基于问题的细胞生物学课程知识体系的解构及教学实践

陈连水, 袁凤辉, 周亚平, 李江

(东华理工大学 生物系， 南昌330013)

细胞生物学是重要的基础学科，也是现代生命科学发展的支柱之一。它处处体现着与其他学科的交叉与整合，历来都是诺贝尔奖等重大成果的汇集地。早在1925年生物学大师Wilson就提出：“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”[1]。细胞生物学是一门研究细胞结构、功能以及细胞生命活动规律的科学[2]。它的发展得益于显微观察与操纵技术的日益突破，其知识更新也是许多学科无法比拟的；加之细胞生物学涵盖了经典的细胞学内容与前沿的细胞分子生物学成果，所以，细胞生物学是一门既新且广、既泛且难的课程，它日益成为各院校重点探究和建设的学科。

基于问题的教学方法(Problem-based learning,PBL)是目前发达国家普遍采用并被广泛认同的一种课程模式[3-6]。要基于问题来构建细胞生物学课程知识体系，教材的建设和选择是关键。鉴于国内外细胞生物学相关教材很多，本文涉及的知识体系是以北京大学翟中和院士等编写的各版《细胞生物学》为蓝本，采用国内外相关著作或教材作为参考对象来进行构建和阐释的。因为该教材体系完整，其知识性、可读性、前沿性较强，能基本满足本科层次的教学要求，所以国内大多数院校选用了该教材；不过，由于该教材过于侧重知识性和前沿性，忽略了对各章节内容深浅和关联的把握，概念不一或结论不明确，知识单元和知识点相对杂乱，尤以第4版为甚，重点、难点与热点难于辨别，等等。介于上述的不足，本文特从问题入手，来解构细胞生物学本科课程的知识体系，以整合课程内容，优化课程结构[7-8]，理顺细胞学、细胞生物学与细胞分子生物学之间的关系；适当强调研究性教学[9]，强化作业设置与评价[10]，以突出课程重点、化解课程难点、顾及课程热点；使师生更好地把握该课程教学的主要目标与任务，提升教与学的水平。

1 基于问题的细胞生物学知识体系的解构

本课程解构参照北大教材第2版[1]以结构对比或关联为主线、从细胞外到细胞内、从细胞结构到细胞功能再到细胞生命活动来编撰体系目录；该目录很好地体现了细胞学、细胞生物学和细胞分子生物学的发展历程，便于引导学生入门，也容易使学生辨识该课程的基础、重点和难点或热点内容。

1.1 绪论知识单元的解构

问题：简述细胞学与细胞生物学的发展历程。该问题涉及绪论知识单元中细胞学(Cytology)、细胞生物学(Cell Biology)和细胞分子生物学(Molecular Cell Biology)概念，及发展历程的时段与节点、主要成果与技术手段、代表性人物等知识点(见表1)。

1.2 细胞生物学研究方法与技术知识单元的解构

问题：比较光学显微镜、电子显微镜与扫描隧道显微镜？该问题涉及细胞生物学研究方法与技术知识单元中三大类别显微镜的技术特点、原理和主要类型等知识点(见表2)。

1.3 细胞多样性与一致性知识单元的解构

问题：原生质成分如何造型？该问题涉及细胞多样性与一致性知识单元中细胞的化学与生物进化、模式细胞与细胞多样性、人造细胞或虚拟细胞等知识点(见表3)。

表1 细胞学与细胞生物学的发展历程简表

表2 光学显微镜、电子显微镜与扫描隧道显微镜的比较

表3 原生质成分造型情况

1.4 细胞表面与细胞质膜知识单元的解构

问题一：简述细胞质膜的特性。该问题涉及细胞表面与细胞质膜知识单元中生物膜或单位膜共性、流动性与影响因素、外周蛋白与内在蛋白、整合蛋白与整联蛋白等知识点。

问题二：红细胞为什么能维持特定的细胞外形？该问题涉及细胞表面与细胞质膜知识单元中细胞膜骨架结构组成与作用等知识点。

问题三：细胞外基质(ECM)是什么？它如何影响细胞运动？该问题涉及细胞表面与细胞质膜知识单元中细胞外基质的组成与作用、细胞粘连与细胞迁移、钙黏蛋白与钙调蛋白等知识点。

问题四：为什么说神经突触是一种通讯连接？该问题涉及细胞表面与细胞质膜知识单元中细胞连接、细胞社会性、细胞同步性等知识点。

问题五：简述Na+-K+泵工作原理。该问题涉及细胞表面与细胞质膜知识单元中Na+-K+泵分子机理、动物细胞膜电位、静息电位与动作电位、相关生物毒素机理等知识点。

问题六：Na+、K+、H+、Ca2+或Cl-各有几种跨膜运输方式？该问题涉及细胞表面与细胞质膜知识单元中简单扩散与协助扩散、主动运输与协同运输、ABC超家族、相关生物毒素机理等知识点。

问题七：胰岛素和胰高血糖素如何调节糖元的合成和分解？该问题涉及细胞表面与细胞质膜知识单元中亲脂信号分子与亲水信号分子、G蛋白及作用、磷酸化与去磷酸化、蛋白激酶与蛋白磷酸水解酶、信号的级联放大、信号传导或转导途径、一路多效或多路一效与生物网络信息等知识点。

1.5 细胞质基质与细胞内膜系统知识单元的解构

问题一：为什么说细胞质基质和细胞内膜系统各细胞器是结构区域化(房室化)和功能有序化的一个

连续整体？该问题涉及细胞质基质与细胞内膜系统知识单元中细胞质与细胞质基质、细胞内膜系统、合成性细胞器(结构)与分解性细胞器(结构)、游离核糖体与附着核糖体、生物分子修饰、三类生物大分子糖类(多糖或寡糖)、脂类(简单脂或复合脂)和蛋白质(驻留蛋白、膜蛋白与分泌蛋白)在细胞质基质与细胞内膜系统中的合成、加工、转运与定位等具体途径及囊泡运输、跨膜运输与核孔运输等知识点。

问题二：概述蛋白质的分选机制及分选过程。该问题涉及细胞质基质与细胞内膜系统知识单元中蛋白质的分选机制、三类蛋白的合成、加工、转运与定位中的信号分选过程、分子伴侣及作用等知识点。

1.6 线粒体与叶绿体知识单元的解构

问题：比较线粒体与叶绿体的形态、结构、功能、半自主性和起源等。该问题涉及线粒体与叶绿体知识单元中线粒体基粒与叶绿体基粒、呼吸链与光合链、ATP合酶与ATP合成酶、光合作用单位、光反应与暗反应、氧化磷酸化与光合磷酸化、TCA酶系与RuBP羧化氧合酶、mtDNA与ctDNA等知识点。

1.7 细胞核与基因知识单元的解构

问题一：染色质与染色体的转换。该问题涉及细胞核与基因知识单元中常染色质与异染色质、染色质

与染色体、着丝粒DNA与端粒DNA、染色质重塑与异染色质化、染色体多级螺旋与染色体骨架-放射环包装模型、核型与带型、多线染色体与灯刷染色体等知识点。

问题二：概述细胞核的主要功能。该问题涉及细胞核与基因知识单元中遗传物质的贮存、包装，遗传物质的传递和实现在细胞(核)内区域化和有序化运行的具体过程，及NORs与NPC、snRNA与hnRNA、核小体与核糖体等知识点。

1.8 细胞骨架知识单元的解构

问题一：概述肌肉收缩的分子机制。该问题涉及细胞骨架知识单元中与肌细胞收缩有关的组织与细胞结构(粗丝与细丝的组成、肌浆网)、肌肉收缩的基本过程(动作电位的产生、Ca2+的释放、原肌球蛋白位移、粗丝与细丝相对滑动、Ca2+的回收)等知识点。

问题二：与细胞分裂五大事件相关的主要细胞骨架成分是什么？其主要动力来源是什么？该问题涉及细胞骨架知识单元中与染色质和染色体动态转化相关的是染色体骨架或核基质，与中心体复制、纺锤体出现相关的是微管(即纺锤体微管与星体微管)，与核仁的消失和重建相关的是核仁基质，与核膜崩解和重建相关的是核纤层，与染色体排列、均分和迁移运动相关的是着丝点微管，与胞质分裂环形成相关的是微丝，及摩托蛋白(肌球蛋白、驱动蛋白和动力蛋白)与作用、分子自组装与影响因素、踏车行为、微丝与微管及其结合蛋白与作用等知识点。

1.9 细胞增殖与周期知识单元的解构

问题：概述细胞增殖周期分子调控方式。该问题涉及细胞增殖与周期知识单元中细胞增殖与细胞类型、细胞周期检验点及作用、周期蛋白依赖性激酶CDK组成及作用、癌基因与抑癌基因、周期蛋白泛素化降解、细胞生长与细胞分化等知识点。

1.10 细胞衰老与凋亡知识单元的解构

问题：概述细胞凋亡的分子调控方式。该问题涉及细胞增殖与周期知识单元中细胞衰老与Hayflick界限、细胞凋亡与Caspases家族、抑癌基因产物(p53蛋白)与癌基因(Bcl-2家族与Bax基因)等知识点。

2 细胞生物学知识体系解构下的教学实践

本课程组成员长期从事细胞生物学的教学与研究，在细胞生物学精品课程的建设过程中，积累了较为丰富的教学经验。现将该课程知识体系下的教学体会提炼汇集于此，以供借鉴。

2.1 精悉学科地位，洞察学科前沿

清楚所教学科的地位与特色，了解它与其他学科的关系，熟悉本学科的发展史，也就能把握本学科的脉搏，才能站得高、看得远，才能发现问题，预见问题，才能有前瞻性。对绪论章节处理的好坏，会直接影响整门学科的教学。譬如，我们把北大教材绪论章节细胞学与细胞生物学发展历程概括的5个阶段进行了重新整理，将其前两个阶段并为一个阶段，中间3个阶段基本保持不变，最后设定一个细胞分子生物学和细胞工程时期，并且适当调整和简化各时间节点和技术成果等(参见表1)，这样能使学科发展史更好地与生命科学发展历程相吻合，对师生把握该课程知识体系十分有利。

2.2 明确教学目的，实施循序渐进

根据教学对象、课时要求与设置、教学重点与难点，制定明晰而具体的教学大纲和教学日历，分步实施，循序渐进，始终围绕主线索开展教学，才能突出教学重点，化解教学难点。譬如在制定课程教学大纲和教学目标中，我们始终以细胞生物学内容即第四、五、六和七单元为教学重点，突出强调细胞结构的区域化与功能的有序化、细胞的物质、能量与信息代谢等特征和规律；以细胞分子生物学内容即第八、九和十单元为难点和热点，紧紧围绕细胞迁移与细胞粘连、细胞运动与细胞骨架、细胞增殖与细胞凋亡、细胞生长与细胞分化等细胞空间、数量和质量调控手段的分子机理，将细胞生命活动规律讲清讲透；简化第一、二和三单元的细胞学内容，补充铺垫学科发展史、显微技术手段和细胞的进化等新基础知识。

2.3 精选优秀教材，广泛涉猎参考资料

好的书籍必有一条清晰的思路，它有作者对本学科的独特见解，能反映本学科的最新成就；好的教材除了具备这些优点外，它还应有若干个知识点，有其在本学科的权威性，因此选择优秀教材进行教学，能减少很多疑惑，较为方便地跨入本学科的门槛；如果辅之以参考书，定能相得益彰，促进教与学。譬如，在教材的选择过程中，我们还以国内外有影响的教材或著作如美国阿尔伯茨等编撰的《细胞分子生物学》、清华大学陈晔光等、复旦大学沈大棱等和韩贻仁等编撰的《细胞生物学》或《分子细胞生物学》为参考教材或资料，以保证知识的科学性和前沿性。

2.4 精炼教学语言，掌握教学节奏

在具体施教过程中，精炼重要概念和主要机理的板书语言，注意处理概括语言与诠释语言的速度快慢、精准度与清晰度、通俗性与有趣性等关系，注重其对教学节奏的调节，换言之，适当放慢重要概念和主要机理的讲解速度，增加其清晰度和准确性，适当加快诠释语言的通俗性和有趣性，对教学能取到事半功倍的效果。如在 “细胞生物学”概念的教学过程中，不同教材、甚至同一教材往往有不同的表述，为了使该概念具有权威和指导性，不使学生产生歧义，我们精炼了“细胞生物学”概念，突出该概念下的“三个三”，即物理、化学和分子3种研究方法，显微、亚显微和分子3个研究层次，及细胞结构、功能和细胞生命活动规律3个研究内容；在强调“细胞生命活动规律”时，常会提及该研究内容表述的变迁与学科发展的关联。

2.5 寻求因材施教，挖掘教学手段

细胞学科的最大特点是内容相对具体，建立微观空间尺度观念和具备微观空间想象能力就十分重要，因此充分利用视觉获取信息能力较强的特点，采用形象教学手段，能轻易化解细胞学科中一些难度较大的知识点。本人最大的体会就是多采用图形化语言、示意性图解、概括性图表和动态性视频等形象生动的多媒体或网络教学手段，进行综合讲解，既能减轻老师备课的压力，也能增强学生的直观理解。如在第二单元的教学中我们会把3类显微镜的分辨范围简化为原子(Å)级、分子(nm)级和细胞(μm)级并表格化，将微观尺度形象化(参见表2)，以使学生尽早地建立起微观空间尺度观念，更快地熟悉、理解和掌握相关内容。

2.6 精编习题解答，突出教学重点

精编一套细胞学科的习题解答，围绕每章节的重点和难点提出一至二个综合性或比较性强的问题，最好是本学科敏感且赋有挑战性的热点或难点问题，各题间要有连贯性，尽量不重复，然后进行创造性地解答，每次课后布置给学生做，结合课堂内容、课本和改后所反映的问题，在随后课堂上公开及时地进行订正，注意解答语言要精练准确、要便于记忆与复习、要有新意。譬如，前述细胞骨架单元问题二涉及的知识点就是该问题较权威精准的解答，它强化了第七、八和九等单元中有关细胞分裂内容的纵向联系。

2.7 厘清重要概念，标明英文出处

细胞学科发展迅速，知识更新快，名词概念层出不穷，经常会遇到多词一义或一词多义的情况，叫法也多种多样，因此，要厘清重要概念，做到科学准确，就必须尽量标明名词的英文和出处，便于学生查找和阅读相关文献，或把字面相似或相关的概念进行对比解释，并说明两者的关系，以示明辨。如课程中的“细胞学与细胞生物学”“钙调蛋白与钙黏蛋白”“整合蛋白与整联蛋白”“着丝点与着丝粒”“锚蛋白与锚定蛋白”“核小体与核糖体”，等等，通过标定其英文和说明两者之间的关系就能很好厘清这些概念的内涵与外延。

2.8 注重课间交流，适时调整思路

课余时间有意识地与学生交谈，能一定程度上消除师生间的隔阂，可以从侧面了解学生的知识结构水平和兴趣点，同时，也能了解学生对老师的认同程度，使教学有的放矢，促进教学互长。如该课程中“原核细胞与真核细胞”“动物细胞与植物细胞”“有丝分裂与减数分裂”等知识结构常成为衡量学生细胞认识水平的标尺，而课程中众多诺贝尔奖的研究技术、经历与成果又往往成为师生交流的话题或学生的兴趣点。

2.9 紧扣教学环节，瞻顾教学气氛

教学过程中，除了要紧扣教学环节外，兼顾教学气氛的营造，做到轻松教学也十分重要；要注意学生心理承受力与教学要求的松紧度的合理调配。如考虑到细胞课程教学内容较多，重点难点内容频现，为减轻学习压力，做到循序渐进，故在实际教学过程中我们常设置期中和期末考试，两次考试分别侧重于课程的前、后部分，其考试形式和考核目标也略有差别，前者以开卷为主，常涉及实验设计等环节，后者以闭卷为主，顾及整门课程或相关课程间的关联。

2.10 理论实践结合，做到游刃有余

细胞学科是理论和实践高度结合的学科，它既有艰深的理论知识，又与农业、食品、医药、环保、军事等密切相关，只有精心备好课，做到理论的形象化、语言的通俗化和知识的实用化，才能在授课中旁征博引，深入浅出，引人入胜，真正做到游刃有余。如细胞生物学主要涉及的是模式细胞结构与功能及细胞生命活动规律，同时，它也有神经细胞、肌细胞、肝细胞、干细胞等具体细胞内容；它既涉及动物细胞，也涵盖有植物细胞、微生物细胞等；既有正常细胞知识，又有病理细胞内容。另外，它还与生物化学、分子生物学、遗传学和发育生物学等很多学科发生联系，其理论知识和实践运用辐射范围极其广泛，加上本学科发展带来的新知识和新技术导出不穷，这为该课程的教学提供了丰富而有趣的素材。