酶學(xué)教學(xué)模塊在本科教學(xué)中的應(yīng)用探索

1、酶學(xué)教學(xué)模塊在本科教學(xué)中的應(yīng)用探索摘要 為解決酶學(xué)難以作為一門獨(dú)立課程的形式納入本科教學(xué)體系的困境，將酶學(xué)核心知識(shí)整合為理論課堂教 學(xué)模塊、實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊、模擬仿真教學(xué)模塊、技能競(jìng)賽教學(xué)模塊和實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)模塊，貫穿于本科生培養(yǎng)過(guò)程中。以 理論和實(shí)驗(yàn)課程、技能競(jìng)賽、專業(yè)實(shí)踐及畢業(yè)設(shè)計(jì)為實(shí)施載體，集約資源，優(yōu)化配置，充分協(xié)調(diào)5大教學(xué)模塊的關(guān)系， 使學(xué)生從$原理（設(shè)。分析（操作（應(yīng)用”5個(gè)方面系統(tǒng)掌握酶學(xué)知識(shí)，進(jìn)而形成完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)和廣闊的知識(shí) 范疇,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。通過(guò)對(duì)酶學(xué)教學(xué)模塊在本科教學(xué)中的應(yīng)用探索進(jìn)行總結(jié)和思考，旨在為酶 學(xué)相關(guān)學(xué)科提供可借鑒的教改經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞 酶學(xué);教學(xué)模塊；

2、實(shí)施載體;本科教學(xué);教學(xué)改革Application and exploration of enzymology teaching modulein undergraduate teachingAbstract In order to solve the problem that enzymology is difficult to be incorporated into the undergraduate teaching system in the form of an independent course，the core knowledge of enzymology is integ

3、rated into theoretical teaching module，experimental teaching module，simulation teaching module，skill competition teaching module and practice teaching module，which are penetrated into the undergraduate training process. Taking theory and experiment courses，skill competitions，practice courses and gra

4、duation projects as the implementation carrier，we utilize teaching resources economically and fully coordinate the relationship among the five teaching modules. Therefore，students can systematically master enzymology knowledge from five aspects of principle-design-analysis-opera- tion-application”，a

5、nd then form a complete knowledge structure and a broad range of knowledge，subtly cultivating students interest and innovative ability. This study summarizes the application and exploration of enzymology teaching module in undergraduate teach- ing，in order to provide useful teaching reform experienc

6、e for related subjects of enzymology.Key words enzymology; teaching module; implementation carrier; undergraduate teaching; teaching reform酶是生物體內(nèi)最具代表性的生物大分子之一。生 物體新陳代謝的許多復(fù)雜而有規(guī)律的物質(zhì)變化和能量 變化均在酶的催化下進(jìn)行1對(duì)于酶分子的結(jié)構(gòu)、功 能、性質(zhì)、理論與應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，早已形成一門獨(dú)立、龐大 的學(xué)科，即酶學(xué)!酶學(xué)在生物學(xué)中占有重要地位，它 不僅與生物化學(xué)、生理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、病 理學(xué)、合成生物學(xué)等學(xué)科有著千絲萬(wàn)

7、縷的聯(lián)系，亦是現(xiàn) 代生物技術(shù)理論轉(zhuǎn)化實(shí)踐過(guò)程中最為耀眼的學(xué)科。盡管酶學(xué)在生物學(xué)中如此重要，國(guó)內(nèi)各大高校仍 普遍難以將其以一門獨(dú)立課程的形式納入生物類專業(yè) 本科教學(xué)體系中，這主要源于以下兩個(gè)原因。第一，學(xué) 制特點(diǎn)與課程順序的矛盾。酶學(xué)涉及學(xué)科范疇極廣， 在現(xiàn)有的四年制本科生培養(yǎng)過(guò)程中難以安置其位序： 過(guò)早開課則缺乏有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等前期課程的支 持;過(guò)遲開課又與各專業(yè)課時(shí)間沖突。第二，實(shí)驗(yàn)科目 與仿真環(huán)境的不足。酶學(xué)是一門自然科學(xué)，其教學(xué)過(guò) 程需要實(shí)驗(yàn)支持3現(xiàn)有酶學(xué)實(shí)驗(yàn)科目相對(duì)陳舊抽 象，與科學(xué)前沿、生活實(shí)踐聯(lián)系有限；酶學(xué)的3D模擬仿 真教學(xué)環(huán)境在諸多高校更是罕見。由于這些困難，很 多高校只能

8、將酶學(xué)知識(shí)片面地、支離破碎地分散于本 科生相關(guān)課程（如生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué) 等）中，這種做法容易忽視核心知識(shí)環(huán)節(jié)的骨干作用， 破壞學(xué)生知識(shí)體系的天然和諧,極大地限制了對(duì)高素 質(zhì)、全方面人才的培養(yǎng)，不利于一流高校的建設(shè)和發(fā) 展。鑒于以上問(wèn)題，我們?cè)诙嗄杲虒W(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，將酶 學(xué)教學(xué)主體內(nèi)容整合為5大模塊，集約資源，優(yōu)化配 置，充分協(xié)調(diào)各模塊之間、各模塊與實(shí)施載體的關(guān)系， 將酶學(xué)核心知識(shí)有效地貫穿于生物類專業(yè)本科生培養(yǎng) 過(guò)程中。本文對(duì)酶學(xué)教學(xué)模塊在本科教學(xué)中的應(yīng)用探 索進(jìn)行總結(jié)和思考，旨在為進(jìn)一步深化教學(xué)改革和本 科生課程建設(shè)提供一定參考。1酶學(xué)教學(xué)模塊在本科教學(xué)中的應(yīng)用思路酶學(xué)作為各生

9、物科學(xué)相關(guān)學(xué)科的紐帶，在學(xué)生知 識(shí)結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置。筆者及教學(xué)團(tuán)隊(duì)首先對(duì)教學(xué) 內(nèi)容主題進(jìn)行合理選取，再經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，將酶學(xué)主要 知識(shí)環(huán)節(jié)凝練為5大教學(xué)模塊“理論課堂教學(xué)模塊” 向?qū)W生講授酶的機(jī)制“實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊”幫助學(xué)生了解 酶的性質(zhì)模擬仿真教學(xué)模塊”引導(dǎo)學(xué)生掌握酶的結(jié) 構(gòu)“技能競(jìng)賽教學(xué)模塊”帶領(lǐng)學(xué)生熟悉酶的技術(shù)“實(shí) 習(xí)實(shí)踐教學(xué)模塊”擴(kuò)展學(xué)生應(yīng)用眼界。以基礎(chǔ)生物化 學(xué)理論實(shí)驗(yàn)課程. $吉林精科杯”實(shí)驗(yàn)技能大賽、專業(yè) 實(shí)踐環(huán)節(jié)及畢業(yè)設(shè)計(jì)為實(shí)施載體，使學(xué)生從“原理一設(shè) 計(jì)一分析一操作一應(yīng)用”5個(gè)方面系統(tǒng)掌握酶學(xué)知識(shí), 從而形成完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)和廣闊的知識(shí)范疇。表1展 示了各教學(xué)模塊的學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)內(nèi)

10、容以及它們之間 的關(guān)系。2酶學(xué)教學(xué)模塊在本科教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐基于上述思路，以吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院本科生 為對(duì)象，結(jié)合學(xué)院的實(shí)際需求和學(xué)科特色，我們?cè)诮鼛?年的教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了酶學(xué)教學(xué)模塊的具體實(shí)踐，取 得了初步的經(jīng)驗(yàn)和良好的成效。表1酶學(xué)教學(xué)模塊Table 1 Teaching module of enzymology模塊名稱模塊學(xué)習(xí)任務(wù)模塊學(xué)習(xí)內(nèi)容Learningcontent模塊實(shí)施載體Module nameLearning taskImplementation carrier理論課堂教學(xué)模塊原理酶的機(jī)制基礎(chǔ)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊設(shè)計(jì)酶的性質(zhì)基礎(chǔ)生物化學(xué)（實(shí)驗(yàn)）模擬仿真教學(xué)模塊分析酶的結(jié)構(gòu)基

11、礎(chǔ)生物化學(xué)（實(shí)驗(yàn)）技能競(jìng)賽教學(xué)模塊操作酶的技術(shù)“吉林精科杯”實(shí)驗(yàn)技能大賽實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)模塊應(yīng)用酶的用途專業(yè)實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)2. 1教學(xué)內(nèi)容主題的選取教學(xué)內(nèi)容主題的選取是教學(xué)改革實(shí)踐的前提。經(jīng) 過(guò)前期探索和實(shí)踐，結(jié)合學(xué)科交流和學(xué)生反饋，選取了 3個(gè)教學(xué)內(nèi)容主題:蛋白酶、過(guò)氧化物酶和#內(nèi)酰胺水 解酶。這些主題的選取具備代表性，可以作為酶學(xué)的 經(jīng)典案例;具備可實(shí)施性，可以有效串聯(lián)各個(gè)教學(xué)模塊 的內(nèi)容。此外，這3類酶在自然界分布廣泛，在日常生 活和工業(yè)生產(chǎn)中用途極廣，以其為主題有利于激發(fā)學(xué) 生的好奇心,提高參與度。我們研討了教學(xué)內(nèi)容主題 的原理、設(shè)計(jì)、分析、操作及應(yīng)用有效體現(xiàn)在各模塊中 的方法，制定了實(shí)施

12、流程,并且結(jié)合后期教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行 了修改補(bǔ)充，為進(jìn)一步豐富和完善教學(xué)主題提供支持。 2. 2 理論課堂教學(xué)模塊的實(shí)踐理論課堂教學(xué)模塊的有效開展是教學(xué)改革實(shí)踐的 基礎(chǔ)，是后續(xù)教學(xué)模塊順利實(shí)施的保障。根據(jù)選取的 教學(xué)內(nèi)容主題，主要講解酶的特異性（鎖鑰理論和誘導(dǎo) 契合理論）、酶的高效性（過(guò)渡態(tài)理論）、酶的活力（米 氏方程）及酶的穩(wěn)定性（酶的變、復(fù)性理論）等內(nèi)容。針對(duì)酶學(xué)知識(shí)概念抽象、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，運(yùn)用了 多元化的教學(xué)方法。例如：利用思維導(dǎo)圖（一種圖像式 思維工具），將酶學(xué)主題內(nèi)容的各個(gè)層次有效組織銜 接,幫助學(xué)生理解和復(fù)習(xí)，降低學(xué)生的認(rèn)知壓力。講解 酶的特異性時(shí)，利用動(dòng)畫和3D模擬軟件，促進(jìn)學(xué)生構(gòu)

13、建空間感。講解酶的高效性時(shí)，發(fā)起“酶”你不行的熱 烈討論，以對(duì)比的方式引發(fā)學(xué)生對(duì)于酶高效性的感知。 講解酶的活力時(shí)，以PBL（ problem-based learning）的教 學(xué)模式回引導(dǎo)學(xué)生理解米氏方程不同假說(shuō)存在的必要 性。理論課堂教學(xué)模塊不僅為學(xué)生構(gòu)建了有效的知識(shí) 體系，還促使大部分學(xué)生產(chǎn)生了進(jìn)一步探究的期望。2. 3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊幫助學(xué)生深入理解酶學(xué)理論知識(shí)， 對(duì)酶的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)從定性認(rèn)識(shí)到定量認(rèn)識(shí)的轉(zhuǎn)變。為保 障高質(zhì)量酶學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，我院近年先后購(gòu)置多 臺(tái)高性能分光光度計(jì)，確保每位學(xué)生均有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)操作，獲得獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在原有酶學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn) 項(xiàng)目（表2，項(xiàng)

14、目1至3）的基礎(chǔ)上，新增酶學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3 項(xiàng)（表2，項(xiàng)目4至6），與理論課堂教學(xué)模塊相對(duì)應(yīng)，例 如“酶米氏常數(shù)的測(cè)定”對(duì)應(yīng)“酶的活力（米氏方程）” 部分。這些設(shè)置保證了各教學(xué)模塊的協(xié)調(diào)與完整，使 學(xué)生的知識(shí)體系更具連貫性。表2酶學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目Table 2 Experimental subjects of enzymology項(xiàng)目號(hào)No.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 Subject實(shí)驗(yàn)類型Type實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)Class hours1酶的分離與純化綜合性42酶濃度的測(cè)定設(shè)計(jì)性43酶的聚丙烯酰胺凝膠電泳研究性4* 4酶比活力的測(cè)定綜合性4* 5酶米氏常數(shù)的測(cè)定設(shè)計(jì)性4* 6酶活力半衰期的測(cè)定研究性4注：*為新增酶學(xué)相關(guān)

15、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)基本的實(shí)驗(yàn)原理后，參與 制定實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)定酶的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。很多學(xué)生 反映，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，更加深刻理解了理論教 學(xué)模塊的相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)?；趲熒鷮?duì)各實(shí)驗(yàn)科目實(shí)驗(yàn)條 件的探索，我們總結(jié)修訂了各實(shí)驗(yàn)科目的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流 程，并建立嚴(yán)格的定量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方法，助力學(xué)生 科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)。2.4模擬仿真教學(xué)模塊的實(shí)踐酶的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，理解其結(jié)構(gòu)需要學(xué)生具 備較好的空間想象力。為了將分子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)由抽象 描述轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^感知，我們自2015年起，先后制作3D 模擬仿真教學(xué)文件80余例，其中酶學(xué)文件30余例。 同時(shí)利用我院CAD專用教室(現(xiàn)配置高性能計(jì)算機(jī)54 臺(tái))進(jìn)行模

16、擬仿真教學(xué),授課逾3 000人x學(xué)時(shí)，并開 展了吉林大學(xué)教改項(xiàng)目“PyMol在本科生物基礎(chǔ)教學(xué) 中的應(yīng)用探索”。表3酶學(xué)模擬仿真教學(xué)項(xiàng)目Table 3 Simulation teaching subjects of enzymology項(xiàng)目號(hào)項(xiàng)目名稱項(xiàng)目類型學(xué)時(shí)No.SubjectTypeClass hours1PyMol軟件的使用綜合性42酶的結(jié)構(gòu)展示與分析研究性43酶的3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性作業(yè)設(shè)計(jì)性4秉承“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理 念”刁，該教學(xué)模塊通過(guò)3個(gè)項(xiàng)目(表3)協(xié)調(diào)實(shí)施。教 師指導(dǎo)學(xué)生工具軟件的操作，通過(guò)展示酶、酶與底物分 子的3D結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力；然后設(shè)置引導(dǎo)性 問(wèn)

17、題，組織學(xué)生分組討論，利用CAD教室的師生互動(dòng) 系統(tǒng)將學(xué)生操作界面分享給每位同學(xué),讓每組同學(xué)講 解分析過(guò)程和結(jié)果，這種方法極大地提高了學(xué)生的積 極性和參與度;最后，指導(dǎo)學(xué)生利用PDB( http: /www. rcsb. org/)及 ExPasy( https: / /www. expasy. org/)數(shù)據(jù)庫(kù) 資源，布置3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性作業(yè)(圖1),鼓勵(lì)個(gè)性發(fā)展， 增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心。(a)糜蛋白酶;(b)天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶;(c)乳糖通透酶;(d)固氮 酶;(e)溶菌酶;(f) DNA甲基化酶圖1部分3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性本科生作業(yè)展示Figure 1 Exhibition of partial 3D

18、structural design work of students 2.5技能競(jìng)賽教學(xué)模塊的實(shí)踐利用技能競(jìng)賽教學(xué)模塊進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的求知 欲，經(jīng)過(guò)師生共同努力，取得了優(yōu)異成績(jī)?！凹志?科杯吉林省大學(xué)生生物實(shí)驗(yàn)技能競(jìng)賽吉林大學(xué)大 學(xué)生生物實(shí)驗(yàn)技能競(jìng)賽”是我院各專業(yè)學(xué)生積極參加 的年度重要賽事，這兩項(xiàng)賽事均以酶學(xué)實(shí)驗(yàn)科目“胰蛋 白酶比活力的測(cè)定”為參賽科目，與選取的酶學(xué)教學(xué)內(nèi) 容主題聯(lián)系密切。我們從多年的教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，總結(jié)了技能競(jìng)賽的培訓(xùn)流程。通過(guò)一對(duì)一輔導(dǎo),使學(xué)生掌握測(cè)定方法，形 成規(guī)范良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣;通過(guò)視頻、演練的方式，講解 酶學(xué)相關(guān)儀器的使用、維護(hù)和保養(yǎng)方法;通過(guò)賽事模擬 指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)

19、合理書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)記錄。在師生 共同努力下,教師團(tuán)隊(duì)連續(xù)多年獲得優(yōu)秀指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)， 省級(jí)、校級(jí)優(yōu)秀指導(dǎo)教師一等獎(jiǎng);學(xué)生更是屢創(chuàng)佳績(jī), 多次榮獲省級(jí)一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)。欣慰之余，我們?cè)诒究?生新版培養(yǎng)方案中新增酶學(xué)實(shí)驗(yàn)科目“酶比活力的測(cè) 定”(表2)，與該賽事遙相呼應(yīng)，將競(jìng)賽輔導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)和 成果與前述教學(xué)模塊有機(jī)結(jié)合，為每位學(xué)生創(chuàng)造了解、 參與并通過(guò)努力獲得成績(jī)的途徑。2. 實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)模塊的實(shí)踐實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)模塊為學(xué)生學(xué)以致用創(chuàng)造機(jī)會(huì)，我 院專業(yè)實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)為該模塊的建設(shè)提供了必 要條件。專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)近年來(lái)為學(xué)生提供了多個(gè)企事 業(yè)單位參觀學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì),在溝通交流中，學(xué)生真正體會(huì) 到理論知識(shí)在實(shí)際

20、生活中的應(yīng)用,例如食品行業(yè)用的 蛋白酶，化妝品行業(yè)用的過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化 酶,制藥行業(yè)用的#內(nèi)酰胺水解酶等。畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié) 讓很多同學(xué)經(jīng)歷了酶學(xué)課題從方案設(shè)計(jì)一實(shí)驗(yàn)操作一 數(shù)據(jù)分析一論文寫作的全部過(guò)程。該模塊的建設(shè)與實(shí) 踐開闊了學(xué)生的眼界，對(duì)學(xué)生的科研思維、職業(yè)規(guī)劃起 到一定的早期引領(lǐng)作用。3酶學(xué)教學(xué)模塊在本科教學(xué)中應(yīng)用的難點(diǎn)與思考模塊化教學(xué)模式近年引起眾多學(xué)者的關(guān)注，該模 式普遍應(yīng)用于某個(gè)具體的課程或項(xiàng)目方。面對(duì)酶學(xué) 涉及學(xué)科范疇廣,難以作為一門獨(dú)立課程的形式納入 本科教學(xué)體系，通過(guò)巧妙的配置,將酶學(xué)核心知識(shí)凝練 于5大教學(xué)模塊，并基于不同的載體(課程、競(jìng)賽、實(shí)習(xí) 等)進(jìn)行實(shí)施。根據(jù)近5

21、年的實(shí)踐探索，我們認(rèn)為：1) 教學(xué)內(nèi)容主題選取需恰當(dāng)。主題既要是酶學(xué)經(jīng)典案 例,又易在5大模塊中體現(xiàn)，同時(shí)兼顧學(xué)生的興趣。目 前選取的教學(xué)主題實(shí)施效果良好，同時(shí)也需探尋其他 潛在的主題,并思考在有限的課程資源內(nèi)能夠承載教 學(xué)內(nèi)容主題的最適數(shù)量。2)學(xué)習(xí)成效體現(xiàn)方式需多元 化。教育之本在于學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)11,因此需要 多樣化的考核機(jī)制，兼顧不同學(xué)習(xí)層次、不同學(xué)習(xí)目標(biāo) 的學(xué)生，使他們的學(xué)習(xí)成效以多元化的方式呈現(xiàn)。我 們優(yōu)化了各教學(xué)模塊的考核方式，建立多樣的過(guò)程評(píng) 價(jià)和終末評(píng)價(jià)機(jī)制,促使學(xué)生的學(xué)習(xí)成效在理論考試、 課堂討論、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)性作業(yè)、創(chuàng)業(yè)思路等多方面 呈現(xiàn)，為學(xué)生樹立學(xué)習(xí)信心。在此基礎(chǔ)上，還需根據(jù)學(xué) 生反饋及教學(xué)效果，進(jìn)一步完善考核方式。3)酶學(xué)各 教學(xué)模塊之