導(dǎo)語：生物化學(xué)中“酶”教學(xué)內(nèi)容探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：“酶”教學(xué)內(nèi)容包括酶的特性、酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及酶活性的調(diào)節(jié)。其中，酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)需要運(yùn)用數(shù)學(xué)和化學(xué)知識(shí)體系理解動(dòng)力學(xué)公式；酶活性的調(diào)節(jié)機(jī)理又要運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)聯(lián)系酶結(jié)構(gòu)與功能之間的相互關(guān)系，課程內(nèi)容復(fù)雜。本文探討了“酶”教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)難點(diǎn)，通過教學(xué)改革，實(shí)施案例教學(xué)實(shí)踐，以及結(jié)合互動(dòng)式教學(xué)手段探討“酶”教學(xué)實(shí)踐，旨在提高生物化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：生物化學(xué)；酶學(xué)；案例教學(xué)；互動(dòng)式教學(xué)手段

酶學(xué)的研究貫穿生物化學(xué)的發(fā)展歷史。在靜態(tài)生物化學(xué)中，酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)或具有催化活性的RNA，要求理解酶的結(jié)構(gòu)與催化功能的相互關(guān)系。動(dòng)態(tài)生物化學(xué)需要弄清楚酶的活性對物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)的影響。因此，“酶”章節(jié)是連接生物化學(xué)課程中靜態(tài)與動(dòng)態(tài)教學(xué)內(nèi)容的樞紐，是有效解決生物學(xué)關(guān)于結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜關(guān)系的關(guān)鍵教學(xué)示例。在一般《生物化學(xué)》試卷中，“酶”一章教學(xué)內(nèi)容占分比值高，考查難度名列課程內(nèi)容的高分?jǐn)?shù)段位。

1教學(xué)內(nèi)容概述

“酶”教學(xué)內(nèi)容包括酶的特性、酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及酶活性的調(diào)節(jié)三個(gè)模塊。作為生物體中最重要的蛋白質(zhì)，酶具有高效的催化能力。酶的基本特性的教學(xué)內(nèi)容建立在前期蛋白質(zhì)化學(xué)基礎(chǔ)上，同學(xué)們利用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系為知識(shí)主線，進(jìn)一步鞏固課堂所學(xué)，鍛煉歸納學(xué)習(xí)能力。酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容是研究酶促反應(yīng)機(jī)制，通過確定酶促反應(yīng)的速度及影響酶促反應(yīng)速度的因素，闡述生物體內(nèi)的代謝途徑和過程必需的信息。教學(xué)內(nèi)容包括酶的結(jié)構(gòu)特性及其對酶活性的影響，在“酶”一章中起著承上啟下的作用。酶活性的調(diào)節(jié)教學(xué)內(nèi)容是關(guān)于酶活性的調(diào)節(jié)方式及機(jī)理，酶在生物化學(xué)反應(yīng)過程中具有中心地位，而保證這些反應(yīng)有序進(jìn)行，代謝途徑高度協(xié)同的關(guān)鍵在于酶的調(diào)節(jié)作用。酶調(diào)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容涉及多層次的調(diào)節(jié)機(jī)制。

2教學(xué)難點(diǎn)分析

2.1反應(yīng)動(dòng)力學(xué)需要煩瑣公式的記憶。酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)包含動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算與意義。其中，米氏方程是關(guān)于底物濃度對酶促反應(yīng)速度的影響規(guī)律，涉及動(dòng)力學(xué)參數(shù)有Km和Vmax，Km是酶的特征常數(shù)，Km值大小能夠反映底物與酶的親和力；Vmax是酶促反應(yīng)的最大速度，不是酶的特征常數(shù)。當(dāng)反應(yīng)體系存在抑制劑時(shí)，底物濃度與酶促反應(yīng)速度之間關(guān)系因抑制劑類型的不同而存在差異，動(dòng)力學(xué)參數(shù)Km和Vmax也受到影響。米氏方程及存在抑制劑條件下米氏方程的變形涉及很多復(fù)雜的公式。這些動(dòng)力學(xué)公式要求同學(xué)們記憶并掌握，被認(rèn)為是酶學(xué)教學(xué)中最難的環(huán)節(jié)[1]。2.2酶活性調(diào)節(jié)需要抽象機(jī)理的理解。酶活性能夠被調(diào)節(jié)，這是酶區(qū)別于其他非生物催化劑的重要標(biāo)志。調(diào)節(jié)方式包括別構(gòu)調(diào)節(jié)、共價(jià)修飾、酶原的激活和同工酶調(diào)節(jié)等。酶活性的調(diào)節(jié)涉及各種生命過程，其中別構(gòu)調(diào)節(jié)和共價(jià)修飾對處于代謝途徑關(guān)鍵部位的酶具有重要影響。酶的調(diào)節(jié)是通過酶蛋白空間構(gòu)象的變化實(shí)現(xiàn)對生命過程的調(diào)控，是一個(gè)抽象的復(fù)雜過程。酶活性調(diào)節(jié)機(jī)制涉及生命奧秘的揭示，是提高學(xué)生專業(yè)認(rèn)同感的優(yōu)秀教學(xué)素材。但是，關(guān)于“酶活性調(diào)節(jié)”的教學(xué)內(nèi)容，本科生生物化學(xué)課程很難開展實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)，基本采用理論知識(shí)的講授。同學(xué)們很難感受到酶活性調(diào)節(jié)對生命過程的意義。

3教學(xué)實(shí)踐

3.1教學(xué)內(nèi)容的改革。經(jīng)典生物化學(xué)學(xué)科的發(fā)展因多角度和多方位的教學(xué)改革而具有內(nèi)生動(dòng)力[2]。在“酶”的傳統(tǒng)教學(xué)過程中，數(shù)學(xué)公式都是直接給出，省去了推導(dǎo)過程，節(jié)約了課堂時(shí)間。然而，教學(xué)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在后續(xù)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算中很難靈活運(yùn)用。為避免“課上的枯燥講解”與“課下的死記硬背”，在實(shí)踐教學(xué)過程中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)酶動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)表達(dá)式的推導(dǎo)過程[3]。例如，米氏方程推導(dǎo)過程中，關(guān)于酶促反應(yīng)速度(v)取決于中間復(fù)合產(chǎn)物(ES)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)物(P)和酶(E)的速度，即v=k2[ES]。當(dāng)酶全部以中間(ES)狀態(tài)存在，不存在游離酶的時(shí)候，即k2[ES]=k2[E]時(shí)，酶促反應(yīng)速度(v)已經(jīng)達(dá)到最大，自然推導(dǎo)出，v=k2[E]，最終得出米氏方程v=v[s]/(Km+[s])。方程的推導(dǎo)過程是在傳統(tǒng)的黑板上完成的。同學(xué)們課堂上同步推導(dǎo)。推導(dǎo)過程雖然占用十分鐘的課堂時(shí)間，但是鍛煉了學(xué)生們利用數(shù)學(xué)思維解決生物學(xué)問題的能力。接下來，“酶-底物-抑制劑”三種體系中酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的學(xué)習(xí)會(huì)得心應(yīng)手，有規(guī)律可循。采用圖像比較法，1/v和1/[S]作圖，當(dāng)[I]變化時(shí)，圖的斜率或者截距或者二者同時(shí)發(fā)生變化。不同抑制類型的變化規(guī)律是，非競爭性抑制顯示直線在橫坐標(biāo)上的相交，競爭性抑制顯示直線在縱坐標(biāo)上的相交，反競爭性抑制的直線平行。教學(xué)內(nèi)容調(diào)整后，基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析近兩年教學(xué)效果，見表1。課堂投票參與率、作業(yè)上傳率以及課件觀看率等指標(biāo)能夠表觀學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，尤其是課堂投票參與率。課堂投票參與率能夠達(dá)到88%和95%，這表明學(xué)生通過推導(dǎo)酶動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)表達(dá)式，提高了生物化學(xué)課堂的挑戰(zhàn)性，學(xué)生課堂參與度明顯提高。更有同學(xué)直言，把數(shù)學(xué)加到生物化學(xué)里，感覺來到了理科綜合大課堂。在“我最喜愛的一節(jié)生化課”評選中，“酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)”一節(jié)總是榜上有名。作業(yè)正確率和試卷失分率兩個(gè)指標(biāo)直接顯示學(xué)生學(xué)習(xí)效果，特別是試卷失分率。教學(xué)內(nèi)容改革前，生物化學(xué)課程試卷的失分點(diǎn)主要集中在“酶學(xué)”和“糖代謝”兩部分，平均各占10%及以上。通過梳理近兩年課程試卷發(fā)現(xiàn)，“酶學(xué)”失分率明顯下降，分別是8%和6%，該部分教學(xué)效果明顯提高。3.2案例教學(xué)的運(yùn)用。基于案例的學(xué)習(xí)(case-basedlearning,CBL)是知識(shí)建構(gòu)的有效途徑[4]。基于諾貝爾獎(jiǎng)特定的CBL教學(xué)過程不僅調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，更能激發(fā)學(xué)生鉆研科學(xué)研究的熱情[5]。在課堂上，教師以“從諾貝爾獎(jiǎng)看酶學(xué)的研究發(fā)展”為主題進(jìn)行討論，開展酶學(xué)結(jié)構(gòu)與功能的探索性教學(xué)。德國科學(xué)家比希納發(fā)現(xiàn)，在不含酵母細(xì)胞情況下，糖類能夠繼續(xù)發(fā)酵，在其提取液中證實(shí)了酶在發(fā)酵中的作用，于1907年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。英國科學(xué)家哈登和瑞典科學(xué)家凱爾平由于揭示了糖發(fā)酵過程中酶的作用，特別是闡明輔酶的存在和作用機(jī)理，于1929年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。德國科學(xué)家瓦爾堡由于發(fā)現(xiàn)了呼吸酶的性質(zhì)及含鐵蛋白的催化作用，于1931年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。這些領(lǐng)域的酶學(xué)研究推動(dòng)了人們酶學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)過程。關(guān)于酶學(xué)機(jī)理的研究則是從酶化學(xué)本質(zhì)的揭示開始的。美國科學(xué)家三位科學(xué)家薩姆那、諾斯羅普和斯坦利因指明酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，于1946年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。美國科學(xué)家奧爾特曼和切赫關(guān)于酶化學(xué)本質(zhì)的深入研究表明，具有生物催化作用的核酶是RNA，突破了酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念，于1989年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。美國科學(xué)家科恩伯格和德阿爾沃諾斯由于發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶和RNA聚合酶，于1959年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。美國科學(xué)家博耶、英國科學(xué)家沃克和丹麥科學(xué)家科斯由于發(fā)現(xiàn)ATP合酶作用機(jī)理，于1997年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。美國科學(xué)家布萊克本、格雷德和紹斯塔克揭示端粒酶保護(hù)染色體的機(jī)制，于2009年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。美國科學(xué)家阿諾德、史密斯和英國科學(xué)家溫特模擬自然進(jìn)化機(jī)制，通過體外突變基因，根據(jù)酶的定向進(jìn)化技術(shù)選擇出目標(biāo)突變酶，2018年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。酶學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)入分子生物學(xué)水平，人類對于生命的認(rèn)識(shí)更為深入。由此可見，諾貝爾獎(jiǎng)對酶學(xué)研究的認(rèn)可推動(dòng)著生命調(diào)控過程和利用自然的過程[6-7]。在教學(xué)單元“酶活性的調(diào)節(jié)”，著重突出采用案例教學(xué)，以磷酸化酶的研究方向先后三次獲得諾貝爾獎(jiǎng)為教學(xué)素材[8]。1947年美國華盛頓大學(xué)生化學(xué)家科里由于在糖酵解研究中發(fā)現(xiàn)磷酸化酶的兩種形式(活性和非活性)而獲諾貝爾獎(jiǎng)。1971年，薩瑟蘭由于發(fā)現(xiàn)環(huán)腺苷酸作用，也是與磷酸化有關(guān)，而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1992年，美國華盛頓大學(xué)生化學(xué)家克雷布斯和費(fèi)歇爾由于揭示磷酸化酶的兩種形式的原因是結(jié)構(gòu)的差異——磷酸化和去磷酸化，獲諾貝爾獎(jiǎng)。共價(jià)修飾調(diào)節(jié)是酶磷酸化或去磷酸化調(diào)節(jié)酶的活性，這是最重要的一種共價(jià)調(diào)節(jié)方式。在課前，學(xué)生查閱酶學(xué)領(lǐng)域諾貝爾獎(jiǎng)材料。教師基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)推送相關(guān)文獻(xiàn)，其中綜述文章《從諾貝爾獎(jiǎng)看酶學(xué)的發(fā)展》和《酶學(xué)研究中的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者及其貢獻(xiàn)》閱讀量較高，見表2。在課中，教師以酶學(xué)研究領(lǐng)域的諾貝獎(jiǎng)案例為教學(xué)主線，實(shí)施酶結(jié)構(gòu)與功能的教學(xué)。在課后，學(xué)生完成“從諾貝爾獎(jiǎng)看酶學(xué)的研究發(fā)展”學(xué)期論文。案例教學(xué)的效果分析表明，基于案例的教學(xué)過程是學(xué)生在獲取更多酶學(xué)知識(shí)及提升科學(xué)研究素養(yǎng)的有效途徑。

4教學(xué)手段

4.1研討式教學(xué)——“酶”好生活。教育家葉圣陶說過“好的先生不是教書，不是教學(xué)生，乃是教學(xué)生學(xué)。”特別是在當(dāng)下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，知識(shí)的獲取途徑更直接、更便捷。“教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式是不是需要轉(zhuǎn)變”“學(xué)生們是不是只有來到課堂才能獲取知識(shí)”“00后的新一代大學(xué)生們是不是更喜歡互動(dòng)式的教學(xué)方式”等一些問題擺在教師面前。在這種情況下，研討式教學(xué)模式給出了答案：學(xué)生為中心的研討式教學(xué)模式更受歡迎；課堂之外，學(xué)生們通過教材以及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)學(xué)習(xí)資源獲取知識(shí)，完成任務(wù)調(diào)研；課堂上，研討環(huán)節(jié)學(xué)生們注重合作，師生間面對面交流。在“酶”教學(xué)內(nèi)容中，關(guān)于“酶的特性”教學(xué)部分采用了研討式教學(xué)模式。研討主題是“‘酶’好生活，尋找一種生活中的酶產(chǎn)品”。在課堂研討環(huán)節(jié)中，團(tuán)隊(duì)小組圍繞酶的特性及應(yīng)用，產(chǎn)生了“堿性蛋白酶在食品行業(yè)的應(yīng)用”“奶酪與凝乳酶”“因?yàn)橛心悖匆赂p松”“生物酶牙膏，你的選擇”等系列研討題目。研討式教學(xué)最好不采用個(gè)人主題演講形式。為調(diào)動(dòng)更多同學(xué)們的討論熱情，團(tuán)隊(duì)展示是主要教學(xué)研討形式，團(tuán)隊(duì)成員的分工要明確，如資料的收集、道具的制作、課堂的發(fā)言、互動(dòng)式回答等。研討式教學(xué)要重視過程評價(jià)，研討過程要求有互動(dòng)問答，如團(tuán)隊(duì)展示的提問環(huán)節(jié)，每個(gè)提問的同學(xué)將獲得團(tuán)隊(duì)加分機(jī)會(huì)，并以平時(shí)成績形式固定下來。4.2網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)——“酶”來眼去。基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的研討式教學(xué)模式更有利于激發(fā)師生的課堂參與度。作為一門專業(yè)課程，生物化學(xué)更適宜一種線上(網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái))線下(傳統(tǒng)課堂)混合式教學(xué)體驗(yàn)。課前，教師通過上傳教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)課件及視頻等學(xué)習(xí)資源，布置學(xué)生的學(xué)習(xí)與調(diào)研任務(wù)。課中，學(xué)生通過教學(xué)APP參與課堂互動(dòng)環(huán)節(jié)，如搶答提問、參與投票。在酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)教學(xué)過程中，課堂上布置了關(guān)于運(yùn)用米氏方程的典型例題，學(xué)生們解題之后，答案以投票的方式輸入教學(xué)APP，同時(shí)并能查看其他同學(xué)的選答情況，了解自己的學(xué)習(xí)程度，我們稱之“酶”來眼去。課下，教師通過查看簽到、學(xué)情分析等，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度與效果，并可以發(fā)出學(xué)習(xí)提醒。然而，如何利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)提高教學(xué)質(zhì)量仍是教學(xué)工作者需要解決的關(guān)鍵問題。課前，學(xué)生因一些原因不去自主觀看教學(xué)課件及視頻，如教材與課件的不配套、教學(xué)視頻的枯燥以及預(yù)學(xué)的習(xí)慣缺失等都將影響研討式教學(xué)成功邁出第一步。因此，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的配套教材，多元化的教學(xué)考核方式以及高質(zhì)量的教學(xué)資源都亟需教師們補(bǔ)充改進(jìn)。

5結(jié)束語

生物化學(xué)課程中“酶”教學(xué)實(shí)踐表明，課堂教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整及運(yùn)用案例教學(xué)能夠有效化解酶動(dòng)力與酶調(diào)節(jié)部分的教學(xué)難點(diǎn)。此外，基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的輔助，研討式教學(xué)模式突出了學(xué)生在教學(xué)中的主體角色。這為提升生物化學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量提供了保證與有效途徑。

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作者:劉洪艷 徐仰倉 單位:天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院