ChatGPT时代生物化学课堂教学融入科研训练的探索

张 静,孔 璐,王雅梅

(首都医科大学基础医学院生物化学与分子生物学系, 北京 100069; △通讯作者)

自2022年11月问世以来,ChatGPT引领了新一轮人工智能技术的发展。虽然ChatGPT能够快速提供问题答案,但它缺乏对问题的深入理解和分析,并不能培养学生的批判性思维和解决问题的能力[1]。这些技能在学校和社会中都至关重要。ChatGPT的出现,推动医学教育进入了新的发展阶段,并赋予了新的要求[2,3]。传统的“满堂灌”的教学模式和偏重事实性信息的考核方式已不能满足培养高质量医学人才的要求。国内外已有多种培养医学生科研素养的尝试,如科研创新项目[4,5]、第二课堂[6-8]和长学制导师[9]项目。然而,这些项目通常需要额外课外时间,受众较小。因此,如何在不增加学生课业负担的前提下提高科研素养和能力是一个值得深入研究的课题。生物化学是医学领域的重要学科,强调理论与实验的结合[10]。生物化学课堂教学可以培养学生的科研兴趣和思维,教授正确的科研技能。实验课和理论课的融合是提高学生科研能力的重要途径之一。基于此,笔者从多个角度出发,如英文阅读、科学思维、科学实验方法、思政教育和考核方式,尝试将科研元素融入教学中,并以首都医科大学2021级临床专业的学生为研究对象,对这一方法的成效进行了初步探索。

1 生物化学理论教学的难点

生物化学的知识体系广泛复杂。多数学生感到生物化学很难学习,不易理解和掌握,无法与其他基础理论课程和临床学科形成有效的横向联系。此外,国内医学院校常用的教材通常直接引入概念,多数学生学习起来更感觉枯燥乏味。经过一个学期的学习,学生通常对生物化学的基础理论比较熟悉,但对于前沿科学或技术了解甚少。更为关键的是,许多学生依然沉浸在阅读、死记硬背以及应试的学习方式中,缺少对探索的热情和好奇心,还未养成积极思考、主动提问和自主解决问题的习惯,而只是盲目地等待教师分配任务[11]。

2 生物化学课堂教学融入科研训练的思路和实践

2.1 提高专业英语阅读水平

生物化学领域的发展迅猛,不断出现各种创新的实验技术和研究方法。医学院校要培养的高质量创新人才应该能保持对学科最新动态的了解,掌握世界领先的实验技术和研究方法。而这些基本都是以英文的形式进行报道的。学生只有提高专业英语阅读水平,才能为科研创新打好基础。

在教材的选择和使用方面,笔者进行了大胆的探索,以复旦大学查锡良教授等编写、人民卫生出版社出版的《生物化学与分子生物学》为主要教材,结合使用英文原版教材LehningerPrinciplesofBiochemistry(David L. Nelson)、MolecularBiologyoftheGene(James D. Watson)以及MolecularBiology(Robert F. Weaver),同时在课堂教学中通过大量引用英文文献中的图片及文字描述,扩大学生的专业词汇量并促进他们掌握专业文献的表达方式。

笔者在课堂教学中,一方面借鉴英文原版教材的讲述方式,从科学事件出发,以英文重现科学发现的关键过程,以解决科学问题为中心,对知识进行重组和整合,既能帮助学生准确地分析和理解相关概念和结论,又能加强科研思维能力的培养;另一方面,借助某些经典文献讲解阅读英文文献的基本方法,使学生初步掌握英文文献阅读的技巧,同时引导学生课后深入阅读与课程内容相关的经典和最新的英文文献,促使学生掌握更多的英文术语,提高他们精确获取并理解学科基本理论和最新资讯的能力。

2.2 培养科学研究的思维方式

人工智能的新时代下,科研思维比科研技能更为重要[12],因为其在整个科研过程中发挥作用,包括提出科学问题、基于问题建立科学假说、根据假说规划实验方案、实验完成后分析结果,并依据实验成果调整或重新构建科学假说。教师在教学过程中,如果能够重视培养科研思维,将有助于学生灵活运用生物化学知识来发现问题、分析问题、解决问题,从而形成科学的态度和思考方式,以指导实践。

笔者以具体的事件为例,既涵盖生物化学发展史上体现人类创新思维和方法的典型事件和重大发现,又涉及体现批判性思维的推翻经典理论的新研究,让学生对科学研究的整个过程有更强的代入感。比如,当笔者讲述DNA不连续复制这一知识点时,首先从科学家的视角提出问题“在复制叉附近解开的DNA链中,一条链是从5’端到3’端方向,而另一条链则是从3’端到5’端方向。为什么DNA的两条链还能同时进行复制呢?”基于这一问题,日本科学家冈崎夫妇提出假设“在DNA复制过程中,可能产生了许多较短的DNA片段”,但使用宏观手段很难分辨,该如何去验证这个假说呢?他们构建了核苷酸水平的实验体系,采用脉冲标记的技术观察DNA复制的过程。根据计算,在37 ℃的条件下,合成时间必须少于0.1 s才可行,然而这显然是不可能实现的。他们对实验方法进行了改进:将细菌暴露于氚标记的胸苷下,低温(20 ℃或更低)条件下仅数秒钟,最终发现了长度仅为1 000-2 000个核苷酸的DNA片段,后来被称为冈崎片段。根据实验结果,他们进一步发现,随着脉冲标记时间的延长,放射性会从短的DNA片段逐渐转移到较长的DNA链上。他们认为DNA连接酶很可能起到了关键作用。而抑制DNA连接酶会引起冈崎片段的堆积。这些研究成果提示了DNA复制过程中存在不连续复制的机制。这一重大发现所涉及的一连串的经典实验完美展现了科研思维的各个环节。

2.3 掌握科学实验方法

关于成功的秘诀,爱因斯坦写下了这样的公式:A(成功)=X(艰苦劳动)+Y(正确方法)+Z(少说空话)。科学研究的正确方法是抓住实验的细节,并运用不同的实验方法对某一假说进行辩证的、系统的验证。这也是科学研究的关键。

生物化学涉及大量的实验技术,其中很多实验的操作难度并不高,但若不注意细节就很难获得理想的实验结果。传统的教学方式确实能帮助学生掌握实验的原理和大致步骤,但多数学生依然存在“学习了很多但仍不会做或做不好”等问题。在师生互动的环节,教师通过基于问题的启发式教学引导学生思考实验的关键步骤,把握实验技术的细节,培养学生提出问题和分析问题的能力。比如,笔者在讲述DNA印记杂交这一实验技术时,让学生思考为什么要用限制性内切酶切割DNA,凝胶电泳时应该设哪些对照,为什么电泳后要用碱性溶液处理,转移时凝胶和膜放置的顺序是怎样的,杂交前为什么需要预杂交的过程,为什么杂交后要洗膜等诸多问题。学生只有真正掌握了实验的关键所在,在出现非预期的实验结果时才能独立分析可能的原因并提出相应的解决方案。

生物化学中不同的实验方法经常具有异曲同工之处。科学假说也需要从不同的角度,应用不同的研究方法来证实。但多数情况下,不同的实验方法分散在不同的章节,学生难以理解它们之间的关联。在教学中,教师通过实验案例引导学生开拓实验思路,学习设计最佳的实验组合,开展严谨细致的科学实验。比如让学生设计实验研究某种药物抗内皮细胞衰老的作用,引导学生重视实验对照组的设立,并利用课程涉及的不同技术包括细胞化学染色法、流式细胞技术、qPCR、Western blot,分别检测衰老相关-β-半乳糖苷酶的水平、细胞周期的停滞、衰老标志物在mRNA水平和蛋白水平的表达等,让学生认识到从多方面论证某一假说的重要性;再比如让学生设计体外实验验证miRNA对肿瘤侵袭和迁移的影响,从中总结出严谨的科学实验需要进行正反实验,即在高表达细胞系敲低miRNA,在低表达细胞系过表达miRNA,分别观察表型。

2.4 课堂教学中融入思政教育

据调查,近几年大学生抑郁和焦虑等心理健康问题频发[13]。学生面对社会和学业应激事件时如何保持良好的心理健康状态,需要学校和教师的支持鼓励。此外,科学研究工作存在很多未知数,挫折是科研道路上的常客。面对挫折如何保持坦然,并在挫折中前进,是医学生的必修课。

生物化学课堂教学与思政教育有机融合,将社会热点问题与课程中的专业知识相结合,帮助学生建立对病毒致病机制、病毒基因组、疫苗等问题的科学认知,深刻理解国家政策的合理性、接种疫苗的重要性以及药物研发的迫切性,科学理性应对挑战。教师通过讲述中国科学家的科研故事,使学生感受到科学研究需要求实创新的精神,需要潜心研究、主动作为的品质,需要责任和担当;此外,从科学发展史中提取典型案例或以自身的科研经历为案例,帮助学生对实验中的挫折形成合理预期,引导学生以乐观的心态应对实验中的困难,强调阴性实验结果的重要性,鼓励学生从挫折中吸取经验教训。

2.5 考核方式的改革

为保证一定的考试通过率,以往的考核内容更偏重事实性知识,而忽视学生的分析和应用能力。这种情况下,学生在理解的基础上对知识点反复记忆即可获得不错的成绩,这显然不利于科研能力的培养。在人工智能浪潮的推动下,生物化学的考核方式也需要顺应时代的发展,避免要求学生为了应付考试而机械记忆大量事实性内容,更注重考查文献的阅读能力、发现问题和解决问题的能力、分析实验结果的能力等,扩充了过程性评定的形式,涵盖对学生科研能力的考查,包括对课上布置的文献阅读、常用生物学在线工具和软件应用、思考题等的完成程度。对于终结性评定,考核减少了事实性知识的比例,侧重知识的应用,比如根据某一Western blot的结果图(包含sham组、造模组、给药组)判断哪个是管家基因,而不是简单考查管家基因的概念;根据某PCR的结果图分析可能的原因及相应的解决方案;如何证明CAP和RNA聚合酶CTD结构域之间的相互作用;证明DNA解旋酶是DNA复制所必须的直接证据有哪些?

3 生物化学课程改革的效果和体会

本文关注了如何在医学教育特别是在生物化学领域中培养学生的科研能力和素养。传统的医学教育方式已经不能满足现代医学领域的需求,新兴的人工智能技术如ChatGPT为教育带来了挑战和机遇。本文尝试通过改变教学模式,引入自主探索、实践应用、问题分析和解决等元素,以提高学生的科研思维和研究能力,培养更具创新潜力的医学人才。

课堂观察和学生反馈表明,这种新的教学方式可以显著提升学生的自主探索和问题解决能力,使生物化学课程更加生动有趣。然而,这只是初步探索,还需要进一步研究和改进,特别是结合新兴的人工智能技术来实现个性化教育和即时反馈。

总体而言,医学教育需要不断创新,适应现代医学科学和技术的发展,培养具备批判性思维和解决问题能力的医学专业人才。人工智能技术如ChatGPT可以成为辅助工具,但真正的成功在于将这些技术与教育实践相结合,实现人机协同的智慧教学[14]。未来,我们可以期待更多基于人工智能的教育方法的发展,以更好地满足医学教育的需求,为医疗和健康领域提供更高水平的专业人才。