生物化学中学生逻辑思维能力培养

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摘要：逻辑思维是正确认识抽象事物的重要手段，在对中医药及生命科学的学习与研究中起着重要作用。生物化学是中医药专业的一门必修专业基础课程，由于该课程知识点多、系统性强、内容抽象、难度较高，导致许多学生缺乏运用逻辑思维分析、解决相关专业问题的能力与意识。据此，以“蛋白质结构与功能”一节为例，采用案例分析结合以问题为基础的教学方式，探讨如何在生物化学教学中引导学生积极思考，激发学习兴趣，培养学生的逻辑思维能力。

关键词：氨基酸序列；构象；功能；逻辑思维

课程教学过程是思维活动的过程。思维可以分为逻辑思维与非逻辑思维。逻辑思维包括形式逻辑思维与辩证逻辑思维，形式逻辑思维能力的基本形式主要包括对事物进行比较分析、因果分析、分析与综合、判断与推理等能力；辩证逻辑思维能力是在此基本形式的基础上符合对立统一、发展变化等辩证法规律的思维能力［１－２］。生物化学是中医药学专业的一门必修课程，是从分子水平上通过研究生物大分子的结构与功能及人体内的物质代谢与能量代谢过程揭示生命现象本质的基础生命学科，具有抽象性、系统性较强的特点［３］。为了确定中医药院校学生逻辑思维能力培养的必要性，２０２０年期间对中医学、中药学专业的学生进行的调查结果显示，在被调查的１３６位中医药学专业学生中，大多数学生已经了解逻辑思维能力的有关概念并且在中学阶段进行了相关训练，但约６５．４％的学生表示进入大学阶段，由于专业课程难度较高，导致无法很好地将逻辑思维能力应用在新专业知识的学习中。逻辑思维在《黄帝内经》《伤寒论》中的体现与发展，形成了中医理论与辨证论治的基本框架［４］。因此，将逻辑思维能力的培养科学合理地融合在生物化学教学中，不仅能够让中医药学专业学生更容易掌握专业知识，而且可以帮助其建立中医药学逻辑思维体系的有效途径。本文以蛋白质一章中“蛋白质结构与功能”一节为例，探讨在生物化学教学中如何通过教学实践培养学生的逻辑思维能力。

１教学设计

（１）介绍分子医学之父英格拉姆事迹，激发学生学习兴趣。在导入新课时，教师以“分子医学之父英格拉姆对镰刀状细胞贫血病的研究”为案例，介绍该分子病的相关资料：１９１０年，一个黑人青年到医院看病，经过检查发现，该患者红细胞的形态呈现弯曲的镰刀状且容易破裂造成溶血，导致红细胞数目与血红蛋白含量明显降低，因此，这种特殊的贫血病被称为镰刀状细胞贫血病。该疾病是一种致死性疾病，在非洲和美洲黑人中高频率发生，会使患者寿命明显缩短。随着分子遗传学的进展，１９５７年由英国科学家英格拉姆通过联合使用电泳和纸层析技术，阐明了该疾病是由于遗传基因突变导致血红蛋白β链上从Ｎ⁃端起第六位氨基酸（β６）由Ｖａｌ替代Ｇｌｕ所造成的［５］。教师据此设定疑问：血红蛋白的生理功能是什么？为什么血红蛋白β链中单一氨基酸的改变就会导致如此严重的疾病？由此引出蛋白质的氨基酸序列对其功能的重要性。在课堂导入中，通过讲述案例，调动学生学习的积极性，激发其探索专业知识的兴趣。在活跃的教学气氛中，学生开始学习蛋白质结构与功能的关系。

（２）通过推理及因果分析，得出蛋白质变性与复性实验的结论。教师通过多媒体ＰＰＴ、动画展示核糖核酸酶变性与复性经典实验，学生推理得出蛋白质的功能与其构象密切相关，而其构象是以氨基酸序列为基础的结论。对于学生的推理结果，教师予以肯定，并且通过提问：氨基酸序列如何决定蛋白质构象？从而引导学生分析蛋白质构象形成的本质，即由于氨基酸残基侧链基团的疏水／亲水性、带电荷状态的异同，它们彼此之间以及与周围环境之间相互作用，最终形成了热力学上最稳定的空间结构。该过程训练了学生依据实验现象推理得出正确结论的能力以及对实验现象的因果分析能力。

（３）通过比较分析，掌握血红蛋白和肌红蛋白的结构与功能。①教师提出问题：在蛋白质的氨基酸序列不改变的情况下，其构象与功能是否会发生变化？②通过多媒体ＰＰＴ展示血红蛋白和肌红蛋白的分子结构与氧解离曲线，学生开始对血红蛋白和肌红蛋白的分子结构与结合Ｏ２能力等方面进行对比分析，了解血红蛋白亚基之间由于存在相互作用，其整体结构比肌红蛋白更为复杂，具有一些新的性质，如肌红蛋白容易与Ｏ２结合，而血红蛋白在氧分压较低时难以与Ｏ２结合。以此提示学生将分析所得结果与人体静脉血和动脉血的氧分压进行联系，使学生意识到血红蛋白和肌红蛋白的生理功能。③介绍别构效应的概念，并指出除Ｏ２外，ＣＯ２、Ｈ＋、２，３⁃二磷酸甘油酸等也可以作为血红蛋白的别构剂，并通过展示这些别构剂对血红蛋白氧解离曲线的影响，引导学生分析其对血红蛋白结合Ｏ２能力的影响，提示将其与人体生命活动及所处的环境因素进行联系和综合，使学生了解血红蛋白这些别构效应的实际生理意义，并且掌握别构蛋白在氨基酸序列不改变的情况下，通过变构就可以改变活性的现象。

（４）通过判断与推理，了解镰刀状细胞贫血病的分子机制。①教师引导学生分析镰刀状细胞贫血病的发病机制，解释课堂导入提出的问题。学生对正常血红蛋白和突变血红蛋白β６位氨基酸侧链性质进行比较分析，意识到当β６Ｖａｌ替代Ｇｌｕ时可以导致血红蛋白分子表面多了一个疏水侧链，并判断这一变化可以降低脱氧血红蛋白的溶解度。②通过多媒体ＰＰＴ展示突变血红蛋白β６Ｖａｌ疏水侧链在分子表面形成一个“突起”，并且脱氧血红蛋白分子表面存在与其空间互补的疏水“口袋”，学生据此推理突变血红蛋白之间可以通过疏水作用发生聚集而形成纤维状沉淀，并推理该纤维状沉淀可以压迫细胞膜，使细胞形态弯曲成镰刀状。提示氧合血红蛋白分子表面不存在疏水“口袋”，引导学生进一步判断当氧分压降低时，细胞镰刀状化程度增加，并推理随着纤维状沉淀的延长可以使红细胞破裂而导致贫血，并且破裂后细胞内容物沉积在血管壁上阻塞血管而导致组织缺血受损，影响器官功能与患者寿命。③教师对学生的判断与推理结果予以肯定，介绍镰刀状细胞贫血病分子机制的发现是医学分子生物学史上奠基性贡献之一，也因此英格拉姆被称为分子医学之父。通过引导学生对已经获得的判断进行推理，拓展他们对事物的认知结构，得出蛋白质的氨基酸序列在决定其构象与功能方面具有重大作用的结论。

（５）通过辩证、判断与推理，了解镰刀状细胞贫血病与疟疾的关系。①教师通过“非洲大陆某些镰刀状细胞贫血病发病率高的地区又是疟疾流行的地区”的案例，设定疑问：这种遗传病与传染病之间有怎样的关系？其原因是什么？安排学生以小组为单位阅读文献［６］、讨论并回答上述问题。②通过观察各小组阅读文献后的讨论结果是否能够体现镰刀状细胞贫血病缺陷基因纯合子个体（患者）对疟疾比正常人更为敏感，而其杂合子个体（携带者）对疟疾比正常人更具抗性，以评价学生从辩证的角度认识镰刀状细胞贫血病与疟疾之间关系的能力。③通过观察各小组学生是否能够正确推理、解释产生这种辩证关系的原因，即由于疟疾可以导致镰刀状细胞贫血病患者贫血症状更为严重，以及由于镰刀状细胞贫血病经常伴随脾功能异常，从而导致人体对疟原虫的清除能力下降，造成患者对疟疾更敏感的结果，而由于疟原虫的感染容易导致镰刀状细胞贫血病携带者的红细胞形态改变，有利于被巨噬细胞吞噬，将疟原虫及被感染的红细胞清除，因此造成携带者产生抗性，以评价学生的因果分析、判断与推理等能力。④通过观察各小组学生依据镰刀状细胞贫血病与疟疾之间的关系，是否能够提出合理有效的预防措施，以评价学生利用理论知识解决实际问题的能力。

（６）通过比较分析与辩证，熟悉氨基酸序列、蛋白质构象与其生物学功能之间的关系。①以“蛋白质的同源、趋同进化”为例，进一步激发学生对立统一的辩证思维倾向。让学生以小组为单位进行讨论：２种蛋白质的氨基酸序列不同是否一定会导致其构象与功能不同？②通过多媒体ＰＰＴ展示不同生物体内细胞色素Ｃ的氨基酸序列、构象、功能的对比结果，指出如果两种蛋白质序列相似性达到４０％且功能重要的残基在两个序列间保守，通常认为这两种蛋白质同源且具有相似的功能。然后继续提问：构象与功能相似的蛋白质之间是否一定会存在相似性较高的氨基酸序列？③通过多媒体ＰＰＴ展示免疫细胞中两种细胞因子受体Ｐ３１７８５和Ｐ１４７８４的研究结果，即它们的氨基酸序列相似性仅为２３％，但其具有相似的构象且都定位在细胞膜上，有着极其相似的功能。由此引导学生意识到即使２种蛋白质的氨基酸序列相似性较低，在亲缘关系上相距很远，但通过环境选择、趋同进化，也可能产生相似的构象与功能［７］。在此过程中，学生不仅对蛋白质的氨基酸序列、构象、功能之间的关系有了深层次的、整体的、系统的认识，而且培养了辩证思维倾向。

２教学方式

以问题为基础的教学方式是指在课堂教学中，以学习问题为核心，以学生自主学习为主体，以教师引领为主导的讨论式和启发式教学模式［８］，然而，该教学方式仅侧重于提高理论知识的理解和记忆，与临床疾病案例结合不够紧密。中医药院校开设生物化学课程的主要目的是揭示生物功能分子在人类疾病治疗、诊断、预防中所起的作用，培养具备扎实生物化学知识的学生加入到人类健康事业中。在教学方式上，依据教学内容，应侧重选取与临床疾病密切相关的案例贯穿课堂，同时融合其他教学方法的优势，取长补短；因此，本节课将临床案例分析与以问题为基础的教学方式相结合，不仅有利于激发学生的学习兴趣、促进自学能力、培养学生分析、解决问题的能力，而且能够使学生掌握生物功能分子在人类疾病中所起的作用。前期问卷调查结果显示，在被调查的中医药学专业１３６名学生中，约有７４．３％的学生认为生物化学知识枯燥、抽象，由此产生的畏难情绪是学习生物化学的最大障碍。据此，本节课采用案例分析与以问题为基础的教学方式，通过讲述英格拉姆的故事，探讨他在血红蛋白分子病中的贡献，并围绕此案例设计一系列既与教学内容相关，又符合引导学生运用逻辑思维能力的问题。在教学过程中，以这些问题为基础，以教师为引导，以学生为主体，为学生提供独立思考和小组讨论的空间，让学生能够回答问题并提出自己的见解，对学生回答不了或回答不完整的问题，由教师加以补充，提高学生学习生物化学的积极性与主观能动性，使学生掌握蛋白质结构与功能知识的同时在潜移默化中培养逻辑思维能力。本节课通过多媒体ＰＰＴ阐述生物化学的基本概念、展示蛋白质的结构与功能，如在描绘正常血红蛋白和突变血红蛋白的结构差异时，采用三维动画的形式，使其简明直观地展现出来，用特写的镜头突出突变血红蛋白的变化，使抽象难懂的理论知识变得清晰具体，引导学生进行对比、判断、推理。对于分析所得出的重要结论和知识点，通过板书书写，帮助学生记忆。依据教学目标，合理地选择多媒体或板书作为教学手段，使学生能够被正确地引导，进行有效的师生互动，鼓励学生自主学习与思考，充分发挥学生的主观能动性，才会提高教与学的效率，从而取得良好的教学效果。

３教学评价

学生逻辑思维能力的培养效果从课堂教学的实际感受和课后问卷调查２个方面进行评价。在授课过程中，通过课堂学习情景和氛围评价学生逻辑思维能力的训练方式是否设计合理，及时调整授课的难易程度。在本节课实际教学过程中能够感受到大部分学生基本能够按照教学设计被正确引导，基本能够对教师提出的问题进行正确阐述，参与回答问题、积极讨论的人数明显增加，这表明本课程培养学生逻辑思维能力的方法是合理可行的，并且能够有效激发学生的学习兴趣。课后采用无记名问卷调查方式，征求学生对课程的教学评价，评价选项包括非常满意、基本满意、不太满意、不满意。评价内容包括本节课教学设计的合理性，其满意率为１００％；对学习兴趣提高的帮助，满意率为８９％；对理解专业知识的帮助，满意率为７８％；对逻辑思维能力的培养，满意率为９６％；对主动分析与解决问题能力的培养，满意率为８４％。结果说明绝大多数学生认同将逻辑思维能力训练融入课堂教学，并对本课程逻辑思维能力的训练方式表现出较高的兴趣和热情。

４结语

逻辑思维能力是掌握现代中医理论的基础。然而，在实际教学过程中，学生逻辑思维能力的培养未能充分地与学科教学有机的结合。课程教学不仅是专业知识的教学，还应该包括逻辑思维与思辨能力的方法教学。逻辑思维有多种类型，在生物化学课程教学中，教师需要依据不同章节的特点，针对不同的教学内容，在培养学生逻辑思维能力的形式上有所侧重。通过注重训练和发展学生的逻辑思维能力，不仅使学生更容易学习新知识、掌握新本领、接受新事物、解决新问题、开阔新思路，而且能够激发学生的学习兴趣，解决课堂“低头族”的问题。

作者:韩琦 王娜 张建 单位:北京中医药大学生命科学学院 北京师范大学第二附属中学