基于思维导图、类比分析与过程性评价的教学设计

基金项目：教育部高教司基础科学拔尖学术培养计划“拔尖学生综合素养培养体系建设的研究”（20222166）；教育部第二批新工科研究与实践项目“面向实践创新的生物技术专业教育教学体系建设”（20ZSLKJYZD08）；甘肃省高等学校教学成果培育项目“生命科学主干课程两性一度研究”（2023013）

第一作者简介：牟凌云（1976-），女，汉族，四川蓬溪人，博士，副教授。研究方向为靶向G蛋白偶联受体的新型多肽药物。

*通信作者：达朝山（1968-），男，汉族，甘肃景泰人，博士，教授。研究方向为手性药物、寡肽人工酶与仿生催化。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.12.030

摘  要：糖生物学是生命科学领域中一个迅速发展的新兴方向，在生物化学教学中加强对糖类和糖生物学的学习，可为深入学习糖生物学专业课程奠定基础，有利于相关领域创新型人才的培养。该文介绍思维导图等方法在糖类和糖生物学教学设计和实践中的应用，结果表明思维导图和类比分析有利于学生更加有效地掌握知识框架、理解内在逻辑，而过程性学习评价能显著激发学生主动学习的意识。通过综合运用线上线下的教学平台，在课堂上开展多模式教学，达到提高学习效率和学习能力的目的。

关键词：生物化学；糖类和糖生物学；思维导图；类比分析；过程性评价

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）12-0126-04

Abstract： Glycobiology is a rapidly developing branch in the field of life science. The study of carbohydrates and glycobiology part in biochemistry course can lay a foundation for the in-depth study of glycobiology， which is beneficial to the cultivation of innovative talents in related fields. This paper introduces the application of mind mapping and other methods in the teaching of carbohydrates and glycobiology. The results show that mind mapping and analogical analysis can help students grasp the knowledge framework and understand the internal logic more effectively， and the process learning evaluation can significantly stimulate students' awareness of active learning. Through the comprehensive use of online and offline teaching platforms， multi-mode teaching is carried out in class to achieve the purpose of improving learning efficiency and learning ability.

Keywords： Biochemistry; carbohydrates and glycobiology; mind mapping; analogical analysis; procedural evaluation

探索和优化生命科学领域人才的培养符合我国的创新驱动发展战略需求。生物化学是高等教育中生命科学各专业学生的必修基础核心课程，既构筑了学生的基本专业素养，又培养了他们在专业领域的逻辑思维和创新能力。然而，生物化学学习内容繁杂、理论性强、知识点关联复杂，是学生心目中一门最难啃的“硬骨头”课程。如何激发学生的学习兴趣，提高学习能力和学习效果，是我们一直在深入思考和探索的问题。教学实践证明，结构生物化学模块是整个生物化学课程学习的基础。学生通过学习各类生物分子的结构与功能，为接下来进一步学习代谢和分子生物学打下基础。充分认识生物分子的结构特点，有助于学生在后续学习中更好地理解物质代谢的转变过程所蕴涵的深层逻辑以及生物信息流动过程的化学本质。我们以糖类和糖生物学为例，通过更新教学内容、引入思维导图、类比分析和翻转课堂等新型教学手段和全过程评价机制，探索了结构生物化学教学改革的实践方向。

一  糖类和糖生物学教学内容的分析与探讨

蛋白质、核酸、脂类和糖类是组成生物体的四类大分子物质。但长期以来，结构生物化学的教学内容多偏重于蛋白质和核酸的相关内容，糖类分子的内容和课时安排相对较少，造成学生对于糖类分子的生物学功能和重要意义认识不足。随着对细胞中糖类物质的研究持续深入，糖生物学（glycobiology）已经发展成为生物医学的交叉点和新前沿，是生命科学领域的热点研究方向[1]。关于糖类化学结构和代谢方式的研究，曾经是20世纪上半叶生物化学领域的最重要的科学问题。1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构，开启了以中心法则为核心的分子生物学研究时代。然而后基因组时代，科学家们发现遗传信息从核酸传递到蛋白质的过程并不足以完整解释各种生命现象以及其中的动态变化。研究表明，除了作为能源储存和结构材料的重要作用，糖类化合物还是生物体内重要的信息分子，糖基化修饰为解释生命过程中的复杂现象提供了巨大帮助[2]。自然界中的所有细胞和众多大分子都通过共价结合的方式携带有各种类型单糖或寡糖结构修饰。这些糖缀合物分子在细胞与周围基质之间的相互作用以及复杂生物的组装中起重要作用，是细胞通信的重要途径，决定蛋白命运，为胞外信号分子、寄生虫、细菌和病毒等提供识别位点[3]。总之，生物体内的糖类化合物是继蛋白质和核酸后的第三大类信息分子，是基因组信息的延续，是蛋白质功能的精细化修饰，对糖类的研究也是对生命现象探索的第三大里程碑。学习糖生物学的基本概念与知识，了解糖生物学的研究前沿，对于学生更深刻、全面地理解和未来探索生命现象的本质具有十分重要的意义[4-5]。

糖类的结构生物化学主要学习糖类物质的结构及其与生物学功能的关系（图1）。糖类是自然界中的多羟基醛/酮类化合物，立体化学结构复杂。生物体中的单糖基本为D型结构，溶液中单糖又会形成分子内半缩醛的环式结构，进而产生新的手性中心（异头碳）以及异构体（即α和β异头物）。单糖之间通过糖苷键相连后就形成了寡糖和多糖。糖苷键的连接方式非常多样，受单糖类型、异头碳构型、参与成键的原子位置等因素影响。此外，一个单糖分子上可以形成多个糖苷键，因此很多寡糖和多糖都具有分支结构。糖苷键的多样性是糖类与蛋白、核酸等其他生物大分子在结构上的重要差异，是影响糖类的结构和功能的重要因素。例如储能多糖淀粉和结构多糖纤维素都是葡萄糖聚合物，但糖苷键差异导致二者在空间结构、生物学功能、理化性质上迥然不同。糖分子还可与蛋白质、脂类分子共价结合形成糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等糖缀合物。基于糖苷键结构的立体化学特点，糖缀合物中的寡糖链能提供极其丰富的结构信息，远远超过同等大小核酸或多肽分子中所包含的信息密度。细胞使用特定的寡糖链编码有关信息，决定细胞内蛋白质的命运去向、细胞-细胞相互作用、细胞分化和组织发育以及细胞外信号传递等重要事件。我们针对本章节的内容特点，将单糖立体结构特征作为基础知识重点讲解，进而引导学生理解多糖结构与功能的关系，认识多糖结构的复杂多样性及其产生原因，同时结合糖生物学的前沿方向，介绍糖基化修饰与蛋白功能、细胞通信、免疫应答等生命科学热点研究的关系。多糖结构和功能的研究分析依赖于高分辨质谱、核磁共振、生物正交反应等先进的技术方法，我们将同时融入对这些分析方法和技术的介绍，拓展学生对生物大分子检测分析手段的了解。

图1  糖类的结构及其生物学功能

二  糖类和糖生物学的教学设计

（一）  课前准备

1  学情分析

本课程的授课对象为生物学专业大学二年级本科学生，全为国家理科基地班学生，专业基础较好。学生大一时已经完成无机化学、有机化学等课程的学习，已掌握相关有机化合物的基本化学知识。本章内容涉及各种糖类物质的结构、性质、功能及应用，内容较为繁杂，与日常生活及医药学联系较为紧密，更侧重于应用，需要学生在以往学习的基础上，从生物化学的角度将糖的化学结构应用于对其生物学功能的认识与理解。教师通过提前布置复习内容，结合课堂提问考察，对相关知识基础进行回顾总结，提高课堂学习效率。

2  问题导入

一提到糖，可能很多同学已经感觉到了甜甜的味道，那到底什么是糖？糖是不是一定都有甜味呢？首先通过这样的问题引起同学们的兴趣，接着我们来看一下自然界中的糖。精美的糖果蛋糕，清新的森林草原，它们看似不同，实则俱是我们身边的“糖”。通过两张图片的对比，一张是棉花，一张是蟹壳，让学生猜测它们的化学本质是什么？提出问题，设置悬念，大部分同学都能说出棉花是一种多糖，但是蟹壳的本质众说纷纭，在争论中告诉同学们蟹壳的本质也是糖类，会引发学生的惊讶、疑惑和思考。这时候再给出糖的定义，学生会留意糖作为“多羟基醛/酮及其聚合物、衍生物”的内涵和外延。

3  明确学习目标

结构生物化学更重视在化学结构的基础上理解分子如何实现其生物学功能。自然界中的糖类包括单糖、寡糖和多糖。单糖分子通过糖苷键连接形成寡糖和多糖。糖类是生物体重要的储能物质，又能组成细胞壁、胞外基质等重要生物结构。寡糖分子与蛋白质、脂类形成复合物被称为糖缀合物，糖缀合物中的寡糖结构通过分子识别参与调解各种生物学过程。糖的立体化学性质是影响其空间结构与生物学功能的关键因素。因此本章的主要学习目标是，掌握单糖的结构和性质，认识寡糖、多糖以及缀合糖的结构及其与生物学功能的关系；重点是认识单糖的立体结构特征以及糖苷键的类型。

（二）  课堂教学与参与式学习

我们在课堂讲授中将本章节内容划分为三个模块：第一模块介绍生物体内常见的单糖分子种类和性质，重点了解它们的环式结构以及构型、构象等立体结构特征；第二模块介绍糖苷键和多糖的概念，分别以淀粉和糖原、纤维素和几丁质为例，重点学习贮存多糖和结构多糖在三维结构和功能上的差异；第三模块糖生物学中主要介绍糖缀合物的概念和种类，以衰老红细胞的清除机制、病毒入侵宿主细胞等为例，重点理解糖缀合物中寡糖结构的高度多样性，细胞使用特定的寡糖结构作为“糖密码”传递信息，决定细胞内蛋白质的命运去向、细胞-细胞相互作用、细胞外信号传递等重要事件。

第一模块和第二模块是传统糖结构生物化学主要的教学内容，我们在教学中采取思维导图与类比分析相结合的方法。这两部分概念多，内容杂，关于糖类分子立体结构的知识抽象，不易理解，如果仅凭死记硬背的方式学习，很容易丧失兴趣，也难以真正做到知识的内化与应用。思维导图可以将分散的知识点整合在一起，建立知识框架，梳理出这些内容之间的逻辑关联性。为了提高学习过程中的主动性，我们采取以学生为主的方式完成思维导图：首先，请同学在预习过程中根据自己的理解完成第一张思维导图；然后，教师完成对重点内容的课堂讲授和总结后，请学生将这些内容与绘制的思维导图对比，发现自己的知识盲区，作为课后复习的重点；最后，通过学习通在线课堂等方式上传学生制作的优秀的思维导图，供大家参考使用。这种方式学生参与度高，在自己完成思维导图的过程中需要反复理解相关知识内容，不仅建立了自己的知识框架和知识模块，还能培养逻辑思维能力。

类比分析是结构生物化学学习的有效方法。糖类分子与蛋白质、核酸、脂质分子是构成生命体的主要大分子物质。通过对前面章节中蛋白质结构的学习，学生们已经对结构生物化学的知识逻辑有了一定认识，即生物分子的功能是由它特定的结构决定的。就蛋白质而言，氨基酸按一定顺序通过肽键连接形成一级结构，一级结构决定了蛋白质的空间结构，而蛋白质的空间结构决定了它所执行的特定功能。这一逻辑同样适用于糖类分子的结构生物化学。单糖按一定顺序通过糖苷键连接形成一级结构，一级结构决定了多糖的空间结构，而多糖的空间结构决定了它在生物体中扮演的角色。然而，与天然氨基酸和蛋白质相比，单糖的种类远远超过20种且立体结构复杂多变，糖苷键的连接方式也不同于肽键单一的连接方式，进一步增加了糖结构的多样性，相应的，生物体中糖分子的功能也极其复杂。对比糖类和蛋白质在组成单元、连接方式、三维折叠的原则、结构与功能的关系等方面的区别联系，既能重温蛋白质结构的知识点，又帮助学生深入理解多糖结构与功能的关系（图2）。