王會娟 雷蕾

[摘 要] 將課程思政元素融入專業(yè)課程教學過程已經(jīng)成為高校實現(xiàn)“立德樹人，教書育人”的重要途徑。生物化學作為生命科學、醫(yī)學、農(nóng)學等專業(yè)的核心基礎課程，在專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮著非常重要的作用。以生物化學課程中公認的難教難學的一節(jié)課——“氧化磷酸化作用”為例，介紹如何挖掘教學內容中的思政元素，如何在課程思政背景下對教學過程進行全新的設計，使教學難點化解在巧妙設計的思想政治案例中，實現(xiàn)教學效果的提升，以期為課程思政融入專業(yè)課程的課堂教學實踐提供參考和借鑒。

[關鍵詞] 課程思政;課堂教學設計;氧化磷酸化作用

[基金項目] 2019年度西北大學本科人才培養(yǎng)建設項目“精品在線開放課程建設項目——生物化學（下）”（XM05191235）

[作者簡介] 王會娟（1982—），女，河南南陽人，博士，西北大學生命科學學院副教授（通信作者），主要從事腫瘤分子致病機制研究;雷 蕾（1986—），女，陜西西安人，博士，西北大學生命科學學院副教授，主要從事疾病分子致病機制研究。

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）20-0132-05 [收稿日期] 2021-07-28

習近平總書記在2016年12月全國高校思想政治工作會議上強調，要實現(xiàn)高校人才培養(yǎng)的核心目標，要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人[1]。課程思政作為一種新的教育理念應運而生，它以專業(yè)課程作為載體，充分挖掘專業(yè)課程中的思政元素，將思想政治教育恰當融入教育教學全過程，使知識傳授與價值引領相統(tǒng)一，從而實現(xiàn)全面育人的目標[2]。

生物化學是一門研究生物體的物質組成及其化學變化的科學。它不僅是生命科學各專業(yè)的核心基礎課，也是農(nóng)學、林學、醫(yī)學、藥學及食品等相關專業(yè)的基礎理論課，其在專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要性不言而喻。氧化磷酸化是生物體內營養(yǎng)物質經(jīng)過氧化分解生成大量還原性物質的過程，這些攜帶著高的轉移勢能的還原性輔酶在將電子經(jīng)線粒體電子傳遞鏈傳遞的過程中，釋放的自由能可驅動ADP磷酸化生成ATP。氧化磷酸化是生物體內三大營養(yǎng)物質通過氧化分解為機體供應能量的最為主要的途徑，是能量釋放的最終階段[2]。因此，氧化磷酸化是生物化學中非常重要的內容，回答了營養(yǎng)物質所蘊藏能量的釋放和轉換機制，教學大綱上需要通過2個學時來完成。但是，氧化磷酸化也是生化課程中比較抽象難懂的內容之一，單純進行知識點的講解與灌輸往往會增加學生學習的枯燥性，影響教學目標的達成。因此，在課程思政教育理念下，通過挖掘知識點中蘊含的思想政治教育元素，重塑氧化磷酸化的教學目標，革新教育教學過程，通過豐富多樣的教學活動，使專業(yè)知識教學與課程思政相融合，實現(xiàn)專業(yè)課程知識傳授與價值引領并重的育人目標。下面我們將展示在課程思政理念下氧化磷酸化這一節(jié)課的教學設計。

一、教學目標和重難點分析

通過本節(jié)課的學習使學生掌握氧化磷酸化的概念和作用機理——化學滲透假說的基本內容、ATP合酶的基本結構和功能、細胞溶膠中NADH線粒體氧化的穿梭機制;理解氧化磷酸化和底物水平磷酸化的異同點、不同氧化磷酸化抑制劑對有氧呼吸的影響及作用機制;了解支持化學滲透假說的實驗證據(jù)，ATP合酶作用機制——化學變構假說的要點及實驗證據(jù);能運用所學知識解釋一些藥物、毒物的作用機制。在課程思政方面，注重培養(yǎng)學生的科學精神、家國情懷、法制精神和科學減肥的觀念。

通過教材分析，我們將氧化磷酸化的概念和特點、氧化磷酸化的作用機理（化學滲透假說）、ATP合酶的基本結構和功能、呼吸鏈電子傳遞抑制劑和解偶聯(lián)劑的作用機制及思政元素的發(fā)掘作為本節(jié)課的教學重點。氧化磷酸化的作用機制和思政元素融入教學過程作為本節(jié)課的教學難點。

二、教學方法

本節(jié)課采用傳統(tǒng)教學與“雨課堂”平臺輔助教學相結合的混合式教學手段，并通過教授法、討論法、演示法、啟發(fā)式和思想政治案例融入式的探討等教學方法的綜合運用，深化學生對重難點知識的掌握和理解，并達到啟迪智慧和升華思想的教學育人目標[3]。

通過對本節(jié)課教學內容中課程思政元素的挖掘，我們梳理了與課程思政有關的案例，通過這些案例的引入培養(yǎng)學生善于探索、勇于奉獻和堅持真理的科學精神和思辨精神，體會我國科學家在前沿領域所做出的重大貢獻，樹立法制意識和科學減肥的觀念（見表1）。

三、教學過程

（一）課前預習

借助智慧教學工具“雨課堂”向學生發(fā)布本節(jié)課預習PPT和預習材料，同時提出預習要求和進行預習效果的評估。預習要求包括：（1）了解氧化磷酸化的概念，與底物水平磷酸化有什么區(qū)別？（2）電子傳遞過程與氧化磷酸化偶聯(lián)的部位有哪些？偶聯(lián)機制是什么？（3）化學滲透假說的核心內容是什么，有哪些實驗證據(jù)能夠支持該假說的成立？（4）了解ATP合酶的結構、功能和組分、ATP合酶催化ATP生成的作用機制是什么？有哪些支持性證據(jù)？（5）氧化磷酸化的影響因素有哪些？了解不同抑制劑的作用機制;（6）細胞溶膠中的NADH是如何進入線粒體進行氧化磷酸化的？此外，由于課堂授課時長的限制，不可能在課堂授課中對所有思想政治案例進行詳細的介紹和討論，但為了使學生了解到每個思想政治案例背后豐富的信息，吸引學生的興趣，筆者將所有的課程思政案例素材通過“雨課堂”進行發(fā)布，結合知識點引導學生進行資料查閱和學習，這樣有助于在課堂教學時，學生能夠充分理解教師所列舉案例與知識點的聯(lián)系，達到專業(yè)思想政治的目的。如在講授氧化磷酸化的作用機理——化學滲透假說時，在幻燈片旁邊的位置標注預習要求：請查閱資料了解Peter Mitchel的生平和提出化學滲透假說的科研經(jīng)歷，了解1961年諾貝爾化學獎的相關內容，針對化學滲透假說的基本內容，設計實驗來證明假說的合理性。Peter Mitchel的科研經(jīng)歷對你有什么啟發(fā)。同時將這些話題發(fā)布在討論區(qū)，同學們可將自己的見解發(fā)布在討論區(qū)，不僅有助于教師在課前掌握學生對這些思想政治素材的了解情況，也可作為過程考核的依據(jù)之一。

（二）課程導入

對上一節(jié)課電子傳遞鏈授課內容進行簡要回顧，并通過設置提問來導入新課：機體正常生理活動的運轉需要大量的能量，地球上幾乎所有的生命形式都以ATP作為通用的能量形式，ATP主要來自所攝取營養(yǎng)物質的氧化分解代謝，在氧化分解代謝中通過底物水平磷酸化直接產(chǎn)生的ATP是非常少的，更多的ATP是通過呼吸鏈的電子傳遞和氧化磷酸化過程生成的，前一節(jié)課我們學習了電子傳遞的過程和機理，代謝物脫下的高能電子在呼吸鏈的傳遞過程中會釋放大量的自由能，這些自由能如何轉變成能夠被機體直接利用的ATP能量，這正是本節(jié)課氧化磷酸化將要回答的問題。

（三）新課教學

1.氧化磷酸化的概念及偶聯(lián)部位。首先采用講授法對氧化磷酸化的概念進行解析，因為ATP的生成與電子過程相偶聯(lián)，所以氧化磷酸化也叫偶聯(lián)磷酸化、電子傳遞水平的磷酸化。要重點向學生強調“偶聯(lián)”的含義，電子傳遞和ATP的生成相伴相隨，如果電子傳遞停止，ATP不會生成，如果ATP不能生成，電子傳遞也會終止。同時采用對比法對氧化磷酸化和底物水平磷酸化異同點（作用部位、能量來源、對氧的需求和催化酶）進行介紹，以突出氧化磷酸化的特點。其次提出問題，一對電子在經(jīng)呼吸鏈傳遞過程中，哪些部位在電子傳遞時釋放的自由能能夠推動ATP的生成？采用推導法分析呼吸鏈各組分中氧化磷酸化的偶聯(lián)部位，因為ATP生成需要30.5KJ/mol，通過測定不同氧還電對標準氧還電位和標準自由能變化，發(fā)現(xiàn)復合體I、III、和IV釋放的能量能夠推動ATP的生成，這三個復合體便是氧化磷酸化的偶聯(lián)部位。然后再引入磷氧比（P/O）這一衡量氧化磷酸化大小的指標，這也是計算物質分解代謝產(chǎn)生多少能量的依據(jù)。

2.氧化磷酸化偶聯(lián)機制。首先對歷史上曾經(jīng)提出的三個解釋氧化磷酸化偶聯(lián)機制的假說（化學偶聯(lián)假說，構象偶聯(lián)假說，化學滲透假說）的核心觀點進行對比后，重點介紹后來被證明正確的假說——化學滲透假說?；瘜W滲透假說的基本內容是本節(jié)課講授的重點，也是學生較難理解的部分。主要借助示意圖和形象的動畫視頻向學生直觀展示在電子經(jīng)呼吸鏈傳遞過程中能夠推動質子從線粒體內膜基質側泵到膜間隙，使內膜兩側由于質子濃度差異而建立質子梯度，這種質子梯度能夠推動膜間隙的質子回流至基質，從而導致ATP合酶（即復合體V）合成ATP?？梢詫⑵湟c歸納為兩句話便于學生記憶：電子傳遞釋放的自由能推動質子梯度的建立;質子梯度中蘊藏的電化學勢能驅動ATP的合成。同時，可用水力發(fā)電原理類比氧化磷酸化過程以幫助學生對化學滲透假說的理解[4]。當水（電子）流從高處向下流，水流的落差會沖擊水輪機葉片旋轉，水輪機轉動帶動發(fā)電機（ATP合酶）轉子旋轉發(fā)電（ATP）。因此，水輪機發(fā)電是水位差勢能轉變?yōu)闄C械能，機械能又轉變?yōu)殡娔艿倪^程，而氧化磷酸化是電子傳遞轉變?yōu)橘|子梯度差，質子梯度差又轉變?yōu)锳TP的過程。其次以該學說提出者Peter Mitchel的生平和科研經(jīng)歷為案例進行課程思政教育。他在提出新的學說后勇于面對學術界的質疑（包括來自科研大牛Hans Krebs的質疑），經(jīng)過長達十多年的堅持和研究最終證明了學說的正確性并獲得諾貝爾獎。借此來激勵學生在未來的生活和科研道路上要有所堅持和追求，勇于探索真理。再次，通過啟發(fā)式的提問讓學生思考如何針對該假說設計實驗，并開展小組討論，讓每個小組對其實驗構思進行講述。之后學生會以認真求證的心態(tài)聆聽老師對目前支持該假說的主要實驗證據(jù)的介紹，如果該實驗證據(jù)與自己構思吻合，則會產(chǎn)生興奮異常的心情，如果超出了自己所想，則會產(chǎn)生恍然大悟的感覺，同時也使學生體會到“實踐是檢驗真知的唯一標準”。最后在對化學滲透假說進行肯定和總結的基礎上，提出目前該學說尚未解決的問題，如ATP合酶是如何利用質子梯度催化ATP生成的機制，引出下面即將要介紹的內容。

3.ATP合酶的作用機制。首先利用圖片和動畫視頻使學生對ATP合酶在線粒體膜上的排列分布形態(tài)產(chǎn)生直觀的認識;同時通過亞線粒體結構重組實驗讓學生了解ATP合酶的兩個亞單位F1和Fo各自的功能;其次借助ATP合酶蛋白質精細三維結構的圖片對ATP合酶兩個亞單位的組成亞基及其功能進行介紹。其中需要對負責ATP生成的催化亞基-β亞基所具備的三種構象及其不同的核苷酸親和力予以強調，這也是決定ATP生成的關鍵。借助比喻法將分別位于ATP合酶中央和側面的亞基ε、β和δ、b2形象地作“轉子”和“定子”，前者可在質子流推動下旋轉，后者起著從側面連接F1和Fo亞基的作用。在學生對ATP合酶的結構、組成和功能有了直觀認識的基礎上，再次提出問題，ATP合酶是如何利用質子流返回所釋放的能量催化ATP生成的？提出目前比較認可的假說“化學變構假說”或“旋轉催化假說”。首先介紹這個假說的新奇之處來吸引學生的興趣。就好比某個人擁有了特異的能力，他的手心中能自動生出金幣，但是要想使金幣從手心掉下來，必須借助外力掰開他的手掌。這個學說認為ATP的合成不需要能量，而ATP從酶的活性中心釋放需要能量，這個能量就來自于質子梯度所蘊含的電化學勢能[5]。其次借助圖片和動畫視頻演示法對該假說的主要內容進行介紹，使學生們體會在質子流所蘊含的電化學勢能的驅動下，ATP合酶就像一個精密的分子馬達發(fā)生著構象與能量的轉換。再次簡要介紹該學說的提出者Paul Boyer為提出和證明這個假說而花費了半生的時間，在遭受眾人的懷疑下堅持研究的經(jīng)歷，最終在各國科學家的實驗證據(jù)支持下，該假說得到了廣泛的認可。Paul Boyer也和ATP合酶催化亞基的三維結構的發(fā)現(xiàn)者John E.Walker分享了1997年的諾貝爾化學獎[5]。通過這些科學家的故事激勵學生投身前沿科學研究，探索未知世界。最后，用ATP合酶不斷旋轉產(chǎn)生ATP的視頻動畫，并結合世界上最小的“分子渦輪發(fā)電機”“分子馬達”或者“分子印鈔機”這種形象化的比喻對ATP合酶的作用機制進行概括和總結，從而加深了同學們對ATP合酶的認識，易于學生理解。

4.氧化磷酸化的影響因素。把氧化磷酸化的影響因素歸納為兩方面：一是各種抑制劑，二是底物ADP的受體控制。通過講授法和比較法對各種抑制劑的作用機制和特點進行介紹，同時引入這些抑制劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活實踐中的應用知識，來深化學生對所學知識的理解。如通過大家熟知的一氧化碳中毒、氰化物中毒等現(xiàn)象，讓學生了解這些物質致毒的機制，同時強化生物安全意識;解偶聯(lián)劑DNP在歷史上曾被用作減肥藥，但后來因為嚴重的毒副作用被禁用，通過對DNP作用機制的介紹，讓學生不僅能夠深入理解DNP對氧化磷酸化能量生成和生物氧化的影響，同時體會到科學減肥，不亂用藥物的道理。

5.細胞溶膠內NADH的再氧化。線粒體內TCA、脂肪酸氧化所形成的NADH可直接進入呼吸鏈，偶聯(lián)氧化磷酸化合成ATP。而在線粒體外如糖酵解途徑中形成的NADH不能透過線粒體內膜進入線粒體被氧化，必須通過“穿梭”機制將其運入線粒體內再氧化。此處可借用形象的比喻加深學生對穿梭機制的理解：如用間諜要借助喬裝打扮或者易容術才能出入某些場合以刺探情報，來比喻某種化學物質不能透過線粒體內膜，需要通過化學反應轉變成其他可透過膜的物質，由后者把它所攜帶的物質或者信息進行傳遞或者發(fā)生進一步的化學反應。根據(jù)胞外NADH生成組織器官的不同，存在兩種穿梭途徑：甘油-3-磷酸穿梭途徑和蘋果酸—天冬氨酸穿梭途徑。通過借助動態(tài)示意圖讓學生了解這兩種穿梭機制的不同，最重要的是讓學生明白主要是由于線粒體內的氫受體的不同，導致這兩條穿梭途徑下，1分子NADH再氧化所生成的ATP數(shù)目是不同的，這一點對于計算不同組織細胞內物質分解代謝產(chǎn)生ATP的數(shù)目至關重要。

（四）教學評價

主要借助課后作業(yè)對本節(jié)課的教學效果進行評價，課后作業(yè)包括兩部分：一是針對本節(jié)課重要知識點的隨堂測試題，為10道客觀題，用于評估學生對專業(yè)知識點的掌握情況;二是結合思想政治教育的文獻閱讀作業(yè)。例如閱讀2019年我國楊茂君團隊在Science雜志發(fā)表題為《Cryo-EM structure of the mammalian ATP synthase tetramer bound with inhibitory protein IF1》的研究長文，該文突破性地發(fā)現(xiàn)并解析了哺乳動物ATP合酶四聚體的構成形式和高分辨率結構，請學生閱讀全文，對摘要進行翻譯，并簡要描述ATP合酶四聚體的結構組成[6]。

總結與展望

氧化磷酸化是能量代謝中的重要內容，也是生化課程中比較抽象的內容之一。一味地從分子水平來講解能量釋放和轉換機制是非常抽象的，常常是教師難講、學生難學。在課程思政理念的教育背景下，通過對本節(jié)課專業(yè)內容中思政元素的挖掘，形成了有助于知識點掌握和理解的課程思政案例，借助“雨課堂”等智慧教學工具以及大量形象生動的圖片和視頻動畫，并通過課前預習討論、課中講授、討論和課后評價作業(yè)的方式，使專業(yè)知識教學巧妙融入課程思政案例里，不僅有助于激發(fā)學生學習的興趣，輕松化解學生對重點和難點知識的掌握理解，同時能夠讓學生在專業(yè)知識學習的過程中潤物細無聲地受到思想教育，體會求真務實、堅忍不拔的科研精神，激發(fā)愛國愛人民的家國情懷，形成科學的健康觀，培養(yǎng)科學素質和嚴謹?shù)乃季S。

參考文獻

[1]習近平在全國高校思想政治工作會議上強調 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[N].人民日報，2016-12-09（1）.

[2]閆秀.多視角下的課程思政元素融入策略探討：以《醫(yī)學生物化學》課程為例[J].廣東化工，2020，47（20）：166-167.

[3]曾瑞鑫.學堂在線召開發(fā)布會宣布推出智慧教學工具：雨課堂[J].亞太教育，2016（24）：I0001.

[4]繆明永，許強芝.氧化磷酸化的形象化教學[J].山西醫(yī)科大學學報：基礎醫(yī)學教育版，2008，10（5）：537-539.

[5]楊榮武.生物化學原理[M].3版.北京：高等教育出版社，2018：308-320.

[6]GU J K， ZHANG L V， ZONG S，et al. Cryo-EM structure of the mammalian ATP synthase tetramer bound with inhibitory protein IF1[J].Science，2019，364（6445）：1068-1075.

Teaching Design of the Course of “Phosphorylation” under the Idea of Ideological and

Political Education

WANG Hui-juan， LEI Lei

（College of Life Science， Northwest University， Xi’an， Shaanxi 710069， China）

Abstract： Integrating the ideological and political elements into the teaching process of professional courses has become an important way for colleges and universities to realize “building morality and cultivating talents; teaching and educating students”. Biochemistry， as the core basic course of life science， medicine， agronomy and other majors， plays a very important role in the cultivation of professional talents. Taking Phosphorylation， a course recognized as being difficult to teach and learn in biochemistry， as an example， this paper introduces how to excavate the ideological and political elements in the teaching content and how to make a new design of the teaching process under the background of curriculum ideological and political education， so as to solve the teaching difficulties in the skillfully designed ideological and political cases and improve the teaching effect， which may provide reference for the classroom teaching practice of integrating ideological and political elements into professional courses.

Key words： curriculum ideological and political education; classroom teaching design; Phosphorylation