生物医学概论生物化学基础课程设计实践研究进入21世纪以来,生命科学取得了长足的进步,以基因组学为代表的研究,使得人类对于生命本质有了更深入的了解。与此同时,生命科学的发展也推动了医学相关领域的发展,使得我们对人体的正常机能以及疾病发生发展的机制有了进一步的认识和发现,并给临床医学的诊断和治疗提供了新的思路和方法[1]。在此背景下,生物医学的概念和学科建设越来越受到人们的重视。生物医学是生命科学与医学相结合的学科,是利用生命科学的理论、方法来阐述人体结构和功能及其生命活动本质的学科,可为基础医学和临床医学提供理论依据和技术手段,也可以看作是连接生命科学与医学的桥梁学科[2]。在医学院校开设生物医学课程,可以使教学更加贴近当今医学发展方向,提升教学层次,尽早培育学生的科学理论素养,为其后的医学和其他方向的学习打下更坚实的基础[3]。为此,我校已在2017-2018学年第一学期开始为部分非医学专业试验开设生物医学概论课程。针对开设本课程的相关专业培养目标和医学特色的体现,本校开设的生物医学概论课程以生物化学、生理学、神经生物学为主体框架进行整合和设计。经过几年的探索和完善,目前生物医学概论的课程建设已初具规模,有机整合了各部分内容,确立了整个课程的课程大纲,形成了完善的教学方法和形式,建立了综合性、以课程结束测试和形成性评价相结合的课程考评体系,为我校建立适应学科和特色人才培养发展的生物医学概论、基础医学概论、临床医学概论课程体系打下了坚实的基础。本文作者在生物医学概论课程建设的实践中,承担了生物化学基础部分的课程设计和教学工作。在此文中,我们将总结在生物医学概论中生物化学基础课程设计的思路和理念,分享教学经验和体会,为进一步完善本课程的建设起到抛砖引玉的作用。1、课程设计生物医学概论课程突出一个“概”字,力求通过课程的教学使学生对整个生物医学的基本知识有一个概括而全面的认识。如何利用有限的课时,达到理想的教学目的,课程设计是一个挑战。以生物化学基础为例,目前医学专业类似课程的理论学时为80个。而生物医学概论课程中,需要在不到20个学时完成该部分内容的教学,课程设计难度可想而知。根据本课程和授课专业的特点,我们将该部分内容分为五个章节,保留基本的骨干内容,压缩、删除过于繁琐的理论,插入联系实际的案例,尽可能使内容“接地气”,使学生乐于接受[4];同时合理引入课堂思政元素,使学生在理论知识学习的同时,提升其思想境界和道德品质[5]。1.1生物化学绪论对于生物化学绪论部分,之前类似课程仅做简略介绍,学时一般为0.5个学时。在本课程中,将此部分作为重点进行设计,内容扩充为2个学时,让学生在一开始对生物化学的总体知识有一个感性的了解,同时插入实例和最新进展,增加学生学习兴趣,以利于之后内容的学习。在讲解生物化学的概念后,重点讲解了生物化学发展的历史阶段。在第一阶段即叙述生物化学阶段的内容中,穿插了可溶性催化剂-酶的发现等案例,激励了学生勇于思考和探索的精神。在动态生物化学阶段的内容,重点介绍了三大营养物质的概念,同时教育学生要合理饮食,均衡摄入营养。在分子生物学阶段的内容,着重介绍了进入分子生物学阶段的标志性事件,即发现双螺旋结构的历史故事;同时也介绍了重组DNA技术、人类基因组计划、基因组学等新进展,以转基因生物的利与弊、基因编辑的伦理问题为话题,引导学生进行讨论。同时,也介绍了我国科学家在生物化学发展中的贡献,如吴宪提出的血糖测定法、人工合成牛胰岛素、人工合成酵母tRNA、参与人类基因组计划等,激发学生的爱国热情和献身科学的精神。然后,再结合研究历史,介绍生物化学研究的主要内容。第一阶段的研究对象是生物分子的结构与功能(但生物大分子的结构在第三阶段阐明);第二阶段的研究内容是物质代谢(一些代谢的调节和合成代谢在第三阶段讲授);第三阶段的研究内容是分子生物学,其中遗传信息的传递和表达是一个主要内容。三个阶段正好对应生物化学的三部分主要研究内容。最后,再介绍生物化学和医学之间的联系和相互的促进作用。1.2生物大分子的结构与功能生物大分子的结构与功能,包括蛋白质、核酸的结构与功能以及酶的相关内容,共5.5学时。其中蛋白质的结构与功能的内容,将其压缩为2个学时。介绍蛋白质的元素组成时,重点介绍蛋白质氮元素的含量特点,即平均含氮量为16%,由此引出定氮法,并结合三聚氰胺事件引导学生讨论。对于蛋白质的分子结构,只介绍蛋白质的四个结构层次的定义和稳定的作用力,删去肽平面、模体、结构域等部分。对于蛋白质结构与功能的关系,着重指出蛋白质的一级结构是高级结构与功能的基础、蛋白质的功能依赖特定的空间结构,并举镰刀形贫血症、血红蛋白变构和疯牛病的案例加以阐明。对于内容较为类似的氨基酸、蛋白质理化性质,删去前者,只介绍后者中两性解离、胶体性质、变性、紫外吸收等性质。对于核酸的结构与功能,同样安排2个学时。其中核苷酸的结构、核苷酸之间连接的化学键、双螺旋结构要点、生物体主要的RNA的种类和功能、核酸的理化性质作为重点介绍。其中核酸理化性质的部分,可结合介绍分子杂交技术、PCR技术、基因芯片技术等较新且学生较感兴趣的内容。对于酶的内容,安排1.5学时。重点讲解酶的概念、特点、酶的分子结构、活性中心的概念、同工酶、酶原激活的意义、以及酶促反应动力学等内容。其中同工酶部分可结合临床检验的案例,酶原的激活可结合急性胰腺炎的病例进行讲解。酶促反应动力学的部分,着重介绍米氏方程的意义,并结合磺胺类药物等案例讲解竞争性抑制剂的内容。1.3物质代谢物质代谢包括糖代谢、脂类代谢、蛋白质代谢和核酸代谢等内容,共5.5学时。这部分内容与实际生活和一些临床疾病联系紧密,但在传统的生物化学课程中,具体的代谢过程和调节内容较为繁琐,课程难度较大。在本课程的设计中,将代谢过程和调节的内容大幅简化,重点讲述各个代谢的概念、生理意义及互相之间的联系,力求学生在总体水平把握物质代谢的内容,并能应用所学知识建立科学的生活习惯。对于糖代谢内容,安排2个学时。以血糖的生理意义及其来源和去路为中心,讲解糖的无氧氧化、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖原的合成与分解以及糖异生的概念及其在糖代谢总体中的生理意义。强调糖作为营养物质最主要的生理意义是提供能量。其中正常情况下,各个器官组织的大部分能量以及脑的全部能量来自糖的有氧氧化。缺氧和剧烈运动时,肌肉和一些器官可以通过糖的无氧氧化供能。磷酸戊糖途径可以给人体提供合成代谢所需的原料和还原当量。糖原的合成与分解的主要生理意义是维持血糖浓度恒定,为各器官组织持续稳定提供能量。在短期饥饿时,肝糖原分解殆尽,此时身体使用生糖氨基酸、甘油、乳酸等为原料进行糖异生,维持血糖浓度恒定。其中生糖氨基酸主要来自机体蛋白质的分解,这样可以使学生理解短期饥饿会导致机体蛋白质流失的原因。脂类代谢安排1.5个学时,主要讲解脂类的分类、脂肪酸分解、酮体的生成、脂肪酸、胆固醇的合成以及血浆脂蛋白的代谢。这部分内容可以结合学生感兴趣的减肥话题来讲解。脂肪是人体的储能物质,也可以分解给人体提供能量。脂肪分解为甘油和脂肪酸,其中脂肪酸通过β-氧化分解,其进行必须要在有氧条件进行。以此引导学生理解有氧运动可以减肥的科学原理。结合人体的解剖特点,给学生讲解由于血脑屏障的存在,脂肪酸不能直接给大脑使用。但长期饥饿身体不能无限制分解蛋白质提供生糖氨基酸进行糖异生。此时,机体可大量利用脂肪酸在肝脏生成酮体,酮体可穿过血脑屏障,给脑等器官组织提供能量,因此可以节约蛋白质的消耗。但酮体大部分为酸性,可能导致酮症酸中毒,因此长期饥饿对人体危害很大。糖尿病人代谢紊乱,对糖的利用存在障碍,酮症酸中毒也是其严重并发症之一[6]。对于脂肪酸和胆固醇的合成,主要讲解其原料大部分可通过糖代谢得到。因此大量进食糖类,会导致肥胖以及胆固醇增高。以此教育学生合理饮食,避免高糖高脂的饮食结构。胆固醇可作为胆汁酸、类固醇类激素和维生素D的合成原料。但高浓度胆固醇会导致低密度脂蛋白LDL的上升,而修饰的LDL是心血管疾病的风险因素,因此胆固醇过高会危害健康[7]。蛋白质代谢即氨基酸的代谢,此部分安排1.5个学时。此节内容以氨基酸的来源和去路为主线,讲解蛋白质的营养作用和消化吸收、脱氨基作用、氨的代谢和氨基酸的其他代谢。先指出氨基酸在人体的最主要去路是合成新的组织蛋白质,由此让学生理解合理摄入蛋白质的意义,同时也可为讲述后续遗传信息的传递和表达中蛋白质合成内容打下铺垫。消化吸收中的腐败作用,即未消化的蛋白质和氨基酸受肠道细菌的分解作用,产生的物质大部分对人体有害,虽可通过肝脏解毒,但也加重了其负担。膳食中蔬菜、粗粮中纤维素可促进消化产物排出,减少腐败作用。由此可以让同学理解合理膳食、“荤素搭配”的科学原理。脱氨基作用中,穿插讲解血清转氨酶检测在临床诊断中的应用实例。氨的代谢中,联系氨的来源和去路的知识,让同学讨论导致氨中毒的原因和治疗方法。氨基酸的其他代谢中,我们主要讲解一碳单位的产生,可为核苷酸合成提供原料,同时结合讲解叶酸缺乏可能引起疾病的病因。核苷酸代谢安排0.5个学时。我们强调虽然核苷酸是合成核酸的原料,但与糖、脂类、蛋白质不同,核苷酸不是营养物质,因此不需要从食物摄入。人体所需核苷酸都是自身通过从头合成和补救合成两条途径合成的。由此教育学生,对于国家也是同样如此,至关重要的技术和装备要依靠自力更生,不能一味依靠引进。对于核酸分解的内容,主要讲解嘌呤核苷酸在人体的分解产物是尿酸,尿酸排泄障碍会导致痛风症,并由此结合介绍痛风症的治疗方法。1.4遗传信息的传递和表达本章内容主要包括DNA的生物合成(复制)、RNA的生物合成(转录)和蛋白质的生物合成(翻译),共3个学时。本章围绕中心法则内容展开,即DNA复制遗传到子代、DNA为模板转录生成RNA、RNA为模板合成蛋白质。DNA的生物合成主要讲解DNA复制的基本特征、DNA复制的酶学、DNA复制的过程和DNA的损伤与修复。DNA复制的基本特征重点讲解半保留复制,同时结合讲解证明半保留复制的同位素标记实验。在DNA复制的酶学中,对于比较难理解的拓扑异构酶,可以例举亚历山大剑砍戈迪乌斯绳结的故事,既讲解了酶的作用机理,又培养了同学将复杂问题简单化的思维方法。在讲解导致DNA损伤的因素时,指出很多污染物都是致癌物,引导学生理解保护环境的意义,真正理解“绿水青山就是金山银山”的含义。RNA的生物合成中主要讲解转录的基本特征、转录的基本过程以及真核生物RNA的加工。在讲解转录的基本特征的同时,将其与复制的基本特征加以比较,使学生理解两者的异同点,达到温故知新的效果。对于蛋白质的生物合成,及时回顾这其实是物质代谢中讲到的氨基酸的最主要去路,帮助同学复习之前学过的知识。蛋白质的生物合成上可以看成是核酸语言和蛋白质语言之间的转换,因此又称翻译。这样讲解可以使得学生对概念的理解能够由表及里。这部分内容中,遗传密码的概念和特点、肽链合成的过程也是比较重要的内容。最后,再介绍一些抑制蛋白质合成过程的抗生素的作用机理,使学生认识理论与实践的结合在医学中发挥的重要作用。1.5分子医学专题在学生学完前四章后,可以利用所学知识进一步自学生物化学与医学相结合产生的分子医学知识。本章内容包括基因结构与功能分析技术、基因诊断和基因治疗。通过此章的自学,可以使学生进一步加深之前所学知识,同时理解生物化学理论在医学中应用的价值和前景,了解医学的最新发展方向,培养学生独立思考和创新的能力,养成自主学习的良好习惯。2、教学体会在近年的生物医学概论生物化学基础部分的教学实践中,遇到了各式各样的困难和挑战,但是通过合理分析、团结协作,基本均得到满意的解决,有效提升了教学质量和水平。对学生成绩分析结果及同学的反馈表明,大部分同学对生物医学概论生物化学基础部分的掌握达到了预期的要求。现将我们的教学体会总结如下。2.1针对学生特点,因材施教本课程开设之初,我们基本还沿用传统生物化学课程的教学方法。尽管已对所授内容进行了优化和删减,但由于学时的不足和教学方法的限制,学生反映课程难度较大,内容不易接受。通过调查我们了解到,我校非临床专业部分学生高中学习的生物、化学知识不足,甚至有一些是文科的同学,缺乏适当的理科知识基础。为此,在教学过程中遇到一些较难的知识点,通常会将背景做简略介绍,然后再讲解知识点内容。例如,讲解氨基酸结构时,我们会先将羧基和氨基的结构和性质加以简要介绍,再讲解氨基酸的具体结构。同时,针对学生的特点和兴趣点,加强了科学史方面以及与日常生活结合实例的介绍,穿插在知识点的教学中,增加了学生的学习兴趣,提升了教学效果。2.2利用多种网络教学平台,促进师生互动在本课程的教学过程中,发现一些专业的同学学习积极性不高,课堂互动弱。为此,我们试验了多种网络教学平台,促进师生互动,提高学生学习积极性。其中,雨课堂的实践较为成功。该平台具有发布预习课件、课堂点名、课堂弹幕互动、随堂测试和课后测试等多种功能,并且可以记录教学过程、即时分析教学效果。结果表明,该平台有效地提高了课堂到课率,学生养成了课前预习、课间互动、课后复习的良好习惯,极大提升了教学效果。在疫情防控期间,我们利用雨课堂进行在线教学,课后对学生提交的作业和反馈加以分析,表明教学效果良好,做到了“停课不停学”的教学目标。2.3推进形成性评价,建立学生成绩的综合考评体系以往课程教学中,教师只负责课堂教授,学生学习成绩只通过期末一次测验决定。这导致了很多学生课堂不认真学习、考前临时抱佛脚的现象出现,极大地影响了教学的质量。在本课程的教学中,我们一开始就确立了形成性评价的制度,通过课堂提问、小组讨论、课后练习、论文等方式,收集学生的平时学习情况,确定平时成绩。总评成绩由平时成绩和期末测验成绩加权确定。最近,我们结合问卷星、雨课堂等网络教学手段,进一步推进了形成性评价的开展。对教学效果分析表明,形成性评价有效地促进了学生的学习热情,使学生养成良好的学习习惯,有效提升了教学质量。生物医学是未来的医学发展方向。生物医学概论课程的开展,促进了各学科的互相协调、联合,合理利用了有限的教学资源,避免了知识点重复教学造成的学时浪费,也提升相关学科的教学水平,是一项有益的教学改革尝试。教学实践表明,本课程的教学效果达到了之前的设想。作为其中的有机组成部分,生物化学基础部分的教学实践也取得了较大的成功。我们对本课程生物化学基础部分的课程设计和教学体会,不仅对本课程建设具有一定的意义,对于改进传统生物化学课程的教学也有一定的参考价值。参考文献：[1]陈长仁,何发忠,周宏灏,等.精准医学的基础研究与临床转化[J].中国药理学通报,2015,31(12):1629-1632.[2]罗长坤.当前生物医学发展趋势与特征[J].医学与哲学(人文社会医学版),2011,32(2),1-4.[3]何勇涛.中国生物医学博士研究生培养模式研究[D].第三军医大学,2012.[4]徐蕾,刘海军,吕俊,等.合理进行教学设计让生物化学理论课程更接地气—以物质代谢篇为例[J].生命的化学,2017,37(3):439-444.[5]李红波.生化分生课堂思政教育的实践与思考[J].继续医学教育,2019,33(5):69-71.[6]尹延伟,胡爱民,刘宏利,等.糖尿病酮症酸中毒相关危险因素分析[J].临床急诊杂志,2012,13(2):94-96.徐蕾,颜亮,孙玲玲,吴明彩,张玲,凌烈峰,汪萌芽.生物医学概论生物化学基础的课程设计和体会[J].基础医学教育,2020,22(06):399-402.基金:国家自然科学基金资助项目(31971199);皖南医学院教学研究基金资助项目(2017jyxm38).
