諾貝爾獎(jiǎng)成果案例在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)基礎(chǔ)課“分子與細(xì)胞”中的教學(xué)實(shí)踐

姜 暉, 李 艷

(東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 南京 210096)

分子生物學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)這兩個(gè)方向課程的特點(diǎn)是知識(shí)體系復(fù)雜,呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀分布,這對(duì)理工科學(xué)生是個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外,有限的課內(nèi)學(xué)時(shí)加劇了這一挑戰(zhàn)。學(xué)生傾向于死記硬背式學(xué)習(xí),這嚴(yán)重阻礙對(duì)分子與細(xì)胞體系的深度理解。

因此,筆者開(kāi)始思考一種教學(xué)模式上的探索。將生命科學(xué)的海量知識(shí)記憶性學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變成一種可尋跡的主干線索式學(xué)習(xí),構(gòu)建本專業(yè)學(xué)生生命科學(xué)知識(shí)和能力的框架體系。近幾十年來(lái),生命科學(xué)研究突飛猛進(jìn),不少亮點(diǎn)工作與人類醫(yī)療進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展息息相關(guān),而歷年來(lái)的諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)成果同時(shí)具備理論深度和常識(shí)廣度,非常適合作為本科生系統(tǒng)理解生命科學(xué)知識(shí)的入門(mén)抓手。此前數(shù)個(gè)實(shí)踐將獲獎(jiǎng)成果用于醫(yī)學(xué)類、生物工程類專業(yè)的生物化學(xué)[1-5]、分子生物學(xué)[6-7]、細(xì)胞生物學(xué)[8]、病理學(xué)[9]和病原學(xué)[10]等本科生基礎(chǔ)課程教學(xué),以及合成生物學(xué)[11]、免疫學(xué)[12]等高階研究生課程,取得了積極的效果。但相關(guān)模式在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的運(yùn)用仍有待探索。

基于此,筆者在2020年和2021年度連續(xù)以諾貝爾獎(jiǎng)成果為牽引,柔性引入課程教學(xué)和課外調(diào)研,激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情,培養(yǎng)學(xué)生的生物醫(yī)學(xué)基本素質(zhì)和理念,取得成效。

1 實(shí)施方案

課程采用經(jīng)典英文教材《Karp分子與細(xì)胞生物學(xué)》(第八版)。書(shū)中第xxi-xxiii頁(yè)給出了自1953年分子生物學(xué)誕生以來(lái),和分子與細(xì)胞生物學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)成果列表,標(biāo)注了這些成果在課本中的章節(jié)分布。一些熱點(diǎn)章節(jié)如“中心法則:DNA-RNA-蛋白質(zhì)”甚至涵蓋了多達(dá)5項(xiàng)成果。雖然涉及的成果資源豐富,但部分成果實(shí)際上涉及了不少后續(xù)章節(jié)甚至后續(xù)課程的知識(shí),在有限課堂時(shí)間內(nèi)并不可能作透徹說(shuō)明。因此,筆者遴選與課程大綱設(shè)定場(chǎng)景的契合度高,與課程重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)對(duì)接密切,且具有鮮明特色的案例。

經(jīng)過(guò)篩選,筆者確定了15個(gè)案例(表1),獲獎(jiǎng)時(shí)間主要在近30年內(nèi),涉及全書(shū)17個(gè)專題章節(jié)中的11個(gè),覆蓋全書(shū)65%的章節(jié)和68%的篇幅,有較強(qiáng)的代表性。一方面,在授課環(huán)節(jié)這些案例可充當(dāng)核心知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容起指引作用;另一方面,將成果詳情分配給學(xué)生閱讀、分析,專門(mén)組織課時(shí)進(jìn)行討論。在約30名學(xué)生的普通小班教學(xué)體系,學(xué)生按兩人一組分工合作研討。討論提綱包括4部分:科學(xué)家的研究背景、核心發(fā)現(xiàn)或發(fā)明的亮點(diǎn)、成果的理論或應(yīng)用價(jià)值、總結(jié)。

表1 遴選諾貝爾獎(jiǎng)成果案例及相應(yīng)章節(jié)分布Table 1 Selected Nobel Prize cases and the corresponding chapter distribution

為開(kāi)展有效討論,筆者建議學(xué)生圍繞獲獎(jiǎng)?wù)咴谑讵?jiǎng)儀式上的報(bào)告展開(kāi)學(xué)習(xí)調(diào)研。這個(gè)建議基于兩方面的考慮。一方面,獲獎(jiǎng)的主題報(bào)告是科學(xué)家對(duì)成果的高度凝練,是全面掌握獲獎(jiǎng)成果精髓的突破口;另一方面,報(bào)告的聽(tīng)眾并非完全的專業(yè)人士,因此,這些報(bào)告一般兼具科普特性,這對(duì)本科生來(lái)說(shuō)屬于“夠得著”的挑戰(zhàn)。此外,在調(diào)研過(guò)程中提醒學(xué)生注意挖掘科學(xué)家獲得成果的心路歷程,以及遇到科學(xué)難題時(shí)的處置方法。匯報(bào)與討論參與度作為平時(shí)成績(jī)的一部分,占比按總評(píng)成績(jī)10%計(jì),調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。

具體實(shí)施流程一般包括4部分,每組話題不超過(guò)20分鐘,以“腫瘤病毒”、“超分辨熒光顯微鏡”成果為例說(shuō)明(表2)。

表2 案例課內(nèi)研討實(shí)施流程Table 2 Procedures for in-class discussion of cases

該教學(xué)設(shè)計(jì)在實(shí)踐中凝練了特色創(chuàng)新。一是內(nèi)容模塊化設(shè)置,構(gòu)筑導(dǎo)入-匯報(bào)-互動(dòng)-總結(jié)的研討單元,可以按需嵌入課中承上啟下(如“腫瘤病毒”案例),或置于課末衍生探索歸納性的作業(yè)(如“超分辨熒光顯微鏡”案例),摒棄了過(guò)去照本宣科、貪多求大的知識(shí)堆積教學(xué)模式;二是小組討論(panel discussion)方法,在匯報(bào)組外設(shè)置同行組(同步調(diào)研但不匯報(bào)),專門(mén)負(fù)責(zé)提出問(wèn)題,匯報(bào)和提問(wèn)參與度均與成績(jī)掛鉤,實(shí)現(xiàn)課堂翻轉(zhuǎn),改變以往討論課易“靜默”的問(wèn)題。

2 實(shí)施特色

學(xué)生在高水平成果線索啟發(fā)下,更能發(fā)揮學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。學(xué)生通過(guò)認(rèn)真的課后調(diào)研,形成極具特色的想法。

(1)結(jié)合時(shí)事,凝練共性問(wèn)題。一組學(xué)生在介紹腫瘤相關(guān)的Rous病毒的案例時(shí),除了具體討論了病毒侵襲宿主細(xì)胞的機(jī)制,還進(jìn)一步提出對(duì)切斷病毒侵襲方式的看法。整個(gè)討論既具有系統(tǒng)的科學(xué)性,又能展現(xiàn)出學(xué)生轉(zhuǎn)化經(jīng)典知識(shí)的功底。

(2)橫向遷移,科學(xué)藝術(shù)交融。一組學(xué)生以“沉默是金”為題來(lái)討論經(jīng)典的RNA干擾案例,不僅深入淺出地將RNA沉默的科學(xué)道理娓娓道來(lái),還自然地融入豐富的藝術(shù)氣息,令人耳目一新。這種表現(xiàn)形式,給聽(tīng)者的印象更為深刻。

(3)不怕嘲諷,勇于應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。在討論“細(xì)胞重編程”成果時(shí),學(xué)生提到獲獎(jiǎng)?wù)呒s翰·戈登曾被嘲諷“不可能成為科學(xué)家”。在20世紀(jì)50年代,他試圖通過(guò)爪蟾的細(xì)胞核移植來(lái)開(kāi)展探索。開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)失敗了,因?yàn)楦緹o(wú)法從爪蟾卵細(xì)胞中移除原始細(xì)胞核。但他沒(méi)有氣餒,多次嘗試后想到用特定波長(zhǎng)的紫外線來(lái)破壞細(xì)胞核,進(jìn)而插入外源體細(xì)胞核。最終,這些移植核的卵細(xì)胞培育出成體爪蟾。學(xué)生匯報(bào)時(shí)評(píng)價(jià),科研就是要執(zhí)著一點(diǎn)。

(4)堅(jiān)持創(chuàng)新,成果不唯諾貝爾獎(jiǎng)。討論蛋白折疊的工作時(shí),有學(xué)生對(duì)案例作適度延伸,提到耶魯大學(xué)研究生Lisa Steiner在獲獎(jiǎng)?wù)咧坝羞^(guò)類似的發(fā)現(xiàn),但沒(méi)有去深入挖掘而與諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂。不過(guò),她堅(jiān)持前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新工作,成為麻省理工學(xué)院生物系的首位女性教授。這個(gè)案例也反映了諾貝爾獎(jiǎng)不是創(chuàng)新成果的唯一標(biāo)準(zhǔn),對(duì)學(xué)生建立正確的個(gè)人榮譽(yù)觀有著積極價(jià)值。

通過(guò)案例的實(shí)施交流,不僅促進(jìn)學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)、增強(qiáng)對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解,還潛移默化地傳播了正能量,培養(yǎng)合作精神。

3 實(shí)施成效

如何打造生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色的專業(yè)基礎(chǔ)課程一直是筆者關(guān)注的核心問(wèn)題。由于分子與細(xì)胞所涉及的課程體系龐大,傳統(tǒng)生命科學(xué)教學(xué)以巨大的課時(shí)量為支撐(一般在128學(xué)時(shí)以上)。本課程只有64學(xué)時(shí),因此在有限課時(shí)內(nèi)要打造凸顯專業(yè)特色的教學(xué)框架,“有所為有所不為”是筆者的必然選擇。

課程的調(diào)研過(guò)程中,筆者與部分同學(xué)進(jìn)行了深度交流。課程結(jié)束后由學(xué)生填寫(xiě)的問(wèn)卷調(diào)查包括3個(gè)必答問(wèn)題,即“案例選擇的匹配度”、“互動(dòng)方式的改進(jìn)度”和“課程學(xué)習(xí)的收獲度”。每個(gè)問(wèn)題按“非常高”“高”“一般”“低”“非常低”分為5檔。另有“對(duì)該方案的意見(jiàn)、建議”的可選問(wèn)題。學(xué)生總體評(píng)價(jià)正面,90%的學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)收獲度評(píng)價(jià)為“高”及“非常高”(圖1)。該課程的學(xué)生匿名評(píng)教成績(jī)也位居年級(jí)排名前20%,收到了良好的效果。在研討組織形式、重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的掌握、研討與授課融合方面,筆者也收到學(xué)生的積極反饋,這有助于對(duì)該實(shí)踐作總結(jié)改進(jìn)。此外,課程平行班的任課教師旁聽(tīng)研討后給予積極評(píng)價(jià),認(rèn)為“該實(shí)踐方案以經(jīng)典生命科學(xué)發(fā)現(xiàn)為線索,實(shí)施計(jì)劃設(shè)計(jì)嚴(yán)密,學(xué)生準(zhǔn)備充分、互動(dòng)性強(qiáng),產(chǎn)生了顯著教學(xué)成效”?；诒菊n程收獲的梳理、分析和解決問(wèn)題能力,教學(xué)班學(xué)生在國(guó)際基因工程機(jī)器大賽(iGEM)、全國(guó)大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等國(guó)內(nèi)外大型賽事中獲獎(jiǎng)。

圖1 問(wèn)卷調(diào)查的學(xué)生評(píng)價(jià)分布情況Figure 1 Distribution of students’ evaluation in the questionnaire survey

4 總結(jié)

該教學(xué)探索能夠?qū)Α胺肿优c細(xì)胞”課程具有正面改進(jìn)的作用。根據(jù)自身實(shí)踐和學(xué)生建議,有如下幾點(diǎn)思考:

第一,方法優(yōu)化。如何在有限學(xué)時(shí)下采用最適合的課程教學(xué)方法仍是永恒的課題。雖然研討式教學(xué)可以改變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的局面,但在顛覆傳統(tǒng)漫灌式教學(xué)的同時(shí)能否夯實(shí)知識(shí)基礎(chǔ)值得深思。本文案例材料即以研討方式實(shí)施,以期實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)代面的效果。研討既需要適度“頭腦風(fēng)暴”,又要防止嚴(yán)重偏離主題。同時(shí),建立更科學(xué)的研討評(píng)價(jià)機(jī)制也勢(shì)在必行。

第二,觀點(diǎn)更新。諾貝爾獎(jiǎng)成果固然意義重大,但也面臨信息高速迭代帶來(lái)的沖擊。近年來(lái)科學(xué)研究不斷推陳出新,教科書(shū)上被否定、被顛覆的經(jīng)典案例層出不窮。筆者通常教育學(xué)生去獨(dú)立思考,不迷信權(quán)威觀點(diǎn)。同樣,在遴選案例時(shí),也特別提醒學(xué)生去辯證看待獲獎(jiǎng)成果的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。

第三,思政融合。很多諾貝爾獎(jiǎng)成果的背后蘊(yùn)含著科學(xué)家默默付出的艱辛和堅(jiān)持不懈的努力,是不可多得的思政素材。而在思政全覆蓋下的課程體系中如何將思政元素與教改案例融合,做到流暢自然、潤(rùn)物無(wú)聲,仍需要教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揣摩。

第四,視野提升。課程體系是一個(gè)系統(tǒng)工程,作為專業(yè)類基礎(chǔ)課程,開(kāi)展本課程的下游課程回溯研究非常必要。下游課程需要什么樣的知識(shí)基礎(chǔ),從這樣的訴求中汲取本課程的目標(biāo),進(jìn)一步明確本課程的教學(xué)大綱,做到有的放矢,有所取舍。