课堂教学与大学生科研兴趣培养相结合的实践探索
吴永革 马俊峰 于湘晖 单亚明
[摘要] 科学研究是一项十分艰难、辛苦的工作，如果对它没有浓厚的兴趣，没有十分的热情，则很难持久地进行下去，取得卓越的成就。课堂是学生积累知识、培养能力、提升素养的重要场所，知识的应用离不开科研，如何在课堂教学中培养学生对科研的兴趣尤为关键。通过多年教学经验的积累和创新探索，本文从教学方法、教学内容、学习环境三个方面，总结出课堂教学与大学生科研兴趣培养相结合的途径，力争为后续研究指明方向。
[关键词]课堂教学;科研兴趣培养;教学改革;生物化学
[中图分类号] ??G642 [文獻标识码] A[文章编号]1005-5843（2019）02-0129-05
[DOI]10.13980/j.cnki.xdjykx.2019.02.025
要办好研究型大学，就必须培养创新型人才。我国中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）将创新型人才的培养确定为高等院校工作的重中之重，明确提出了创新型人才培养的具体目标。要培养创新型人才，需要从各方面对大学生进行科研素质和能力的培养，这首先要培养学生对科学研究的浓厚兴趣。教育比较发达的西方国家历来重视对学生科研兴趣和能力的培养，兴趣是圆满完成一项工作的最必要、最充分和最持久的条件和基础，对科学研究更是如此。因为，科学研究是一项十分艰难、辛苦的工作，如果对它没有浓厚的兴趣，没有十分的热情，则很难持久地进行下去，也很难取得卓越的成就。
“生物化学”课程是运用化学原理在分子水平上解释生命现象的物质基础和化学变化的一门学科，是高校生命科学学院以及医学、农、林、环境等专业的最重要的专业基础课程。因此，需要在大学的低年级开设（通常在大一或大二学年开设）。在这个阶段，培养学生对生命科学研究的兴趣尤为重要，科研兴趣将会为学生在后面进一步学好其它专业课程奠定良好的基础。但是，低年级的大学生对科研还没有清晰的概念和深入的认识，而且“生物化学”作为一门微观生物学课程比较枯燥和抽象，记忆性的内容比较多，因此，在教学过程中一定要以兴趣为导向，采取行之有效的方式和方法，激发学生科研和学习的兴趣。国内外一些高等院校对“生物化学”课程已经开展了一些有益的改革和探索。有的探索从专业思维培养、批判思维培养、重视科学发现历程、教学密切联系科研进展及理论知识联系实际问题等多方面开展教学，对如何在高校生物化学教学中实现创新人才培养进行了探索[1]。在一些医学院校的“生物化学”教学中尝试开展PBL 教学模式，即“以问题为导向（Problem Based Learning）”的学习方式，该方式最早由美国著名的神经病学教授 Dr. H.Barrows 提出，主要是以问题为主的教学模式，教师在课堂上提出问题，然后引导学生对问题进行探究学习，通过查阅文献，小组讨论，最终找出解决方案。PBL 教学模式主要是培养学生实践能力、合作能力、探究能力等综合素质培养[2]。有的探索翻转课堂的教学模式，把“教师讲，学生听”的传统学习过程转变为“学生讲，教师听”的一种教学模式[3]，使学生变被学为主动学，取得了比较好的教学效果，但这种方式只能部分采用。
吉林大学生命科学学院“生物化学”课程教学团队在“生物化学”课程的教学过程中，十分重视对学生科研兴趣的培养，通过创新教学方法和途径，结合课程内容来激发学生们对探索生物学奥秘、揭示生命现象本质的热情和好奇心。吉林大学生命科学学院“生物化学”理论课程开设在大学一年级下学期至二年级上学期，讲授一个学年，共计96学时（不包括相应的实验课），学时比较多，课程内容比较详细。大一下学期讲授生命现象的物质基础，包括：蛋白质、酶、糖类、脂类和维生素的结构与功能。大二上学期讲授生命体的化学变化，即物质和能量代谢，包括：核酸及其代谢、糖类代谢、脂类代谢和蛋白质代谢等。为了避免重复教学，将遗传信息的传递内容全部安排在《分子生物学》课程中讲授。为了提高学生科技文献阅读能力，教材采用以英文原版教材为主，以中文教材为辅。
许多刚刚开始大学学习生活的学生往往习惯于被动接受知识的学习模式，接受知识、记忆结论仍然是他们的习惯性学习方式。让学生掌握所学的这些知识和结论是如何通过科学研究和实验获得的，提升学生的学习能力显得更为重要。正所谓：授人以“鱼”不如授人以“渔”。由于大一学生还没有机会接触到科学研究，学生们对于如何开展科研、如何设计科研实验方案、如何分析实验现象、如何通过实验结果获得正确的结论还感到茫然，不知如何下手。针对这样的情况，我们认真分析和总结以往的教学经验，以及指导研究生开展科研的经验，将科研与教学紧密结合起来。
一、教学方法改革
（一）提高英文文献阅读能力
提高英文文献阅读能力，为科研打好基础。为了迅速提高学生英文文献的阅读能力，为将来开展科研打下良好基础，我们在“生物化学”课程的教材选择和使用上进行了大胆的尝试。我们曾经以高等教育出版社出版的由北京大学王镜岩、朱圣庚等教授编写的“生物化学”为主要教材，结合使用英文原版教材[4][5][6]。近些年，我们改成以H.R.Horton等人编写的英文原版教材《Principles of Biochemistry》为主，以中文教材为辅。尽管在课程改变初期，学生们阅读英文教材比较困难，阅读速度比较慢，但是，在“生物化学”课程学习结束后，学生阅读英文文献的能力得到了显著提高。同时，在“生物化学”课程教学过程中，作为作业指定学生课后阅读与课程内容相关的英文文献，并撰写英文文献阅读笔记。许多学生在第一次写文献阅读笔记时写成了读后感，针对这种问题，教师给学生们讲解阅读文献的方式、方法和重点环节，使学生们初步具备了英文文献阅读的能力。另外，在学生的考核中，将英文文献阅读与课堂小测验相结合作为平时成绩（约占总成绩的30%），避免了期末考试一次决定学生成绩的弊端，受到了学生们的欢迎，起到了调动学生学习积极性的作用，取得了非常好的教学效果。
（二）培养科学研究“发现”思维
注重“发现”的过程，培养科学研究的思维方法。科学发现的过程是一种科学思维的创新活动的体现。在“生物化学”发展史上就有很多典型事件和重大发现体现了人类创新思维和方法，这些发现有成功的经验，也有失败的教训，这对培养学生的创新精神和提高学生的创新能力都具有十分重要的意义。我们在教学中不是一味地向学生讲授和灌输知识和结论，而是特别注重使学生学习这些知识和结论是如何通过科学研究和实验获得的，在获得这些知识和结论过程中是如何进行思考、设计和分析的。例如：在讲授代谢调的反馈作用时，以“瘦素”的发现过程为例，与学生们共同沿着这一重大发现的思维和实验设计过程去讲解和学习。从发现二只特别肥胖的小鼠開始，到如何提出假设，通过设计和开展小鼠连体实验对所提出的假设进行验证，再到对超出实验预想的实验结果进行分析，否定原来的假设，提出新的假设，直到得出正确的结论，最终发现了“瘦素”及其生物功能。但是，这又是生物技术产业发展过程一个“失败”的实例，最初发现“瘦素”是一种可以抑制食欲从而起到减肥作用的激素，但是，当使用了“瘦素”进行减肥以后，会产生“瘦素”抑制的现象，这也正是人体代谢的正常调节过程。因此，以这个实例讲授代谢调的反馈作用是一个非常好的实例，既使学生们学习了科学研究思维的方法，又更深刻地掌握了反馈抑制这一重要的生物化学概念。
二、教学内容改革
扩展教学内容，与科研实践相结合。在“生物化学”课程教学过程中，教师会查阅大量的文献资料，以不断补充教材中没有涵盖的、但可能在将来科研中会应用得到的内容。例如：对于蛋白质一级结构中二硫键测定的方法，教材中只讲授了经典的“对角线电泳法”，教师通过查阅文献给学生补充讲授了一种新的方法——“部分还原法”[7][8]，该方法是利用先进的质谱技术与部分还原的化学反应相结合的新技术;关于氨基酸的化学反应，教师补充讲解教材中没有涉及到的氨基酸的颜色反应，如：米伦反应、黄色反应、坂口反应、醋酸铅反应等，这些反应可以用于对氨基酸进行鉴别等。在讲授抗体的结构与功能内容时，对抗原-抗体专一相互作用这一性质的利用进行扩展，给学生重点介绍应用该原理的方法，如：Western Blot，ELISA和免疫扩散等方法，以及这些方法在医疗诊断、病原学和流行病调查等方面的应用。这些补充的内容对于扩展学生们的知识，对将来学生们开展科研都是十分有用的。
三、学习环境创设
（一）在科研实践中学习
“生物化学”是一门实验性学科，是以实验为基础，通过实验获得结论的学科。因此，在教学过程中始终要做到理论与实践相结合。在教学的课余时间，教师组织学生自愿成立科研课后实践小组，针对“生物化学”课程中的一些学术内容，尤其是一些有歧义的内容，让学生们通过实验来进行验证，亲自通过实验获得结论，这样会加深学生对这些知识的理解。但是，这些实验并不同于“生物化学”实验课程的内容，其更具有探究性质。学生们自发组织、自愿参加，课后到授课教师的科研实验室，利用学校资助的教研经费或申请的教改项目经费，在授课老师的指导下，自己查阅相关文献，设计实验方案，独立完成实验过程，对实验结果加以分析总结，得出结论，并与教科书中的结论相比较。例如：在学习蛋白质的“双缩脲反应”中，教材中的说明并不是很明确，隐含表述为只有三肽以上的多肽才能进行双缩脲反应。但是，学生们通过查阅文献发现部分氨基酸和二肽也可以与双缩脲试剂发生颜色反应[9]，学生对教材中的说法提出了质疑，科研课后实践小组通过开展验证实验来弄清楚这个问题。他们设计合成了几种不同的二肽，并选择了具有不同结构的氨基酸进行双缩脲反应，通过对结果的分析发现，这些化合物是可以与双缩脲试剂发生颜色反应的，但是，这些反应产物的颜色发生了变化，不同于与蛋白质和三肽以上的多肽反应的颜色，反应产物的最大光吸收波长有所增加。从这些现象可以推测，二肽和氨基酸与双缩脲试剂反应所形成的络合物的结构与蛋白质反应产物的结构是不相同的，学生通过这些实验进一步加深了对这部分内容的理解。在课后科研实践活动中，学生们的热情十分高涨，都积极踊跃报名参加，极大地激发了他们对科学研究的兴趣。
（二）在问题和质疑中学习
“生物化学”的难点在于微观、抽象、各种代谢反应交织成一个庞大的网络，且受到许多复杂条件的调控。为了使学生们学习起来不感到“眩晕”，一方面，要帮助学生们进行总结归纳，使学习内容脉络更清晰。另一方面，要在教学过程中，包括课上和课后经常给学生们提出与“生物化学”相关的问题，使学生们在问题和质疑中进行学习，使“生物化学”的学习由枯燥转变为有趣。例如：在刚开始学习蛋白质的时候，提出的一个问题是“蛋白质与肽的区别是什么”，因为这个问题在中学有所涉及，但中学教材中却没有明确说明，一些同学对这个问题存在误解，认为它们的区别在于蛋白质具有空间结构，而肽不具有空间结构。这是一个错误的理解，通过列举胰岛素、生长激素等实例来解释这一问题。在蛋白质结构的讲授中，英文教材中对“Motif”这个概念是从空间结构去理解，但是，它在蛋白质的一级结构中也有其特殊含意，在蛋白质的一级结构中，“Motif”是指一个经常出现的、有一定规律的序列模式。
（三）在“生活中”进行学习
“生物化学”课程内容与人类的健康和生活密切相关，因此，在教学中我们结合生活中的生物学问题进行讲解，使学生们联系实际进行学习，增强了学习的实用性和目的性，也使抽象的生物化学代谢途径的学习变得更加容易掌握。例如：在讲授电子传递链和氧化磷酸化的各类抑制剂时，以多种生活中常见或学生们比较熟悉的物质为例，如：氰化物、一氧化碳、杀虫剂等，说明他们是如何发挥抑制作用，导致生物体ATP生成受到影响，从而发挥其生物毒性;在讲授嘌呤核苷酸代谢时，由于灵长类嘌呤代谢终产物为尿酸，所以，我们以当前社会上的常见“痛风”病为例，通过讲授嘌呤在人体内是如何代谢为尿酸来说明“痛风”病的发病机制，以及目前市售的各类治疗痛风药物的作用机理;在讲授脂肪代谢时，结合当前肥胖人群越来越多的问题，综合讲授糖类、脂类、核酸和蛋白质等生物大分子在生物体内的相互转化，从而使学生理解为什么在几乎不食用高脂肪食物时，人体仍然会发胖，以及如何避免肥胖等;在讲授酶学部分的难点内容“酶的催化反应动力学”时，结合讲授抗肿瘤药物的作用机理进行，使抽象的内容具体化，更容易理解和掌握;在讲授酶原激活的内容时，给学生们扩充讲授血栓的形成过程及其分子机制;在讲授蛋白质含量测定方法的对凯氏定氮法时，结合前几年出现的三聚氰胺“毒奶粉”事件进行讲解，使学生理解了该事件发生的前因后果;在讲授“蛋白质的分离纯化和表征”的内容时，结合刚刚发生的长春的“长生生物”的疫苗事件，从专业学习的角度给学生们讲解国家药品监督部门及药品监督法规是如何对疫苗的生产和质量进行管控的，什么是假疫苗和劣质疫苗等相关问题。这些都引起了学生们的浓厚兴趣，十分有助于对“生物化学”的学习。
（四）在生命科学的“前沿”中学习
当今的生命科学的发展日新月异，不断有新知识、新技术的更新和出现。因此，必须不断跟踪生命科学发展的前沿和热点，才能引起学生学习和科研的兴趣。教学团队的教师们在学院的支持下，经常参加国内外的各种学术交流活动，了解和掌握“生物化学”相关的生命科学的前沿和热点问题，并及时在课程教学中传授给学生。课上，教师还会对历年与生物化学相关的诺贝尔生理和医学奖以及化学奖的获奖研究成就进行讲解，如：2018年获得诺贝尔生理和医学奖的是关于肿瘤的免疫治疗的研究，结合阅读英文文献给学生们讲解了相应的免疫检查点的新概念，以及PD-1和PDL-1的结构与功能，引起了学生们极大的学习兴趣。在讲授“血红蛋白和肌红蛋白的结构与功能”内容时，在讲解镰刀状贫血症等分子遗传病的病理时，还讲授了当前研究的前沿热点基因治疗的方法。
总之，通过这些对“生物化学”课程的教学实践方法，使枯燥的、抽象的“生物化学”变成了有趣的、具体的“生物化学”，使学生们由对它的恐惧和厌烦转变成愿意学习它，主动学习它，甚至渴望学习它。课堂的出勤率在95%以上，学生们的学习成绩也有了很大的提高，不及格率低于3%，为后续其他专业课学习奠定了良好的基础，对学生将来从事科研工作起到引领和启迪作用。
参考文献：
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[2]于立娟，张恒龙，王涛，翟静.PBL联合LBL双轨教学模式在医学留学生生物化学教学中的实践应用[J].生命的化学，2018 （02）：316-319.
[3]容梅，彭雪红.翻转课堂的历史、现状及实践策略探析[J].中国电化教育，2015（7）：108-115.
[4]王镜岩、朱圣庚、徐长法等.生物化学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2002.9
[5]朱圣庚、徐长法等，生物化学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2017.1
[6]H.R.Horton，et al. Principles of Biochemistry （FOURTH EDITION）[M].北京：科学出版社，2005.6
[7]仇晓燕，崔勐，刘志强，刘淑莹.蛋白质中二硫键的定位及其质谱分析[J].化学进展，2008（6）：975-983
[8]刘中华，梁宋平.部分还原和分步序列测定法定位虎纹捕鸟蛛毒素-Ⅳ二硫键[J].高等学校化学学报，2003（10）：1815-1819
[9]Glen L. Hortin， Bonnie Meilinger.Cross-Reactivity of Amino Acids and Other Compounds in the Biuret Reaction： Interference with Urinary Peptide Measurements[J].Clinical Chemistry. 2005 （8）：1411-1419
（責任编辑：滕一霖）
