微生物“能量代谢”微型课程（网络课程）的构思与探讨

黎勇，齐泽民

摘要：微生物代谢是生物代谢多样性的最大类群代表，微生物学中“代谢”一章的讲解需要密切联系生物化学及无机化学的相关知识，但是在有限的教学时间内难以完成相关知识的全部梳理，以MOOCS教学理论为指导，充分利用网络课程，进行“微课”教学设计，可有效解决这一问题。文章讨论了相关知识补充和“微课”设计的必要性，并提出“微课”的设计方案。

关键词：课程设计;微型课;网络课程

中图分类号：G423.04     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2014）41-0221-02

微生物学（普通微生物学）主要讲解了学习微生物的形态结构、代谢营养、遗传变异及生态学等相关基础知识。微生物代谢是生物代谢多样性的最大类群代表。“代谢”一章在全书中具有核心地位，它既是前面章节铺垫的目标指向——结构是认识微生物及微生物生命活动的基础，而代谢是结构的注解，同时也是生态、遗传以及免疫的基本依据[1]。

微生物拥有远远超出动植物代谢的复杂性，因而在学习掌握相关知识时，要求学生的普通化学、（氧化磷酸化）生物化学（电化学学、电子传递磷酸化）的基础必须全面扎实。在多年的教学中我们发现，除个别优秀学生外，大多数学生对这一章节的学习感到困难，用学生的话来说，学习本章节，最大的感受是许多问题半懂不懂，十分尴尬。开始我们认为学生不太用心，可等到了三、四年级学生还是会对一些基本问题搞不清，而且各专业、各年级均出现类似现象，这就促使我们进行静心思考与分析。

一、章节内容特点分析

研究代谢问题的核心，一是其能量流动，二是酶促的生物大分子转化，其中能量代谢是基础。生物代谢的基础是能量，因而微生物能量代谢多样性也必然是十分丰富生动的。对此，教学大纲安排了4学时。基本知识：（1）旧知识复习：电子传递与氧化磷酸化，糖酵解，戊糖磷酸途径与柠檬酸循环;发酵。（2）知识扩展与提高：细菌电子传递链的多样性，无氧呼吸，发酵的原动力、多样性及应用，ED途径等;固氮动力学，化能自养，细菌光合作用。信息总结与提高：多样性本质所拥有的基因多样性，依靠多样的基因所编码的丰富酶类;通过呼吸的方式将各类有机与无机化合物逐步脱氢、传递，最终在将其降解为简单分子物质的同时，将生成的质子动势（PMF）通过ATP合酶转化为以ATP为主的能量，并进一步转化为化学能贮藏起来;作为对微生物广泛适应能力的注解，微生物还通过发酵将底物水平磷酸化获得能量的策略发挥得淋漓尽致。由此，微生物获得了地球上生命最为广泛的分布，成为极端环境中生命的代表。这些能力使它们成为生态系统中物质循环的核心，并为人类开发利用代谢物产品以及环境的保护与修复提供了几乎是无限的可能，使得微生物学成为21世纪最热门的生物学学科之一。

二、微生物代谢课程讲解所面临的困难分析

微生物代谢是生动的，应该受到学生的欢迎。但是正由于微生物拥有远远超出动植物代谢的复杂性，因而学习之前，相关基础知识必须要掌握地全面和清晰。我们分析，学生在本章节学习中遇到的困难是与我们的课程设计及国内相关基础课程教材特色所决定的。首先是微生物代谢的复杂性，微生物能量代谢不仅有无氧呼吸及发酵，更有化能自养，代谢的形式也十分丰富，如固氮、矿产的形成等均与代谢密切相关。所以无论电子传递链的复杂性，还是对质子动势的利用，普通生物化学中讨论的更为丰富，这一特点使得相关讨论具有复杂性，因而成为教学难点。这里，我们比较一下国内外微生物学教材对本节内容的设计就会发现，国外教材往往对相关知识加以铺垫。如《微生物学》（5版，Lansing M.Prescott等著），设计有单独的一章Chapter 8 Metabolism：Energy，Enzymes，and Regulation（第8章 代谢：能量、酶和调节作用）[2]，在《BROCK微生物生物学》（11版 M.T.马迪根著）的第5章中分别嵌入有Ⅱ能学与酶，Ⅲ氧化—还原和高能化合物，以及Ⅳ主要代谢中嵌入有电子传递与质子动势等[3]内容。这些相关的知识铺垫，往往于细节处，展现出作者的才华与个性，读起来津津有味，各类知识水平层次的人，均能感觉有收获。国内中文版的教材则一般精简，教材本身并不考虑以上知识板块的补充。目前国内考研一般要求的三个版本的微生物学教材主要有周德庆先生的《微生物学教程》、武汉大学沈萍先生编著的《微生物学》和黄秀梨主编的《微生物学》，这些教材中均无相关知识补充。可以看出，以国内出版的现有微生物学教材对于知识能力不足的学生，缺乏提取相应知识的模块。似乎相关知识，早应该在生物化学以及普通化学中学习完成了。实际以我们本科生所使用的生物化学教材来讲，同样是删繁就简的风格明显，并不注重相关素材的铺垫与提供，而且由于受到教学时数的限制，这一板块的知识欠缺比较多，学生学起来以知其然而不知其所以然者居多，这必然极大地限制了学生创新能力的培育。另一方面，微生物学作为生物专业的专业课程，一般在各届的高年级（我校安排于大三下学期）。其实，大三下学期距离生物化学和无机化学课程的学习已经相隔有2年左右的时间，许多同学可能已经对相关知识细节比较模糊了。这一具有“中国特色”的现象是跟我们国内教材及教学课程结构设计密切相关的。当我们认识到这一现象的客观性及形成原因后，我们便立即利用网格课程这一平台，并结合MOOCS教学原理进行了网络课程设计，对本章教学进行颠倒课堂的设计，取得了较好的效果。

三、微生物学代谢——能量代谢（微课设计）

建设网络课程中“代谢”章节的“微型课堂设计”，要求学生预习相关内容，回答课程要求的问题，并于课堂中开展讨论式教学。首先，我们在相关章节的学习栏上说明本章以网络微课加课堂讨论的形式开展教学。本“课”分为三小节，请大家自行安排每小节，用7～10分钟时间进行学习。学习完成后，应该能够及时回答所提出的问题，不明白的问题书面提出，由科代表总结后提前一天提交给教师。网络微课（3节）基本设计如下。endprint

1.酶。（1）知识学习。①酶及酶促反应的回顾。②热力学与“氧还电势低的物质”蕴含化学能量（键能）。（2）概念检查。①催化剂的作用是什么？②哪种类型的生物大分子是酶？③底物结合于酶的哪个部位？④什么是活化能？⑤如何理解生命是“负熵”？

2.电子传递是生物能量捕获的主要途径（7分钟）。（1）知识学习。①质子动势与电子传递。②原电池与电极电势。③电子塔。（2）概念检查。①能量的长期储存与多聚物的形成有关，可以通过消耗这些多聚物产生ATP。②每摩尔ATP在转化为ADP+Pi的时候释放的能量为多少？每摩尔AMP转化为腺苷和磷酸时释放的能量是多少？③能否将水泥、白菜、西红柿等日常用品列入电子塔？动植物电子传递链包含有哪两条链？你认为生物细胞中有没有第三条链？

3.利用热力学知识计算能量变化。（1）知识学习。①自由能。②自由能变的热力学计算与电化学计算。（2）概念检查。①什么是自由能？热力学知识在解释生命现象时有什么优势与不足？②一个分解反应是放能还是吸能？（要求用幻灯所提供表格的数据计算自由能变）。③下面的反应中电子供体与受体分别是什么？H2+1/2O2→H2O。④氧化还原对2H+/H2的电极电势说明质子是好的电子受体吗？为什么？⑤为什么NO3-作为电子受体比延胡索酸要好？

这一课堂设计主要特点为颠倒式教学。基本靠自学与复习完成，并在大家的讨论中得到佐证及明确，使知识得以系统化。第2节课，我们仅重点比较讨论了细菌呼吸链及发酵两个题目，其余部分仍采用课堂讨论的方式。

作为对这一部分的知识检测，我们选择了一个例子让学生分析解答：艾因藻亚温泉是利比亚埃尔欧盖村附近的温泉，面积如游泳池大小，水微温（30℃）。硫酸钙于其中呈饱和状态，还含有约2.5%的氯化钠。在利比亚的阳光烘烤下，此湖每年可产生约100吨的粗硫磺，呈黄灰色细泥状。要求学生根据本章介绍的知识来回答硫磺形成的过程。经过提示，约50%的学生给出了基本正确的答案，并促进了大家学习的兴趣。通过这一形式，在不增加理论课学时的情况下，取得了良好的教学效果，学生反映，相关的知识得到了融会贯通。同样是用4个学时，结合网络平台与颠倒式教学方式，学习效果就完全不同了。

四、讨论与建议

1.重视教材建设。微生物学作为专业课程中高年级的课程综合性很强。微生物不但具有高等生物所拥有的所有代谢类型，并远远超越了它们。在学生学习本课程时，通过学习化学、生物化学、动植物生理学等相关内容已经有了相当的基础，在学习中学生必然会与以前的知识加以比较学习，并自然总结出生命多样性及一致性的思想，从而使其生物学知识得到升华与提高。因为学生在这一学习阶段的特点是知识的综合与升华，对微生物学教材在编写时，应该考虑其中知识与其他课程的对接，便于学生选择与使用。因此，对于本科教学的微生物学的教材，不妨编点“厚书”。

2.充分利用网络平台优势，开展新型的教学方式。课程的教学固然应该注重知识的联系与贯通，但要做到这一点，还必需考虑到学生基础与以往学习的情况差异，这个时候MOOCS理论就成为我们的指引[4]。实践证明，在MOOCS理论基因的指导下，充分利用网络平台与资源，开展新型教学是提高微生物学教学效果的最佳选择。

参考文献：

[1]周德庆.微生物学教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]Lansing M.Prescott，John P.Harley Donald A.klein.微生物学[M].第5版.沈萍，彭珍荣，主译.北京：高等教育出版社.

[3]M.T.马迪根，J.M.马丁克，J.帕克.微生物生物学[M].第11版.北京：科学出版社，2009.

[4]王迎，刘惊铎，韩艳辉.MOOCs在中国发展的理论思考与实践探索[J].中国电化教育，2014，（1）：52-60.

基金项目：内江师范学院教改项目《地方高校生命科学与技术专业应用型人才培养模式的探索与实践》（JG201108-177）

作者简介：黎勇（1968-），男（汉族），四川夹江人，内江师范学院副教授，从事微生物学及应用技术研究。

通讯作者：齐泽民（1970-），男，重庆酉阳人，博士后，教授，中共党员，研究方向：植物生态学。endprint