諾貝爾獎成果案例在生物醫學工程專業基礎課“分子與細胞”中的教學實踐

姜 暉, 李 艷

(東南大學生物科學與醫學工程學院, 南京 210096)

分子生物學與細胞生物學這兩個方向課程的特點是知識體系復雜,呈現網絡狀分布,這對理工科學生是個嚴峻的挑戰。此外,有限的課內學時加劇了這一挑戰。學生傾向于死記硬背式學習,這嚴重阻礙對分子與細胞體系的深度理解。

因此,筆者開始思考一種教學模式上的探索。將生命科學的海量知識記憶性學習方式轉變成一種可尋跡的主干線索式學習,構建本專業學生生命科學知識和能力的框架體系。近幾十年來,生命科學研究突飛猛進,不少亮點工作與人類醫療進步、社會發展息息相關,而歷年來的諾貝爾獎獲獎成果同時具備理論深度和常識廣度,非常適合作為本科生系統理解生命科學知識的入門抓手。此前數個實踐將獲獎成果用于醫學類、生物工程類專業的生物化學[1-5]、分子生物學[6-7]、細胞生物學[8]、病理學[9]和病原學[10]等本科生基礎課程教學,以及合成生物學[11]、免疫學[12]等高階研究生課程,取得了積極的效果。但相關模式在生物醫學工程專業的運用仍有待探索。

基于此,筆者在2020年和2021年度連續以諾貝爾獎成果為牽引,柔性引入課程教學和課外調研,激發學生的自主學習熱情,培養學生的生物醫學基本素質和理念,取得成效。

1 實施方案

課程采用經典英文教材《Karp分子與細胞生物學》(第八版)。書中第xxi-xxiii頁給出了自1953年分子生物學誕生以來,和分子與細胞生物學相關的諾貝爾獎成果列表,標注了這些成果在課本中的章節分布。一些熱點章節如“中心法則:DNA-RNA-蛋白質”甚至涵蓋了多達5項成果。雖然涉及的成果資源豐富,但部分成果實際上涉及了不少后續章節甚至后續課程的知識,在有限課堂時間內并不可能作透徹說明。因此,筆者遴選與課程大綱設定場景的契合度高,與課程重點知識點對接密切,且具有鮮明特色的案例。

經過篩選,筆者確定了15個案例(表1),獲獎時間主要在近30年內,涉及全書17個專題章節中的11個,覆蓋全書65%的章節和68%的篇幅,有較強的代表性。一方面,在授課環節這些案例可充當核心知識點內容起指引作用;另一方面,將成果詳情分配給學生閱讀、分析,專門組織課時進行討論。在約30名學生的普通小班教學體系,學生按兩人一組分工合作研討。討論提綱包括4部分:科學家的研究背景、核心發現或發明的亮點、成果的理論或應用價值、總結。

表1 遴選諾貝爾獎成果案例及相應章節分布Table 1 Selected Nobel Prize cases and the corresponding chapter distribution

為開展有效討論,筆者建議學生圍繞獲獎者在授獎儀式上的報告展開學習調研。這個建議基于兩方面的考慮。一方面,獲獎的主題報告是科學家對成果的高度凝練,是全面掌握獲獎成果精髓的突破口;另一方面,報告的聽眾并非完全的專業人士,因此,這些報告一般兼具科普特性,這對本科生來說屬于“夠得著”的挑戰。此外,在調研過程中提醒學生注意挖掘科學家獲得成果的心路歷程,以及遇到科學難題時的處置方法。匯報與討論參與度作為平時成績的一部分,占比按總評成績10%計,調動了學生的積極性。

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

表2 案例課內研討實施流程Table 2 Procedures for in-class discussion of cases

該教學設計在實踐中凝練了特色創新。一是內容模塊化設置,構筑導入-匯報-互動-總結的研討單元,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(如“超分辨熒光顯微鏡”案例),摒棄了過去照本宣科、貪多求大的知識堆積教學模式;二是小組討論(panel discussion)方法,在匯報組外設置同行組(同步調研但不匯報),專門負責提出問題,匯報和提問參與度均與成績掛鉤,實現課堂翻轉,改變以往討論課易“靜默”的問題。

2 實施特色

學生在高水平成果線索啟發下,更能發揮學習的主觀能動性。學生通過認真的課后調研,形成極具特色的想法。

(1)結合時事,凝練共性問題。一組學生在介紹腫瘤相關的Rous病毒的案例時,除了具體討論了病毒侵襲宿主細胞的機制,還進一步提出對切斷病毒侵襲方式的看法。整個討論既具有系統的科學性,又能展現出學生轉化經典知識的功底。

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

(3)不怕嘲諷,勇于應對挑戰。在討論“細胞重編程”成果時,學生提到獲獎者約翰·戈登曾被嘲諷“不可能成為科學家”。在20世紀50年代,他試圖通過爪蟾的細胞核移植來開展探索。開始的實驗失敗了,因為根本無法從爪蟾卵細胞中移除原始細胞核。但他沒有氣餒,多次嘗試后想到用特定波長的紫外線來破壞細胞核,進而插入外源體細胞核。最終,這些移植核的卵細胞培育出成體爪蟾。學生匯報時評價,科研就是要執著一點。

(4)堅持創新,成果不唯諾貝爾獎。討論蛋白折疊的工作時,有學生對案例作適度延伸,提到耶魯大學研究生Lisa Steiner在獲獎者之前有過類似的發現,但沒有去深入挖掘而與諾貝爾獎失之交臂。不過,她堅持前沿領域的創新工作,成為麻省理工學院生物系的首位女性教授。這個案例也反映了諾貝爾獎不是創新成果的唯一標準,對學生建立正確的個人榮譽觀有著積極價值。

通過案例的實施交流,不僅促進學生之間相互學習、增強對科學知識的理解,還潛移默化地傳播了正能量,培養合作精神。

3 實施成效

如何打造生物醫學工程專業特色的專業基礎課程一直是筆者關注的核心問題。由于分子與細胞所涉及的課程體系龐大,傳統生命科學教學以巨大的課時量為支撐(一般在128學時以上)。本課程只有64學時,因此在有限課時內要打造凸顯專業特色的教學框架,“有所為有所不為”是筆者的必然選擇。

課程的調研過程中,筆者與部分同學進行了深度交流。課程結束后由學生填寫的問卷調查包括3個必答問題,即“案例選擇的匹配度”、“互動方式的改進度”和“課程學習的收獲度”。每個問題按“非常高”“高”“一般”“低”“非常低”分為5檔。另有“對該方案的意見、建議”的可選問題。學生總體評價正面,90%的學生對課程學習收獲度評價為“高”及“非常高”(圖1)。該課程的學生匿名評教成績也位居年級排名前20%,收到了良好的效果。在研討組織形式、重點知識點的掌握、研討與授課融合方面,筆者也收到學生的積極反饋,這有助于對該實踐作總結改進。此外,課程平行班的任課教師旁聽研討后給予積極評價,認為“該實踐方案以經典生命科學發現為線索,實施計劃設計嚴密,學生準備充分、互動性強,產生了顯著教學成效”?；诒菊n程收獲的梳理、分析和解決問題能力,教學班學生在國際基因工程機器大賽(iGEM)、全國大學生生物醫學工程創新設計大賽等國內外大型賽事中獲獎。

圖1 問卷調查的學生評價分布情況Figure 1 Distribution of students’ evaluation in the questionnaire survey

4 總結

該教學探索能夠對“分子與細胞”課程具有正面改進的作用。根據自身實踐和學生建議,有如下幾點思考:

第一,方法優化。如何在有限學時下采用最適合的課程教學方法仍是永恒的課題。雖然研討式教學可以改變學生被動學習的局面,但在顛覆傳統漫灌式教學的同時能否夯實知識基礎值得深思。本文案例材料即以研討方式實施,以期實現以點代面的效果。研討既需要適度“頭腦風暴”,又要防止嚴重偏離主題。同時,建立更科學的研討評價機制也勢在必行。

第二,觀點更新。諾貝爾獎成果固然意義重大,但也面臨信息高速迭代帶來的沖擊。近年來科學研究不斷推陳出新,教科書上被否定、被顛覆的經典案例層出不窮。筆者通常教育學生去獨立思考,不迷信權威觀點。同樣,在遴選案例時,也特別提醒學生去辯證看待獲獎成果的學術觀點。

第三,思政融合。很多諾貝爾獎成果的背后蘊含著科學家默默付出的艱辛和堅持不懈的努力,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、潤物無聲,仍需要教師團隊進一步揣摩。

第四,視野提升。課程體系是一個系統工程,作為專業類基礎課程,開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基礎,從這樣的訴求中汲取本課程的目標,進一步明確本課程的教學大綱,做到有的放矢,有所取舍。