课程思政理念下氧化磷酸化作用的教学设计

          王会娟，雷  蕾  

（西北大学 生命科学学院，陕西 西安 710069）

[摘  要] 将课程思政元素融入专业课程教学过程已经成为高校实现“立德树人，教书育人”的重要途径。生物化学作为生命科学、医学、农学等专业的核心基础课程，在专业人才培养中发挥着非常重要的作用。本文以生物化学课程中公认的难教难学的一节课——“氧化磷酸化作用”为例，介绍如何挖掘教学内容中的思政元素，如何在课程思政背景下对教学过程进行全新的设计，使教学难点化解在巧妙设计的思政案例中，实现教学效果的提升，以期为课程思政融入专业课程的课堂教学实践提供参考和借鉴。

[关键词] 课程思政；课堂教学设计；氧化磷酸化作用

[基金项目] 2019年度西北大学本科人才培养建设项目“精品在线开放课程建设项目——生物化学（下）”（XM05191235）

[作者简介] 王会娟（1982—），女，河南南阳人，博士，西北大学副教授（通讯作者），主要从事肿瘤分子致病机制的研究。雷蕾（1986—），女，陕西西安人，博士，西北大学副教授，主要从事疾病分子致病机制研究。

 [中图分类号] G642    [文献标识码] A    

习近平总书记在2016年12月全国高校思想政治工作会议上强调要实现高校人才培养的核心目标，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人^[1]。课程思政作为一种新的教育理念应运而生，它以专业课程作为载体，充分挖掘专业课程中的思政元素，将思想政治教育恰当融入教育教学全过程，使知识传授与价值引领相统一，从而实现全面育人的目标^[2]。

生物化学是一门研究生物体的物质组成及其化学变化的科学。它不仅是生命科学各专业的核心基础课，也是农学、林学、医学、药学及食品等相关专业的基础理论课，其在专业人才培养中的重要性不言而喻。氧化磷酸化是生物体内营养物质经过氧化分解生成大量还原性物质的过程，这些携带着高的转移势能的还原性辅酶在将电子经线粒体电子传递链传递的过程中，释放的自由能可驱动ADP磷酸化生成ATP。氧化磷酸化是生物体内三大营养物质通过氧化分解为机体供应能量的最为主要的途径，是能量释放的最终阶段^[2]。因此，氧化磷酸化是生物化学中非常重要的内容，回答了营养物质所蕴藏能量的释放和转换机制，教学大纲上需要通过2个学时来完成。但是，氧化磷酸化也是生化课程中比较抽象难懂的内容之一，单纯进行知识点的讲解与灌输往往会增加学生学习的枯燥性，影响教学目标的达成。因此，在课程思政教育理念下，通过挖掘知识点中蕴含的思政教育元素，重塑氧化磷酸化的教学目标，革新教育教学过程，通过丰富多样的教学活动，使专业知识教学与课程思政相融合，实现专业课程知识传授与价值引领并重的育人目标。下面我们将展示在课程思政理念下氧化磷酸化这一节课的教学设计。

一、 教学目标和重难点分析

通过本节课的学习使学生掌握氧化磷酸化的概念和作用机理—化学渗透假说的基本内容、ATP合酶的基本结构和功能、细胞溶胶中NADH线粒体氧化的穿梭机制；理解氧化磷酸化和底物水平磷酸化的异同点、不同氧化磷酸化抑制剂对有氧呼吸的影响及作用机制；了解支持化学渗透假说的实验证据，ATP合酶作用机制-化学变构假说的要点及实验证据；能运用所学知识解释一些药物、毒物的作用机制。在课程思政方面，注重培养学生的科学精神、家国情怀、法制精神和科学减肥的观念。

通过教材分析，我们将氧化磷酸化的概念和特点、氧化磷酸化的作用机理（化学渗透假说）、ATP合酶的基本结构和功能、呼吸链电子传递抑制剂和解偶联剂的作用机制，及思政元素的发掘作为本节课的教学重点。氧化磷酸化的作用机制和思政元素融入教学过程作为本节课的教学难点。

二、 教学方法

本节课采用传统教学与“雨课堂”平台^{[3 ]}辅助教学相结合的混合式教学手段，并通过教授法、讨论法、演示法、启发式和思政案例融入式的探讨等教学方法的综合运用，深化学生对重难点知识的掌握和理解，并达到启迪智慧和升华思想的教学育人目标。

通过对本节课教学内容中课程思政元素的挖掘，我们梳理了与课程思政有关的案例，通过这些案例的引入培养学生善于探索、勇于奉献和坚持真理的科学精神和思辨精神，体会我国科学家在前沿领域所做重大贡献的家国情怀，树立法制意识和科学减肥的观念（表1）。

表1 本节课相关的课程思政案例

三、 教学过程

1、课前预习：借助智慧教学工具“雨课堂”向学生发布本节课预习PPT和预习材料，同时提出预习要求和进行预习效果的评估。预习要求包括：1）了解氧化磷酸化的概念，与底物水平磷酸化有什么区别？2）电子传递过程与氧化磷酸化偶联的部位有哪些？偶联机制是什么？3）化学渗透假说的核心内容是什么，有哪些实验证据能够支持该假说的成立？4）了解ATP合酶的结构、功能和组分、ATP合酶催化ATP生成的作用机制是什么？有哪些支持性证据？5）氧化磷酸化的影响因素有哪些？了解不同抑制剂的作用机制；6）细胞溶胶中的NADH是如何进入线粒体进行氧化磷酸化的？此外，由于课堂授课时长的限制，不可能在课堂授课中对所有思政案例进行详细的介绍和讨论，但为了使学生了解到每个思政案例背后丰富的信息，吸引学生的兴趣，笔者将所有的课程思政案例素材通过雨课堂进行发布，结合知识点引导学生进行资料查阅和学习，这样有助于在课堂教学时，学生能够充分理解教师所列举案例与知识点的联系，达到专业思政的目的。如在讲授氧化磷酸化的作用机理-化学渗透假说时，在幻灯片旁边的位置标注预习要求：请查阅资料了解Peter Mitchel的生平和提出化学渗透假说的科研经历，了解1961年诺贝尔化学奖的相关内容，针对化学渗透假说的基本内容，你觉得可以设计什么实验来证明假说的合理性？Peter Mitchel的科研经历对你有什么启发？同时将这些话题发布在讨论区，同学们可将自己的见解发布在讨论区，不仅有助于教师在课前掌握学生对这些思政素材的了解情况，也可作为过程考核的依据之一。

2、课程导入：对上一节课电子传递链授课内容进行简要回顾，并通过设置提问来导入新课：机体正常生理活动的运转需要大量的能量，地球上几乎所有的生命形式都以ATP作为通用的能量形式，ATP主要来自于所摄取营养物质的氧化分解代谢，在氧化分解代谢中通过底物水平磷酸化直接产生的ATP是非常少的，更多的ATP是通过呼吸链的电子传递和氧化磷酸化过程生成的，前一节课我们学习了电子传递的过程和机理，代谢物脱下的高能电子在呼吸链的传递过程中会释放大量的自由能，这些自由能如何转变成能够被机体直接利用的ATP能量，这正是本节课氧化磷酸化将要回答的问题。

3、新课教学

1）氧化磷酸化的概念及偶联部位  首先采用讲授法对氧化磷酸化的概念进行解析：因为ATP的生成与电子过程相偶联，所以氧化磷酸化也叫偶联磷酸化、电子传递水平的磷酸化。要重点向学生强调“偶联”的含义：电子传递和ATP的生成相伴相随，如果电子传递停止，ATP不会生成，如果ATP不能生成，电子传递也会终止。同时采用对比法对氧化磷酸化和底物水平磷酸化异同点（作用部位、能量来源、对氧的需求和催化酶）进行介绍，以突出氧化磷酸化的特点。然后提出问题：一对电子在经呼吸链传递过程中，哪些部位在电子传递时释放的自由能能够推动ATP的生成？采用推导法分析呼吸链各组分中氧化磷酸化的偶联部位：因为ATP生成需要30.5kJ/mol，通过测定不同氧还电对标准氧还电位和标准自由能变化，发现复合体I、III、和IV释放的能量能够推动ATP的生成，这三个复合体便是氧化磷酸化的偶联部位。然后再引入磷氧比（P/O）这一衡量氧化磷酸化大小的指标，这也是计算物质分解代谢产生多少能量的依据。

2）氧化磷酸化偶联机制  首先对历史上曾经提出的三个解释氧化磷酸化偶联机制的假说（化学偶联假说，构象偶联假说，化学渗透假说）的核心观点进行对比后，重点介绍后来被证明正确的假说——化学渗透假说。化学渗透假说的基本内容是本节课讲授的重点，也是学生较难理解的部分。主要借助示意图和形象的动画视频向学生直观展示：在电子经呼吸链传递过程中能够推动质子从线粒体内膜基质侧泵入到膜间隙，使内膜两侧由于质子浓度差异而建立质子梯度，这种质子梯度能够推动膜间隙的质子回流至基质，从而导致ATP合酶（即复合体V）合成ATP。可以将其要点归纳为两句话便于学生记忆：电子传递释放的自由能推动质子梯度的建立；质子梯度中蕴藏的电化学势能驱动ATP的合成。同时，可用水力发电原理类比氧化磷酸化过程以帮助学生对化学渗透假说的理解^[4]：当水（电子）流从高处向下流，水流的落差会冲击水轮机叶片旋转，水轮机转动带动发电机（ATP合酶）转子旋转发电（ATP）。因此，水轮机发电是水位差势能转变为机械能，机械能又转变为电能的过程，而氧化磷酸化是电子传递转变为质子梯度差，质子梯度差又转变为ATP的过程。然后以该学说提出者Peter Mitchel的生平和科研经历为案例进行课程思政：他在提出新的学说后勇于面对学术界的质疑（包括来自科研大牛Hans Krebs的质疑），经过长达十多年的坚持和研究最终证明了学说的正确性并获得诺贝尔奖的励志经历来激励学生在未来的生活和科研的道路上要有所坚持和追求，勇于探索真理，最终必将迎来成功。接下来，通过启发式的提问让学生思考如何针对该假说设计实验，并开展小组讨论，让每个小组对其实验构思进行讲述。之后学生会以认真求证的心态聆听老师对目前支持该假说的主要实验证据的介绍，如果该实验证据与自己构思吻合，则会产生兴奋异常的心情，如果超出了自己所想，则会产生恍然大悟的感觉，同时也使学生体会到” 实践是检验真知的唯一标准”。最后在对化学渗透假说进行肯定和总结的基础上，提出目该学说尚未解决的问题，如ATP合酶是如何利用质子梯度催化ATP生成的机制，引出下面即将要介绍的内容。

3）ATP合酶的作用机制 首先利用图片和动画视频使学生对ATP合酶在线粒体膜上的排列分布形态产生直观的认识；同时通过亚线粒体结构重组实验让学生了解ATP合酶的两个亚单位F₁和F_o各自的功能；然后借助ATP合酶蛋白质精细三维结构的图片对ATP合酶两个亚单位的组成亚基及其功能进行介绍。其中需要对负责ATP生成的催化亚基—β亚基所具备的三种构象及其不同的核苷酸亲和力予以强调，这也是决定ATP生成的关键。借助比喻法将分别位于ATP合酶中央和侧面的亚基e、β和δ、b2形象地作“转子”和“定子”，前者可在质子流推动下旋转，后者起着从侧面连接F₁和F_o亚基的作用。在学生对ATP合酶的结构、组成和功能有了直观认识的基础上，再次提出问题，ATP合酶是如何利用质子流返回所释放的能量催化ATP生成的？提出目前比较认可的假说“化学变构假说”和“旋转催化假说”。首先介绍这个假说的新奇之处来吸引学生的兴趣：就好比某个人拥有了特异的能力，他的手心中能自动生出金币，但是要想使整个金币总手心掉下来，必须借助外力掰开他的手掌。这个学说认为ATP的合成不需要能量，而ATP从酶的活性中心释放需要能量，这个能量就来自于质子梯度所蕴含的电化学势能^[5]。然后借助图片和动画视频演示法对该假说的主要内容进行介绍，使学生们体会在质子流所蕴含的电化学势能的驱动下，ATP合酶就像一个精密的分子马达发生着构象与能量的转换。接下来简要介绍该学说的提出者Paul Boyer为提出和证明这个假说而花费了半生的时间，在遭受众人的怀疑下持续研究的经历，最终在各国科学家的实验证据支持下，该假说得到了广泛的认可。Paul Boyer也和ATP合酶催化亚基的三维结构的发现者John E.Walker分享了1997年的诺贝尔化学奖^[5]。通过这些科学家的故事激励学生投身前沿科学研究，探索未知世界。最后，用ATP合酶不断旋转产生ATP的视频动画，并结合世界上最小的“分子涡轮发电机”、“分子马达”或者“分子印钞机”这种形象化的比喻对ATP合酶的作用机制进行概括和总结，从而加深了同学们对ATP合酶的认识，易于学生理解。

4）氧化磷酸化的影响因素 把氧化磷酸化的影响因素归纳为两方面：一是各种抑制剂，二是底物ADP的受体控制。通过讲授法和比较法对各种抑制剂的作用机制和特点进行介绍，同时引入这些抑制剂在农业生产和生活实践中的应用知识，来深化学生对所学知识的理解。如我们的祖先早在一万多年前就知道利用鱼藤捕鱼，就是利用鱼藤根部所含的鱼藤酮对鱼有氧呼吸的抑制而产生麻醉作用，使学生体会到劳动人民的伟大；通过大家熟知的一氧化碳中毒、氰化物中毒等现象，让学生了解这些物质致毒的机制，同时强化生物安全意识；解偶联剂DNP在历史上曾被用作减肥药，但后来因为严重的毒副作用被禁用，通过对DNP作用机制的介绍，让学生不仅能够深入理解DNP对氧化磷酸化能量生成和生物氧化的影响，同时体会到科学减肥，不乱用药物的道理。

5）细胞溶胶内NADH的再氧化  线粒体内TCA、脂肪酸氧化所形成的NADH可直接进入呼吸链, 偶联氧化磷酸化合成ATP。而在线粒体外如糖酵解途径中形成的NADH不能透过线粒体内膜进入线粒体被氧化，必须通过“穿梭”机制将其运入线粒体内再氧化。此处可借用形象的比喻加深学生对穿梭机制的理解：如用间谍要借助乔装打扮或者易容术才能出入某些场合以刺探情报，来比喻某种化学物质不能透过线粒体内膜，需要通过化学反应转变成其他可透过膜的物质，由后者把它所携带的物质或者信息进行传递或者发生进一步的化学反应。根据胞外NADH生成组织器官的不同，存在两种穿梭途径：甘油-3-磷酸穿梭途径和苹果酸-天冬氨酸穿梭途径。通过借助动态示意图让学生了解这两种穿梭机制的不同，最重要的是让学生明白主要是由于线粒体内的氢受体的不同，导致这两条穿梭途径下，1分子NADH再氧化所生成的ATP数目是不同的，这一点对于计算不同组织细胞内物质分解代谢产生ATP的数目至关重要。

4. 教学评价

      主要借助课后作业对本节课的教学效果进行评价，课后作业包括两部分：一是针对本节课重要知识点的随堂测试题，为10道客观题，用于评估学生对专业知识点的掌握情况；二是结合思政教育的文献阅读作业：2019年我国杨茂君团队在Science杂志发表题为《Cryo-EM structure of the mammalian ATP synthase tetramer bound with inhibitory protein IF1》的研究长文^[6]，突破性地发现并解析了哺乳动物ATP合酶四聚体的构成形式和高分辨率结构，请学生阅读全文，对摘要进行翻译，并简要描述ATP合酶四聚体的结构组成。

四、总结与展望

氧化磷酸化是能量代谢中的重要内容, 也是生化课程中比较抽象的内容之一。如果一味地从分子水平来讲解能量释放和转换机制是非常抽象的, 常常是教师难讲, 学生难学。在课程思政理念的教育背景下，通过对本节课专业内容中思政元素的挖掘，形成了有助于知识点掌握和理解的课程思政案例，借助“雨课堂”等智慧教学工具以及大量形象生动的图片和视频动画，并通过课前预习讨论、课中讲授、讨论和课后评价作业的方式，使专业知识教学巧妙融入在课程思政案例里，不仅有助于激发学生学习的兴趣，轻松化解学生对重点和难点知识的掌握理解，同时能够让学生在专业知识学习的过程中润物细无声地受到思想教育，体会求真务实、坚忍不拔的科研精神，激发爱国爱人民的家国情怀，形成科学的健康观，培养科学素质和严谨的思维。

[参考文献]

[1] 习近平在全国高校思想政治工作会议上强调: 把思想政治工作贯穿教育教学全过程开创我国高等教育事业发展新局面[N]. 北京: 人民日报, 2016-12-9.

[2] 闫秀．多视角下的课程思政元素融入策略探讨——以《医学生物化学》课程为例[J]．广东化工，2020，47(20)：166-167.

[3] 曾瑞鑫.学堂在线召开发布会宣布推出智慧教学工具-雨课堂[J]. 亚太教育，2016， （24）：I0001.

[4] 缪明永，许强芝. 氧化磷酸化的形象化教学[J].山西医科大学学报:基础医学教育版， 2008，10( 5)：537-539.

[5]杨荣武.生物化学原理[M]，第三版，北京:高等教育出版社，2018.

[6]Gu J, Zhang L, Zong S, Guo R, Liu T, Yi J, Wang P, Zhuo W, Yang M. Cryo-EM structure of the mammalian ATP synthase tetramer bound with inhibitory protein IF1[J]. Science. 2019,364(6445):1068-1075. 

The teaching design of the course “phosphorylation” under the idea of Ideological and Political Education

Huijuan Wang， Lei Lei， Kunping Yan

(College of Life Science, Northwest University, Xi’an 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 achieve "moral education, teaching and educating". 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. This article introduces how to excavate the ideological and political elements in the teaching content, how to design the teaching process under the background of Ideological and Political Education, and how to resolve the teaching difficulties in the cleverly designed ideological and political cases, so as to improve the teaching effect, and to provide practical experiences and reference for the classroom teaching practice of integrating Ideological and Political Courses into professional courses.

Key words: course-based Ideological and Political Education; classroom teaching design; phosphorylation