以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的“微生物制藥學(xué)”教學(xué)改革研究

王宇光，朱冰春2，于欣君

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023)

在新形勢下，面對撲面而來、洶涌澎湃的新一輪世界范圍的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，黨和國家的事業(yè)發(fā)展對高等教育的需要，對科學(xué)知識和優(yōu)秀人才的需要，都比以往任何時候都更為迫切[1-2]。

目前高等學(xué)校人才培養(yǎng)工作已進(jìn)入提高質(zhì)量的升級期、變軌超車的機遇期、改革創(chuàng)新的攻堅期[3]。面對新時代新形勢新要求，高校教育存在的一些普遍性的問題就突顯出來，這些問題可以說是影響通過高等教育實現(xiàn)強國建設(shè)的突出薄弱環(huán)節(jié)和重點難點問題。其中最典型的問題就是黨和國家的事業(yè)發(fā)展帶來的日益增長的對創(chuàng)新型人才的需求與落后的教育水平(如教育理念、教育投入、教育評價標(biāo)準(zhǔn)和教育政策機制的導(dǎo)向等)之間的矛盾，這當(dāng)中提升課堂教學(xué)創(chuàng)新能力是我們教育理念中最迫切的需求之一。筆者以“微生物制藥學(xué)”的教學(xué)改革研究為切入點，探討新形勢下以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的課堂教學(xué)改革的理念和方法。

1 明確目標(biāo)

做任何一件事，都要確立一個目標(biāo)，目標(biāo)很重要，是前進(jìn)的方向和動力[4]。明確的目標(biāo)會為生活和工作提供方向和動力，像是航行中的船，如果沒有方向，那么任何風(fēng)向都是逆風(fēng)。課堂教學(xué)也一樣，如果一門課(甚至小到一堂課)沒有明確的目標(biāo)，無論采用何種教學(xué)方法，教授何種內(nèi)容都是徒勞的。

“微生物制藥學(xué)”確定了總的學(xué)習(xí)目標(biāo)是：掌握微生物制藥的基本生產(chǎn)工藝和各種微生物產(chǎn)藥物的結(jié)構(gòu)、性能(藥效)、作用機制以及耐藥性產(chǎn)生機制；總的創(chuàng)新能力目標(biāo)是：理解各種微生物產(chǎn)藥物結(jié)構(gòu)與其性能之間的關(guān)系、能創(chuàng)新地提出克服耐藥性的解決方案，并結(jié)合微生物藥物的前沿創(chuàng)新地設(shè)計出可能具有藥效的化合物分子。在此基礎(chǔ)上明確每節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)(知識目標(biāo))和創(chuàng)新能力目標(biāo)。例如β-內(nèi)酰胺類藥物這一節(jié)課的知識目標(biāo)為掌握β-內(nèi)酰胺類藥物的作用機制和耐藥性產(chǎn)生機制；創(chuàng)新能力目標(biāo)為理解藥物結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系、能創(chuàng)新地提出可能克服耐藥性的解決方案。

2 引導(dǎo)培養(yǎng)創(chuàng)新思維

創(chuàng)新思維是創(chuàng)新能力中的基本思維素質(zhì)，引導(dǎo)培養(yǎng)創(chuàng)新思維是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要手段之一。引導(dǎo)培養(yǎng)創(chuàng)新思維最有效的方法是在課堂教學(xué)中及時設(shè)置創(chuàng)新問題情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性思考，從而提高創(chuàng)新能力。

良好的問題情境設(shè)計，可以使學(xué)生產(chǎn)生一種心理上的期待感，形成對問題探究與主動思考的強烈熱情，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的重要手段。為此，一方面課堂教學(xué)時要營造寬松、自由、和諧的學(xué)習(xí)氛圍，形成有利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的環(huán)境；另一方面要根據(jù)不同章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的特點，不斷地創(chuàng)新問題情境。問題情境的設(shè)計要遵循“難而有度、繁而有法、答而有革”的原則，即設(shè)置的問題情境要有一定的難度，學(xué)生必須通過努力才能完成，整個思考的過程就是一個創(chuàng)新的過程。

先選定本課程中涉及的一個待解決的科學(xué)問題，引導(dǎo)學(xué)生以已掌握的課堂知識為基礎(chǔ)，輔以其它專業(yè)知識，進(jìn)行主動地推理與大膽地想象，作出科學(xué)問題的解決方案。筆者以“微生物制藥學(xué)”課程中“β-內(nèi)酰胺類藥物”一節(jié)為例來說明引導(dǎo)創(chuàng)新思維的過程，見圖1。

圖1 “β-內(nèi)酰胺類藥物”課堂講授中引導(dǎo)創(chuàng)新思維的過程Fig.1 The process of introducing innovative thinking in the lecture of “β-lactam drugs”

如圖1所示，在“β-內(nèi)酰胺類藥物”的課堂講授中，課堂基本知識為β-內(nèi)酰胺類藥物的結(jié)構(gòu)和β-內(nèi)酰胺類藥物的作用機制；需要輔助的其他相關(guān)專業(yè)知識為細(xì)胞壁的組成和肽聚糖的生物合成；講授中先讓學(xué)生掌握課堂基本知識和回憶復(fù)習(xí)其它相關(guān)專業(yè)知識，在此基礎(chǔ)上循序漸進(jìn)的引導(dǎo)學(xué)生思考設(shè)置好的帶有難度和廣度梯度的問題情境1、問題情境2和問題情境3，隨著問題情境難度和廣度的不斷加大，學(xué)生會被引導(dǎo)著沿著“問題情境軌跡”進(jìn)行創(chuàng)新性思考，而且這種創(chuàng)新性思考也會隨著問題情境難度和廣度的不斷加大而發(fā)生相應(yīng)的深邃化和擴展化，從而使學(xué)生的創(chuàng)新思維得到有效的培養(yǎng)和提高。

3 營造課堂氛圍，著力渲染創(chuàng)新氣氛

雖然環(huán)境不是決定事物發(fā)展的主要因素，但是環(huán)境對事物的發(fā)展有著重要的影響。課堂的教學(xué)氛圍對調(diào)動學(xué)生的積極性、激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力是非常重要的。因此，在“微生物制藥學(xué)”的授課過程中，可以適當(dāng)?shù)匾胍恍┯嘘P(guān)藥物的發(fā)現(xiàn)、修飾以及應(yīng)用等過程中的科學(xué)研究軼事，例如青霉素的發(fā)現(xiàn)者亞歷山大·弗萊明[5-7]、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出者沃森和克里克[8]、萬古霉素的發(fā)現(xiàn)者Pittenger和Brigham等[9]的科研故事，來渲染創(chuàng)新氣氛。

另一方面，還可以適當(dāng)?shù)靥岢鲆恍┱n堂互動主題讓學(xué)生參與討論，增加互動環(huán)節(jié)來提升課堂氛圍。例如，在“β-內(nèi)酰胺類藥物”的課堂講授前，教師可先設(shè)置一些諸如“日常生活中同學(xué)們接觸過哪些β-內(nèi)酰胺類藥物”“我眼中的β-內(nèi)酰胺類藥物”等互動主題，讓學(xué)生們充分表達(dá)出自己的觀點和見聞，通過老師與同學(xué)們之間的良好互動，來活躍課堂教學(xué)氛圍。

4 增加授課內(nèi)容的深度和廣度

眾所周所，創(chuàng)新從本質(zhì)上講是對事物現(xiàn)狀的超越和突破，這種超越和突破是建立在創(chuàng)新者對事物現(xiàn)狀的和事物本身與外界的各種聯(lián)系的深入了解的基礎(chǔ)上的。因此，對事物了解的深度和廣度是對事物創(chuàng)新的基本保障。同樣，對課堂教學(xué)而言，增加教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度也是提升學(xué)生創(chuàng)新能力的基本保障。

例如，對于β-內(nèi)酰胺類藥物這一節(jié)課，通過增加授課內(nèi)容的深度和廣度來培養(yǎng)學(xué)生專一性和發(fā)散性思維，如圖2所示。

圖2 通過增加授課內(nèi)容的深度和廣度來培養(yǎng)學(xué)生專一性和發(fā)散性思維Fig.2 Developing students' specific and divergent thinking by increasing the depth and breadth of teaching content

圖2中，在“糖肽類抗生素(萬古霉素)的作用機制”一課的講授中，講授內(nèi)容分別從縱向深度和橫向廣度進(jìn)行了擴展。

4.1 深度擴展

先從細(xì)胞層面到分子層面講授糖肽類抗生素的作用機制(干擾細(xì)胞壁的合成)，再從分子層面講授糖肽類抗生素的作用機制(抑制細(xì)胞壁合成第二階段類脂結(jié)合中一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)化反應(yīng))，最后從電子層面講授糖肽類抗生素(萬古霉素)的作用機制，即萬古霉素分子中7肽骨架識別未交叉連接肽聚糖鏈中N-?；?D-Ala4-D-AlD-二肽，從糖肽類抗生素分子的下表面與肽聚糖末端的酰胺基和羧基形成五個氫鍵，最終形成具有高度親和力的復(fù)合物，阻礙了細(xì)胞壁的合成。如此層層遞進(jìn)地講解，使學(xué)生能深度理解并分析糖肽類抗生素作用機制，旨在培養(yǎng)與提高學(xué)生創(chuàng)新能力中的專一性思維能力。

4.2 廣度擴展

先橫向?qū)Ρ忍请念惪股嘏cβ-內(nèi)酰胺類藥物的作用機制，二者的作用對象均為細(xì)菌，細(xì)胞層面的作用機制相同，均為抑制細(xì)胞壁的合成，并最終使細(xì)胞發(fā)生溶解；而二者的分子層面作用機制不同，糖肽類抗生素(例如卡那霉素[10])抑制細(xì)胞壁合成第二階段(類脂結(jié)合)中一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，β-內(nèi)酰胺類藥物通過抑制細(xì)胞壁中的轉(zhuǎn)肽反應(yīng)來干擾肽聚糖的合成；二者電子層面的作用機制也有顯著的區(qū)別，萬古霉素分子中7肽骨架識別未交叉連接肽聚糖鏈中N-?；?D-Ala4-D-AlD-二肽，從糖肽類抗生素分子的下表面與肽聚糖末端的酰胺基和羧基形成五個氫鍵，最終形成具有高度親和力的復(fù)合物，阻礙了細(xì)胞壁的合成；β-內(nèi)酰胺類抗生素的結(jié)構(gòu)與供體底物(D-丙氨酰-D-丙氨酸)結(jié)構(gòu)相似，替代供體底物與轉(zhuǎn)肽酶起作用，從而干擾了正常的轉(zhuǎn)肽反應(yīng)。

為了進(jìn)一步拓展橫向類比的廣度，又選擇與糖肽類抗生素不同作用靶標(biāo)的抗真菌藥物進(jìn)行對比講解。抗真菌藥物的作用對象為真菌，從細(xì)胞和分子層面講，其作用靶位集中在細(xì)胞表面。例如，唑類藥物氟糠唑等和多烯大環(huán)內(nèi)酯類如兩性霉素B等是干擾細(xì)胞膜的合成；日光霉素和多氧霉素等抗真菌藥物是干擾細(xì)胞壁中幾丁質(zhì)的合成；卡帕芬凈等抗真菌藥物是干擾細(xì)胞壁中1,3-β-葡聚糖的合成；普那米星等抗真菌藥物是干擾細(xì)胞表面甘露糖蛋白復(fù)合物的合成。從電子層面講，抗真菌藥物是抑制真菌細(xì)胞膜重要組分麥角甾醇的合成或抑制其功能的發(fā)揮。

通過不同類型藥物作用機制的詳細(xì)對比講解，使學(xué)生能夠更加全面地學(xué)習(xí)糖肽類抗生素作用機制，旨在培養(yǎng)與提高學(xué)生創(chuàng)新能力中的發(fā)散性思維能力。

5 啟發(fā)想象力

想象力是創(chuàng)新能力的靈魂因素[11]。正如愛因斯坦所認(rèn)為的：想像力比知識更重要，因為知識是有限的，而想像力概括著世界的一切，推動著進(jìn)步。并且是知識進(jìn)化的源泉。因此，啟發(fā)學(xué)生想象力是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段?！拔⑸镏扑帉W(xué)”教學(xué)中從以下幾個方面來啟發(fā)學(xué)生的想象力。

5.1 夯實基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，豐富想象的基礎(chǔ)

想象是人們對過去感知過的事物映象進(jìn)一步加工改造后所產(chǎn)生的新形象。想象是以頭腦中豐富的感知映象為基礎(chǔ)的。一個人的感知映象越豐富，其想象幅度越廣闊、越深刻。因此，要培養(yǎng)學(xué)生的想象能力，學(xué)生的頭腦中就必須有可供“加工改造”的感知映象。只有具備了廣博的知識，才便于發(fā)現(xiàn)各種知識之間的聯(lián)系，更易受到啟示，觸發(fā)聯(lián)想和想象，產(chǎn)生知識的遷移、連結(jié)和貫通，最終達(dá)到認(rèn)識上的飛躍，激發(fā)創(chuàng)新。教學(xué)中應(yīng)夯實基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，例如基本的定理、理論要學(xué)扎實、學(xué)透徹；引導(dǎo)學(xué)生努力學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識，具備過硬的專業(yè)理論知識，提高自身專業(yè)素養(yǎng)，為培養(yǎng)想象力打下堅實的基礎(chǔ)。

5.2 充分利用分子對接軟件，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生想象力

分子對接是通過受體的特征以及受體和藥物分子之間的相互作用方式來進(jìn)行藥物設(shè)計的方法。主要研究分子間(如配體和受體)相互作用，并預(yù)測其結(jié)合模式和親合力的一種理論模擬方法。通過分子對接軟件的模擬，可以使學(xué)生想象中的一些(諸如藥物分子結(jié)構(gòu)、酶受體的活性位點空間構(gòu)象、藥物分子與酶受體的成鍵方式、成鍵后的立體位阻等)抽象的感知映象轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的圖像，讓學(xué)生如臨其境，真切地感受到受體酶和藥物分子之間的相互作用，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的想象力。

5.3 參與藥物修飾的實驗研究，鞏固和發(fā)展想象力

學(xué)生科學(xué)基礎(chǔ)知識的積累、知識體系向縱深和橫向的發(fā)展、觀察感知活動等只是為想象提供了大量“素材”，打好課堂想象的基礎(chǔ)，借助分子對接軟件可以“呈現(xiàn)”部分想象的圖片，這些圖片都具有“創(chuàng)造”成分，以再造的創(chuàng)新想象為主，并不能證實想象的實際結(jié)果。如果要真正地鞏固和發(fā)展想象力，還必須將想象的創(chuàng)新成果付諸于實踐，即進(jìn)行相關(guān)的實驗研究。實驗方法選擇時可以有意地選擇生物法來進(jìn)一步鞏固學(xué)生的生物技術(shù)實驗技能[12]。學(xué)生想象力的培養(yǎng)還有很多其他方法和途徑，有一點是必須堅決把握的：脫離課堂基本知識的胡思亂想不是創(chuàng)造性想象，只有結(jié)合課堂基本知識運用相關(guān)專業(yè)知識，加以嚴(yán)密的推理與合理的想象，開拓思維的廣度與深度，才是正確的創(chuàng)造性想象。因此，在培養(yǎng)學(xué)生想象力的時候，要善于調(diào)控把握，不可沒有邏輯，過于荒誕。

6 結(jié) 論

在科技和工業(yè)迅速發(fā)展的新時代下，新一輪世界范圍的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正席卷而來，生物技術(shù)迎來了迅猛的發(fā)展，面臨創(chuàng)新人才短缺的問題，創(chuàng)新性人才教育應(yīng)運而生。對于微生物制藥行業(yè)，創(chuàng)新人才短缺的問題優(yōu)為突出，因此，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的“微生物制藥學(xué)”教學(xué)改革研究迫在眉睫。通過“微生物制藥學(xué)”教學(xué)改革研究工作開展，獲得以下效果：1) 使授課學(xué)生樹立堅定的生物制藥專業(yè)的專業(yè)目標(biāo)；2) 夯實了基礎(chǔ)專業(yè)知識，豐富了想象的基礎(chǔ)；3) 全面提升授課學(xué)生的創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力；4) 通過“微生物制藥學(xué)”課堂教學(xué)的成功改革，可以將改革經(jīng)驗輻射至同類學(xué)科。