基于创新能力培养的 “蛋白质结构与功能的关系”教学设计

廖 阳 闫荣玲

（湖南科技学院 化学与生物工程学院，湖南 永州 425199）

创新是推动一个国家和民族向前发展的重要 力量。高校培养的具有创新意识与创新能力的高素质人才是实现国家创新驱动发展战略的重要条件，学生创新能力培养已融入高等教育教学改革的重要内容[1-3]，通过设立创新创业比赛等学科竞赛、开展科技创新节等课外活动、立项学生自主科研探索类项目、构建优质实验教学资源等举措来提高学生的创新意识与能力[4-7]。但无容置疑的是，课堂教学是培养高校学生创新能力的重要环节，教师应把对学生创新意识与创新能力的激发与培养融入教学设计中去[8]。“蛋白质结构与功能的关系”是生物专业基础课“生物化学”的一个重要知识点，本文围绕“学生创新能力培养”这一目标，从教学目标、教学理念、教学重难点、教学方法、教学过程等几个部分对这一节段的教学进行重新设计，并在教学设计中利用人类相关疾病病因阐析背后的人、物、事，设置的系列启发式问题，以及引入学科前沿成果等策略激发和培养学生的创新意识与能力。

1 教学设计中激发和培养学生创新能力的策略

1.1 利用人类相关疾病病因阐析背后的人、物、事来激发和培养学生的创新意识

教学设计中以同学们有所耳濡目染的人类疾病为例，对蛋白质的一级结构以及高级结构的变化对其功能的影响进行讲解，在此过程中插入科学家在阐明这些疾病的发病机制中的“人”（相关科学家）、“物”（研究对象或实验材料的选择）、“事”（研究过程背后的故事），既可以激发学生对本节内容的学习兴趣，又可促使学生感悟生命科学研究的共有规律，感叹创新思维在人类进步中发挥的关键作用，从而激发学生利用所学知识投身生命科学、奉献生命科学的欲望，无形中培养学生的创新意识。

1.2 利用教学过程中设置的系列启发式问题激发和培养学生创新意识与能力

相比教师平铺直述地直接告诉学生答案，教学中通过提出启发式问题引导学生思考，并在此过程中激发学生的创新思维可以收获更佳的教学效果。本教学设计设置了诸如“你会想到用什么方法来治疗镰刀型细胞贫血症？”“血红蛋白的跃迁式氧饱和曲线与其亚基的数目是否密切相关？”“你有什么好的思路或策略来治疗和预防阿尔茨海默病？”“你还想到哪些方法可以阻断癌细胞的葡萄糖供给，从而达到饥饿疗法的效果？”待同学们针对问题思考和阐述完自己的想法后，教师再进行适当的补充和拓展。如对于镰刀型细胞贫血症，可以介绍基因编辑技术给人类遗传疾病的治疗带来的希望；又如对于阿尔茨海默病，可以介绍国外科学家发现姜黄素有效促进了粥样蛋白的降解，以此打破课堂中学生往往觉得理论知识学习枯燥、乏味、抽象的境况，同时又引导和激发学生形成创新思维的习惯。

1.3 利用课堂中引入的“前沿成果拓展”激发和培养学生创新意识与能力

实践发现，课堂教学中引入与授课内容相关的前沿成果，在拓展学生视野、激发学生学习兴趣、引导学生形成创新思维等方面作用显著[9]。因此，本教学设计在课堂接近尾声时，通过介绍一种位于质膜上的重要蛋白——“葡萄糖转运蛋白”的功能，使同学们意识到这种蛋白的重要作用后，再拓展清华大学研究团队在全世界首次高分辨率地解析了其高级结构，引导学生思考这一研究成果的应用价值，再引出“饥饿疗法”这一概念，最后引导学生思考是否还有别的可以阻断癌细胞能源物质供给，同样可以达到“饥饿疗法”这一功效的思路或策略。这一部分约持续5 min，在这短短的5 min 内，通过教师讲解、问题引导、师生互动可以在形成良好课堂氛围的基础上，很好地激发学生的创新思维。

2 教学设计

教学设计包括教学目标、教学理念、教学重难点、教学方法、教学过程等几个部分，具体如下。

2.1 教学目标

通过本节课的学习，使学生了解蛋白质功能的多样性，掌握蛋白质各级结构与功能间的紧密关系，拓展人类相关疾病的蛋白质结构与功能异常发病机制。

2.2 教学理念

生物化学就在身边——联系实际使同学们意识到课程知识与生产、生活、身体密切相关，增进学生对自我的认识和对生活现象或疾病发病机制的了解。

学生是课堂的主体——课堂教学不能是陈旧知识的灌输，通过讨论与问答等课堂互动使学生成为课堂的主体。

重视学生创新能力培养——通过挖掘生命科学背后的人、物、事，设置启发式问题，拓展前沿成果等策略来熏陶和培养学生创新意识与能力。

2.3 教学重难点

蛋白质结构的改变对功能的影响。

2.4 教学方法

多媒体演示法结合提问与讨论法

2.5 教学过程

2.5.1 引入

“引入”部分所用时间为2 min。提出与生活中及身体密切相关的问题引导学生思考，激发学习兴趣。

问题1：为什么镰刀型细胞贫血症患者的红细胞呈镰刀状？

问题2：为什么血红蛋白的氧饱和曲线为跃迁式？

问题3：为什么会有人患阿尔茨海默病？

2.5.2 蛋白质一级结构与功能的关系

“蛋白质一级结构与功能的关系”部分所用时间为13 min，主要授课过程包括以下几个方面：

（1）一级结构相似的蛋白质其功能相似

教师举例：以细胞色素C 蛋白、血红蛋白等为例，阐述一级结构相似的蛋白质功能往往相似这一共性，及其衡量不同物种在进化过程中亲缘关系远近中的作用。图1 给出不同动物与人的血红蛋白其中一条肽链上氨基酸残基的差异与进化距离。

图1 不同物种血红蛋白亚基中氨基酸差异及亲缘关系

（2）一级结构改变导致功能的改变

教师举例：以分子病“镰刀型细胞贫血症”为例，阐述一级结构的改变造成功能的改变。图2 中含有正常与镰刀型红细胞。图3 给出细胞形态结构异常导致细胞弹性降低、易造成毛细血管堵塞等功能异常。

图2 正常与镰刀型红细胞对比图

图3 一级结构上氨基酸的突变导致血管堵塞

教师提问：基于已有知识，你想到什么方法来治疗镰刀型细胞贫血症？

2.5.3 蛋白质空间结构与功能的关系

“蛋白质空间结构与功能的关系”部分所用时间为20 min。

（1）构象改变与疾病

有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现出对应的病理改变。

教师举例：以阿尔茨海默病为例，阐述蛋白质的构象改变导致疾病的发生。图4 显示阿尔茨海默病患者与正常个体特定中枢神经元的差异。

教师拓展：此处可拓展阿尔茨海默医生在治疗其第一个遭受这一疾病折磨女患者的故事。

图4 阿尔茨海默病中枢神经细胞对比图

提问思考：结合自身所在专业特点及已有知识，你是否想到治疗阿尔茨海默病的新思路。

教师补充：学生发言后，教师介绍国外利用姜黄素治疗阿尔茨海默病的最新研究成果。

（2）构象改变与活性调节

部分蛋白质具有四级结构，可以通过改变自身构象来调节所发挥的功能或活性。

教师举例：以血红蛋白为例，阐述蛋白质高级结构的改变对其生物学功能及活性的调节作用，并由此引出蛋白质的别构效应及正、负协同效应。图5 显示血红蛋白中央的血红蛋白与氧气分子结合产生力的作用，导致血红蛋白4 个亚基之间发生连锁形变，后续亚基更易结合氧气分子，从而使血红蛋白表现出跃迁式氧饱和曲线这一特征（见图6）。

图5 血红蛋白结合氧气前后对比

图6 血红蛋白跃迁式氧饱和曲线

提问思考：血红蛋白的跃迁式氧饱和曲线与其亚基的数目是否密切相关？

2.5.4 前沿拓展

“前沿拓展”约5 min，介绍葡萄糖转运蛋白及其作用，并引入清华大学颜宁研究团队解析了其高级结构的前沿研究报道[10]。图7 与图8 显示葡萄糖转运蛋白的高级结构及其在细胞膜上的模拟分布。

反向思维：由蛋白质结构对其功能的重要作用可知，人们可以通过影响某些功能蛋白的高级结构来阻碍其正常功能的发挥。

头脑风暴：若能研发某一种药物专一性地作用于癌症细胞质膜上的葡萄糖转运蛋白，阻止其跨膜运输葡萄糖进入细胞，将会发生什么结果？

创新思维：介绍癌症治疗的新策略——“饥饿疗法”。

图7 葡萄糖转运蛋白高级结构[10]

图8 葡萄糖转运蛋白高级结构及其在质膜上的分布

提问思考：你还想到哪些方法可以阻断癌细胞的葡萄糖供给，从而达到“饥饿疗法”的效果？

2.5.5 小结

“小结”部分所用时间为1 min，对本次课所授内容进行梳理和小结。

2.5.6 教师答疑

“教师答疑”部分所用时间为4 min，学生补充笔记，教师答疑。

3 结 语

课堂教学既要注重学生学科知识的积累与丰富，也要注重学生综合能力的培养与熏陶，创新能力就是这些需要着重培养与熏陶的若干能力之一。然而，课程的某一章节不可能对每种能力的培养做到面面俱到，因此各章节应根据所授内容及其特点侧重其中某一种能力的培养[11]。

“蛋白质结构与功能的关系”这一节根据其内容特征，在教学中可以侧重和凸显学生创新能力的培养，本文就是在这种指导思想下，阐述了教学设计时如何激发和培养学生创新能力的系列策略以及指导课堂教学的完整教学设计。教学设计主要利用以下三个方面来激发学生的创新意识、创新思维、创新能力。

（1）引入镰刀型细胞贫血症、阿尔茨海默病等疾病发病机制与蛋白质结构的关系及其背后的人物和故事；（2）设置系列启发式问题，如基于已有知识，你想到什么方法来治疗镰刀型细胞贫血症？结合自身所在专业特点及已有知识，你是否想到治疗阿尔茨海默病的新思路？血红蛋白的跃迁式氧饱和曲线与其亚基的数目是否密切相关？你还想到哪些方法可以阻断癌细胞的葡萄糖供给，从而达到“饥饿疗法”的效果？（3）拓展前沿成果，如国外利用姜黄素治疗阿尔茨海默病的最新研究突破和我国科学家团队解析了葡萄糖转运蛋白空间结构及其应用价值。教学实践发现，采取上述三方面策略，增强了师生和生生之间的互动，活跃了课堂气氛，培养了学生创新思维、批判思维，显著提高了教学效果。