如在核酸和蛋白质相关章节中的课前准备阶段,学生查找资料并搜寻相关CRISPR/Cas9技术最新前沿研究成果,结合课程理论相关知识进行阐述解析。CRISPR/Cas9基因组编辑方法一直依赖于被称作同源介导修复(Homology-directedrepair,HDR)的细胞基质,而DNA双链断裂可以出发HDR。相关研究人员提供给细胞一个包含所需序列的模板,用Cas9酶蛋白造成靶向双链断裂,随后等待着HDR是否能够整合进这一模板重新连接DNA链。

  但是这种方法效率比较低,且往往会以随机核苷酸插入或者缺失形式在断裂点周围导入一些新的错配,使之无法适用于治疗纠正点突变。基于这样的结果,研究人员将Cas9的一部分失活,使之无法造成双键的断裂。随后将Cas9与胞苷脱氨酶连接到一起,无需切割DNA胞苷脱氨酶就能够直接催化碱基C转换成为U。而将这种自动化的系统放入到细胞内则可以在靶位点处造成碱基对错配,使靶DNA上出现新导入的碱基U,而反义链上仍为原始的碱基G。

  而这样会触发细胞自身的错配修复机制,从而靶向修复人们不想要的DNA链[20]。通过这次翻转课堂,学生们更好地掌握了生物化学教学课程中的核心重点内容“中心法则”,并使自己的逻辑思维进一步延伸,触及到了学科前沿热点研究,可将核酸与蛋白质相关章节内容掌握得更加牢固。

  3.2融入实验课堂

  生物化学是以实验为基础的学科,实验课程是对理论教学的复习和强化。需要教师及时把握学科热点研究前沿,对实验教学内容进行不断更新。只有这样,才能使学生了解现代生物化学学科发展的方向,并增强学生对生物化学实验课程的兴趣和关注度,有助于提高学生的主动学习欲望和动手操作能力。生物催化是生物化学学科的重点内容,然而在实验教学中关于催化方面的内容多以酶蛋白作为主要实验材料,异相催化的实验内容涉及较少。

  我们在实验教学过程中设计实施了以异相催化为主的生物化学实验,在与传统酶蛋白催化实验的对比中,让学生了解到生物化学学科发展研究的前沿。例如“双氧水的异相催化分解”实验。利用土壤和地表水体中广泛存在的氧化铁作为催化剂,在接近中性的环境下催化分解H2O2,使其分解产生的羟基自由基并带有强氧化性,这可以使很多有机污染物发生降解转化,具有非常高的理论研究价值[21]。这种反应系统常在环境化学等领域用来处理有机污染的废水。

  将H2O2的异相催化分解实验引入生物化学实验中有以下几个优点。第一,催化剂的合成方法简单,催化分解H2O2反应实验无需使用昂贵的仪器设备,并且表征还可以根据实际情况进行相应调整。如果实验条件不允许,即使不做任何表征也不会影响后续实验的进行和实验数据结果的处理。第二,实验得到的信息较为丰富。不仅测得了反应速率常数和活化能等基本动力学参数,还可以从催化机理与具体实验操作步骤方面等与传统生物化学酶蛋白催化实验做对比。

  最后,这种反应体系与实际应用联系非常紧密。通过这样的实验不仅能让学生初步了解生物化学前沿热点研究内容,掌握异相催化的基本知识,而且其灵活的实验条件设置还有利于发挥学生学习的主动性和积极性,培养学生的综合实践能力,特别是创新意识与创新能力。除此之外,安排学生参与进入准备实验和预实验阶段,提高学生的参与感和获得感,加深学生对理论知识的理解,使实验动手操作能力进一步提升,可以使实验的教学效果得到明显提升。

  4融入后的教学效果

  4.1理论课程教学中学生兴趣高涨

  生物化学课程内容覆盖全面、知识点繁杂。需要记忆的内容较多,很多学生对这门课程兴趣不高。在理论教学课程中,我们根据重点章节的特点,将相关前沿研究成果融入有趣的科研故事进行讲授,并在课堂上利用启发及互动等方法与同学们进行交流,更好地激发了学生的学习兴趣。由于生物化学基础知识和人们的日常生活密切相关,且一些前沿研究成果可以延伸到实际应用方面。所以在理论教学过程中,充分结合了实际应用问题的前沿热点研究对学生们来说具有极大的吸引力。

  在课前预先提出与所讲内容相关的科学问题,让学生带着问题有针对性地听课、思考,学生们主动地参与到教学中来,既丰富了学生们对生物化学这门课程学习的兴趣点,又增强了学习的主动性,取得了更好的教学效果。例如,一些同学在课程学习总结中写道:“这学期的生物化学是我们最喜欢上的课程之一,因为老师经常让大家讨论一些目前的前沿研究热点问题,这些问题与教科书的理论知识也是环环相扣的。

  老师让我们首先进行小组讨论,把自己的见解与看法说出来,得出我们小组最终的讨论意见。然后,老师又给我们一个展示自己的机会,在课堂上让同学们将讨论结果进行汇报,全班同学都会积极响应,对于其他小组提出的而自己不太明白的问题进行请教、质疑,大家群策群力,共同面对、思考、解决这些问题。在这个过程中,学生们真正的参与其中,得到了学习的快乐。而每一次前沿研究成果地讨论,都给我留下了极其深刻的印象,让我真正感受到了思考、质疑、交换、解答的学习魅力,让我和同学们在思想交流中找到了许多灵感,碰撞出了很多火花。”

  4.2实验课程教学中学生积极主动

  “学起于思,思源于疑”。在实验课教学过程中加入前沿研究内容,着重培养学生们的思考能力。同时,在课堂中多进行启发式提问,调动学生的积极性。一项学科前沿研究成果的背后,都有怎样的成功元素作为支撑?又如何使学生们在掌握相关专业知识的同时,培养他们的科技创新意识和科学精神,这是实验教学过程中必须解决的一个重要问题[4]。

  科学研究中的重大发现或重要实验进展,不仅给学生讲授最终的结果和意义,还要重点使学生们了解一个新现象、一种新理论或者创新实验的发现过程。在过程中强调关键问题,新颖的实验构思和巧妙的实验设计,使学生们不仅“知其然”,更重要的是“知其所以然”[22]。例如,CRISPR/Cas9全新基因编辑系统的原理是:cr-RNA(CRISPR-derivedRNA)通过碱基配对与tracrRNA(trans-activatingRNA)相结合,从而形成tracrRNA/cr-RNA复合物,此复合物可引导核酸酶Cas9蛋白在与cr-RNA配对的序列靶位点对双链DNA进行剪切。那么,通过人工设计这两种RNA,可以定向改造形成具有引导作用的sgRNA(singleguideRNA),用来引导Cas9对DNA的精准切割。

  因此,Cas9能在任何dsDNA序列处带来任何融合蛋白及RNA,这为生物化学的相关研究带来了巨大改变。而在生物化学的实验课程中,我们将醋酸纤维膜电泳分离核苷酸、花菜中的DNA分离提取及定量测定及酶的特性等常规生物化学实验进行讲授的同时,引入CRISPR/Cas9基因编辑的概念,使同学们将理论知识与前沿研究热点联合起来,在实验思路及原理方面,掌握了前沿热点研究内容,得到了全新的思路启发。在几个实验结束后,同学们设想以后的研究生活中,如何去操作CRISPR/Cas9基因编辑系统,来为自己感兴趣的生命科学领域做些自己的贡献。开心、活跃、钻研、好学的学术氛围,贯穿整个学期的实验课程。

  5结语

  通过在生物化学理论授课和实验教学中引入前沿研究内容,教学质量得到了明显提升,不仅使学生掌握了基础知识、开拓了科学视野,还系统地提升了学生的思维能力,培养了学生将实践动手和前沿创新相结合的能力,提高了学生的积极性,增强了学习的主动性。综上所述,谈及教学改革的种种尝试,教学理念的创新是关键,教学方法的改革是根本,与学生们的心灵沟通是保障。在将生物化学学科前沿研究成果融入理论和实验教学时,教师们应当不断地探索、思考、总结和研究,摸索出一套适应本学科特点的教学方法,“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”。

  综上所述,根据生物化学教材特点和教学内容的需要,适当地将学科前沿研究成果融入理论和实验教学,并加以解析,既有利于将教学重点难点系统化、简明化,培养学生的逻辑思维能力;同时,也有利于学生对相关知识的记忆和思考,从而达到良好的教学效果[23]。

  参考文献

  [1]王镜岩,朱圣庚,徐长法.生物化学[M].第三版.北京:高等教育出版社,2002.

  [2]曹云英.论如何提高生物化学实验教学质量[J].吉林师范大学学报,2004(2):81-82.

  [3]梁琍,冉辉.以科研促进生化实验教学创新型人才培养探索[J].教育教学论坛,2013(34):269-270.

  [4]李科友,朱海兰.创新理念,培养能力——生物化学教学之体会[J].微生物学通报,2011,38(2):250-255.

  [5]向玉勇.提高新建本科院校生物化学教学效果的方法探讨[J].滁州学院学报,2009,11(3).

  [6]ChenK,BaranPS.Totalsynthesisofeudesmaneter-penesbysite-selectiveC-Hoxidations[J].Nature,2009,459(7248):824-828.

  [7]MendozaA,IshiharaY,BaranPS.Scalableenantioselectivetotalsynthesisoftaxanes[J].NatureChemistry,2011,4(1):21.

  [8]徐维林.单分子异相催化的最新研究进展[C].中国化学会学术年会第5分会场,2012.

  [9]秦文婷,周全,潘虎.固体碱催化制备生物柴油的最新研究进展[J].广州化工,2014(11):22-24.

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