諾貝爾獎案例教學法在“核酸結構”教學中的應用與實踐*

劉洪艷 （天津科技大學海洋與環(huán)境學院 天津 300457）

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

1 “核酸結構”教學中的諾貝爾獎案例

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，許多關于核酸的研究都具有里程碑意義，推動生物學及自然科學的迅速發(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?！昂怂峤Y構”教學中的具體諾貝爾獎案例見表1。

表1 應用于核酸教學中的諾貝爾獎案例

德國科學家科塞爾水解核酸，得到了組成核酸的基本成分，因闡明核酸的化學成分，探明生命的起源及遺傳奧秘提供細胞化學基礎，于1910 年獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。英國科學家托德研究發(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。關于核酸的分子組成的重大研究發(fā)現(xiàn)，為DNA 分子結構的提出指明了方向，于1957 年獲諾貝爾化學獎。美國科學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 年獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎?？茖W家沃森、克里克及威爾金斯提出了DNA 的雙螺旋結構模型，于1962 年獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。美國科學家霍利測定了轉運RNA 的核苷酸序列，并解析其化學結構，與解讀了遺傳密碼及其在蛋白質合成方面機能科學家科拉納和尼倫伯格，于1968 年共獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。核酸一級結構的揭示是核酸功能研究的基礎，DNA 測序方法是現(xiàn)代分子生物學發(fā)展的技術保障。英國科學家桑格因發(fā)明DNA 序列的測定方法，于1980 年獲諾貝爾化學獎。美國科學家奧爾特曼和切赫發(fā)現(xiàn)了RNA 的自催化作用，于1989 年獲諾貝爾化學獎。美國科學家羅伯茨和夏普發(fā)現(xiàn)基因在DNA 上的排列由一些不相關的片段隔開，是不連續(xù)的，于1993 年獲諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。美國科學家穆利斯發(fā)明了聚合酶鏈式反應（PCR）的方法和加拿大科學家史密斯建立了一種寡聚核苷酸定點突變的方法，于1993 年獲諾貝爾化學獎。美國科學家科恩伯格揭示了真核生物體內的細胞如何利用基因內存儲的信息生產蛋白質，于2006 年獲諾貝爾化學獎。瑞典科學家林達爾、美國科學家莫德里奇和土耳其科學家桑賈爾因DNA 修復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，關于核酸結構的認識一直是研究的熱點。由此分析，核酸結構的教學內容是構建生物分子結構與功能關系的典型教學案例。

2 諾貝爾獎案例的教學應用

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

在核酸結構教學中，核酸結構知識點的理解是重點，而如何理解核酸結構對于揭示生命本質過程的推動作用是教學難點。例如，圍繞DNA 雙螺旋結構。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α-螺旋結構的啟發(fā)，學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見圖1。再從DNA 雙螺旋模型結構要點到生物學意義等方面展開教學。自從證明核酸是遺傳物質后，研究者急切地想揭示核酸的結構。DNA 雙螺旋結構模型的提出，說明核酸結構、信息和功能三者之間的關系?；?962 年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎案例，即科學家沃森和克里克根據(jù)DNA 的堿基配對原則及威爾金斯DNA 結構衍射圖，提出DNA 的雙螺旋結構模型。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生了飛躍，被稱為是20 世紀生物學最偉大的發(fā)現(xiàn)。通過諾貝爾獎案例的教學應用，學生領悟核酸結構的研究對生命現(xiàn)象解釋的重要意義，從而表明，基于案例的學習（case-based learning，CBL）是知識構建的有效途徑[2]。

圖1 提出DNA 雙螺旋結構的基礎與意義

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

教師設計的問題主要是研討式和探究式，目的在于激發(fā)學生的學習思考興趣。例如，“人們是先認識了DNA 一級結構后，才揭示二級結構？”核酸結構的研究中，桑格因發(fā)明DNA 一級結構的測定方法，于1980 年獲得諾貝爾獎。而沃森等提出DNA 雙螺旋結構模型，于1962 年獲得諾貝爾獎。從時間上推算，人們是先認識了DNA 二級結構，再揭示一級結構，這其中的原因是什么？一級結構測定的難點有哪些？再如，DNA 是遺傳物質，決定著蛋白質的種類與狀態(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定著蛋白質的種類，即DNA 中的遺傳信息編碼蛋白質，要解碼遺傳信息，就必須測定DNA 序列[4]。測定核酸一級結構存在極大困難，核酸有4 種堿基組成，無法用蛋白質的重疊推導序列法，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。也正是核酸結構的揭示，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的探索階段。核酸結構教學中的問題法教學設計概述見表2。

表2 基于問題教學法的教學設計

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

基于諾貝爾獎案例的教學過程，學生體會到諾貝爾獎研究成果在生命本質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)學習的興趣[5]。

2.3 樹立價值觀 諾貝爾獎案例教學內容不僅是挖掘專業(yè)知識的依據(jù)背景，更能通過科學家的故事提供素質教育的教學素材。核酸一級結構的測定方法是由英國科學家桑格發(fā)明的。細心的學生就會產生疑問，蛋白質學習中一級結構的測定方法也是一位名為桑格的科學家發(fā)明的，是否為同一人？是的，就是英國劍橋大學科學家桑格，他本人因發(fā)明蛋白質和核酸測序方法，分別于1958 年和1980 年2 次獲得諾貝爾化學獎，波特作為桑格的第1 位博士生基于蛋白質測序研究抗體結構，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，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史上都實屬罕見。這樣一位偉大的科學家，被稱為“20世紀英國科學界真正的英雄”，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，拒絕“封爵”，與實驗室同事合作很好，關系融洽，而桑格本人卻稱自己是在實驗室“亂折騰”的家伙。

圖2 桑格及其學生的科研成就

每一項諾貝爾獎都能影響著該學科的發(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子。在諾貝爾獎案例教學中，教師拓展專業(yè)知識，挖掘科學知識形成過程的背景資料，學生會認識到科學研究不是一蹴而就，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 教學效果與體會

教學方法是實現(xiàn)知識傳遞、能力培養(yǎng)及價值觀樹立等不同層次教學目標的有效措施保證。多種教學方法，例如，PBL 和CBL 應用于核酸結構教學中，突出核酸結構的教學重點，化解核酸結構與功能的教學難點，實現(xiàn)教學目標。教學中，筆者使用“投票”“投稿”“提問”“互評”“回復”及“彈幕”等課堂互動方式，“核酸教學課堂滿意度調查問卷”和“網(wǎng)絡教學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生人均1 次及以上（圖3）。

圖3 不同課堂參與方式下學生課堂參與率分析

“核酸結構”是《生物化學》課程中關于核酸教學內容的重點與難點。筆者通過梳理核酸結構研究領域的諾貝爾獎，篩選課程內容緊密相關的諾貝爾獎案例并應用于教學。教學實踐表明，諾貝爾獎案例不僅有助于解決核酸結構知識點的教學難點，而且學生在理論知識學習的同時，接觸了科學人文素質教育的良好素材，更是培養(yǎng)學生學習態(tài)度與價值觀的重要途徑。教師的教學目標不能過度集中于知識傳遞，還要追求更高教學層次的教學目標、能力培養(yǎng)及價值觀樹立。

在教學中，教師不僅是課堂知識的傳授者，更是學生價值觀的引領者。教師結合課程內容發(fā)掘諾貝爾獎案例，培養(yǎng)學生學習態(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。