基于诺贝尔奖案例探讨研究生课堂教学和设计

                           ——以《科学研究程序和方法》课程为例

董醇波 , 邹  晓 , 韩燕峰^*   

(贵州大学生命科学学院真菌资源研究所  贵州  贵阳 550025)

[摘  要] 研究生教育是教育强国建设和高层次创新人才培养的重要组成部分。随着近年来研究生数量和规模不断增长和扩大，研究生培养质量的提高备受重视。在研究生教学中培育科研素养和开拓科研视野至关重要。将与生物学有关的诺贝尔奖成果和相关内容引入到研究生的科研素养课堂教学中，通过提前精选内容、布置任务、自主学习、课堂讨论和总结等方法的教学改革，不仅拓宽了研究生的专业知识，而且深入认识了科学研究的程序，培养了科研能力，激发了学习兴趣，取得了较好的教学效果。

[关键词] 研究生教学；生物学；诺贝尔奖；课堂设计

[基金项目] 2021年贵州大学研究生课程思政示范课程项目“科学研究的程序和方法课程教育改革”（编号：KCSZ2021032）。

[作者简介]董醇波（1995-），男，贵州省务川人，博士，贵州大学生命科学学院，研究方向是微生物生态学。韩燕峰（1978-），女，山西祁县人，博士，贵州大学生命科学学院教授（通信作者），研究方向是微生物生态学。

[中图分类号] G643   [文献标识码]A  

近年来，围绕生物学及相关专业研究生素质的培养，高校及相关科研单位已取得了大量的成效，尤其研究生的创新能力是培养的重点。2017年9月，教育部、财政部、国家发展改革委发布了《关于公布世界一流大学和一流学科建设高校及建设学科名单的通知》， 标志着国家“双一流” 建设正式启动^[1]。高校“双一流” 不只在于一流大学一流学科， 培养一流的拔尖创新人才更是落实立德树人的根本任务^[2]. 生物学科涉及的领域很广，与医药、农林、畜牧、工业等很多实际问题都密切相关，生物学类研究生必须具备探索创新精神，利用生物学知识从事上述领域的科技研发，注重培养研究生的“创新能力”和“解决问题能力”，培养学生成为具有理论和实践的高级人才^[3]。那么如何优化教学，提升生物学研究生的创新人力，构建研究生创新培养新模式，是推进高校“双一流”建设所面对的重要使命。本文以研究生课程《科学研究程序和方法》为例，基于生物学相关的诺贝尔奖案例，加强研究生的思想政治教育，学习诺贝尔奖获得者及其团队的创新思维和方法，引导研究生从案例中学习科研的思维、能力和程序，思考优秀科学家如何看待和解决科学问题，为培养创新人才提供借鉴。

相较于本科阶段宽口径厚基础的学习，研究生阶段才是科研生涯的正式开始，是探索自然和人类社会更多未知领域的起点^[4]。科学研究程序和方法是针对我校生物学一级学科研究生开设的一门必修课。该课程内容比较抽象，包含内容广，课时有限，研究生对科研尚未接触或未入门。因此从形象生动的案例，结合大学所学的基础理论知识，引领研究生要在科研中不断培养和提高自身的综合能力，积极了解生物学前沿，尤其是要剖析与本学科相关的诺贝生理奖或医学奖成果，带领研究生了解获奖者的科研成果和故事，从而使自己认识和深入理解科学研究，提高科研潜力，促进研究生质量的发展^[5]。

在诺贝尔生理或医学奖中，有许多与生物学相关的研究，这些研究成果极大地推动了生物学及相关学科的发展，甚至加深了人类对自身的认识。例如从2000年至今，获得的诺贝尔生理或医学奖与生物学科密切相关，例如2022年“关于已灭绝人类基因组和人类进化的发现 ”；”2021年“发现温度和触觉感受器”；2020年“发现丙型肝炎病毒”； 2019年“发现细胞如何感知和适应氧气适应”，2018年“发现细胞自噬的机制”；2017年“发现控制昼夜节律的分子机制”， 2015年“发现治疗疟疾的新疗法”等。作者将精选上述一内容，通过课前备课、课中讨论和课后巩固的教学设计，使研究生了解并掌握国际重大成果和前沿成果，增强科研兴趣，开阔学术视野，提高科研思维能力，为今后的科学研究奠定基础。

1. 教学设计的思路和目标

我校生命科学学院为生物学专业研究生开设了“科学研究程序和方法”课程，共36个课时，其中一章为科学研究的程序，共6学时，基于PBL（Problem-Based Learning）教学模式，本次设计安排3学时进行讨论，课程主要根据诺贝尔奖内容进行教学设计。具体思路为：课前把需要讨论的内容提供给研究生，并布置课堂讨论的前沿知识点。研究生以小组为单位，经分工合作查阅相关内容的文献和资料，按照要求制作PPT，在课堂上进行汇报和讨论，老师点评，课后学生修改完善PPT，最后总结交流心得。通过此方法，不仅可以加深研究生对科研程序的认识和理解，同时了解国际重要科研成果和优秀科学家，而且在此过程中，拟提高研究生查阅和阅读文献的能力、对知识点的概括总结能力、语言表达能力和团结协作能力，增强研究生的学术交流能力，从而提高研究生的综合素质。

2. 实施方案

该课程的教学内容主要包括“发现和提出科学问题、收集和分析文献资料、提出假设、设计实验、验证假说、获得结果”。授课教师将用3个学时从理论和其他案例进行讲解，然后安排研究生3个学时从诺贝尔奖案例中学习这一科研程序，以期加强和引领研究生的科研素养。

2.1 课前布置任务

2.1.1 课堂讨论内容

根据本课程特点和生物学发展现状，筛选了2021年诺贝尔生理学或医学奖获得者美国科学家大卫·朱利叶斯(David Julius)和阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian) “发现温度和触觉感受器”的相关研究工作和内容，作为本课程重点科学研究案例进行剖析。为便于研究生更好理解这一科研内容，同时提供了一些补充材料，提前让同学们进行查阅资料、分析内容，并总结出科学问题、科学假设、采用的实验方法，获得的结果和具有的意义。

2.2.2分组布置任务

    提前一个星期进行课堂任务的布置，本课程以5名研究生为一个小组，每组针对上述一个内容进行，分别查阅资料，总结和归纳，完成PPT制作，并推举一个小组代表准备发言汇报，汇报时间控制在10分钟。

2.1 课堂教学实施

2.2.1 总结汇报

布置任务一周后，根据研究生的独立总结和思考，分组在课堂上进行汇报，本次分为15个小组，每个小组代表汇报完，任课教师和同学们可以进行提问和讨论，各小组成员进行答疑和补充。通过对该环节的调查问卷表明，92%的同学能积极参与任务的资料查阅，80%的同学对资料进行了汇总和整理，20%的同学希望主动发言汇报，8%的同学能在课后继续修改完善。该结果表明只有少部分同学能认真全过程参与任务，善于抓住机会锻炼自己，进而培养自己的全方位能力。

2.2.2 讨论和总结知识点

讨论过程中，为帮助研究生更好理解所选案例内容，授课教师最后要对每个知识点进行梳理和讲解。例如，提出问题：人类如何感知世界？包括眼睛如何感知光线？声波如何传输入耳？我们如何感知气味和味道？这些问题都是一直以来人类想要解开的谜团。本案例的科学问题就是我们如何感知温度和压力。首先以我们如何感知温度为案例进行剖析，基于这一科学问题以及前期的工作积累，他们的科学假设是机体内存在的感应蛋白是一种温度受体，并在机体感受到不同的温度下会被激活。他们随后采用了辣椒素和薄荷醇进行研究，通过辣椒素确定了TRPVI的存在，它是一种痛热激活的离子通道^[6]；通过薄荷醇确定了TRPM8的存在，它是一种寒冷激活的受体；由此测定了其他的受体可以被一系列不同的温度激活；随后很多科学家开展了这项研究，通过缺乏这些基因的小鼠研究这些通道的作用，从而揭开了不同温度如何在神经系统中诱发电信号。然后我们接着分析压力的感知。提出的科学问题是机械刺激如何转化为我们的触觉和压力；基于以往的工作积累，提出了对这一科学问题的假设是被机械力激活的受体是离子通道；然后他们开展了一系列研究，采用微量移液管戳单个细胞并检测发出的电信号；他们筛选和鉴定了可能是受体的72个候选基因，这些基因被灭活后，检测机械敏感性基因；经过艰苦的研究工作，他们成功确定了基因Piezo1和Piezo2两个基因，它们是离子通道，通过对细胞膜施压会被直接激活^[7。这三个离子通道的研究是非常重要的突破，使我们了解到冷热和机械力是如何启动神经冲动，从而使我们能够感知和适应周围的环境，支撑了人类与周围世界的互动。这项研究还有助于我们开发针对包括慢性疼痛在内的多种疾病的治疗方法。

这项研究引起了研究生的极大兴趣，授课教师和所有学生都积极参与到了所有环节，对于涉及到的难点内容由教师回答、补充和完善，并引导学生如何做好科研工作。

3. 教学效果和总结

对于初入学或未接触科学研究的研究生来说，如何进行科学研究往往是迷茫的，忐忑的。通过引入诺贝尔奖案例进行分析和总结，同学们经过精心准备、汇报和参与讨论，15个小组分别就不同内容进行了汇报，按照教师讲授的科学研究程序，提炼出主要知识点，扩展了知识体系，均较好地完成了课前布置内容，3个学时的课堂学习和讨论气氛浓烈，热情高涨，研究生能积极提问和思考。通过该教学设计，不仅使同学们了解了重要前沿理论知识，而且通过讨论和交流，极大地提高了同学们的科研兴趣，更为重要的是了解了科学研究的程序和步骤，指引了今后的科研之路，坚定了同学们进行科学研究的信心。同时，对教师的教学也起到了积极促进作用，教师在课程设计中要精选相关案例，从中挖掘和能引导同学们主动思考的问题，对各组汇报的内容进行点评和总结，更要使其明白科学研究中需要培养的能力。

研究生课程教学中遇到的最重要问题就是本科阶段的实践基本是基于具体的实际操作为主，缺乏科研思维的培养和科研程序的认识，未能充分激发研究生的科研兴趣，因此有必要对研究生新生进行科学研究程序的介绍，并在课堂教学中引入经典案例，将抽象内容形象化，引入优秀科学家，系统进行科学研究工作前的引导，使研究生在今后要重视科学研究能力和思维的培养，加强其对科学研究的认识，树立牢固的信念和优秀的学习榜样，为其成为栋梁之才打好基础。

本次课堂教学设计将生物学理论与实践进行了很好地融合，将最新的诺贝尔奖成果引入教学课堂中^[7]，结合PBL教学模式^[8]打造问题场景，教学内容新颖，教学方式多样，加强了同学们的自主学习，促进了同学们对科研的深入认识，培养了同学们的科学精神，取得了较好的教学相长的效果^[9]，这次教学设计和实施为研究生课程的教学改革和人才培养开辟了新思路^[10]，与赵萌萌等^[11]提出的“三阶段教学法”相似，研究生首先要掌握好本专业基础知识，然后对科学问题进行启发思维，进而通过总结开拓研究生的科研视野，从而全面提升研究生的综合能力。

研究生教育的课堂教学手段有很多，比如启发式教学、探究性教学、任务式教学、引导式教学以及“PBL+翻转课堂”混合式教学^[12]等，教学设计和教学过程中若能综合应用多种教学手段，不仅能活跃课堂氛围，而且对于教学效果有很好的提升作用。在课堂教学中进行课程思政元素的教育是培养研究生德智体美全面发展的必然因素，也是培养研究生正确的科学观和价值观的重要手段。在本次课堂教学中，通过学习总结诺贝尔奖案例，学生不仅掌握了相关的专业知识，也了解了科学家在科学研究中的不惧挑战、坚定不移、勤于钻研的科学精神，这种教学将潜移默化地影响着今后研究生的科学研究和培养他们为中华民族伟大复兴而努力的伟大志向。

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[4] 宋保亮. 给研究生的6个建议[EB/OL](2021.11.20). 科研大匠.

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[7] 任慧英, 刘文华, 温建新, 邹玲, 李桂梅. 基于诺贝尔奖案例教学的研究生免疫学课程设计[J]. 安徽农业科学, 2019, 47(15): 276-277.

[8] 金茜. 国际关系专业英语的PBL教学探索[J]. 中国高等教育, 2021(Z2): 44-46.

[9] 周丹, 韦雪娇. 微生物资源开发学综合性实验的设计与教学实践[J]. 贵州师范学院学报, 2022, 37(12): 20-26.

[10] 邓春艳. 诺贝尔化学奖融入分析化学专业人才的培养[J]. 广州化工, 2020, 48(16): 207-209.

[11] 赵萌萌, 火艳丽, 薛林贵, 李莎, 冷艳. “三阶段教学法”在硕士研究生工业微生物学课程教学中的应用初探[J]. 微生物学杂志, 2022, 42(3): 120-128.

[12] 孙新波, 李继蔚. 基于“PBL+翻转课堂”的混合式教学设计实践. 教育教学论坛, 2022，(39): 89-92.

Teaching and design of postgraduate course based on Nobel Prize case

——A case study of the course "Procedures and Methods of Scientific Research"

HAN Yan-feng,  DONG Chun-bo,  ZOU Xiao^*

（Institute of Fungus Resources, College of Life and Science, Guizhou University, Guizhou, Guiyang, 550025）

Abstract: Postgraduate education is an important part of the construction of powerful education and the cultivation of high-level innovative talents. With the continuous growth and expansion of the number and scale of postgraduate students in recent years, the improvement of the quality of graduate training has attracted much attention. It is very important to cultivate scientific research quality and broaden scientific research horizon in postgraduate teaching. Combining the Nobel Prize related to the biology into the postgraduate's scientific teaching has the great significance. Through the teaching designs including the selecting the suitable content, arranging the task ahead of time, autonomous learning, class discussion and summary, it not only broaden the postgraduate’s specialized knowledge, but also deeply understand the program of scientific research, cultivate the scientific research ability and stimulate interest in learning. The teaching has achieved the good teaching effect on both teachers and postgraduates.

Key words: Postgraduate teaching, biology, Nobel Prize, teaching design