徐可瀚

（安徽醫(yī)科大學 基礎(chǔ)醫(yī)學院，安徽 合肥 230032）

0 引言

隨著我國高等教育發(fā)展，依托網(wǎng)絡(luò)平臺的線上課堂模式日漸興起，這是高校教學工作面臨的新挑戰(zhàn)，同時也是發(fā)掘教學內(nèi)容和優(yōu)化教學模式的新機遇。[1]在這樣的背景下，如何能在線上教學中更好地激發(fā)學生的學習興趣并充分調(diào)動學生的學習能動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)生物學作為一門在微觀水平解析生物大分子精細結(jié)構(gòu)的學科，能夠幫助我們觀察大分子的結(jié)構(gòu)細節(jié)和動態(tài)變化過程。因此，將結(jié)構(gòu)生物學有機融入到生物和醫(yī)學類課程的教學過程，特別是結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學軟件的在線操作，在展示大分子結(jié)構(gòu)的同時進行知識點的分析講解，促進學生的主動參與和師生互動，可以幫助學生更形象生動地理解生物體內(nèi)大分子的結(jié)構(gòu)和功能，進而對各種生命活動現(xiàn)象及其背后的科學本質(zhì)產(chǎn)生更深刻的感受。

1 結(jié)構(gòu)生物學內(nèi)容融入線上教學的特點

由于對大分子結(jié)構(gòu)的細致觀察需要用到專門的結(jié)構(gòu)生物學軟件，傳統(tǒng)的教學手段無法勝任這樣的教學任務(wù)。線上教學則提供了觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)細節(jié)及其在行使功能時發(fā)生動態(tài)變化過程的平臺，使得將結(jié)構(gòu)生物學知識充分融入到教學實踐中具備了可能。在線上教學過程中融入結(jié)構(gòu)生物學內(nèi)容具備一些特點。

1.1 易操作性

線上教學所涉及到的結(jié)構(gòu)生物學內(nèi)容主要為使用軟件對生物大分子進行三維結(jié)構(gòu)展示。授課教師可以通過結(jié)構(gòu)展示軟件在線展示各種大分子的結(jié)構(gòu)，在講解的同時進行線上操作；對于相對復雜的演示，授課教師還可以將編輯好的命令符和結(jié)構(gòu)文件發(fā)送給學生，學生則可以在指定窗口復制粘貼命令符來觀察復雜的大分子動態(tài)變化（圖1（a））。

1.2 直觀性

學生對學習過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，僅通過呆板的記憶應(yīng)付考試。結(jié)構(gòu)生物學這門學科的突出優(yōu)點是可以將單調(diào)晦澀的專業(yè)名詞轉(zhuǎn)換成生動形象的圖像，甚至是動畫（圖1（b））。結(jié)構(gòu)生物學軟件的在線演示讓學生能夠觀察到大分子的形狀輪廓和微觀層面的結(jié)構(gòu)細節(jié)，給學生留下非常直觀的大分子形態(tài)結(jié)構(gòu)印象；另外，授課教師可以指導學生自己動手操作，使得每位同學能以個性化的視角觀察大分子。這種教學手段在吸引同學們注意力的同時還能加深學生對概念的理解和記憶。

1.3 趣味性

在利用結(jié)構(gòu)生物學軟件進行大分子三維結(jié)構(gòu)觀察和分析時，同學們可以根據(jù)自己的喜好通過簡單的鼠標或命令操作對大分子結(jié)構(gòu)進行變換模式、涂色、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等[2]（圖1（b）），具有很強的趣味性。由于同學們在此過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)學生學習專業(yè)基礎(chǔ)知識的積極性。

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

2 將結(jié)構(gòu)生物學有機融入“新型冠狀病毒”的線上教學實踐

2003年在我國出現(xiàn)的冠狀病毒(SARS-CoV)以及截至目前仍然在全世界傳播擴散的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)對我國乃至世界范圍內(nèi)的社會、經(jīng)濟、政治都產(chǎn)生了極大的負面影響。因此，在各高校的臨床醫(yī)學、基礎(chǔ)醫(yī)學和生物學專業(yè)相關(guān)課程的教學過程中，該病毒更應(yīng)該引起授課教師和學生的高度重視。本文僅以新型冠狀病毒為例說明2020年春季學期在安徽醫(yī)科大學2018級臨床醫(yī)學專業(yè)的醫(yī)學微生物學課程線上教學過程中融入結(jié)構(gòu)生物學知識內(nèi)容進行輔助教學的方式方法（圖2）。

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

2.1 “生物學性狀”部分的結(jié)構(gòu)生物學內(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，在介紹其生物學性狀時通過展示病毒整體輪廓和包膜糖蛋白的三維結(jié)構(gòu)，促進學生對該病毒形態(tài)的了解(圖3)。授課時結(jié)合圖片對新冠病毒的包膜組成以及包膜蛋白成分和功能進行展示分析，以加深學生對病毒包膜組成、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)生物學內(nèi)容融入

冠狀病毒SARS-CoV和SARS-CoV-2可以引起人類嚴重急性呼吸綜合征(Severe Acute Respiratory Syndrome,SARS），具有較強的傳染性和較高的致死率。在講解該部分內(nèi)容時，對冠狀病毒入侵過程中起關(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程中與宿主細胞膜上受體蛋白ACE2的相互作用細節(jié)進行在線演示(圖4a)[3]；同時以布置課后作業(yè)的形式讓同學們以自己的視角對冠狀病毒Spike蛋白進行簡單的操作(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蛋白單體標示不同顏色

新型冠狀病毒的傳染性以及人體對該病毒的易感性相較于SARS-CoV更強，研究表明這可能與SARS-CoV-2的Spike蛋白多個氨基酸位點發(fā)生突變有關(guān)。[4]在講解該部分內(nèi)容時，對分別來自SARSCoV和SARS-CoV-2的Spike蛋白三維結(jié)構(gòu)進行比對（圖5a），突出強調(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，通過布置課后作業(yè)的形式，讓學生按照命令符操作，自己觀察并找出兩個蛋白結(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蛋白識別宿主細胞的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RBD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)使用命令符進行不同冠狀病毒Spike蛋白的三維結(jié)構(gòu)重疊對比

2.3 “免疫性”部分的結(jié)構(gòu)生物學內(nèi)容融入

冠狀病毒入侵人體后，可以刺激機體產(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)能夠識別并有效中和新冠病毒。因此，在授課過程中首先展示中和抗體的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，幫助同學們回憶相關(guān)的免疫學基礎(chǔ)理論知識(圖6(a))；其次，展示中和抗體的Fab段識別并結(jié)合新冠病毒Spike蛋白RBD區(qū)域的局部構(gòu)象，結(jié)合之前關(guān)于RBD結(jié)構(gòu)域識別宿主細胞膜蛋白受體的知識點，解釋中和抗體可以通過封閉新冠病毒Spike蛋白的RBD結(jié)構(gòu)對宿主細胞的識別來抑制病毒入侵的機制(圖6(b))；[6]授課過程中對這種抗原-抗體的蛋白質(zhì)相互作用進行更多的細節(jié)展示，幫助學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復合物的三維結(jié)構(gòu);(c)RBD-Fab蛋白復合物的蛋白間相互作用細節(jié)

3 在線學習評價及考核設(shè)計

本次教學實踐建立了針對新冠病毒教學過程的評價方法和考核方式?？己藘?nèi)容為前述的新冠病毒生物學性狀、致病性和免疫性3個充分融入結(jié)構(gòu)生物學知識的重要內(nèi)容（表1）?？己诉x取在教學過程中融入結(jié)構(gòu)生物學知識和應(yīng)用結(jié)構(gòu)生物學軟件在線輔助教學的教學班和未使用該模式的教學班同時進行，通過線上單元測試教師評分和課后作業(yè)完成情況評價產(chǎn)生分值并進行統(tǒng)計分析。

表1 “新型冠狀病毒”在線教學評價設(shè)計

4 教學實施效果分析

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

本研究選取2020年春季學期參與本次教學實踐的安徽醫(yī)科大學2018級臨床醫(yī)學專業(yè)教學班1班(3個小班)共91名同學作為調(diào)查對象，采取無記名問卷調(diào)查方式收集學生對本模式相較于其它未使用結(jié)構(gòu)生物學輔助教學內(nèi)容的滿意度反饋，每項調(diào)查內(nèi)容設(shè)置4個等級(表2)，共收回問卷91份。學生的反饋結(jié)果顯示各項調(diào)查中的滿意率（顯著提高/有所提高/略有提高）均超過90%，說明學生對在授課過程中引入結(jié)構(gòu)生物學知識和使用軟件在線操作的態(tài)度是積極和認可的。

表2 結(jié)構(gòu)生物學內(nèi)容融入的在線教學效果評價

4.2 線上教學學生問題參與度分析

本次教學實踐通過“雨課堂”在線發(fā)布的問題包括：問題1：為什么洗手的時候應(yīng)使用肥皂或洗手液？(提示：病毒包膜成分)；問題2：針對Spike蛋白識別ACE2受體和中和抗體識別新冠病毒Spike蛋白的過程，能夠聯(lián)想到哪些日常生活細節(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蛋白的獨特區(qū)域）。通過統(tǒng)計授課過程中分別運用結(jié)構(gòu)生物學輔助教學和傳統(tǒng)教學的兩個臨床醫(yī)學教學班（教學班1班，共91人和教學班2班，共90人)的線上回答信息數(shù)，比較兩種模式下學生的問題參與度。結(jié)果顯示，在運用結(jié)構(gòu)生物學方法輔助教學的1班，學生對3個問題的答題信息條數(shù)分別為：54，103和78條，而傳統(tǒng)教學班線上答題信息條數(shù)分別為：16，31和22條(圖7(a))。授課過程中有關(guān)新冠病毒生物學性狀、致病性和免疫性內(nèi)容相關(guān)的線上提問次數(shù)統(tǒng)計顯示，學生主動提問的信息條數(shù)由傳統(tǒng)教學模式的3、5和8次分別提升至12、26和16次(圖7(b))。統(tǒng)計結(jié)果表明授課過程中充分結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學資料和軟件的使用能夠顯著提高學生的問題參與度。

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

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

基于表1中教學效果評價設(shè)計，通過“雨課堂”在線測試對“新冠病毒”在線授課內(nèi)容的教學效果進行了比較分析。結(jié)果顯示，引入結(jié)構(gòu)生物學輔助教學的教學班（教學1班）在新冠病毒相關(guān)知識點測試的平均得分率在80%以上，相較于未使用該輔助手段的教學班（教學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)查分析上述兩個教學班（共6個小班）的醫(yī)學微生物學期末考試情況，從中挑選出授課過程中使用結(jié)構(gòu)生物學輔助教學的7道客觀題(圖8(b))，對學生答題正確率進行統(tǒng)計分析。結(jié)果顯示，與未使用結(jié)構(gòu)生物學輔助教學的教學班相比，線上授課過程中充分引入結(jié)構(gòu)生物學知識和軟件展示過程能夠有效提高學生對相關(guān)知識點的掌握程度，并在一定程度上提高學生的答題正確率(圖8(b))。

圖8 融入結(jié)構(gòu)生物學內(nèi)容的教學效果分析:(a)教學實驗班和對照班的教學評價知識點得分率對比;(b)教學實驗班和對照班的客觀題答題正確率對比

5 結(jié)語

本研究以新型冠狀病毒的教學實踐為例，將結(jié)構(gòu)生物學內(nèi)容有機融入在線教學中，有效地提高了教學效果。在當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下，高校教師需要在保證課堂教學質(zhì)量的同時充分激發(fā)學生的學習興趣，提升學生學習的主動性。這要求高校教師具備多學科的知識和視野，在進行專業(yè)知識的講解過程中能夠從多方位和不同專業(yè)視角對基礎(chǔ)知識點進行剖析，讓在線理論課堂更加生動，讓基礎(chǔ)知識更容易理解。[7]結(jié)構(gòu)生物學這門學科具備這種生動、直觀的特點，將其融合到生物、化學和醫(yī)學相關(guān)專業(yè)的在線教學中充分發(fā)揮其特長，會是一種積極有效的教學方法；同時，如何做到結(jié)構(gòu)生物學資料與各專業(yè)課程的有效、有機融合還將是一個有待于深入研究和探索的課題。