徐可瀚

（安徽醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，安徽 合肥 230032）

0 引言

隨著我國(guó)高等教育發(fā)展，依托網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的線上課堂模式日漸興起，這是高校教學(xué)工作面臨的新挑戰(zhàn)，同時(shí)也是發(fā)掘教學(xué)內(nèi)容和優(yōu)化教學(xué)模式的新機(jī)遇。[1]在這樣的背景下，如何能在線上教學(xué)中更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性已成為高校教育工作者必須思考和探索的問題。結(jié)構(gòu)生物學(xué)作為一門在微觀水平解析生物大分子精細(xì)結(jié)構(gòu)的學(xué)科，能夠幫助我們觀察大分子的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。因此，將結(jié)構(gòu)生物學(xué)有機(jī)融入到生物和醫(yī)學(xué)類課程的教學(xué)過(guò)程，特別是結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學(xué)軟件的在線操作，在展示大分子結(jié)構(gòu)的同時(shí)進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的分析講解，促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)參與和師生互動(dòng)，可以幫助學(xué)生更形象生動(dòng)地理解生物體內(nèi)大分子的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而對(duì)各種生命活動(dòng)現(xiàn)象及其背后的科學(xué)本質(zhì)產(chǎn)生更深刻的感受。

1 結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容融入線上教學(xué)的特點(diǎn)

由于對(duì)大分子結(jié)構(gòu)的細(xì)致觀察需要用到專門的結(jié)構(gòu)生物學(xué)軟件，傳統(tǒng)的教學(xué)手段無(wú)法勝任這樣的教學(xué)任務(wù)。線上教學(xué)則提供了觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及其在行使功能時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的平臺(tái)，使得將結(jié)構(gòu)生物學(xué)知識(shí)充分融入到教學(xué)實(shí)踐中具備了可能。在線上教學(xué)過(guò)程中融入結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容具備一些特點(diǎn)。

1.1 易操作性

線上教學(xué)所涉及到的結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容主要為使用軟件對(duì)生物大分子進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)展示。授課教師可以通過(guò)結(jié)構(gòu)展示軟件在線展示各種大分子的結(jié)構(gòu)，在講解的同時(shí)進(jìn)行線上操作；對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的演示，授課教師還可以將編輯好的命令符和結(jié)構(gòu)文件發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生則可以在指定窗口復(fù)制粘貼命令符來(lái)觀察復(fù)雜的大分子動(dòng)態(tài)變化（圖1（a））。

1.2 直觀性

學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的一些病原微生物或生命大分子的理解往往局限于字面意義，僅通過(guò)呆板的記憶應(yīng)付考試。結(jié)構(gòu)生物學(xué)這門學(xué)科的突出優(yōu)點(diǎn)是可以將單調(diào)晦澀的專業(yè)名詞轉(zhuǎn)換成生動(dòng)形象的圖像，甚至是動(dòng)畫（圖1（b））。結(jié)構(gòu)生物學(xué)軟件的在線演示讓學(xué)生能夠觀察到大分子的形狀輪廓和微觀層面的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，給學(xué)生留下非常直觀的大分子形態(tài)結(jié)構(gòu)印象；另外，授課教師可以指導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手操作，使得每位同學(xué)能以個(gè)性化的視角觀察大分子。這種教學(xué)手段在吸引同學(xué)們注意力的同時(shí)還能加深學(xué)生對(duì)概念的理解和記憶。

1.3 趣味性

在利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)軟件進(jìn)行大分子三維結(jié)構(gòu)觀察和分析時(shí)，同學(xué)們可以根據(jù)自己的喜好通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)或命令操作對(duì)大分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行變換模式、涂色、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等[2]（圖1（b）），具有很強(qiáng)的趣味性。由于同學(xué)們?cè)诖诉^(guò)程中能夠充分參與到大分子結(jié)構(gòu)的展示，這將在很大程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的積極性。

圖1 結(jié)構(gòu)生物學(xué)軟件—Pymol的使用：(a)Pymol的操作界面;(b)Pymol軟件對(duì)大分子結(jié)構(gòu)的不同顯示模式

2 將結(jié)構(gòu)生物學(xué)有機(jī)融入“新型冠狀病毒”的線上教學(xué)實(shí)踐

2003年在我國(guó)出現(xiàn)的冠狀病毒(SARS-CoV)以及截至目前仍然在全世界傳播擴(kuò)散的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)對(duì)我國(guó)乃至世界范圍內(nèi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治都產(chǎn)生了極大的負(fù)面影響。因此，在各高校的臨床醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)過(guò)程中，該病毒更應(yīng)該引起授課教師和學(xué)生的高度重視。本文僅以新型冠狀病毒為例說(shuō)明2020年春季學(xué)期在安徽醫(yī)科大學(xué)2018級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)的醫(yī)學(xué)微生物學(xué)課程線上教學(xué)過(guò)程中融入結(jié)構(gòu)生物學(xué)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行輔助教學(xué)的方式方法（圖2）。

圖2 “新型冠狀病毒”線上教學(xué)中結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容的融入方案

2.1 “生物學(xué)性狀”部分的結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容融入

冠狀病毒因其包膜上有形如花冠狀的突起而得名，在介紹其生物學(xué)性狀時(shí)通過(guò)展示病毒整體輪廓和包膜糖蛋白的三維結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)該病毒形態(tài)的了解(圖3)。授課時(shí)結(jié)合圖片對(duì)新冠病毒的包膜組成以及包膜蛋白成分和功能進(jìn)行展示分析，以加深學(xué)生對(duì)病毒包膜組成、包膜蛋白位置、形態(tài)輪廓和大小的第一印象(圖3)。

圖3 “新型冠狀病毒”組成結(jié)構(gòu)模式

2.2 “致病性”部分的結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容融入

冠狀病毒SARS-CoV和SARS-CoV-2可以引起人類嚴(yán)重急性呼吸綜合征(Severe Acute Respiratory Syndrome,SARS），具有較強(qiáng)的傳染性和較高的致死率。在講解該部分內(nèi)容時(shí)，對(duì)冠狀病毒入侵過(guò)程中起關(guān)鍵作用的Spike蛋白三維結(jié)構(gòu)以及該蛋白在病毒入侵過(guò)程中與宿主細(xì)胞膜上受體蛋白ACE2的相互作用細(xì)節(jié)進(jìn)行在線演示(圖4a)[3]；同時(shí)以布置課后作業(yè)的形式讓同學(xué)們以自己的視角對(duì)冠狀病毒Spike蛋白進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作(圖4b)。

圖4 “新型冠狀病毒”Spike蛋白的三維結(jié)構(gòu):(a)Spike蛋白的表面模型和卡通模型展示;(b)使用命令符為Spike蛋白單體標(biāo)示不同顏色

新型冠狀病毒的傳染性以及人體對(duì)該病毒的易感性相較于SARS-CoV更強(qiáng)，研究表明這可能與SARS-CoV-2的Spike蛋白多個(gè)氨基酸位點(diǎn)發(fā)生突變有關(guān)。[4]在講解該部分內(nèi)容時(shí)，對(duì)分別來(lái)自SARSCoV和SARS-CoV-2的Spike蛋白三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)（圖5a），突出強(qiáng)調(diào)突變氨基酸，充分展示這種基因突變引起的蛋白質(zhì)局部構(gòu)象變化。[5]另外，通過(guò)布置課后作業(yè)的形式，讓學(xué)生按照命令符操作，自己觀察并找出兩個(gè)蛋白結(jié)構(gòu)上差異較大的區(qū)域（圖5b），并思考這種構(gòu)象變化與蛋白功能差異的相關(guān)性。

圖5 “新型冠狀病毒”Spike蛋白識(shí)別宿主細(xì)胞的ACE2受體以及不同冠狀病毒Spike蛋白的三維結(jié)構(gòu)比較:(a)Spike蛋白R(shí)BD結(jié)構(gòu)域與ACE2蛋白相互作用方式的三維結(jié)構(gòu)展示;(b)使用命令符進(jìn)行不同冠狀病毒Spike蛋白的三維結(jié)構(gòu)重疊對(duì)比

2.3 “免疫性”部分的結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容融入

冠狀病毒入侵人體后，可以刺激機(jī)體產(chǎn)生體液免疫，形成中和抗體。最新研究發(fā)現(xiàn)人體血液中的一種中和抗體(S309)能夠識(shí)別并有效中和新冠病毒。因此，在授課過(guò)程中首先展示中和抗體的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，幫助同學(xué)們回憶相關(guān)的免疫學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)(圖6(a))；其次，展示中和抗體的Fab段識(shí)別并結(jié)合新冠病毒Spike蛋白R(shí)BD區(qū)域的局部構(gòu)象，結(jié)合之前關(guān)于RBD結(jié)構(gòu)域識(shí)別宿主細(xì)胞膜蛋白受體的知識(shí)點(diǎn)，解釋中和抗體可以通過(guò)封閉新冠病毒Spike蛋白的RBD結(jié)構(gòu)對(duì)宿主細(xì)胞的識(shí)別來(lái)抑制病毒入侵的機(jī)制(圖6(b))；[6]授課過(guò)程中對(duì)這種抗原-抗體的蛋白質(zhì)相互作用進(jìn)行更多的細(xì)節(jié)展示，幫助學(xué)生更好的理解這種抗原-抗體相互作用特異性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(圖6(c))。

圖6 中和抗體與Spike蛋白的相互作用展示:(a)中和抗體的三維結(jié)構(gòu);(b)Spike-Fab復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu);(c)RBD-Fab蛋白復(fù)合物的蛋白間相互作用細(xì)節(jié)

3 在線學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)及考核設(shè)計(jì)

本次教學(xué)實(shí)踐建立了針對(duì)新冠病毒教學(xué)過(guò)程的評(píng)價(jià)方法和考核方式?？己藘?nèi)容為前述的新冠病毒生物學(xué)性狀、致病性和免疫性3個(gè)充分融入結(jié)構(gòu)生物學(xué)知識(shí)的重要內(nèi)容（表1）?？己诉x取在教學(xué)過(guò)程中融入結(jié)構(gòu)生物學(xué)知識(shí)和應(yīng)用結(jié)構(gòu)生物學(xué)軟件在線輔助教學(xué)的教學(xué)班和未使用該模式的教學(xué)班同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)線上單元測(cè)試教師評(píng)分和課后作業(yè)完成情況評(píng)價(jià)產(chǎn)生分值并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 “新型冠狀病毒”在線教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

4 教學(xué)實(shí)施效果分析

4.1 結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容融入線上教學(xué)的滿意度調(diào)查

本研究選取2020年春季學(xué)期參與本次教學(xué)實(shí)踐的安徽醫(yī)科大學(xué)2018級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)班1班(3個(gè)小班)共91名同學(xué)作為調(diào)查對(duì)象，采取無(wú)記名問卷調(diào)查方式收集學(xué)生對(duì)本模式相較于其它未使用結(jié)構(gòu)生物學(xué)輔助教學(xué)內(nèi)容的滿意度反饋，每項(xiàng)調(diào)查內(nèi)容設(shè)置4個(gè)等級(jí)(表2)，共收回問卷91份。學(xué)生的反饋結(jié)果顯示各項(xiàng)調(diào)查中的滿意率（顯著提高/有所提高/略有提高）均超過(guò)90%，說(shuō)明學(xué)生對(duì)在授課過(guò)程中引入結(jié)構(gòu)生物學(xué)知識(shí)和使用軟件在線操作的態(tài)度是積極和認(rèn)可的。

表2 結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容融入的在線教學(xué)效果評(píng)價(jià)

4.2 線上教學(xué)學(xué)生問題參與度分析

本次教學(xué)實(shí)踐通過(guò)“雨課堂”在線發(fā)布的問題包括：?jiǎn)栴}1：為什么洗手的時(shí)候應(yīng)使用肥皂或洗手液？(提示：病毒包膜成分)；問題2：針對(duì)Spike蛋白識(shí)別ACE2受體和中和抗體識(shí)別新冠病毒Spike蛋白的過(guò)程，能夠聯(lián)想到哪些日常生活細(xì)節(jié)？(提示：蛋白質(zhì)相互作用特異性，如一把鑰匙開一把鎖)；問題3：如需制作特異性作用于新型冠狀病毒的抗體，可以選擇Spike蛋白的哪些部分作為抗原？（提示：新冠病毒Spike蛋白的獨(dú)特區(qū)域）。通過(guò)統(tǒng)計(jì)授課過(guò)程中分別運(yùn)用結(jié)構(gòu)生物學(xué)輔助教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)的兩個(gè)臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)班（教學(xué)班1班，共91人和教學(xué)班2班，共90人)的線上回答信息數(shù)，比較兩種模式下學(xué)生的問題參與度。結(jié)果顯示，在運(yùn)用結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法輔助教學(xué)的1班，學(xué)生對(duì)3個(gè)問題的答題信息條數(shù)分別為：54，103和78條，而傳統(tǒng)教學(xué)班線上答題信息條數(shù)分別為：16，31和22條(圖7(a))。授課過(guò)程中有關(guān)新冠病毒生物學(xué)性狀、致病性和免疫性內(nèi)容相關(guān)的線上提問次數(shù)統(tǒng)計(jì)顯示，學(xué)生主動(dòng)提問的信息條數(shù)由傳統(tǒng)教學(xué)模式的3、5和8次分別提升至12、26和16次(圖7(b))。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明授課過(guò)程中充分結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學(xué)資料和軟件的使用能夠顯著提高學(xué)生的問題參與度。

圖7 “新型冠狀病毒”線上教學(xué)學(xué)生問題參與度統(tǒng)計(jì):(a)互動(dòng)信息數(shù);(b)提問數(shù)占班級(jí)人數(shù)百分比

4.3 融入結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方式與傳統(tǒng)教學(xué)方式的教學(xué)成效比較

基于表1中教學(xué)效果評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)，通過(guò)“雨課堂”在線測(cè)試對(duì)“新冠病毒”在線授課內(nèi)容的教學(xué)效果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果顯示，引入結(jié)構(gòu)生物學(xué)輔助教學(xué)的教學(xué)班（教學(xué)1班）在新冠病毒相關(guān)知識(shí)點(diǎn)測(cè)試的平均得分率在80%以上，相較于未使用該輔助手段的教學(xué)班（教學(xué)2班）平均得分率有顯著性提高(圖8(a))。另一方面，本研究調(diào)查分析上述兩個(gè)教學(xué)班（共6個(gè)小班）的醫(yī)學(xué)微生物學(xué)期末考試情況，從中挑選出授課過(guò)程中使用結(jié)構(gòu)生物學(xué)輔助教學(xué)的7道客觀題(圖8(b))，對(duì)學(xué)生答題正確率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果顯示，與未使用結(jié)構(gòu)生物學(xué)輔助教學(xué)的教學(xué)班相比，線上授課過(guò)程中充分引入結(jié)構(gòu)生物學(xué)知識(shí)和軟件展示過(guò)程能夠有效提高學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，并在一定程度上提高學(xué)生的答題正確率(圖8(b))。

圖8 融入結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容的教學(xué)效果分析:(a)教學(xué)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的教學(xué)評(píng)價(jià)知識(shí)點(diǎn)得分率對(duì)比;(b)教學(xué)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的客觀題答題正確率對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本研究以新型冠狀病毒的教學(xué)實(shí)踐為例，將結(jié)構(gòu)生物學(xué)內(nèi)容有機(jī)融入在線教學(xué)中，有效地提高了教學(xué)效果。在當(dāng)下高等教育手段多樣化，尤其是各種在線課堂廣泛推廣的形勢(shì)下，高校教師需要在保證課堂教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。這要求高校教師具備多學(xué)科的知識(shí)和視野，在進(jìn)行專業(yè)知識(shí)的講解過(guò)程中能夠從多方位和不同專業(yè)視角對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行剖析，讓在線理論課堂更加生動(dòng)，讓基礎(chǔ)知識(shí)更容易理解。[7]結(jié)構(gòu)生物學(xué)這門學(xué)科具備這種生動(dòng)、直觀的特點(diǎn)，將其融合到生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)的在線教學(xué)中充分發(fā)揮其特長(zhǎng)，會(huì)是一種積極有效的教學(xué)方法；同時(shí)，如何做到結(jié)構(gòu)生物學(xué)資料與各專業(yè)課程的有效、有機(jī)融合還將是一個(gè)有待于深入研究和探索的課題。