本文结合“蛋白质与酶工程”课程特色和优势,科学设定教学目标、深度提炼课程思想价值和精神内涵、深入挖掘育人目标、精心开展教学设计、积极探索实施路径,立足构建内涵丰富、形式多样并具有实操性的“蛋白质与酶工程”课程思政教学体系。
“蛋白质与酶工程”为生物技术专业核心课程、必修课,共54学时、3学分,在生物技术专业人才培养体系中具有重要地位。课程内容包含蛋白质工程和酶工程两个领域。蛋白质工程是以蛋白质分子的结构和功能为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造、设计,以获得性能更优良、符合人类社会所需的新型蛋白质。酶工程是以研究开发酶及其应用为主,通过有效获取酶、改造酶和应用酶的催化特性,为自然和人工环境中的物质化学反应定向加速,使其更好地为人类社会和生产生活服务。
能力目标:能够熟练运用课程基本理论和方法技术,针对生活、生产中酶和蛋白质的具体问题或生物技术需求,通过科学的思维方法和合作探究获得蛋白质与酶工程实际问题的解决方案。
价值目标:树立社会主义核心价值观和民族自豪感;培养探索创新、坚持不懈的科学精神;理解生物技术对生态、资源、环境和社会可持续发展的影响,养成专业认同感和使命感,形成正确的人生观和生态文明观。
任何一门专业课程,都蕴含有自己丰富的故事。从人类对酶的应用开始,到1907年首次获得酶学研究史上第一次诺贝尔奖,再到2018年酶的定向进化技术再次获得诺贝尔奖,在数百年的研究和发展过程中,“蛋白质与酶”既是研究对象又是研究工具,30余次获得过诺贝尔奖,讲好课程中这些科学家的故事以及中国故事,对于培养学生创新、求实、奉献的科学精神和树立民族自豪感至关重要(教学设计5.1&5.2)。
以教师科研充实和补充课程内容,将教师科研成果以案例教学的方式引入课堂,讲解发现问题、解决问题思路的同时,挖掘理性结果中蕴含的人文因素,使学生看到科学研究背后是不断的坚持和努力,通过所学知识也可以攻克难关、解决问题、造福人类和社会。从而激发学生的学习热情、促进学生积极地参与学科及专业竞赛,以赛促教、以赛促学,使课程理论知识和课程思政育人最终内化于行(教学设计5.5)。
以热点问题为导向、以学生为中心,坚持解决思想问题与解决实际问题相结合,教学中选择学生感兴趣的话题为素材,将时事热点问题引入课堂,通过兴趣驱动,将时事热点中所蕴含的课程思政元素有机融入课堂教学,从而引发学生思想共鸣、产生内生动力。同时启发并引导学生充分发挥所学学科专业知识,正确认识和解读时事热点中的科学伦理等问题(教学设计5.6)。
在课程教学过程中,根据培养目标与教学内容的需要,遴选专业文献,引导学生阅读文献、思考、分析总结与讨论,使学生了解学科前沿与学科新成果。以文献资源为载体,贯穿育人主线,拓宽学生知识面的同时将学术资源转化为课程思政资源(教学设计5.7)。
以网络生物信息资源为基础的课程教学内容,应加强课程教学内容的实用性,以如何获取和利用全球生物信息资源为侧重点,理论联系实际,通过实操训练,让学生利用网络平台实现数据的检索和分析,最终获得感兴趣的蛋白质与酶分子信息,同时将大数据时代科技工作者基于全球视野的科学研究理念贯穿教学过程中。通过学生动手上网实际操作,不仅能加深学生对理论基础知识的理解、有效突破教学难点,更能起到将理论知识转化为实践经验的作用,是提高学生的学习积极性、激发学生的创新意识和树立科学研究全球视野的有效途径(教学设计5.8)。
根据课程确立的思政目标及各章节对应的课程思政维度,进一步分解知识要点,充分挖掘课程知识内隐的思想价值和精神内涵,从多方面入手进行教学设计,将思政教育有机融入课程教学。
在讲授酶作用专一性机理学说时,由“锁钥学说”引出“诱导契合学说”及其发现者科士兰。介绍在酶“活性中心”被提出后,年轻的科士兰大胆地对“锁钥学说”这种刚性的酶和底物结合方式提出疑问,认为蛋白质的结构可以发生变化,从而提出了著名的“诱导契合学说”。然而他的理论刚刚提出就遭到了学术界的强烈质疑,但是他并没有放弃,不断用实验和努力来证实这一理论,最终得到认可并写入了教科书。通过讲述科学家的故事,培养学生客观理性的思维特质和探索创新、坚持不懈的科学精神。
在固定化酶的教学中,以酶联免疫吸附测定的原理、方法、优点等基础知识作为教学骨架,以“2019新冠病毒”和“乙型肝炎”检测等生活化元素为“血肉”丰富教学内容。从平时体检常见的“乙肝两对半”检查报告单入手,通过分析实际案例中的受测者是否被乙肝病毒感染,是否具有传染性的过程中,将酶联免疫吸附测定知识融入学生的实际生活,激发学生的学习兴趣的同时使其感受固定化酶应用对于人类医学检测的重要性,以及生物技术专业学生的社会责任担当。
从最新获得2020年诺贝尔奖的基因编辑技术入手,探讨此项以酶为基础的研究,对于有研究者开展婴儿的基因编辑事件进行课堂讨论,引导学生正确运用科学技术、树立法治意识和正确的科学伦理观。
开学第一课正值2020年春季疫情严峻时期,全国高校实施线上教学。在绪论部分引入发表于Science期刊的研究论文“Cryo-EMstructureofthe2019-nCoVspikeintheprefusionconformation”,以2019新冠病毒的分子结构为切入点,讲授酶和蛋白质分子结构与功能的最新进展。通过复习《微生物学》中病毒的结构,讲解spike蛋白结构作为疫苗、治疗性抗体的研发以及临床诊断的关键靶点,其结构的解读和数据共享对于各国科研人员进一步研究新冠肺炎病毒具有重要意义,从而激发学生的学习兴趣,结合文献进一步介绍我国目前疫情防控的措施和成效。
蛋白质结构预测是蛋白质结构与分析一章中应用性和实操性较强的部分,教学中以“SalmonellatyphimuriumH-1-I鞭毛蛋白”为案例,从氨基酸序列的获取→理化性质预测→二级结构预测(蛋白质跨膜及信号肽情况)→三维结构预测,详细地讲解每一步使用何种数据库或平台、如何搜索、预测和分析所得结果,并配图说明。在学生了解蛋白质结构预测流程的基础上,布置课后实操作业,让每个学生选取自己感兴趣的蛋白质或酶,通过自己实际在线操作获得不同的蛋白质结构,从而丰富感性认识,了解全球共享科研数据是开展科学研究的重要支撑;同时感受课程学习带来的成就感,激发学习兴趣。
第一环节,精讲留白。教师在课堂上讲授学习目标、向学生明确课程教学重点“酶工程与生物技术其他学科的关系”和难点“21世纪蛋白质与酶工程领域的重要研究方向与热点”,留给学生独立探究的空间。学生听讲后对本章知识有框架性认识,但对于“基因工程和蛋白质工程在酶领域中如何应用”“如何利用化学修饰提高酶的稳定性、催化活性”“如何用酶治疗疾病”等具体的蛋白质与酶工程研究热点问题还缺乏深入了解,对于酶和蛋白质究竟对人类有何实际用处缺乏感性认识。
第三环节,小组讨论。下一次上课时先将课堂交给学生,由各小组成员以独学内化的“亮考帮”卡为基础,在组内依次发言,组员之间相互交流阅读文献后的体会与经验、提出疑惑、相互答疑、补充或争辩,并总结凝练出小组的疑难、疑惑或问题建议。学生基于个人学习成果与同伴合作学习,在深刻理解知识的同时,产生观点的碰撞、思想的火花。
第四环节,对话答疑。小组代表讲述本组最有价值或有趣的“亮闪闪”“考考你”和“帮帮我”,其他同学听取别组的观点、引发思考。教师对小组的发言进行点评和答疑,形成全班交流的氛围。
此外,在课程期中考试中,设计开放式问题“作为生物技术专业的学生,你认为学习本专业有何意义”以此收集学生对本课程的主观描述性评价,获取学生对专业必要性和学习本专业意义的评价。结果表明,多数学生认识到生物技术专业及酶工程对人类生产、生活和社会的可持续发展具有重要作用,从而增强了专业自信。学生在试卷上写道“学习本课程可以让我们更加了解生物技术的实际应用,提高同学们对课程的兴趣,增强了同学们对从事这一行业的信心”。“在人类的可持续发展上,生物技术应用广泛,无论是生物能源开发利用还是食品生产等方面都有重要意义。学习生物技术,可以让我们的生活不再吃不饱,穿不好,甚至还可以解决环境、资源问题。所以,生物技术意义重大”。“生物技术中有很多实用有趣的知识和技能,这些知识是人类赖以生存的基础,是我们了解自身,了解自然的必然需要,只有对这些知识有了系统的掌握,我们才能在大自然中继续发挥我们人类的优势,更加和谐地进行可持续的发展”。这些个人感悟,可以非常直观地体现课程思政教学对于学生养成专业认同感和使命感、形成正确的人生观和生态文明观方面取得了较好的效果。
课程思政教育改革的推进需要统筹规划、遵循育人规律、注重课程开发、探索实施路径,尊重学生主体性,不断创新教学方法,并进一步完善评价策略,在知识传授与价值引领的统一中让思想政治教育更有力度。以“蛋白质与酶工程”教学为载体实施课程思政,教师应该守好一段渠、种好责任田,让课程思政教育成为滑进生命的一丝温润、擦亮思想的一盏明灯。