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摘要：理論與實踐相結合是理工科專業課程教學常用的教學模式，主要應用在實驗課教學中。實驗操作可培養學生的動手能力，促進學生對理論知識的理解與掌握。本文以生物化學教材中的PCR技術為例，將PCR實驗技術的關鍵信息提煉、整合到理論課的授課過程中，提出理論與實踐相結合并且融合課程思政的教學設計策略，旨在為理工科理論課的課堂教學提供有價值的參考。

關鍵詞：理論與實踐相結合；生物化學；教學設計；PCR技術

生物化學是從分子水平闡述生命體的化學組成、物質代謝和能量代謝規律的科學。它既是現代生物科學及相關學科的基礎，也是高校生物類、農林類、醫學類、食品類等專業的核心基礎課，在整個專業課程體系中均占有非常重要的地位[1-2]。經過多年的教學實踐發現，該課程包含的知識點繁多、理論性較強、概念抽象，其中涉及的代謝反應復雜且枯燥[3]。即使是生物科學專業的學生也感到理解難、記憶難、掌握難，導致學生的學習興趣不高，甚至產生畏懼和排斥情緒等問題，出現“生統(生物統計學)生化(生物化學)，必有一掛”的說法，認為生物化學是本專業最難學的課程之一。因此，如何在有限的授課時間內激發學生的學習興趣，變被動學習為主動學習，使學生盡可能掌握有足夠深度和廣度的生物化學知識，真正對其專業學習有幫助，是生物化學課程教學過程中要著力解決的問題。理論與實踐相結合的教學模式能夠隨時隨地結合當前社會熱點，擷取課程相關元素，利用生物化學知識貼近生活的優勢，拓寬學生視野，吸引學生的課堂注意力，培養學生的課程學習興趣，及至科研志向和報國情懷。本文以生物科學專業生物化學課程的一堂課——以PCR技術為例，介紹在理論與實踐相結合理念下進行課堂教學設計的探索與實踐，旨在為一流學科拔尖創新人才培養背景下，更好地進行課堂教學提供可借鑒的教學思路和實踐經驗。

1理論與實踐相結合理念下課堂教學設計的策略

作為一門建立在實驗研究基礎上的學科，生物化學教材中的知識點與具體的實驗技術或者研究結果密切相關。采用理論與實踐相結合的教學設計策略一方面有助于加深學生對生化知識點的理解與掌握，另一方面也體現了學以致用的理工科教學思想。在理論與實踐相結合理念下，課堂教學設計的策略主要包括以下幾個方面。

1.1借助時事或研究熱點講授生化知識

在教學設計時，以當前正在發生的生物學相關時事或研究熱點為切入點，激發學生的學習興趣。前提是找準時事熱點與授課知識的關聯點，將生物學現象升華提煉至待解決的生物學問題，引導學生將本節所學知識運用至生物學問題的解決方案中[4]。比如，在講授遺傳物質可以是DNA，也可以是RNA時，以“2020年1月疫情爆發，至今依然沒有結束”為話題導入相應知識點，然后以大家都關心的COVID-19為例，介紹該病毒的遺傳物質是一個大小為30Kb的正義、單鏈RNA，是典型的RNA病毒。隨后說明該病毒基因組序列的及時、盡早確定及公布是公眾生活中病毒檢測、疫情監測及后續疫苗開發的基礎。并且強調，后續COVID-19致病機理的研究也是當前生物學研究的熱點。我國已經發表了多篇高水平研究論文，充分體現了科學研究緊貼國家需要，響應“將科研論文寫在祖國大地上”的國家號召，潤物無聲地融入課程思政內容。

1.2結合生活實例講授生化知識

生物化學本身就是一門闡釋生命規律的學科，源于生活而又高于生活。因此在進行教學設計時要利用這個特點，因時因勢地將日常生活中的現象引入課堂，倡導學生將學到的生化知識指導個人生活[5]。比如，在講授真核生物RNA聚合酶特性時，不同種類的RNA聚合酶對α-鵝膏蕈堿的敏感性不同，除了介紹RNA聚合酶Ⅱ對該環狀八肽非常敏感外，還重點強調α-鵝膏蕈堿來源于一種口感不錯、森林或草地中經常出現的白毒傘蘑菇。指出白毒傘中的α-鵝膏蕈堿通過抑制真核生物RNA聚合酶Ⅱ的活性，抑制mRNA的合成，因而對人體有劇毒。最后告誡學生，在生活中千萬不要因貪圖美味而食用未經鑒別的新鮮“蘑菇”。又如，在講到脂肪的生理作用時，強調脂肪在人體內有多種用途，提醒學生合理搭配食譜，不要盲目節食和減肥。

1.3運用科學故事，講清講透生化知識

生物學知識發現的過程，本身是一個根據現象-提出假設-實驗探究-驗證假設-得出結論-解釋現象的過程。教學設計中通過講述研究過程(科學故事)來介紹特定知識點，不僅有利于學生理解相應知識點的內涵與意義，更是在潛移默化地告訴學生從事科學研究時應該采用的思路與方法[6]。比如在介紹轉座子特征時，為了能夠說清真核生物的Ac-Ds轉座系統，直接從BarbaraMcClintock對玉米籽粒顏色的研究講起。除了說明該轉座系統的作用機制外，還要提到McClintock的這一發現并不被當時的科學界認可，直到新技術新方法的驗證，經過漫長的歲月，轉座子的理論才獲得科學界肯定的事實，點明“是金子總會發光，真金不怕火煉”的道理。

1.4實驗反哺理論課教學，夯實生化知識

隨著全員導師制的普及，很多高校的本科生從大一起就開始進入實驗室，進行科研訓練。但這些本科生缺乏生物學專業知識，對實驗室常規實驗的技術原理一知半解，雖然可以進行實驗操作，但想把實驗做好卻非常困難。生物化學本身是一門實用性非常強的實驗學科，在教學中如果有意識地將知識點分解于實驗技術講授中，采用理論-實驗-理論的教學策略，不僅可能幫助學生解決實驗困境，而且能讓學生真真切切地覺得生化學習非常重要，從而大大激發學生的求知欲與學習興趣。

2理論與實踐相結合理念下的教學案例設計

選取生物化學教材中PCR技術為案例進行教學設計(圖1)。PCR技術本身為一實驗技術，對該技術的理解與掌握既需要學生有“DNA復制”方面的理論儲備，更需要將酶學知識落實到具體應用。因此在教學設計中需要將兩個章節的理論知識有機整合到一起才能讓學生真正明晰PCR技術。

2.1學情分析

本課程授課對象為生物科學(拔尖創新計劃)專業本科二年級學生，學生的植物學、動物學及化學等基礎知識較扎實，思維活躍，課堂氣氛較好，大多數學生在教師引導下能夠積極參與課堂討論和學習。學生已掌握“酶學”相關知識，已學習了“DNA生物合成”理論，對DNA合成過程有了初步的認識。多數同學已進入實驗室開始科研訓練，在研究生指導下具有一定的PCR操作經歷，但還未開始系統地學習PCR相關知識，對PCR的原理及優化策略也缺乏具體的認識，還不能對實驗過程進行有效的分析和優化，需要在本節學習中予以系統化和細化。

2.2教學目標、教學重難點及教學方法

根據教學內容和教學安排，本節課的教學目標為：掌握PCR的概念，理解PCR技術的基本原理，掌握PCR技術的優化策略及了解PCR技術在科學研究及醫學上的應用。本節課的教學重點為：PCR技術的概念、基本原理及PCR技術的優化策略。本節課的教學難點為：PCR技術的優化策略。整節課通過PPT圖片展示及小視頻播放進行多媒體網絡教室授課，最后結合微信群答疑呈現整個教學過程。

2.3教學過程設計

2.3.1創設情境，話題導入

本課以“核酸檢測導入，創建話題”方法，創設生活化的教學氛圍，使學生結合當前社會熱點開始新知識的學習。PPT圖片依次展示人們排隊進行咽拭子取樣及用以進行核酸檢測的PCR儀。疫情期間“核酸檢測”的名詞已為大眾所熟知，此時講解的“核酸檢測”是通過PCR技術進行的，引出PCR技術的概念。以的檢測方法開始，激發學生對PCR技術相關理論的學習興趣。這樣的教學設計既能提升學生的求知欲，也能讓學生明白，高大上的實驗技術不只存在于科學研究中，同樣也可應用到我們的實際生活中，從而樹立“科學技術應用于生活，服務于人民”的理念及信心。

2.3.2講授過程，提出問題，學習新知識

從體內DNA合成的半保留復制機制導入體外DNA合成(PCR)的基本原理。強調PCR擴增產物以2n增加，其本質就是在體外進行的DNA復制過程。特定核酸序列的檢測是以已知序列為前提，中國第一時間公布基因組序列本身就是一種大國擔當和負責任的行為。PPT動畫展示DNA的指數形式擴增過程。通過對PCR基本原理的講述，結合疫情融入思政內容，使學生不知不覺中培養了家國情懷及科學嚴謹的求是精神。在介紹PCR反應體系配制時，首先引導學生回憶一下體內DNA合成體系及酶促反應動力學的內容(PPT圖片及圖表展示)。通過課堂詢問學生個人實驗室PCR操作時不同試劑的配比情況，結合以前所學的體內DNA合成特點，討論體內與體外DNA合成所需原料的區別，結合酶學知識(主要是影響酶促反應速度的因素)說明如何通過反應體系的優化更有效地擴增出目的序列。通過實驗實例，詳細解讀體系中每一種試劑添加量的依據，同時結合學生實驗中出現的問題，給出PCR克隆基因失敗時如何調整體系中模板及Mg2+濃度的優化策略，特別說明PCR體系中緩沖液應設定為DNA聚合酶的最適pH，而Mg2+作為聚合酶的激活劑會影響酶促反應速度，但Mg2+過量會增加非特異擴增并影響產率。該部分教學設計與實驗室應用、學生的實驗經歷緊密相連，通過該部分講述，使學生知其然，知其所以然，知識與技能融會貫通、綜合應用的同時學習興致也高漲[7]。在講解PCR程序設定時，首先復習“DNA退火與復性”的定義及影響因素，穿插講述PCR技術的發明者穆利斯發明該技術時的偶然與異想天開。隨后講述現代實驗研究技術的改進，最終結合酶促動力學內容及DNA的結構講述PCR程序中變性、退火及延伸等步驟的含義，舉例說明如何根據擴增DN段大小、DNA聚合酶的特性設定反應退火溫度及延伸溫度和時間。既激發了學生的學習及科研探索的興趣，也讓學生體會到書本上的理論在特定實驗中的具體應用，對學生進行情感教育。教學過程中發現，學生雖理解“退火”的含義，卻無法應用到具體的實驗中。通過回顧酶學和核酸結構知識內容結合學生的實驗實例講述PCR程序設定的基本原則和優化策略，教會學生具體問題具體對待的方法。穆利斯的故事一方面引起學生的學習興趣，另一方面強調“念念不忘，必有回響”、孜孜以求的科學精神，最后進行知識點總結，分析重點、難點。這樣既拓展了學生的視野，又培養了學生科學探究及解決問題的能力[8]。PCR技術在醫學、法醫及生物學研究中應用的講授則再次回到的核酸檢測等內容的簡要介紹上(PPT圖片展示并板書)。

2.3.3鞏固知識，拓展應用

最后，通過一個《笑爆！PCR被解釋得如此清新脫俗》小視頻對PCR反應體系的配置及程序的設定等優化策略進行趣味性總結。設置課堂提問及課后作業，進一步加深學生的印象，讓學生掌握這節課的重點內容。提出發散、擴展、升華學生思維的問題(思考不需要引物的DNA聚合酶是否可以應用于PCR反應中)，讓學生課后搜集總結PCR體系中的DNA聚合酶的種類和特點，并結合個人基因克隆實驗，設計一個克隆特定基因的PCR反應體系及PCR程序的實驗方案。課后作業的設置是對本節知識點的理解、概括與課外拓展，要充分發揮學生自主學習及解決問題的能力，拓展知識空間，激發學生科研興趣，培養學生創新能力，有利于學生將來開展更深入的應用研究。

2.4教學設計特色

本節課教學的對象是大學二年級拔尖創新計劃的學生。他們有一定的生物學基礎理論及實驗操作技能，有較強的理解能力和同伴合作互助能力，在教學設計中充分調動學生們的積極性，引導學生主動探索、自主學習，培養他們的創新能力。本節課的設計特色如下。

2.4.1將社會中的生物學熱點導入教學

2020年疫情肆虐全球，本節課以全民關注的“核酸檢測”作為切入點，引起學生學習興趣，結合創新拔尖人才培養的目標，使學生進一步體會到科學技術與現實生活的緊密聯系，鼓勵學生學以致用。

2.4.2理論知識與實踐應用的整合

將DNA復制及酶學知識詳細地融合到PCR反應體系成分配置及PCR程序步驟設定的教學中，使學生在學習新知識時不忘舊知識，真正地體會到教材中的理論知識應用到實踐中的樂趣，極大地調動了學生學習生物化學這門課的熱情。

2.4.3課程思政的有機滲入

教學中穿插穆利斯發明PCR技術的故事，激勵學生進行科學研究時必須要專心致志，方有所成的科研精神。同時在講述PCR原理時，特別提到疫情發生后，中國持續不斷地向全世界提供檢測試劑盒和防疫物資，體現大國擔當和責任。將思政內容融入授課過程，培養學生的國家自豪感、民族自信心。

2.4.4多種教學手段、教學方法綜合運用

整節課應用了舉例、動畫、圖片、文本、視頻等多種教學多媒體資源，采用了提問、設問、討論、推理、案例、復習知識點等多種教學方法將知識點串聯起來。尤其是以爆笑小視頻對本節課重點及難點內容進行總結和強調，在活躍課堂氣氛的同時，讓學生掌握本節課的內容。多種教學手段的綜合運用，一方面使原本枯燥無味的書本知識變得生動和有意思起來，另一方面也讓學生在思考討論的環境中進行學習，學生完成任務的同時培養他們的探索能力、知識遷移能力及自學能力[9]。

3小結與展望

本節教學設計思路清晰，從理論到應用再到理論，步步推進，層層深入。這樣既解決了本節教學的難點，又能讓學生學得輕松自然，也達到了這節課的教學目標。該設計充分體現了理論與實踐相結合及課程思政的教學理念，以學生為主體，注重學生的終生發展。教師以核酸檢測為主線，將本節課的知識點巧妙地串在一起，突出了理論應用于實踐的現實意義。在這節課中，不僅讓學生學到了生化知識，更使大家學到了通過提出問題、解決問題，從而掌握知識的方法，是學生非常喜歡的一節課。理論與實踐相結合的教學策略雖然能夠激發學生的學習興趣，為學生的科研訓練及隨后的科學研究提供方便，但對授課教師也提出了較高的要求。一方面要求授課教師日常注意收集社會熱點中的生物學素材，并將該素材提煉、加工，然后有機地融合到教學設計中；另一方面要求任課教師有較深的科研積累，能夠將個人的科研實踐經驗潤物無聲地體現在教學過程中。總之，要講好一門課，教師需要具有課程意識、人文精神和精神導師的綜合素質，通過融入社會熱點、加入課程思政的理論與實踐相結合的教學過程，激發學生的創新意識，調動學生學習興趣、引導其研究志向，從而培養適應性、應變能力強的拔尖創新型生物學人才。

參考文獻

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[3]謝彩鳳,涂碩,楊曉紅,等.生物化學與分子生物學微信教學公眾號:現狀與建議.中國生物化學與分子生物學報,2021,37(6):830-836

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[5]趙東旭.生活常識引入《生物化學》的課堂教學.生命的化學,2019,39(4):795-803

[6]王麗燕,曹際云,謝兆輝,等.講好科學故事，提升生物化學教學內涵.生命的化學,2020,40(8):1447-1452

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[8]張月杰,劉濤,高政權,等.基于創新能力培養的《生物化學實驗》教學改革初探.生命的化學,2019,39(4):822-825

[9]黃春洪,楊曉紅,胡曉鵑,等.如何讓生化課堂生動化.生命的化學,2018,38(1):156-159

作者：劉凌云  單位：河南大學生命科學學院