劉洪艷 （天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院 天津 300457）

諾貝爾獎代表科學(xué)研究的最高水平，將諾貝爾獎案例應(yīng)用在教學(xué)中，學(xué)生能感悟創(chuàng)新型技術(shù)方法的無窮力量，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新性思維?；谥Z貝爾獎的案例教學(xué)法能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究興趣[1]?！渡锘瘜W(xué)》課程是在分子水平上研究生命現(xiàn)象本質(zhì)。核酸是一種生物大分子，核酸教學(xué)過程以揭示核酸分子不同層次的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，遵循“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—功能”的教學(xué)主線。核酸的結(jié)構(gòu)是進一步學(xué)習(xí)理化性質(zhì)的前提，是構(gòu)建核酸結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系知識體系的教學(xué)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。核酸結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容包含不同層次的結(jié)構(gòu)，例如，核酸的基本組成，核酸的一級、二級和三級結(jié)構(gòu)。筆者在核酸結(jié)構(gòu)教學(xué)中開展諾貝爾獎案例教學(xué)實踐，探討案例教學(xué)法在解決教學(xué)難點、能力培養(yǎng)及價值觀樹立等不同層次教學(xué)目標(biāo)中的應(yīng)用。旨在探索培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)認同感和提高課堂教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)方法。

1 “核酸結(jié)構(gòu)”教學(xué)中的諾貝爾獎案例

從諾貝爾獎分析核酸發(fā)展，基于核酸在生物體生命過程中的重要地位，許多關(guān)于核酸的研究都具有里程碑意義，推動生物學(xué)及自然科學(xué)的迅速發(fā)展。核酸作為遺傳信息的載體，其對生命的重要意義不言而喻。“核酸結(jié)構(gòu)”教學(xué)中的具體諾貝爾獎案例見表1。

表1 應(yīng)用于核酸教學(xué)中的諾貝爾獎案例

德國科學(xué)家科塞爾水解核酸，得到了組成核酸的基本成分，因闡明核酸的化學(xué)成分，探明生命的起源及遺傳奧秘提供細胞化學(xué)基礎(chǔ)，于1910 年獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。英國科學(xué)家托德研究發(fā)現(xiàn)核糖核苷酸是由核糖、磷酸、堿基3 部分組成，堿基分為A、U、C、G 4種，而脫氧核糖核苷酸是由脫氧核糖、磷酸和堿基組成，堿基分為A、T、C、G 4 種。關(guān)于核酸的分子組成的重大研究發(fā)現(xiàn)，為DNA 分子結(jié)構(gòu)的提出指明了方向，于1957 年獲諾貝爾化學(xué)獎。美國科學(xué)家奧喬亞和科恩伯格發(fā)現(xiàn)了RNA 和DNA 的生物合成機理，于1959 年獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎?？茖W(xué)家沃森、克里克及威爾金斯提出了DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，于1962 年獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。美國科學(xué)家霍利測定了轉(zhuǎn)運RNA 的核苷酸序列，并解析其化學(xué)結(jié)構(gòu)，與解讀了遺傳密碼及其在蛋白質(zhì)合成方面機能科學(xué)家科拉納和尼倫伯格，于1968 年共獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。核酸一級結(jié)構(gòu)的揭示是核酸功能研究的基礎(chǔ)，DNA 測序方法是現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展的技術(shù)保障。英國科學(xué)家桑格因發(fā)明DNA 序列的測定方法，于1980 年獲諾貝爾化學(xué)獎。美國科學(xué)家奧爾特曼和切赫發(fā)現(xiàn)了RNA 的自催化作用，于1989 年獲諾貝爾化學(xué)獎。美國科學(xué)家羅伯茨和夏普發(fā)現(xiàn)基因在DNA 上的排列由一些不相關(guān)的片段隔開，是不連續(xù)的，于1993 年獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。美國科學(xué)家穆利斯發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的方法和加拿大科學(xué)家史密斯建立了一種寡聚核苷酸定點突變的方法，于1993 年獲諾貝爾化學(xué)獎。美國科學(xué)家科恩伯格揭示了真核生物體內(nèi)的細胞如何利用基因內(nèi)存儲的信息生產(chǎn)蛋白質(zhì)，于2006 年獲諾貝爾化學(xué)獎。瑞典科學(xué)家林達爾、美國科學(xué)家莫德里奇和土耳其科學(xué)家桑賈爾因DNA 修復(fù)機制和遺傳信息保護方面的卓越研究成果，于2015 年獲諾貝爾化學(xué)獎。諾貝爾獎為什么會鐘愛核酸的研究？從核酸的研究歷程表明，關(guān)于核酸結(jié)構(gòu)的認識一直是研究的熱點。由此分析，核酸結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容是構(gòu)建生物分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的典型教學(xué)案例。

2 諾貝爾獎案例的教學(xué)應(yīng)用

2.1 解決教學(xué)難點 核酸作為一種生物大分子，其不同層次的結(jié)構(gòu)具有各自的特點，需要學(xué)生理解結(jié)構(gòu)模型要點。因此，教學(xué)過程中，教師的授課精力主要放在如何將抽象的結(jié)構(gòu)直觀演示給學(xué)生，例如，采用教學(xué)視頻的模型直觀法和幻燈片結(jié)合的直觀講解法等。正因為核酸結(jié)構(gòu)特點的教學(xué)重點非常突出，核酸結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義往往被忽略，較難運用核酸的結(jié)構(gòu)解釋某種生命現(xiàn)象。因此，核酸結(jié)構(gòu)的認識是獨立的、抽象的。

在核酸結(jié)構(gòu)教學(xué)中，核酸結(jié)構(gòu)知識點的理解是重點，而如何理解核酸結(jié)構(gòu)對于揭示生命本質(zhì)過程的推動作用是教學(xué)難點。例如，圍繞DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)。首先講授DNA 雙螺旋發(fā)現(xiàn)的過程。在已有夏格夫法則的堿基組成規(guī)律：A+G=T+C 及威爾金斯和富蘭克林的X-射線衍射圖基礎(chǔ)上，知道DNA 分子是雙螺旋，2 個堿基的距離是0.34 nm，雙螺旋的螺距為3.4 nm；此外，受到蛋白質(zhì)α-螺旋結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，學(xué)生會容易感受到富蘭克林距離揭開生命的奧秘只有一步之遙，沃森和克里克提出DNA 雙螺旋模型是有理有據(jù)，同時又感嘆數(shù)理知識與生物學(xué)知識融合帶來的創(chuàng)新理論方法的魅力。DNA 雙螺旋模型的形成基礎(chǔ)見圖1。再從DNA 雙螺旋模型結(jié)構(gòu)要點到生物學(xué)意義等方面展開教學(xué)。自從證明核酸是遺傳物質(zhì)后，研究者急切地想揭示核酸的結(jié)構(gòu)。DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的提出，說明核酸結(jié)構(gòu)、信息和功能三者之間的關(guān)系?；?962 年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎案例，即科學(xué)家沃森和克里克根據(jù)DNA 的堿基配對原則及威爾金斯DNA 結(jié)構(gòu)衍射圖，提出DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。雙螺旋模型直接表明了遺傳信息傳遞的機制，對生物遺傳的理解產(chǎn)生了飛躍，被稱為是20 世紀(jì)生物學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)。通過諾貝爾獎案例的教學(xué)應(yīng)用，學(xué)生領(lǐng)悟核酸結(jié)構(gòu)的研究對生命現(xiàn)象解釋的重要意義，從而表明，基于案例的學(xué)習(xí)（case-based learning，CBL）是知識構(gòu)建的有效途徑[2]。

圖1 提出DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)與意義

2.2 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣 在核酸結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生的精力主要集中在如何理解并記憶核酸結(jié)構(gòu)特點，即演變?yōu)楦鞣N問答題形式，DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點是什么，tRNA 的三葉草形二級結(jié)構(gòu)的特點與識別位點有哪些，以及DNA 超螺旋的結(jié)構(gòu)參數(shù)如何計算等。這些抽象枯燥的結(jié)構(gòu)生物學(xué)知識容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒。教學(xué)實踐采用問題教學(xué)法，教師以問題的提出作為載體，注意引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生。這種基于問題的學(xué)習(xí)（problem-based learning，PBL），對于學(xué)生而言，不僅能接受知識，更是培養(yǎng)專業(yè)認同感與學(xué)習(xí)興趣的有效途徑[3]。

教師設(shè)計的問題主要是研討式和探究式，目的在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)思考興趣。例如，“人們是先認識了DNA 一級結(jié)構(gòu)后，才揭示二級結(jié)構(gòu)？”核酸結(jié)構(gòu)的研究中，桑格因發(fā)明DNA 一級結(jié)構(gòu)的測定方法，于1980 年獲得諾貝爾獎。而沃森等提出DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，于1962 年獲得諾貝爾獎。從時間上推算，人們是先認識了DNA 二級結(jié)構(gòu)，再揭示一級結(jié)構(gòu)，這其中的原因是什么？一級結(jié)構(gòu)測定的難點有哪些？再如，DNA 是遺傳物質(zhì)，決定著蛋白質(zhì)的種類與狀態(tài)，而早期對核酸的研究為什么會滯后于對蛋白質(zhì)的研究？DNA 序列中的4 種脫氧核苷酸的排列方式?jīng)Q定著蛋白質(zhì)的種類，即DNA 中的遺傳信息編碼蛋白質(zhì)，要解碼遺傳信息，就必須測定DNA 序列[4]。測定核酸一級結(jié)構(gòu)存在極大困難，核酸有4 種堿基組成，無法用蛋白質(zhì)的重疊推導(dǎo)序列法，而且核酸分子量巨大，例如，DNA 都是由成千上萬個核苷酸組成，又缺乏特異酶降解獲取短片段DNA。直到1977 年，桑格探索了DNA 測序的新策略——雙脫氧法，完成了DNA 的測序工作。也正是核酸結(jié)構(gòu)的揭示，開啟了遺傳信息的分子水平研究，對生命過程的研究進入到生命本質(zhì)的探索階段。核酸結(jié)構(gòu)教學(xué)中的問題法教學(xué)設(shè)計概述見表2。

表2 基于問題教學(xué)法的教學(xué)設(shè)計

筆者采用課后線上交流的方式布置研討問題，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺作答。為積極引導(dǎo)學(xué)生參與問題討論，筆者將作答情況設(shè)置為公開可見，學(xué)生之間可評論回復(fù)，學(xué)生在問題討論區(qū)的留言條數(shù)和回復(fù)條數(shù)計入過程考核分數(shù)。筆者發(fā)現(xiàn)，關(guān)于“DNA 一級結(jié)構(gòu)測定在先還是二級結(jié)構(gòu)解析在先”這個問題，學(xué)生評論關(guān)注度最高。通過問卷發(fā)現(xiàn)，這是由于核酸結(jié)構(gòu)是學(xué)生熟悉的專業(yè)知識，而教師提出的問題卻是陌生的，對學(xué)生具有挑戰(zhàn)性。

基于諾貝爾獎案例的教學(xué)過程，學(xué)生體會到諾貝爾獎研究成果在生命本質(zhì)探索中的里程碑意義，并充滿敬畏感。同時也發(fā)現(xiàn)諾貝爾獎案例均與課程內(nèi)容聯(lián)系緊密，有助于培養(yǎng)專業(yè)認同感并以此激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣[5]。

2.3 樹立價值觀 諾貝爾獎案例教學(xué)內(nèi)容不僅是挖掘?qū)I(yè)知識的依據(jù)背景，更能通過科學(xué)家的故事提供素質(zhì)教育的教學(xué)素材。核酸一級結(jié)構(gòu)的測定方法是由英國科學(xué)家桑格發(fā)明的。細心的學(xué)生就會產(chǎn)生疑問，蛋白質(zhì)學(xué)習(xí)中一級結(jié)構(gòu)的測定方法也是一位名為桑格的科學(xué)家發(fā)明的，是否為同一人？是的，就是英國劍橋大學(xué)科學(xué)家桑格，他本人因發(fā)明蛋白質(zhì)和核酸測序方法，分別于1958 年和1980 年2 次獲得諾貝爾化學(xué)獎，波特作為桑格的第1 位博士生基于蛋白質(zhì)測序研究抗體結(jié)構(gòu)，于1972 年獲得諾貝爾獎。米爾斯騰作為桑格的第2 位博士生因單克隆抗體的制備技術(shù)，于1984 年獲得諾貝爾獎。布萊克本是桑格的博士生，因端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)，于2009 年獲得諾貝爾獎。桑格及其學(xué)生的科研成就概述見圖2。在40 年的科研生涯中，桑格作出的科研成果及貢獻在科學(xué)史上都實屬罕見。這樣一位偉大的科學(xué)家，被稱為“20世紀(jì)英國科學(xué)界真正的英雄”，也被稱為“基因組之父”[6]，其一定具有執(zhí)著的研究精神。胰島素的測序工作歷經(jīng)12 年，且實驗室位于地下室，然而他本人認為，這段工作時間是最愉快的年華[7]。這樣一位功勛卓著的科學(xué)家有著高尚的人格魅力，面對榮譽的平和心態(tài)，放棄行政職務(wù)，拒絕“封爵”，與實驗室同事合作很好，關(guān)系融洽，而桑格本人卻稱自己是在實驗室“亂折騰”的家伙。

圖2 桑格及其學(xué)生的科研成就

每一項諾貝爾獎都能影響著該學(xué)科的發(fā)展，改變著人們的生活，偉大成就獲得者的人格魅力會感染著每一位青年學(xué)子。在諾貝爾獎案例教學(xué)中，教師拓展專業(yè)知識，挖掘科學(xué)知識形成過程的背景資料，學(xué)生會認識到科學(xué)研究不是一蹴而就，需要知識的累積、方法的創(chuàng)新、思維的飛躍及高尚的人格等多重因素。

3 教學(xué)效果與體會

教學(xué)方法是實現(xiàn)知識傳遞、能力培養(yǎng)及價值觀樹立等不同層次教學(xué)目標(biāo)的有效措施保證。多種教學(xué)方法，例如，PBL 和CBL 應(yīng)用于核酸結(jié)構(gòu)教學(xué)中，突出核酸結(jié)構(gòu)的教學(xué)重點，化解核酸結(jié)構(gòu)與功能的教學(xué)難點，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)中，筆者使用“投票”“投稿”“提問”“互評”“回復(fù)”及“彈幕”等課堂互動方式，“核酸教學(xué)課堂滿意度調(diào)查問卷”和“網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的課堂活躍度評價”數(shù)據(jù)表明，“投票”“彈幕”和“互評”環(huán)節(jié)中，課堂參與率能達到學(xué)生人均1 次及以上（圖3）。

圖3 不同課堂參與方式下學(xué)生課堂參與率分析

“核酸結(jié)構(gòu)”是《生物化學(xué)》課程中關(guān)于核酸教學(xué)內(nèi)容的重點與難點。筆者通過梳理核酸結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的諾貝爾獎，篩選課程內(nèi)容緊密相關(guān)的諾貝爾獎案例并應(yīng)用于教學(xué)。教學(xué)實踐表明，諾貝爾獎案例不僅有助于解決核酸結(jié)構(gòu)知識點的教學(xué)難點，而且學(xué)生在理論知識學(xué)習(xí)的同時，接觸了科學(xué)人文素質(zhì)教育的良好素材，更是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度與價值觀的重要途徑。教師的教學(xué)目標(biāo)不能過度集中于知識傳遞，還要追求更高教學(xué)層次的教學(xué)目標(biāo)、能力培養(yǎng)及價值觀樹立。

在教學(xué)中，教師不僅是課堂知識的傳授者，更是學(xué)生價值觀的引領(lǐng)者。教師結(jié)合課程內(nèi)容發(fā)掘諾貝爾獎案例，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和價值觀，體現(xiàn)了專業(yè)課程教師教書育人的獨特魅力。