經(jīng)典實(shí)驗(yàn)分析在分子生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

李向勇

摘 要： 分子生物學(xué)中很多新的理論與新的發(fā)現(xiàn)都是通過(guò)非常經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證的。在針對(duì)本科生的分子生物學(xué)的教學(xué)中，通過(guò)對(duì)這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的分析，可以有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)拓學(xué)生創(chuàng)新思維，幫助學(xué)生了解分子生物學(xué)學(xué)科的實(shí)質(zhì)。本文通過(guò)教學(xué)實(shí)例，從四方面闡述了經(jīng)典實(shí)驗(yàn)分析在分子生物學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的作用。

關(guān)鍵詞： 分子生物學(xué) 經(jīng)典實(shí)驗(yàn) 教學(xué)應(yīng)用

現(xiàn)代分子生物學(xué)在60余年的發(fā)展歷程中，許多已被公認(rèn)的理論與機(jī)制是通過(guò)一些非常著名的經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)或驗(yàn)證的。比如證明DNA是遺傳物質(zhì)的肺炎鏈球菌感染實(shí)驗(yàn)、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)；又如DNA半保留復(fù)制機(jī)制的驗(yàn)證及岡崎片段的發(fā)現(xiàn)等[1]。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精巧、論述嚴(yán)密，其中有的研究方法現(xiàn)在仍然在分子生物學(xué)的研究中使用。通過(guò)對(duì)這些經(jīng)典工作的分析與回顧，可以為科研工作者提供解決問(wèn)題思路提供幫助，也可以幫助本科及研究生在專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中了解研究方法，提高對(duì)相關(guān)理論的掌握程度。在實(shí)際教學(xué)中，許多教師以對(duì)研究實(shí)例的分析作為課堂教學(xué)的手段[2][3]。

但也有一些實(shí)驗(yàn)并不像前述的那些例子那么眾所周知，特別是一些學(xué)科跨越較大、研究思路或方法已很少應(yīng)用在現(xiàn)在的科研實(shí)踐中、非主要的理論成果等的理論證明過(guò)程中。這些結(jié)論在多數(shù)分子生物學(xué)的教科書(shū)中一般都是一句帶過(guò)或者根本不提及其研究的過(guò)程。但如果仔細(xì)分析這樣的一些研究論文，則仍然可以從不同角度幫助相關(guān)學(xué)科學(xué)習(xí)人員對(duì)該研究點(diǎn)的理解與掌握。

本文以三個(gè)教學(xué)實(shí)例為主線(xiàn)，探討經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的分析在分子生物學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

1.提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

生物學(xué)科理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，尤其是《分子生物學(xué)》和《生物化學(xué)》，因其研究對(duì)象都是在分子水平上，看不見(jiàn)摸不著，很難形成感性認(rèn)識(shí)。而且這兩個(gè)學(xué)科知識(shí)涵蓋面廣，理論框架繁復(fù)。特別是《分子生物學(xué)》主要講述分子的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制，單純以傳統(tǒng)的課堂講授的方式授課，會(huì)給學(xué)生枯燥無(wú)味的感覺(jué)。另外，《分子生物學(xué)》部分內(nèi)容在初中、高中的生物課程中都或多或少地有所涉及，國(guó)內(nèi)外生物院系的相關(guān)專(zhuān)業(yè)許多專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課如《普通生物學(xué)》、《遺傳學(xué)》等課程也與《分子生物學(xué)》有內(nèi)容重復(fù)的地方[4][5]。這些重復(fù)的內(nèi)容給學(xué)生“復(fù)習(xí)”的感覺(jué)。而單純通過(guò)增加學(xué)習(xí)的深度區(qū)分這些不同的課程的內(nèi)容會(huì)加重?zé)┰甑那榫w。

通過(guò)引入一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)過(guò)程及其結(jié)果分析的內(nèi)容，可以在很大程度上提高學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的興趣，增進(jìn)對(duì)這部分知識(shí)的了解。比如，“DNA是遺傳物質(zhì)”的論點(diǎn)就主要是在幾個(gè)主要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上得到最后的確證的。在“分子生物學(xué)研究歷史”章節(jié)中，從最早的核酸發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，讓學(xué)生了解分子生物學(xué)發(fā)展之初的研究基礎(chǔ)與背景，引導(dǎo)他們通過(guò)討論及問(wèn)答解決“驗(yàn)證什么是遺傳物質(zhì)”這一命題；然后將這一命題的驗(yàn)證過(guò)程中包括肺炎鏈球菌感染實(shí)驗(yàn)、噬菌體感染實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路、原理、討論一一闡述，并與學(xué)生的思路相比較。通過(guò)這種方法，可以有效地把純粹的理論學(xué)習(xí)置入該理論產(chǎn)生的時(shí)代，通過(guò)“偵破”式的線(xiàn)索游戲，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

另外，近年來(lái)諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)及化學(xué)獎(jiǎng)許多獎(jiǎng)項(xiàng)都授予了與分子生物學(xué)相關(guān)的一些工作，如2012年山中伸彌的多能干細(xì)胞的誘導(dǎo)等；通過(guò)介紹這些工作，既可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可以把國(guó)際上的研究熱點(diǎn)與分子生物學(xué)的發(fā)展方向介紹給他們[6]，[7]。

2.啟發(fā)學(xué)習(xí)過(guò)程中的創(chuàng)新思維

隨著近年來(lái)基礎(chǔ)教育的改革，學(xué)生創(chuàng)新思維不斷得到發(fā)展，但應(yīng)試的壓力迫使中學(xué)階段的教育在大多數(shù)的中學(xué)課堂遵循著以往的課堂講授的方式，學(xué)生也更適應(yīng)“老師講，學(xué)生記”的灌輸式的教育方式。如何在本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)中進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)。

《分子生物學(xué)》本身是尚不完善的專(zhuān)業(yè)學(xué)科，新的知識(shí)新的發(fā)現(xiàn)和新的研究方法層出不窮。如小RNA的研究是近些年來(lái)分子生物學(xué)的研究熱點(diǎn)[8]。小RNA的干擾作用的研究歷史以故事的形式講述，繼而采用啟發(fā)的方式引導(dǎo)學(xué)生討論這一作用在研究中的應(yīng)用[9]。通過(guò)這一啟發(fā)過(guò)程，學(xué)生會(huì)充分了解在現(xiàn)代生物學(xué)研究中理論與技術(shù)的相互促進(jìn)發(fā)展，鼓勵(lì)他們對(duì)已有的知識(shí)充分思考，建立基礎(chǔ)研究與社會(huì)應(yīng)用間的聯(lián)系，提高創(chuàng)新思維的主動(dòng)性。

3.綜合不同學(xué)科知識(shí)，開(kāi)啟學(xué)生進(jìn)入科研殿堂之門(mén)

現(xiàn)代分子生物學(xué)在研究過(guò)程中綜合了生物化學(xué)、遺傳學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等不同學(xué)科的技術(shù)與方法，目前的生物學(xué)研究也需要具備多學(xué)科知識(shí)的復(fù)合型人才。但限于實(shí)驗(yàn)條件與各學(xué)校的特點(diǎn)，大部分的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，尤其在多數(shù)地方性院校，幾乎不可能具備條件讓學(xué)生接觸所有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，比如分子生物學(xué)最基本的放射性標(biāo)記、分子雜交等。讓學(xué)生知道這些技術(shù)、了解這些技術(shù)的原理與應(yīng)用范圍，對(duì)發(fā)展他們的科研思維具有重要意義。但僅通過(guò)幻燈片、多媒體等形式只能把這些方法的操作過(guò)程或儀器設(shè)備展示給學(xué)生，而不能讓學(xué)生了解這些方法具體能做什么、得到什么樣的結(jié)果、結(jié)果如何分析，等等。在經(jīng)典的一些科研實(shí)例中，卻不乏綜合了多學(xué)科知識(shí)的精妙設(shè)計(jì)，對(duì)這些實(shí)例的分析可以具體地把其中使用的一些方法與技術(shù)的作用、結(jié)果分析等展示出來(lái)。

對(duì)于“mRNA的合成方向是5—3”這一過(guò)程的證明，早期發(fā)表的文獻(xiàn)中便使用了多種不同的方法[10][11]。包括同位素標(biāo)記、細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)繪制、RNA的提取與純化、RNA的濃度測(cè)定、RNA的堿水解等多種微生物學(xué)、生物化學(xué)的方法經(jīng)過(guò)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)路線(xiàn)被串聯(lián)起來(lái)，簡(jiǎn)單的方法卻得到了可信的重要結(jié)論[11]。通過(guò)分析，學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)研究過(guò)程中結(jié)果討論的嚴(yán)密性，認(rèn)識(shí)到今天的許多成果與結(jié)論得來(lái)不易，改變他們“眼高手低”的惰性思想；另外，使他們認(rèn)識(shí)到拓寬知識(shí)面在生活、工作中的必要性。

4.提高學(xué)生的檢索能力和邏輯思維能力

學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力是他們走上社會(huì)后應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的有力武器，對(duì)自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)要貫穿于整個(gè)教學(xué)工作過(guò)程。在教學(xué)實(shí)踐中，一些細(xì)心的學(xué)生提出的一些有意義的問(wèn)題，引導(dǎo)他們利用網(wǎng)絡(luò)和圖書(shū)館資源，通過(guò)檢索相關(guān)文獻(xiàn)，得出問(wèn)題的答案；最后與老師的結(jié)果對(duì)比印證。這種方法在提高學(xué)生自學(xué)能力的同時(shí)，提高了他們文獻(xiàn)檢索的專(zhuān)業(yè)技能，為他們未來(lái)的工作提供了一種新的工作方法。

仍以“mRNA的合成方向是5—3”這一問(wèn)題為例。有學(xué)生在學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)錄一章的內(nèi)容后，想了解這一結(jié)論是通過(guò)什么方法獲得的。但多個(gè)版本的《分子生物學(xué)》教學(xué)參考書(shū)中并沒(méi)有提及這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)一些中文搜索引擎，也只能得到一些對(duì)這個(gè)問(wèn)題并不確切的回答，只能查閱到在證明這個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中利用C14標(biāo)記U。學(xué)生提出問(wèn)題：起始和終止都有U，沒(méi)辦法證明轉(zhuǎn)錄的過(guò)程就是從5到3?。?/p>

這個(gè)問(wèn)題被作為課后作業(yè)布置給全班同學(xué)。在這個(gè)作業(yè)中，附帶提醒學(xué)生注意這一問(wèn)題作為研究熱點(diǎn)所處的時(shí)間段，然后針對(duì)這個(gè)時(shí)間段通過(guò)學(xué)術(shù)檢索系統(tǒng)檢索最權(quán)威的文獻(xiàn)。結(jié)果學(xué)生通過(guò)谷歌的學(xué)術(shù)搜索搜到了1960年代發(fā)表的兩篇最相關(guān)的文獻(xiàn)[11]。討論后經(jīng)過(guò)綜合，這一驗(yàn)證過(guò)程可以描述如下：大腸桿菌在耗光培養(yǎng)基中所有的U后，0℃培養(yǎng)以放慢其mRNA合成的速度；加入放射性標(biāo)記的U，在不同的時(shí)間點(diǎn)取細(xì)菌提取RNA，測(cè)定放射性摻入RNA的速度；用堿水解的方法從3末端水解mRNA，最后檢測(cè)水解后的單核苷酸及RNA的放射性。如果轉(zhuǎn)錄是從3向5方向的，那么單核苷酸中的放射性與RNA中放射性的比值會(huì)隨著細(xì)菌培養(yǎng)時(shí)間的增加而減小；如果轉(zhuǎn)錄是從5向3方向，則這個(gè)比值會(huì)隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而增加。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明轉(zhuǎn)錄的方向是從5向3的。

通過(guò)這個(gè)作業(yè)，學(xué)生了解了專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)檢索中的一些方法，同時(shí)對(duì)前人工作中的邏輯推理過(guò)程也有了一定了解。另外，這個(gè)過(guò)程還幫助學(xué)生回顧了微生物培養(yǎng)中的生長(zhǎng)曲線(xiàn)、RNA的生物化學(xué)性質(zhì)等其他相關(guān)學(xué)科的知識(shí)。

總之，在《分子生物學(xué)》的教學(xué)過(guò)程中，充分利用經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的分析，可以在多方面強(qiáng)化教學(xué)效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握分子生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與技能的能力。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程要求任課教師充分了解學(xué)科發(fā)展歷史和前沿，也需要系統(tǒng)的教學(xué)參考書(shū)籍、教學(xué)方案及媒體的支持。這需要一線(xiàn)教學(xué)工作者付出巨大努力，結(jié)合自己的科研，建立適合分子生物學(xué)這一重要的專(zhuān)業(yè)課程自身特點(diǎn)的教學(xué)方法，為國(guó)家與社會(huì)的發(fā)展培養(yǎng)更優(yōu)秀的人才。

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基金資助：德州學(xué)院資產(chǎn)處實(shí)驗(yàn)技術(shù)立項(xiàng)409990。