理论与实践结合在生物化学教学的应用

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摘要：理论与实践相结合是理工科专业课程教学常用的教学模式，主要应用在实验课教学中。实验操作可培养学生的动手能力，促进学生对理论知识的理解与掌握。本文以生物化学教材中的PCR技术为例，将PCR实验技术的关键信息提炼、整合到理论课的授课过程中，提出理论与实践相结合并且融合课程思政的教学设计策略，旨在为理工科理论课的课堂教学提供有价值的参考。

关键词：理论与实践相结合；生物化学；教学设计；PCR技术

生物化学是从分子水平阐述生命体的化学组成、物质代谢和能量代谢规律的科学。它既是现代生物科学及相关学科的基础，也是高校生物类、农林类、医学类、食品类等专业的核心基础课，在整个专业课程体系中均占有非常重要的地位[1-2]。经过多年的教学实践发现，该课程包含的知识点繁多、理论性较强、概念抽象，其中涉及的代谢反应复杂且枯燥[3]。即使是生物科学专业的学生也感到理解难、记忆难、掌握难，导致学生的学习兴趣不高，甚至产生畏惧和排斥情绪等问题，出现“生统(生物统计学)生化(生物化学)，必有一挂”的说法，认为生物化学是本专业最难学的课程之一。因此，如何在有限的授课时间内激发学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习，使学生尽可能掌握有足够深度和广度的生物化学知识，真正对其专业学习有帮助，是生物化学课程教学过程中要着力解决的问题。理论与实践相结合的教学模式能够随时随地结合当前社会热点，撷取课程相关元素，利用生物化学知识贴近生活的优势，拓宽学生视野，吸引学生的课堂注意力，培养学生的课程学习兴趣，及至科研志向和报国情怀。本文以生物科学专业生物化学课程的一堂课——以PCR技术为例，介绍在理论与实践相结合理念下进行课堂教学设计的探索与实践，旨在为一流学科拔尖创新人才培养背景下，更好地进行课堂教学提供可借鉴的教学思路和实践经验。

1理论与实践相结合理念下课堂教学设计的策略

作为一门建立在实验研究基础上的学科，生物化学教材中的知识点与具体的实验技术或者研究结果密切相关。采用理论与实践相结合的教学设计策略一方面有助于加深学生对生化知识点的理解与掌握，另一方面也体现了学以致用的理工科教学思想。在理论与实践相结合理念下，课堂教学设计的策略主要包括以下几个方面。

1.1借助时事或研究热点讲授生化知识

在教学设计时，以当前正在发生的生物学相关时事或研究热点为切入点，激发学生的学习兴趣。前提是找准时事热点与授课知识的关联点，将生物学现象升华提炼至待解决的生物学问题，引导学生将本节所学知识运用至生物学问题的解决方案中[4]。比如，在讲授遗传物质可以是DNA，也可以是RNA时，以“2020年1月疫情爆发，至今依然没有结束”为话题导入相应知识点，然后以大家都关心的COVID-19为例，介绍该病毒的遗传物质是一个大小为30Kb的正义、单链RNA，是典型的RNA病毒。随后说明该病毒基因组序列的及时、尽早确定及公布是公众生活中病毒检测、疫情监测及后续疫苗开发的基础。并且强调，后续COVID-19致病机理的研究也是当前生物学研究的热点。我国已经发表了多篇高水平研究论文，充分体现了科学研究紧贴国家需要，响应“将科研论文写在祖国大地上”的国家号召，润物无声地融入课程思政内容。

1.2结合生活实例讲授生化知识

生物化学本身就是一门阐释生命规律的学科，源于生活而又高于生活。因此在进行教学设计时要利用这个特点，因时因势地将日常生活中的现象引入课堂，倡导学生将学到的生化知识指导个人生活[5]。比如，在讲授真核生物RNA聚合酶特性时，不同种类的RNA聚合酶对α-鹅膏蕈碱的敏感性不同，除了介绍RNA聚合酶Ⅱ对该环状八肽非常敏感外，还重点强调α-鹅膏蕈碱来源于一种口感不错、森林或草地中经常出现的白毒伞蘑菇。指出白毒伞中的α-鹅膏蕈碱通过抑制真核生物RNA聚合酶Ⅱ的活性，抑制mRNA的合成，因而对人体有剧毒。最后告诫学生，在生活中千万不要因贪图美味而食用未经鉴别的新鲜“蘑菇”。又如，在讲到脂肪的生理作用时，强调脂肪在人体内有多种用途，提醒学生合理搭配食谱，不要盲目节食和减肥。

1.3运用科学故事，讲清讲透生化知识

生物学知识发现的过程，本身是一个根据现象-提出假设-实验探究-验证假设-得出结论-解释现象的过程。教学设计中通过讲述研究过程(科学故事)来介绍特定知识点，不仅有利于学生理解相应知识点的内涵与意义，更是在潜移默化地告诉学生从事科学研究时应该采用的思路与方法[6]。比如在介绍转座子特征时，为了能够说清真核生物的Ac-Ds转座系统，直接从BarbaraMcClintock对玉米籽粒颜色的研究讲起。除了说明该转座系统的作用机制外，还要提到McClintock的这一发现并不被当时的科学界认可，直到新技术新方法的验证，经过漫长的岁月，转座子的理论才获得科学界肯定的事实，点明“是金子总会发光，真金不怕火炼”的道理。

1.4实验反哺理论课教学，夯实生化知识

随着全员导师制的普及，很多高校的本科生从大一起就开始进入实验室，进行科研训练。但这些本科生缺乏生物学专业知识，对实验室常规实验的技术原理一知半解，虽然可以进行实验操作，但想把实验做好却非常困难。生物化学本身是一门实用性非常强的实验学科，在教学中如果有意识地将知识点分解于实验技术讲授中，采用理论-实验-理论的教学策略，不仅可能帮助学生解决实验困境，而且能让学生真真切切地觉得生化学习非常重要，从而大大激发学生的求知欲与学习兴趣。

2理论与实践相结合理念下的教学案例设计

选取生物化学教材中PCR技术为案例进行教学设计(图1)。PCR技术本身为一实验技术，对该技术的理解与掌握既需要学生有“DNA复制”方面的理论储备，更需要将酶学知识落实到具体应用。因此在教学设计中需要将两个章节的理论知识有机整合到一起才能让学生真正明晰PCR技术。

2.1学情分析

本课程授课对象为生物科学(拔尖创新计划)专业本科二年级学生，学生的植物学、动物学及化学等基础知识较扎实，思维活跃，课堂气氛较好，大多数学生在教师引导下能够积极参与课堂讨论和学习。学生已掌握“酶学”相关知识，已学习了“DNA生物合成”理论，对DNA合成过程有了初步的认识。多数同学已进入实验室开始科研训练，在研究生指导下具有一定的PCR操作经历，但还未开始系统地学习PCR相关知识，对PCR的原理及优化策略也缺乏具体的认识，还不能对实验过程进行有效的分析和优化，需要在本节学习中予以系统化和细化。

2.2教学目标、教学重难点及教学方法

根据教学内容和教学安排，本节课的教学目标为：掌握PCR的概念，理解PCR技术的基本原理，掌握PCR技术的优化策略及了解PCR技术在科学研究及医学上的应用。本节课的教学重点为：PCR技术的概念、基本原理及PCR技术的优化策略。本节课的教学难点为：PCR技术的优化策略。整节课通过PPT图片展示及小视频播放进行多媒体网络教室授课，最后结合微信群答疑呈现整个教学过程。

2.3教学过程设计

2.3.1创设情境，话题导入

本课以“核酸检测导入，创建话题”方法，创设生活化的教学氛围，使学生结合当前社会热点开始新知识的学习。PPT图片依次展示人们排队进行咽拭子取样及用以进行核酸检测的PCR仪。疫情期间“核酸检测”的名词已为大众所熟知，此时讲解的“核酸检测”是通过PCR技术进行的，引出PCR技术的概念。以的检测方法开始，激发学生对PCR技术相关理论的学习兴趣。这样的教学设计既能提升学生的求知欲，也能让学生明白，高大上的实验技术不只存在于科学研究中，同样也可应用到我们的实际生活中，从而树立“科学技术应用于生活，服务于人民”的理念及信心。

2.3.2讲授过程，提出问题，学习新知识

从体内DNA合成的半保留复制机制导入体外DNA合成(PCR)的基本原理。强调PCR扩增产物以2n增加，其本质就是在体外进行的DNA复制过程。特定核酸序列的检测是以已知序列为前提，中国第一时间公布基因组序列本身就是一种大国担当和负责任的行为。PPT动画展示DNA的指数形式扩增过程。通过对PCR基本原理的讲述，结合疫情融入思政内容，使学生不知不觉中培养了家国情怀及科学严谨的求是精神。在介绍PCR反应体系配制时，首先引导学生回忆一下体内DNA合成体系及酶促反应动力学的内容(PPT图片及图表展示)。通过课堂询问学生个人实验室PCR操作时不同试剂的配比情况，结合以前所学的体内DNA合成特点，讨论体内与体外DNA合成所需原料的区别，结合酶学知识(主要是影响酶促反应速度的因素)说明如何通过反应体系的优化更有效地扩增出目的序列。通过实验实例，详细解读体系中每一种试剂添加量的依据，同时结合学生实验中出现的问题，给出PCR克隆基因失败时如何调整体系中模板及Mg2+浓度的优化策略，特别说明PCR体系中缓冲液应设定为DNA聚合酶的最适pH，而Mg2+作为聚合酶的激活剂会影响酶促反应速度，但Mg2+过量会增加非特异扩增并影响产率。该部分教学设计与实验室应用、学生的实验经历紧密相连，通过该部分讲述，使学生知其然，知其所以然，知识与技能融会贯通、综合应用的同时学习兴致也高涨[7]。在讲解PCR程序设定时，首先复习“DNA退火与复性”的定义及影响因素，穿插讲述PCR技术的发明者穆利斯发明该技术时的偶然与异想天开。随后讲述现代实验研究技术的改进，最终结合酶促动力学内容及DNA的结构讲述PCR程序中变性、退火及延伸等步骤的含义，举例说明如何根据扩增DN段大小、DNA聚合酶的特性设定反应退火温度及延伸温度和时间。既激发了学生的学习及科研探索的兴趣，也让学生体会到书本上的理论在特定实验中的具体应用，对学生进行情感教育。教学过程中发现，学生虽理解“退火”的含义，却无法应用到具体的实验中。通过回顾酶学和核酸结构知识内容结合学生的实验实例讲述PCR程序设定的基本原则和优化策略，教会学生具体问题具体对待的方法。穆利斯的故事一方面引起学生的学习兴趣，另一方面强调“念念不忘，必有回响”、孜孜以求的科学精神，最后进行知识点总结，分析重点、难点。这样既拓展了学生的视野，又培养了学生科学探究及解决问题的能力[8]。PCR技术在医学、法医及生物学研究中应用的讲授则再次回到的核酸检测等内容的简要介绍上(PPT图片展示并板书)。

2.3.3巩固知识，拓展应用

最后，通过一个《笑爆！PCR被解释得如此清新脱俗》小视频对PCR反应体系的配置及程序的设定等优化策略进行趣味性总结。设置课堂提问及课后作业，进一步加深学生的印象，让学生掌握这节课的重点内容。提出发散、扩展、升华学生思维的问题(思考不需要引物的DNA聚合酶是否可以应用于PCR反应中)，让学生课后搜集总结PCR体系中的DNA聚合酶的种类和特点，并结合个人基因克隆实验，设计一个克隆特定基因的PCR反应体系及PCR程序的实验方案。课后作业的设置是对本节知识点的理解、概括与课外拓展，要充分发挥学生自主学习及解决问题的能力，拓展知识空间，激发学生科研兴趣，培养学生创新能力，有利于学生将来开展更深入的应用研究。

2.4教学设计特色

本节课教学的对象是大学二年级拔尖创新计划的学生。他们有一定的生物学基础理论及实验操作技能，有较强的理解能力和同伴合作互助能力，在教学设计中充分调动学生们的积极性，引导学生主动探索、自主学习，培养他们的创新能力。本节课的设计特色如下。

2.4.1将社会中的生物学热点导入教学

2020年疫情肆虐全球，本节课以全民关注的“核酸检测”作为切入点，引起学生学习兴趣，结合创新拔尖人才培养的目标，使学生进一步体会到科学技术与现实生活的紧密联系，鼓励学生学以致用。

2.4.2理论知识与实践应用的整合

将DNA复制及酶学知识详细地融合到PCR反应体系成分配置及PCR程序步骤设定的教学中，使学生在学习新知识时不忘旧知识，真正地体会到教材中的理论知识应用到实践中的乐趣，极大地调动了学生学习生物化学这门课的热情。

2.4.3课程思政的有机渗入

教学中穿插穆利斯发明PCR技术的故事，激励学生进行科学研究时必须要专心致志，方有所成的科研精神。同时在讲述PCR原理时，特别提到疫情发生后，中国持续不断地向全世界提供检测试剂盒和防疫物资，体现大国担当和责任。将思政内容融入授课过程，培养学生的国家自豪感、民族自信心。

2.4.4多种教学手段、教学方法综合运用

整节课应用了举例、动画、图片、文本、视频等多种教学多媒体资源，采用了提问、设问、讨论、推理、案例、复习知识点等多种教学方法将知识点串联起来。尤其是以爆笑小视频对本节课重点及难点内容进行总结和强调，在活跃课堂气氛的同时，让学生掌握本节课的内容。多种教学手段的综合运用，一方面使原本枯燥无味的书本知识变得生动和有意思起来，另一方面也让学生在思考讨论的环境中进行学习，学生完成任务的同时培养他们的探索能力、知识迁移能力及自学能力[9]。

3小结与展望

本节教学设计思路清晰，从理论到应用再到理论，步步推进，层层深入。这样既解决了本节教学的难点，又能让学生学得轻松自然，也达到了这节课的教学目标。该设计充分体现了理论与实践相结合及课程思政的教学理念，以学生为主体，注重学生的终生发展。教师以核酸检测为主线，将本节课的知识点巧妙地串在一起，突出了理论应用于实践的现实意义。在这节课中，不仅让学生学到了生化知识，更使大家学到了通过提出问题、解决问题，从而掌握知识的方法，是学生非常喜欢的一节课。理论与实践相结合的教学策略虽然能够激发学生的学习兴趣，为学生的科研训练及随后的科学研究提供方便，但对授课教师也提出了较高的要求。一方面要求授课教师日常注意收集社会热点中的生物学素材，并将该素材提炼、加工，然后有机地融合到教学设计中；另一方面要求任课教师有较深的科研积累，能够将个人的科研实践经验润物无声地体现在教学过程中。总之，要讲好一门课，教师需要具有课程意识、人文精神和精神导师的综合素质，通过融入社会热点、加入课程思政的理论与实践相结合的教学过程，激发学生的创新意识，调动学生学习兴趣、引导其研究志向，从而培养适应性、应变能力强的拔尖创新型生物学人才。

参考文献

[1]张涛.高等师范院校生物化学课程教学改革实践.沈阳农业大学学报(社会科学版),2013,15(3):341-344

[2]徐雅楠,张国文,孙立杰,等.食品生物化学理论课程混合式教学改革初探.生命的化学,2018,38(2):340-345

[3]谢彩凤,涂硕,杨晓红,等.生物化学与分子生物学微信教学公众号:现状与建议.中国生物化学与分子生物学报,2021,37(6):830-836

[4]兰利琼,赵云.通识教育课程教学目标的确立、实施与达成—以“社会热点中的生物学”为例.高等工程教育研究,2019(4):84-89

[5]赵东旭.生活常识引入《生物化学》的课堂教学.生命的化学,2019,39(4):795-803

[6]王丽燕,曹际云,谢兆辉,等.讲好科学故事，提升生物化学教学内涵.生命的化学,2020,40(8):1447-1452

[7]郭宾会,傅媛媛,骆乐,等.通识教育-生命科学奥秘探索中的生物化学实验教学.生命的化学,2019,39(6):1238-1242

[8]张月杰,刘涛,高政权,等.基于创新能力培养的《生物化学实验》教学改革初探.生命的化学,2019,39(4):822-825

[9]黄春洪,杨晓红,胡晓鹃,等.如何让生化课堂生动化.生命的化学,2018,38(1):156-159

作者：刘凌云  单位：河南大学生命科学学院