诺贝尔奖案例教学法在“核酸结构”教学中的应用与实践*

刘洪艳 （天津科技大学海洋与环境学院 天津 300457）

诺贝尔奖代表科学研究的最高水平，将诺贝尔奖案例应用在教学中，学生能感悟创新型技术方法的无穷力量，有利于培养创新性思维。基于诺贝尔奖的案例教学法能有效地提高学生的学习兴趣和激发学生的科学研究兴趣[1]。《生物化学》课程是在分子水平上研究生命现象本质。核酸是一种生物大分子，核酸教学过程以揭示核酸分子不同层次的结构为基础，遵循“结构—性质—功能”的教学主线。核酸的结构是进一步学习理化性质的前提，是构建核酸结构和功能关系知识体系的教学关键环节。核酸结构教学内容包含不同层次的结构，例如，核酸的基本组成，核酸的一级、二级和三级结构。笔者在核酸结构教学中开展诺贝尔奖案例教学实践，探讨案例教学法在解决教学难点、能力培养及价值观树立等不同层次教学目标中的应用。旨在探索培养学生专业认同感和提高课堂教学质量的教学方法。

1 “核酸结构”教学中的诺贝尔奖案例

从诺贝尔奖分析核酸发展，基于核酸在生物体生命过程中的重要地位，许多关于核酸的研究都具有里程碑意义，推动生物学及自然科学的迅速发展。核酸作为遗传信息的载体，其对生命的重要意义不言而喻。“核酸结构”教学中的具体诺贝尔奖案例见表1。

表1 应用于核酸教学中的诺贝尔奖案例

德国科学家科塞尔水解核酸，得到了组成核酸的基本成分，因阐明核酸的化学成分，探明生命的起源及遗传奥秘提供细胞化学基础，于1910 年获诺贝尔生理学或医学奖。英国科学家托德研究发现核糖核苷酸是由核糖、磷酸、碱基3 部分组成，碱基分为A、U、C、G 4种，而脱氧核糖核苷酸是由脱氧核糖、磷酸和碱基组成，碱基分为A、T、C、G 4 种。关于核酸的分子组成的重大研究发现，为DNA 分子结构的提出指明了方向，于1957 年获诺贝尔化学奖。美国科学家奥乔亚和科恩伯格发现了RNA 和DNA 的生物合成机理，于1959 年获诺贝尔生理学或医学奖。科学家沃森、克里克及威尔金斯提出了DNA 的双螺旋结构模型，于1962 年获诺贝尔生理学或医学奖。美国科学家霍利测定了转运RNA 的核苷酸序列，并解析其化学结构，与解读了遗传密码及其在蛋白质合成方面机能科学家科拉纳和尼伦伯格，于1968 年共获诺贝尔生理学或医学奖。核酸一级结构的揭示是核酸功能研究的基础，DNA 测序方法是现代分子生物学发展的技术保障。英国科学家桑格因发明DNA 序列的测定方法，于1980 年获诺贝尔化学奖。美国科学家奥尔特曼和切赫发现了RNA 的自催化作用，于1989 年获诺贝尔化学奖。美国科学家罗伯茨和夏普发现基因在DNA 上的排列由一些不相关的片段隔开，是不连续的，于1993 年获诺贝尔生理学或医学奖。美国科学家穆利斯发明了聚合酶链式反应（PCR）的方法和加拿大科学家史密斯建立了一种寡聚核苷酸定点突变的方法，于1993 年获诺贝尔化学奖。美国科学家科恩伯格揭示了真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质，于2006 年获诺贝尔化学奖。瑞典科学家林达尔、美国科学家莫德里奇和土耳其科学家桑贾尔因DNA 修复机制和遗传信息保护方面的卓越研究成果，于2015 年获诺贝尔化学奖。诺贝尔奖为什么会钟爱核酸的研究？从核酸的研究历程表明，关于核酸结构的认识一直是研究的热点。由此分析，核酸结构的教学内容是构建生物分子结构与功能关系的典型教学案例。

2 诺贝尔奖案例的教学应用

2.1 解决教学难点 核酸作为一种生物大分子，其不同层次的结构具有各自的特点，需要学生理解结构模型要点。因此，教学过程中，教师的授课精力主要放在如何将抽象的结构直观演示给学生，例如，采用教学视频的模型直观法和幻灯片结合的直观讲解法等。正因为核酸结构特点的教学重点非常突出，核酸结构的生物学意义往往被忽略，较难运用核酸的结构解释某种生命现象。因此，核酸结构的认识是独立的、抽象的。

在核酸结构教学中，核酸结构知识点的理解是重点，而如何理解核酸结构对于揭示生命本质过程的推动作用是教学难点。例如，围绕DNA 双螺旋结构。首先讲授DNA 双螺旋发现的过程。在已有夏格夫法则的碱基组成规律：A+G=T+C 及威尔金斯和富兰克林的X-射线衍射图基础上，知道DNA 分子是双螺旋，2 个碱基的距离是0.34 nm，双螺旋的螺距为3.4 nm；此外，受到蛋白质α-螺旋结构的启发，学生会容易感受到富兰克林距离揭开生命的奥秘只有一步之遥，沃森和克里克提出DNA 双螺旋模型是有理有据，同时又感叹数理知识与生物学知识融合带来的创新理论方法的魅力。DNA 双螺旋模型的形成基础见图1。再从DNA 双螺旋模型结构要点到生物学意义等方面展开教学。自从证明核酸是遗传物质后，研究者急切地想揭示核酸的结构。DNA 双螺旋结构模型的提出，说明核酸结构、信息和功能三者之间的关系。基于1962 年诺贝尔生理学或医学奖案例，即科学家沃森和克里克根据DNA 的碱基配对原则及威尔金斯DNA 结构衍射图，提出DNA 的双螺旋结构模型。双螺旋模型直接表明了遗传信息传递的机制，对生物遗传的理解产生了飞跃，被称为是20 世纪生物学最伟大的发现。通过诺贝尔奖案例的教学应用，学生领悟核酸结构的研究对生命现象解释的重要意义，从而表明，基于案例的学习（case-based learning，CBL）是知识构建的有效途径[2]。

图1 提出DNA 双螺旋结构的基础与意义

2.2 激发学习兴趣 在核酸结构的学习过程中，学生的精力主要集中在如何理解并记忆核酸结构特点，即演变为各种问答题形式，DNA 双螺旋结构模型的要点是什么，tRNA 的三叶草形二级结构的特点与识别位点有哪些，以及DNA 超螺旋的结构参数如何计算等。这些抽象枯燥的结构生物学知识容易导致学生产生厌学情绪。教学实践采用问题教学法，教师以问题的提出作为载体，注意引导和启发学生。这种基于问题的学习（problem-based learning，PBL），对于学生而言，不仅能接受知识，更是培养专业认同感与学习兴趣的有效途径[3]。

教师设计的问题主要是研讨式和探究式，目的在于激发学生的学习思考兴趣。例如，“人们是先认识了DNA 一级结构后，才揭示二级结构？”核酸结构的研究中，桑格因发明DNA 一级结构的测定方法，于1980 年获得诺贝尔奖。而沃森等提出DNA 双螺旋结构模型，于1962 年获得诺贝尔奖。从时间上推算，人们是先认识了DNA 二级结构，再揭示一级结构，这其中的原因是什么？一级结构测定的难点有哪些？再如，DNA 是遗传物质，决定着蛋白质的种类与状态，而早期对核酸的研究为什么会滞后于对蛋白质的研究？DNA 序列中的4 种脱氧核苷酸的排列方式决定着蛋白质的种类，即DNA 中的遗传信息编码蛋白质，要解码遗传信息，就必须测定DNA 序列[4]。测定核酸一级结构存在极大困难，核酸有4 种碱基组成，无法用蛋白质的重叠推导序列法，而且核酸分子量巨大，例如，DNA 都是由成千上万个核苷酸组成，又缺乏特异酶降解获取短片段DNA。直到1977 年，桑格探索了DNA 测序的新策略——双脱氧法，完成了DNA 的测序工作。也正是核酸结构的揭示，开启了遗传信息的分子水平研究，对生命过程的研究进入到生命本质的探索阶段。核酸结构教学中的问题法教学设计概述见表2。

表2 基于问题教学法的教学设计

笔者采用课后线上交流的方式布置研讨问题，学生通过网络教学平台作答。为积极引导学生参与问题讨论，笔者将作答情况设置为公开可见，学生之间可评论回复，学生在问题讨论区的留言条数和回复条数计入过程考核分数。笔者发现，关于“DNA 一级结构测定在先还是二级结构解析在先”这个问题，学生评论关注度最高。通过问卷发现，这是由于核酸结构是学生熟悉的专业知识，而教师提出的问题却是陌生的，对学生具有挑战性。

基于诺贝尔奖案例的教学过程，学生体会到诺贝尔奖研究成果在生命本质探索中的里程碑意义，并充满敬畏感。同时也发现诺贝尔奖案例均与课程内容联系紧密，有助于培养专业认同感并以此激发学习的兴趣[5]。

2.3 树立价值观 诺贝尔奖案例教学内容不仅是挖掘专业知识的依据背景，更能通过科学家的故事提供素质教育的教学素材。核酸一级结构的测定方法是由英国科学家桑格发明的。细心的学生就会产生疑问，蛋白质学习中一级结构的测定方法也是一位名为桑格的科学家发明的，是否为同一人？是的，就是英国剑桥大学科学家桑格，他本人因发明蛋白质和核酸测序方法，分别于1958 年和1980 年2 次获得诺贝尔化学奖，波特作为桑格的第1 位博士生基于蛋白质测序研究抗体结构，于1972 年获得诺贝尔奖。米尔斯腾作为桑格的第2 位博士生因单克隆抗体的制备技术，于1984 年获得诺贝尔奖。布莱克本是桑格的博士生，因端粒和端粒酶的发现，于2009 年获得诺贝尔奖。桑格及其学生的科研成就概述见图2。在40 年的科研生涯中，桑格作出的科研成果及贡献在科学史上都实属罕见。这样一位伟大的科学家，被称为“20世纪英国科学界真正的英雄”，也被称为“基因组之父”[6]，其一定具有执着的研究精神。胰岛素的测序工作历经12 年，且实验室位于地下室，然而他本人认为，这段工作时间是最愉快的年华[7]。这样一位功勋卓著的科学家有着高尚的人格魅力，面对荣誉的平和心态，放弃行政职务，拒绝“封爵”，与实验室同事合作很好，关系融洽，而桑格本人却称自己是在实验室“乱折腾”的家伙。

图2 桑格及其学生的科研成就

每一项诺贝尔奖都能影响着该学科的发展，改变着人们的生活，伟大成就获得者的人格魅力会感染着每一位青年学子。在诺贝尔奖案例教学中，教师拓展专业知识，挖掘科学知识形成过程的背景资料，学生会认识到科学研究不是一蹴而就，需要知识的累积、方法的创新、思维的飞跃及高尚的人格等多重因素。

3 教学效果与体会

教学方法是实现知识传递、能力培养及价值观树立等不同层次教学目标的有效措施保证。多种教学方法，例如，PBL 和CBL 应用于核酸结构教学中，突出核酸结构的教学重点，化解核酸结构与功能的教学难点，实现教学目标。教学中，笔者使用“投票”“投稿”“提问”“互评”“回复”及“弹幕”等课堂互动方式，“核酸教学课堂满意度调查问卷”和“网络教学平台的课堂活跃度评价”数据表明，“投票”“弹幕”和“互评”环节中，课堂参与率能达到学生人均1 次及以上（图3）。

图3 不同课堂参与方式下学生课堂参与率分析

“核酸结构”是《生物化学》课程中关于核酸教学内容的重点与难点。笔者通过梳理核酸结构研究领域的诺贝尔奖，筛选课程内容紧密相关的诺贝尔奖案例并应用于教学。教学实践表明，诺贝尔奖案例不仅有助于解决核酸结构知识点的教学难点，而且学生在理论知识学习的同时，接触了科学人文素质教育的良好素材，更是培养学生学习态度与价值观的重要途径。教师的教学目标不能过度集中于知识传递，还要追求更高教学层次的教学目标、能力培养及价值观树立。

在教学中，教师不仅是课堂知识的传授者，更是学生价值观的引领者。教师结合课程内容发掘诺贝尔奖案例，培养学生学习态度和价值观，体现了专业课程教师教书育人的独特魅力。