经典实验分析在分子生物学教学中的应用

李向勇

摘 要： 分子生物学中很多新的理论与新的发现都是通过非常经典的实验得以验证的。在针对本科生的分子生物学的教学中，通过对这些经典实验的分析，可以有效提高学生学习兴趣，开拓学生创新思维，帮助学生了解分子生物学学科的实质。本文通过教学实例，从四方面阐述了经典实验分析在分子生物学教学实践中的作用。

关键词： 分子生物学 经典实验 教学应用

现代分子生物学在60余年的发展历程中，许多已被公认的理论与机制是通过一些非常著名的经典的实验发现或验证的。比如证明DNA是遗传物质的肺炎链球菌感染实验、噬菌体感染实验；又如DNA半保留复制机制的验证及冈崎片段的发现等[1]。这些实验设计精巧、论述严密，其中有的研究方法现在仍然在分子生物学的研究中使用。通过对这些经典工作的分析与回顾，可以为科研工作者提供解决问题思路提供帮助，也可以帮助本科及研究生在专业学习中了解研究方法，提高对相关理论的掌握程度。在实际教学中，许多教师以对研究实例的分析作为课堂教学的手段[2][3]。

但也有一些实验并不像前述的那些例子那么众所周知，特别是一些学科跨越较大、研究思路或方法已很少应用在现在的科研实践中、非主要的理论成果等的理论证明过程中。这些结论在多数分子生物学的教科书中一般都是一句带过或者根本不提及其研究的过程。但如果仔细分析这样的一些研究论文，则仍然可以从不同角度帮助相关学科学习人员对该研究点的理解与掌握。

本文以三个教学实例为主线，探讨经典实验的分析在分子生物学课堂教学中的应用。

1.提高学生学习的兴趣

生物学科理论知识的学习，尤其是《分子生物学》和《生物化学》，因其研究对象都是在分子水平上，看不见摸不着，很难形成感性认识。而且这两个学科知识涵盖面广，理论框架繁复。特别是《分子生物学》主要讲述分子的结构与作用机制，单纯以传统的课堂讲授的方式授课，会给学生枯燥无味的感觉。另外，《分子生物学》部分内容在初中、高中的生物课程中都或多或少地有所涉及，国内外生物院系的相关专业许多专业基础课如《普通生物学》、《遗传学》等课程也与《分子生物学》有内容重复的地方[4][5]。这些重复的内容给学生“复习”的感觉。而单纯通过增加学习的深度区分这些不同的课程的内容会加重烦躁的情绪。

通过引入一些经典实验过程及其结果分析的内容，可以在很大程度上提高学生对相关领域的兴趣，增进对这部分知识的了解。比如，“DNA是遗传物质”的论点就主要是在几个主要的实验基础上得到最后的确证的。在“分子生物学研究历史”章节中，从最早的核酸发现开始，让学生了解分子生物学发展之初的研究基础与背景，引导他们通过讨论及问答解决“验证什么是遗传物质”这一命题；然后将这一命题的验证过程中包括肺炎链球菌感染实验、噬菌体感染实验等几个重要的实验设计思路、原理、讨论一一阐述，并与学生的思路相比较。通过这种方法，可以有效地把纯粹的理论学习置入该理论产生的时代，通过“侦破”式的线索游戏，提高学生的学习兴趣。

另外，近年来诺贝尔生理与医学奖及化学奖许多奖项都授予了与分子生物学相关的一些工作，如2012年山中伸弥的多能干细胞的诱导等；通过介绍这些工作，既可以提高学生的学习兴趣，又可以把国际上的研究热点与分子生物学的发展方向介绍给他们[6]，[7]。

2.启发学习过程中的创新思维

随着近年来基础教育的改革，学生创新思维不断得到发展，但应试的压力迫使中学阶段的教育在大多数的中学课堂遵循着以往的课堂讲授的方式，学生也更适应“老师讲，学生记”的灌输式的教育方式。如何在本科专业教学中进一步启发学生的创新思维是一项长期任务。

《分子生物学》本身是尚不完善的专业学科，新的知识新的发现和新的研究方法层出不穷。如小RNA的研究是近些年来分子生物学的研究热点[8]。小RNA的干扰作用的研究历史以故事的形式讲述，继而采用启发的方式引导学生讨论这一作用在研究中的应用[9]。通过这一启发过程，学生会充分了解在现代生物学研究中理论与技术的相互促进发展，鼓励他们对已有的知识充分思考，建立基础研究与社会应用间的联系，提高创新思维的主动性。

3.综合不同学科知识，开启学生进入科研殿堂之门

现代分子生物学在研究过程中综合了生物化学、遗传学、物理学、计算机科学等不同学科的技术与方法，目前的生物学研究也需要具备多学科知识的复合型人才。但限于实验条件与各学校的特点，大部分的教学实验室，尤其在多数地方性院校，几乎不可能具备条件让学生接触所有相关的实验过程，比如分子生物学最基本的放射性标记、分子杂交等。让学生知道这些技术、了解这些技术的原理与应用范围，对发展他们的科研思维具有重要意义。但仅通过幻灯片、多媒体等形式只能把这些方法的操作过程或仪器设备展示给学生，而不能让学生了解这些方法具体能做什么、得到什么样的结果、结果如何分析，等等。在经典的一些科研实例中，却不乏综合了多学科知识的精妙设计，对这些实例的分析可以具体地把其中使用的一些方法与技术的作用、结果分析等展示出来。

对于“mRNA的合成方向是5—3”这一过程的证明，早期发表的文献中便使用了多种不同的方法[10][11]。包括同位素标记、细菌生长曲线绘制、RNA的提取与纯化、RNA的浓度测定、RNA的碱水解等多种微生物学、生物化学的方法经过两个实验路线被串联起来，简单的方法却得到了可信的重要结论[11]。通过分析，学生认识到科学研究过程中结果讨论的严密性，认识到今天的许多成果与结论得来不易，改变他们“眼高手低”的惰性思想；另外，使他们认识到拓宽知识面在生活、工作中的必要性。

4.提高学生的检索能力和逻辑思维能力

学生自主学习的能力是他们走上社会后应对复杂环境的有力武器，对自主学习能力的培养要贯穿于整个教学工作过程。在教学实践中，一些细心的学生提出的一些有意义的问题，引导他们利用网络和图书馆资源，通过检索相关文献，得出问题的答案；最后与老师的结果对比印证。这种方法在提高学生自学能力的同时，提高了他们文献检索的专业技能，为他们未来的工作提供了一种新的工作方法。

仍以“mRNA的合成方向是5—3”这一问题为例。有学生在学习转录一章的内容后，想了解这一结论是通过什么方法获得的。但多个版本的《分子生物学》教学参考书中并没有提及这个问题。通过一些中文搜索引擎，也只能得到一些对这个问题并不确切的回答，只能查阅到在证明这个问题的过程中利用C14标记U。学生提出问题：起始和终止都有U，没办法证明转录的过程就是从5到3啊？

这个问题被作为课后作业布置给全班同学。在这个作业中，附带提醒学生注意这一问题作为研究热点所处的时间段，然后针对这个时间段通过学术检索系统检索最权威的文献。结果学生通过谷歌的学术搜索搜到了1960年代发表的两篇最相关的文献[11]。讨论后经过综合，这一验证过程可以描述如下：大肠杆菌在耗光培养基中所有的U后，0℃培养以放慢其mRNA合成的速度；加入放射性标记的U，在不同的时间点取细菌提取RNA，测定放射性掺入RNA的速度；用碱水解的方法从3末端水解mRNA，最后检测水解后的单核苷酸及RNA的放射性。如果转录是从3向5方向的，那么单核苷酸中的放射性与RNA中放射性的比值会随着细菌培养时间的增加而减小；如果转录是从5向3方向，则这个比值会随着培养时间的增加而增加。实验的结果证明转录的方向是从5向3的。

通过这个作业，学生了解了专业文献检索中的一些方法，同时对前人工作中的逻辑推理过程也有了一定了解。另外，这个过程还帮助学生回顾了微生物培养中的生长曲线、RNA的生物化学性质等其他相关学科的知识。

总之，在《分子生物学》的教学过程中，充分利用经典实验的分析，可以在多方面强化教学效果，提高学生学习与掌握分子生物学基础知识与技能的能力。当然，这个过程要求任课教师充分了解学科发展历史和前沿，也需要系统的教学参考书籍、教学方案及媒体的支持。这需要一线教学工作者付出巨大努力，结合自己的科研，建立适合分子生物学这一重要的专业课程自身特点的教学方法，为国家与社会的发展培养更优秀的人才。

参考文献：

[1]Weaver.R.F著.郑用琏译.分子生物学[M].科学出版社，2010.

[2]蒋桂林.生物教学中的策略教育[J].生物学杂志，1999，16，（3）：36-36.

[3]李科友，朱海兰.创新理念，培养能力[J].微生物学通报，2011，38，（2）：250-255.

[4]梁顺祥，何涛，李淑娟，等.农林院校《遗传学》与相关课程间教学内容的重复及解决途径[J].遗传，2011，33（9）：1023-1026.

[5]王子健，张超，刘群红.生物化学和分子生物学课程整合的教学探索[J].基础医学教育，2011，13（12）：1061-1063.

[6]张凯，邱念伟.与分子生物学有关的诺贝尔奖简介[J].生物学通报，2012，47（8）：59-62.

[7]王长林，陈岩，魏力军.诺贝尔生理学或医学奖在“普通生物学”教学中的应用[J].微生物学通报，2013，40（011）：2123-2127.

[8]王云，罗勋，刘天骄，等.小RNA的生成机制与功能[J].生物学杂志，2011，28（2）：58-61.

[9]谢兆辉.小RNAs作用机制的研究进展[J].遗传，2009，31（12）：1205-1213.

[10]Maitra U，Hurwitz H.The role of DNA in RNA synthesis，IX.Nucleoside triphosphate termini in RNA polymerase products[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1965，54（3）：815.

[11]Goldstein A，Kirschbaum J B，Roman A.Direction of synthesis of messenger RNA in cells of Escherichia coli[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1965，54（6）：1669.

基金资助：德州学院资产处实验技术立项409990。