浅析诺贝尔生理学或医学奖在高中生物学教学中的应用

2023-10-12敬红星李艳红苏珍

科学咨询 2023年16期

敬红星，李艳红*，苏珍

（1.西华师范大学生命科学学院，四川南充 637002；2.成都市武侯高级中学，四川成都 610043）

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出教学内容要反映社会、经济和科技发展的需要，体现“科学、技术、社会”的思想[1]。诺贝尔生理学或医学奖（以下简称诺贝尔奖）成果背后蕴含丰富的知识脉络，于教师而言，部分知识可作为拓展学生思维的教学素材，以此打造高效课堂；对学生来说，可在原有知识水平基础上学习符合认知结构的新知，以此拓宽眼界。以诺贝尔奖作为切入点融入高中生物学教学课堂，不仅可以丰富生物课程资源，推动课堂教学改革，还可发展学生科学思维，感悟生命科学魅力。

一、诺贝尔奖与高中生物学教学内容的联系

诺贝尔奖作为与生物学科联系最紧密的奖项，其研究为生物教学提供了许多教学素材。近年科技研究不断实现突破，教材内容与时俱进，新人教版教材增添了许多与诺贝尔奖相关的素材，如细胞自噬、树突状细胞等。本文梳理了近几年诺贝尔奖与高中生物学教学内容的联系（表1）。

表1 诺贝尔奖与高中生物学教学内容的联系

二、诺贝尔奖在高中生物学教学中的应用原则

（一）迁移性原则

知识迁移是一种学习对另一种学习的影响，是指将已获得的经验在新情境中变通地加以应用[2]。诺贝尔奖作为世界级奖项，其研究成果代表科技研究的发展走向。如何将诺贝尔奖有效引入高中生物学教学课堂，教师可建立两者之间联系，创设相似情境要素，逐步引导学生向新情境靠拢。如在《DNA是主要的遗传物质》章节中，教材以T2噬菌体侵染大肠杆菌为例，证明DNA是遗传物质。为帮助学生进一步理解DNA是主要的遗传物质，教师可引入2020年诺贝尔奖研究主题—丙型肝炎病毒（寄生于肝脏细胞的一类RNA类病毒，外有囊膜和棘突结构，内有核心蛋白和核酸RNA组成的核衣壳[3]），拓展迁移介绍丙肝病毒侵染肝细胞具体过程：进入、合成、组装、加工、释放，即丙肝病毒以胞吞形式进入肝细胞，病毒的蛋白质外壳在溶酶体作用下被水解，暴露出RNA，借助宿主细胞内游离的核糖核苷酸进行碱基互补配对，合成新子代RNA。RNA还可作为模板直接在肝细胞核糖体上翻译为蛋白质，子代RNA与新合成蛋白质组装加工为新病毒，再通过胞吐离开宿主细胞（图1）。教师引导学生对比DNA类病毒和RNA类病毒侵染寄主方式的异同，进一步提升学生知识迁移能力。本节将T2噬菌体侵染大肠杆菌与丙肝病毒侵染肝细胞进行迁移对照学习，构建互补知识桥梁，对创设学生最近发展区有着积极作用。

图1 丙肝病毒侵染肝细胞过程示意图

（二）科学性原则

诺贝尔奖代表自然科学研究的最高水平，其研究内容远高于高中生思维水平，抽象文字表达和繁杂技术手段使学生望而生畏。因此教师可通过权威途径搜集诺贝尔奖相关研究过程，以保证教学内容科学性；同时教师可将复杂晦涩的专业术语加以整合转化为符合学生认知结构的教学素材，以保证教学语言科学性。如在《细胞的衰老和死亡》章节中，教师延伸拓展2016年诺贝尔奖研究成果——细胞自噬机制，其过程包括自噬的诱导激活、自噬泡延伸、自噬体与溶酶体融合、内容物降解。细胞接受自噬信号后，胞质中出现由单层膜凹陷形成的杯状结构即自噬前体，然后不断向两端延伸，将受损细胞器或蛋白质等包裹形成自噬体，自噬体随后与溶酶体融合形成自噬溶酶体，溶酶体内的酸性水解酶将其进行消化，消化后形成的小分子营养物质可供细胞再利用，其他水解产物被排出细胞外[4]（图2）。科学性是教师渗透诺贝尔奖案例于高中生物教学课堂的首要原则，教师在保证教学内容科学的前提下，可将陌生复杂的专业名词转换为学生易于接受的语言，以培养学生高阶思维。

图2 细胞自噬机制示意图

（三）激励性原则

赫尔巴特说过，世界上不存在“无教学的教育”，也不存在“无教育的教学”。诺贝尔奖光鲜亮丽的背后蕴藏着科学家工作的曲折艰辛，而科学家持之以恒奋斗的动力是对社会的责任。如在《种间关系——寄生》章节中，教师可引用疟原虫寄生人体的例子，先讲解疟原虫生活史，以达成生命观念目标，延伸讲述科研背后奋斗史以践行社会责任培养。为攻克疟疾这一疾病，屠呦呦带领她的团队以报国为己任，全身心投入疟疾防治研究。历经重重困难耗时30余年，最终从植物黄花蒿中提取抗疟药物——青蒿素，这项成果极大降低了疟疾患者死亡率，为人类健康事业做出巨大贡献。2015年10月屠呦呦因此项研究成果荣获诺贝尔奖，成为首位获得此奖项的华人科学家。本节在介绍疟原虫生活史的基础上进一步挖掘思政元素，即屠呦呦历经上百次实验失败，仍不言弃的奋斗精神和以身试药，为科研工作的献身精神，这不仅可引导学生向榜样学习，激发学生强大民族自豪感，在潜移默化中培养学生不畏艰辛、努力奋斗的精神。

（四）生活性原则

新课改要求加强课程内容与学生生活的联系，关注学生兴趣和经验，精选终身必备知识和技能，而诺贝尔研究正是将人们面临的难题逐步演变为学术维度的理论。如生活中吃火锅为何能引起嘴巴灼痛感？含薄荷为何能唤起冰凉清凉感？与人拥抱为何能产生亲近感？2021年诺贝尔奖为世人揭晓谜底。美国科学家戴维·朱利叶斯在感受疼痛的神经元胞膜上识别出新型离子通道型受体TRPV1，它能被辣椒素所激活并引起特定离子（如钠离子、钙离子）内流，产生的兴奋以电信号形式沿神经纤维传导。在辣椒素受体研究的基础上，朱利叶斯在化合物薄荷醇中鉴定出一种能被寒冷激活的受体TRPM8[5]。在触觉感知领域，美国科学家阿德姆·帕塔普蒂安发现两个离子通道型受体PIEZO1和PIEZO2，它能被外界机械压力所激活并产生电信号[7]。这类研究主要用于开发多种疾病的治疗方法，如慢性疼痛、糖尿病等。诺贝尔奖研究源于生活，其成果也应用于生活，为各种疾病治疗带来新的希望和方向。

三、诺贝尔奖在高中生物学教学中的应用意义

（一）以问题为主导，激发学生科学兴趣

亚里士多德曾说过，古往今来人们开始探索，都应起源于对自然万物的惊异。兴趣大多是由疑问和惊异引起的，而问题作为激发学生科学兴趣的有效手段之一，在唤起学生好奇心和激发探究欲望方面有着积极影响。如2017年诺贝尔奖得主杰弗里·霍尔等人研究的生物钟机制很好地解释生活中常见的现象，如公鸡为什么每天准时打鸣？猫头鹰为什么昼伏夜出？人为什么一到晚上就犯困？科学家以果蝇为研究对象，分离出与生物钟有关的基因period及timeless，它们可编码在夜间积聚、在白天分解的蛋白质PER和TIM，这种蛋白质在细胞中的数量变化就引起了细胞生物节律的昼夜变化[6]。因此将诺贝尔奖融入高中生物学教学课堂中，教师需注意从现实生活中寻找学生感兴趣的生物现象，不断设问激趣，探究新知，从而为学生学生物、学好生物、学精生物做好铺垫。

（二）以探究为主线，提升学生科学思维

新课标指出锻炼科学思维是培养学生生物学核心素养的关键之一，诺贝尔奖作为走在科学最前沿的奖项，其研究内容和方法是培养学生创新性、批判性等思维的良好素材。在教学中教师不仅帮助学生了解诺贝尔奖知识，更要引导学生学习科学家探究问题的思维模式。如人类进化一直是困扰人们的难题之一，2022年诺贝尔奖得主斯万特·帕博团队在这一领域中不断探究，通过DNA分子克隆等技术实现重大突破。20世纪90年代，从尼安德特人化石中提取线粒体DNA并扩增后测序；2002年发现第一个与人类语言进化相关基因FOXP2；2010年在某山洞内发现新古人类物种——丹尼索瓦人[7]。后续研究发现，人类直系祖先智人不仅和尼安德特人进行过杂交，还和丹尼索瓦人进行过基因交流。对人类起源问题的探究史，几乎与人类文明发展史等长，科学探究是一个不断更新、更正、发展的过程，目前科技水平得出的结论很难保证未来不被推翻。因此将诺贝尔奖融入高中生物学教学课堂中，教师需帮助学生了解科学研究的方法、思路，引导学生用批判性思维和辩证眼光看待现有科学结论，从而提升学生科学思维，落实核心素养培养。

（三）以情境为主脉，培养学生科学态度

教育的根本任务是立德树人，而科学态度是立德树人的体现，创设情境是培养学生科学态度的必经途径。诺贝尔奖背后科学家坚持不懈的精神是学生学习的典范，将其作为教学情境可激发学生学习内驱力，培养科学态度。如加拿大科学家拉尔夫·斯坦曼于1973年在小鼠脾脏中发现一类特殊细胞——树突状细胞，后续一直致力于研究这类细胞在获得性免疫中的作用。2007年斯坦曼被确诊为癌症，毅然决定以身试药，利用树突状细胞免疫疗法开展实验性治疗，成功将生命延长四年半，最后于2011年9月30日去世。令人遗憾的是距离他获诺贝尔奖仅有三天，这也是史上第一次将此奖项颁给已故的科学家。这一份“迟来的”诺贝尔奖将斯坦曼带到了世人面前，其研究成果也为后人进一步探索提供有力的理论支撑，大大推动了免疫学发展。成功向来不是一蹴而就的，它需经历无数次失败的锤炼和漫长的时间考验，方为世人所接受。因此将诺贝尔奖融入高中生物学教学课堂中，教师需将情境教学和情感教育充分结合起来，帮助学生在真实人物故事情境中引发情感共鸣，发挥生物学科育人功能。