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案例法在生物化学教学的应用

摘要:以“脂肪酸β-氧化”为例,探讨生物化学教学中案例法的应用。即在授课过程中,引入与课程内容密切相关的长期饥饿的动物案例,通过自制动画、左旋肉碱咖啡实物展示、课堂讨论及启发式教学等多种手段,清晰、生动地展示了脂肪酸β-氧化的授课内容,引导学生积极思考和讨论,激发了学生学习生物化学的兴趣。

关键词:教学方法;生物化学;脂肪酸β-氧化;案例法;分组讨论;学习兴趣

生物化学课程是生命科学相关专业的必修课,在生命科学人才培养中发挥重要作用[1]。生物化学的研究内容包括生物大分子结构与功能、物质代谢以及遗传信息传递。物质与能量代谢部分包括糖代谢、脂类代谢、氨基酸代谢和核苷酸代谢,涉及不同的代谢途径,每个代谢途径中又有多步反应,其中参与催化反应的酶数量众多[2]。如果只是介绍每条代谢途径的生理学意义、每一步反应的过程和参与的蛋白酶,会让学生觉得枯燥,不能激发学生的学习兴趣,也体会不到物质代谢的奇妙之处。为此,笔者在教学过程中,精心备课,并对课程进行设计,通过引入案例,并结合多种教学手段,不但使学生很好地掌握了生物化学知识,也激发了学生的学习兴趣,使他们感觉到学习生物化学的过程是快乐有趣的,同时能体会到生物化学知识不是抽象无用的,而是和生活密切相关的。本文以“脂肪酸的β-氧化”一节为例,探讨案例法在生物化学教学中的应用。

1通过生活实例,引入课程内容,启发学生思考

课程引入时,以汶川地震中废墟下被埋36d仍奇迹生还的“猪坚强”为例,讲述“猪坚强”的体质量在震前是150kg,震后只有50kg,减少了三分之二。被埋期间,它吃木炭喝雨水,但木炭只能充饥,不能提供营养,那这36d里是什么物质在给它提供能量呢?震前的“猪坚强”是膘肥体壮,震后则是瘦骨嶙峋。“膘”不见了,膘是什么呢?引出体内储存脂肪的重要性。脂肪是由脂肪酸和甘油构成,脂肪酸分解后能够产生大量的能量和水分。请学生们思考,假如“猪坚强”在地震前就是一只瘦骨嶙峋的猪,那它还能活下来吗?通过引入案例的方法,调动学生的兴趣和积极性。在活跃的气氛中,开始学习脂肪酸分解过程。

2通过研究历史追溯、自制动画和举例等

多种教学手段,介绍脂肪酸β-氧化过程首先,介绍1904年FranzKnoop通过一个经典而巧妙的标记实验研究了脂肪酸的分解,他使用难以被动物代谢的苯环标记脂肪酸喂狗,然后在狗尿液中检测代谢产物。当饲喂奇数碳原子脂肪酸(如苯丙酸)时,狗尿液中检测到的是苯甲酸,脱去了两分子碳,但这两分子碳是逐个脱下的,还是一起脱下的,还不能确定;然后他又用苯环标记偶数碳脂肪酸苯丁酸,在狗尿液中检测到了苯乙酸。通过这个实验就证明了,脂肪酸分解每次脱去2分子碳。随后,介绍1940年AlbertLehninger研究证实β-氧化是在细胞的线粒体内进行。AlbertLehninger是学生们都比较熟悉的被称为“生物化学圣经”的经典教材“PrinciplesofBiochemistry”的编者,通过介绍AlbertLehninger的研究工作,也使学生们对科学家有了更深的了解。在学习“β-氧化”的过程中,首先指导学生了解脂肪酸的活化是在细胞质中进行,强调消耗了2个高能磷酸键,为脂肪酸β-氧化能量的计算做铺垫。教学过程中可以提问同学:活化后的脂酰-CoA能直接在细胞质中开始氧化分解吗?学生们可结合之前介绍的AlbertLehninger的研究结果,即β-氧化在细胞的线粒体内进行,得出脂酰-CoA还需要从细胞质转运到线粒体中的结论,由此引出“肉碱转运系统”。在介绍肉碱转运系统前,先告诉学生们:肉碱在肉中含量丰富,由此而得名;可以从食物获取肉碱,机体自身也可以合成。笔者自制了动画,清晰地展示了肉碱将脂酰基从细胞质转运到线粒体的过程。通过介绍肉碱来源及自制动画,使学生们不但直观地了解了肉碱将脂酰基从细胞质转移到线粒体基质的过程,而且为之后关于减肥药“左旋肉碱”的课堂讨论奠定了基础。以16C的脂肪酸-棕榈酸为例,教学以PPT为主,配合板书,引导学生了解脂肪酸β-氧化的四步过程——氧化、水合、氧化、硫解,最终生成乙酰-CoA和14C脂酰CoA,并伴随着FADH2和NADH的产生。乙酰-CoA可以进入三羧酸循环,产生GTP、NADH和FADH2,而脂肪酸β-氧化和三羧酸循环产生的NADH和FADH2可以进入电子传递链,生成ATP和水。学生们经过计算,得出每1分子16C脂肪酸彻底氧化分解可释放106分子的ATP和123分子的水。1分子的脂肪酸就能产生这么多能量,那么“猪坚强”的体内储存着大量这样的脂肪酸,氧化分解就能产生大量的能量和水分,这就是它为什么能支撑36d的原因了。这样呼应了课程引入时提出的“猪坚强”为什么能存活36d的问题,使学生们切实了解到脂肪酸β-氧化的重要性。为了使学生们进一步了解脂肪酸β-氧化的重要性,笔者进一步举例说明脂肪酸分解产生的能量和水对很多动物生理活动的维持都是至关重要的,比如冬眠的熊。熊在冬眠数月的时间里不吃不喝,但是每天仍然消耗高达6000kcal的热量,这些能量的来源就是冬眠前大量储存的脂肪。在冬眠过程中,熊的呼吸仍在正常进行,通过呼吸也损失了很多水分,而脂肪酸氧化分解产生的水就在不断补充着呼吸时水分的损耗。还有很多动物也依赖脂肪酸提供能量和水,比如迁徙的鸟。有些鸟在长达几十小时的飞行过程中是不进食进水的,能量和水的来源就是脂肪酸。还有一些生活在干旱地区的动物,比如骆驼和沙鼠,脂肪酸氧化对它们来说也很重要。骆驼的驼峰中储存着大量的脂肪,这些脂肪是它长途跋涉时能量和水分的重要来源。学生们通过这些熟悉的动物实例,进一步体会到了脂肪酸β-氧化的奇妙和重要性,不再将生物化学代谢看成一个无趣的反应,从而激发了学习兴趣,活跃了课堂气氛,扩展了生物学知识。

3实物展示和课堂讨论,强化课程内容,引发学生思考

通过多媒体PPT、自制动画等方式介绍了脂肪酸β-氧化过程之后,笔者进一步通过展示减肥产品“左旋肉碱”销售图片和“左旋肉碱咖啡”实物,调动课堂学习气氛,学生们可以结合课堂学习内容,进行讨论,从而强化脂肪酸β-氧化的学习内容。因为活化的脂肪酸需要通过肉碱将其从细胞质转运到线粒体,因此肉碱是脂肪酸代谢过程中的重要成分。市场上有一类根据脂肪酸转运过程制作的减肥产品,叫“左旋肉碱”,销量非常好。课程中,笔者对网络上一些左旋肉碱相关产品的图片及销售记录进行了截屏,使学生们先有一个很直观的感受。而“左旋肉碱咖啡”实物的展示又进一步提高了学生兴趣,感受到生物化学与实际生活的密切联系。课堂上提供了某左旋肉碱产品的说明书,说明书中写到“促进脂肪转化成能量,而且只消耗脂肪,不减少水分和肌肉,也不会引起厌食、腹泻和乏力等不良反应。可以预防脂肪堆积,结合运动,效果更明显。”请学生们根据课上讲过的知识,分析此类产品应用了怎样的生物化学机制?为什么声称没有不良反应?为什么说结合运动,效果会更明显?你认为它的减肥效果如何?学生们先分组讨论,然后老师再请各组同学谈谈他们对这种产品的的看法。为了达到好的讨论效果,讨论前先提醒学生在分析过程中需要考虑到以下4点:(1)肉碱的来源;(2)肉碱在体内的功能;(3)正常机体是否需要额外补充肉碱?(4)什么情况下或何种特殊人群可能需要额外补充肉碱?通过这种以市场上的减肥产品为例,并进行实物展示,理论联系实际,极大地引发了学生的学习兴趣,课堂讨论气氛非常热烈。在巩固理论知识的同时,运用课堂上学习到的生物化学理论知识,以及查阅资料,提高了学生分析解答实际生活中遇到问题的能力。

4结语

如何将生物化学知识生动有趣地传授给学生,使学生们感觉到学习生物化学的过程是快乐的,这是生物化学教师一直在思考的问题,也是现在和将来继续努力的方向。因此,在平时生活和工作中,需要注意搜集与生物化学相关的资料,包括研究历史、科学家研究经历、文献、新闻、市场上相关的产品等。在备课过程中,认真设计,将这些资料在合适时机引入到授课内容中,达到引发学生学习兴趣、活跃课堂气氛的目的。在授课过程中,通过案例、课堂讨论和实物展示等多种教学手段,生动有趣地讲解课程相关的研究历史、科学家及主要内容,使学生们在掌握生物化学知识的同时,了解生物化学与实际生活的密切联系和应用实例,激发学习兴趣,享受学习过程。

作者:韩海棠 单位:中国农业大学生命科学国家级实验教学示范中心

参考文献

[1]郑昌学.生物化学教学之我见——2012年全国生物化学与分子生物学学术大会发言.生命的化学,2013,33(1):101-104

[2]NelsonDL,CoxMM.Lehningerprinciplesofbiochemis-try.6thed.NewYork:W.H.FreemanandCompany,2012.

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