經典實驗分析在分子生物學教學中的應用

李向勇

摘 要： 分子生物學中很多新的理論與新的發現都是通過非常經典的實驗得以驗證的。在針對本科生的分子生物學的教學中，通過對這些經典實驗的分析，可以有效提高學生學習興趣，開拓學生創新思維，幫助學生了解分子生物學學科的實質。本文通過教學實例，從四方面闡述了經典實驗分析在分子生物學教學實踐中的作用。

關鍵詞： 分子生物學 經典實驗 教學應用

現代分子生物學在60余年的發展歷程中，許多已被公認的理論與機制是通過一些非常著名的經典的實驗發現或驗證的。比如證明DNA是遺傳物質的肺炎鏈球菌感染實驗、噬菌體感染實驗；又如DNA半保留復制機制的驗證及岡崎片段的發現等[1]。這些實驗設計精巧、論述嚴密，其中有的研究方法現在仍然在分子生物學的研究中使用。通過對這些經典工作的分析與回顧，可以為科研工作者提供解決問題思路提供幫助，也可以幫助本科及研究生在專業學習中了解研究方法，提高對相關理論的掌握程度。在實際教學中，許多教師以對研究實例的分析作為課堂教學的手段[2][3]。

但也有一些實驗并不像前述的那些例子那么眾所周知，特別是一些學科跨越較大、研究思路或方法已很少應用在現在的科研實踐中、非主要的理論成果等的理論證明過程中。這些結論在多數分子生物學的教科書中一般都是一句帶過或者根本不提及其研究的過程。但如果仔細分析這樣的一些研究論文，則仍然可以從不同角度幫助相關學科學習人員對該研究點的理解與掌握。

本文以三個教學實例為主線，探討經典實驗的分析在分子生物學課堂教學中的應用。

1.提高學生學習的興趣

生物學科理論知識的學習，尤其是《分子生物學》和《生物化學》，因其研究對象都是在分子水平上，看不見摸不著，很難形成感性認識。而且這兩個學科知識涵蓋面廣，理論框架繁復。特別是《分子生物學》主要講述分子的結構與作用機制，單純以傳統的課堂講授的方式授課，會給學生枯燥無味的感覺。另外，《分子生物學》部分內容在初中、高中的生物課程中都或多或少地有所涉及，國內外生物院系的相關專業許多專業基礎課如《普通生物學》、《遺傳學》等課程也與《分子生物學》有內容重復的地方[4][5]。這些重復的內容給學生“復習”的感覺。而單純通過增加學習的深度區分這些不同的課程的內容會加重煩躁的情緒。

通過引入一些經典實驗過程及其結果分析的內容，可以在很大程度上提高學生對相關領域的興趣，增進對這部分知識的了解。比如，“DNA是遺傳物質”的論點就主要是在幾個主要的實驗基礎上得到最后的確證的。在“分子生物學研究歷史”章節中，從最早的核酸發現開始，讓學生了解分子生物學發展之初的研究基礎與背景，引導他們通過討論及問答解決“驗證什么是遺傳物質”這一命題；然后將這一命題的驗證過程中包括肺炎鏈球菌感染實驗、噬菌體感染實驗等幾個重要的實驗設計思路、原理、討論一一闡述，并與學生的思路相比較。通過這種方法，可以有效地把純粹的理論學習置入該理論產生的時代，通過“偵破”式的線索游戲，提高學生的學習興趣。

另外，近年來諾貝爾生理與醫學獎及化學獎許多獎項都授予了與分子生物學相關的一些工作，如2012年山中伸彌的多能干細胞的誘導等；通過介紹這些工作，既可以提高學生的學習興趣，又可以把國際上的研究熱點與分子生物學的發展方向介紹給他們[6]，[7]。

2.啟發學習過程中的創新思維

隨著近年來基礎教育的改革，學生創新思維不斷得到發展，但應試的壓力迫使中學階段的教育在大多數的中學課堂遵循著以往的課堂講授的方式，學生也更適應“老師講，學生記”的灌輸式的教育方式。如何在本科專業教學中進一步啟發學生的創新思維是一項長期任務。

《分子生物學》本身是尚不完善的專業學科，新的知識新的發現和新的研究方法層出不窮。如小RNA的研究是近些年來分子生物學的研究熱點[8]。小RNA的干擾作用的研究歷史以故事的形式講述，繼而采用啟發的方式引導學生討論這一作用在研究中的應用[9]。通過這一啟發過程，學生會充分了解在現代生物學研究中理論與技術的相互促進發展，鼓勵他們對已有的知識充分思考，建立基礎研究與社會應用間的聯系，提高創新思維的主動性。

3.綜合不同學科知識，開啟學生進入科研殿堂之門

現代分子生物學在研究過程中綜合了生物化學、遺傳學、物理學、計算機科學等不同學科的技術與方法，目前的生物學研究也需要具備多學科知識的復合型人才。但限于實驗條件與各學校的特點，大部分的教學實驗室，尤其在多數地方性院校，幾乎不可能具備條件讓學生接觸所有相關的實驗過程，比如分子生物學最基本的放射性標記、分子雜交等。讓學生知道這些技術、了解這些技術的原理與應用范圍，對發展他們的科研思維具有重要意義。但僅通過幻燈片、多媒體等形式只能把這些方法的操作過程或儀器設備展示給學生，而不能讓學生了解這些方法具體能做什么、得到什么樣的結果、結果如何分析，等等。在經典的一些科研實例中，卻不乏綜合了多學科知識的精妙設計，對這些實例的分析可以具體地把其中使用的一些方法與技術的作用、結果分析等展示出來。

對于“mRNA的合成方向是5—3”這一過程的證明，早期發表的文獻中便使用了多種不同的方法[10][11]。包括同位素標記、細菌生長曲線繪制、RNA的提取與純化、RNA的濃度測定、RNA的堿水解等多種微生物學、生物化學的方法經過兩個實驗路線被串聯起來，簡單的方法卻得到了可信的重要結論[11]。通過分析，學生認識到科學研究過程中結果討論的嚴密性，認識到今天的許多成果與結論得來不易，改變他們“眼高手低”的惰性思想；另外，使他們認識到拓寬知識面在生活、工作中的必要性。

4.提高學生的檢索能力和邏輯思維能力

學生自主學習的能力是他們走上社會后應對復雜環境的有力武器，對自主學習能力的培養要貫穿于整個教學工作過程。在教學實踐中，一些細心的學生提出的一些有意義的問題，引導他們利用網絡和圖書館資源，通過檢索相關文獻，得出問題的答案；最后與老師的結果對比印證。這種方法在提高學生自學能力的同時，提高了他們文獻檢索的專業技能，為他們未來的工作提供了一種新的工作方法。

仍以“mRNA的合成方向是5—3”這一問題為例。有學生在學習轉錄一章的內容后，想了解這一結論是通過什么方法獲得的。但多個版本的《分子生物學》教學參考書中并沒有提及這個問題。通過一些中文搜索引擎，也只能得到一些對這個問題并不確切的回答，只能查閱到在證明這個問題的過程中利用C14標記U。學生提出問題：起始和終止都有U，沒辦法證明轉錄的過程就是從5到3啊？

這個問題被作為課后作業布置給全班同學。在這個作業中，附帶提醒學生注意這一問題作為研究熱點所處的時間段，然后針對這個時間段通過學術檢索系統檢索最權威的文獻。結果學生通過谷歌的學術搜索搜到了1960年代發表的兩篇最相關的文獻[11]。討論后經過綜合，這一驗證過程可以描述如下：大腸桿菌在耗光培養基中所有的U后，0℃培養以放慢其mRNA合成的速度；加入放射性標記的U，在不同的時間點取細菌提取RNA，測定放射性摻入RNA的速度；用堿水解的方法從3末端水解mRNA，最后檢測水解后的單核苷酸及RNA的放射性。如果轉錄是從3向5方向的，那么單核苷酸中的放射性與RNA中放射性的比值會隨著細菌培養時間的增加而減小；如果轉錄是從5向3方向，則這個比值會隨著培養時間的增加而增加。實驗的結果證明轉錄的方向是從5向3的。

通過這個作業，學生了解了專業文獻檢索中的一些方法，同時對前人工作中的邏輯推理過程也有了一定了解。另外，這個過程還幫助學生回顧了微生物培養中的生長曲線、RNA的生物化學性質等其他相關學科的知識。

總之，在《分子生物學》的教學過程中，充分利用經典實驗的分析，可以在多方面強化教學效果，提高學生學習與掌握分子生物學基礎知識與技能的能力。當然，這個過程要求任課教師充分了解學科發展歷史和前沿，也需要系統的教學參考書籍、教學方案及媒體的支持。這需要一線教學工作者付出巨大努力，結合自己的科研，建立適合分子生物學這一重要的專業課程自身特點的教學方法，為國家與社會的發展培養更優秀的人才。

參考文獻：

[1]Weaver.R.F著.鄭用璉譯.分子生物學[M].科學出版社，2010.

[2]蔣桂林.生物教學中的策略教育[J].生物學雜志，1999，16，（3）：36-36.

[3]李科友，朱海蘭.創新理念，培養能力[J].微生物學通報，2011，38，（2）：250-255.

[4]梁順祥，何濤，李淑娟，等.農林院校《遺傳學》與相關課程間教學內容的重復及解決途徑[J].遺傳，2011，33（9）：1023-1026.

[5]王子健，張超，劉群紅.生物化學和分子生物學課程整合的教學探索[J].基礎醫學教育，2011，13（12）：1061-1063.

[6]張凱，邱念偉.與分子生物學有關的諾貝爾獎簡介[J].生物學通報，2012，47（8）：59-62.

[7]王長林，陳巖，魏力軍.諾貝爾生理學或醫學獎在“普通生物學”教學中的應用[J].微生物學通報，2013，40（011）：2123-2127.

[8]王云，羅勛，劉天驕，等.小RNA的生成機制與功能[J].生物學雜志，2011，28（2）：58-61.

[9]謝兆輝.小RNAs作用機制的研究進展[J].遺傳，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.

基金資助：德州學院資產處實驗技術立項409990。