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教育教学

【课程思政 交大行动】

挖掘多层面思政元素 实施差异化教学

——“生命科学基础I课内实验”课程思政纪实

来源:交大新闻网 日期:2021-11-25 10:37 浏览量:

在国家“生命健康”大需求背景下,与生命科学交叉融合已成为众多非生物学科未来发展的必然方向之一。面对非生物专业学生,培养其生命科学基本素养和实验能力,引导其形成正确的生命价值观、交叉创新思维显得尤为重要。

“生命科学基础I课内实验”是面向全校20余个非生物专业学生开设的校级公共基础课—生命科学基础I的配套实验,年均承担1500余名非生命科学专业本科生1.2万人时数的的培养任务。

教学团队由生命学院实验教学中心孔宇教授和6名学院教师及实验中心技术人员组成,依据课程“立德树人,支撑生命科学相关交叉创新能力培养”的定位,团队以“两性一度一中心”为标准,通过专业差异性交叉领域实验开设、时政融入及点评、科技前沿案例引入、历史事件回顾、美学教育等方式,在家国情怀、价值引领、交叉创新能力培养、科学思维养成等几个层面开展了课程思政的探索和实践,形成了初步的课程思政构架。

“生命科学基础I课内实验”坚持以学生为中心进行差异化教学:针对不同专业和培养需求,设置适合专业的交叉创新实验,并依据实验内容特点,筛选合适的思政元素及融入点。如针对计算机、软件专业学生,开设“生物大分子结构模拟实验”,旨在充分发挥其专业优势,提升学生未来从事计算机-生物学科交叉领域相关研究工作的能力和素养,筛选思政元素时侧重我国科学家的研究进展和贡献事例,提升学生的民族自豪感。又如针对材料专业等开设小鼠解剖类实验,为后续从事生物材料、材料的生物特性研究打下基础,思政元素筛选时侧重生物伦理、动物福利等职业规范教育。再如针对测控(食品)等专业开设微生物培养类实验,培养学生实用实验技能的同时,引入生物安全、实事求是、追求真理等思政教育元素。通过差异化实验的开设,提升了学生学习的兴趣和热情,同时也使得课程思政自然融入教学,做到水到渠成。

及时更新内容 培养学生爱国情怀

“生物大分子结构模拟”实验是“生命科学基础Ⅰ”课内实验中一个创新性实验项目。实验通过计算机软件模拟、观察生物大分子的空间三维结构,加深学生“生物大分子结构决定功能”的认识。

新冠疫情期间,孙书洪老师将“模拟新冠病毒(SARS-CoV-2)与其他冠状病毒刺突糖蛋白(S蛋白)三维结构”更新为实验内容。课程中介绍新型冠状病毒关键蛋白质刺突糖蛋白(Spike Glycoprotein,简称S蛋白)与人体细胞表面血管紧张素转化酶2(ACE2蛋白)的结合在病毒感染人体过程中起到关键作用,即S蛋白“劫持”了原本用于控制血压的ACE2,通过与它的结合入侵人体细胞。ACE2是人体内一种在血压调节中起到重要作用的蛋白,广泛存在于肺、肾脏、心脏、肠道等部位。不同冠状病毒的S蛋白在三维结构上略有差异,这种差异决定了它与ACE2分子结合的难易程度,进而导致不同冠状病毒对人体感染性的不同。学生通过在三维结构上比对不同冠状病毒S蛋白的差异,可以更清晰地了解新冠病毒的结构特点,从蛋白质结构的角度理解不同冠状病毒具有不同基本传染数R0的原因,明了分子结构解析的重要性。

基于上述内容,再引入我国结构生物学家在解析新冠病毒S蛋白与人体细胞ACE2复合物结构上做出的领先世界的突出贡献,如西湖大学周强教授实验室在世界范围内率先报道了ACE2全长蛋白的高分辨三维空间结构,以及ACE2全长蛋白与新冠病毒S蛋白受体结合结构域的复合物结构;又如,清华大学王新泉和张林琦课题组利用昆虫细胞体系表达和纯化了新冠病毒S蛋白受体结合结构域和人ACE2胞外结构域,成功生长出新冠病毒S蛋白受体结合结构域-ACE2复合物的晶体,解析出了复合物三维空间结构等等实例,通过对中国科学家在新冠病毒S蛋白及其受体三维结构解析方面研究的介绍,让学生感受到我国科学家在抗疫中作出了重要贡献,研究成果对于疫苗研发、新药开发都具有重要意义。学生更深刻地理解我国抗疫政策的正确性及其对世界抗疫所作的贡献,提升学生的制度自信、民族自豪感,激发学生的爱国热情。

引入创新实例 提升学生科学素养

蛋白质的三维结构与其功能密切相关,蛋白质只有折叠成正确的空间三维结构才能发挥其生物学功能。获得蛋白质的三维结构可以帮助我们更好地理解蛋白质的功能。

X射线晶体学、冷冻电子显微镜技术和核磁共振技术等传统实验方法,依赖大量实验,可能需要花费数年时间来完成蛋白质结构的解析,并需要昂贵的仪器和巨额的经费支持。为了提升蛋白质结构解析的效率、降低成本,科学家们长期致力于利用计算的方法,根据蛋白质的氨基酸序列,计算得到其3D结构。得益于人工智能技术的发展,近期这项技术终于有了突破性的进展。2020年11月30日,谷歌旗下DeepMind公司开发的人工智能程序AlphaFold2,在2020年度的蛋白质结构预测大赛CASP 14中,取得了惊人的好成绩,在参赛的100多个团队中力压群雄,获得冠军。这是有史以来第一次根据蛋白质氨基酸序列预测出来的蛋白质结构,其准确性可以与使用冷冻电子显微镜、核磁共振或X射线晶体学等实验技术解析的3D结构相媲美。

在针对计算机、软件等非生物专业学生开设的“生物大分子结构模拟”实验课程中,教学团队引入AlphaFold2的例子,通过这一非生物专业研究人员跨界解决生物学难题的例子,培养学生交叉创新思维,激励学生利用所在专业知识和技能,从事、解决学科交叉领域的难题。同时,进一步介绍DeepMind公司后期公开AlphaFold2源代码的例子,以此告诉学生开放共享是值得推崇的科学精神,通过成果的共享,能极大加速科学技术的发展。

讲述经典实验 培养学生科学思维

“精彩纷呈的微生物世界”实验是“生命科学基础I”课内实验中针对测控(食品)、钱学森实验班、数学试验班等专业开设的实验项目。亓树艳老师结合新冠疫情,通过讲述不同年代科学家故事、引入微生物世界发现发展史,复盘曲颈瓶实验等方式,帮助学生建立对科学严谨性的认同,养成科学思维。

最初人们认为微生物是从没有生命的物质中自然发生的,被称为自然发生论,即破布中自然会产生老鼠,污泥中会生出泥鳅,我国古代也有腐草化为萤的说法。到了17世纪,基于植物和动物的生长发育和生活循环研究,自生说逐渐削弱,但是由于技术问题,如何证实微生物不是自然发生的,仍然是一个难题,也成为人们正确认识微生物生命活动的一大阻碍。直到著名的曲颈瓶实验的出现才将自生说彻底赶出了微生物世界的历史舞台。实验教学过程中,教学团队对曲颈瓶实验进行复盘:用一个有长颈的圆底烧瓶,装上肉汤,几天后肉汤便会浑浊发臭,用显微镜可观察到细菌存在;若把长长的瓶颈用火焰烧成弯曲状,则肉汤放置很长时间也不会变浑浊;若肉汤从弯曲处往瓶口倾倒,让液体接触瓶口,再让液体流回瓶中,几天后液体又会变浑发臭。通过讲述和比对让学生明确实验的本质,体会到科学严谨的实验设计的重要性,促使学生养成严谨的、科学的思维习惯。

教学过程中还通过讲述历史重大事件,如黑死病发生及世界各国的应对态度和几百年的惨痛教训等,结合目前全球新冠疫情的形式下各国的应对措施及结果,告诉学生只有秉持科学的态度,遵循事物发展的自然规律,坚持真理,才能推进事物向正确的方向发展,从根本上解决问题。

研发特色实验  启迪学生美学素养

教学团队在实验设计过程中结合科研结果自主研发了“荧光点亮微生物世界”特色实验,注重专业性的同时兼顾趣味性。

微生物是个庞大的家族,包括细菌、霉菌、酵母、蕈菌、病毒等各大类微小、肉眼看不到的生物群体。这些地球之王在世界上已经生活了34亿年,而我们人类仅仅是一个存活了700万年的“青铜”,这些“王者”对人类的影响不可谓不大,现在的许多热点名词都是微生物与人类“相爱相杀”的产物:如鼠疫、天花、非典等瘟疫,武侠小说中经常出现的让人觉得神秘莫测的瘴气,生活中经常提到的夫妻相,还有我们爱美女士们的口头禅——减肥。微生物的存在是我们的世界能够如此美丽多姿的原因,颜色各异娇艳欲滴的郁金香,甘甜可口的美酒,能够使土壤肥沃的根瘤固氮…… 这些都源于我们能够正确认识微生物、认识微生物之美,才能跟微生物和谐相处。

在实验过程中,学生要通过学习微生物基本知识,掌握微生物无菌操作技术,通过表达不同颜色荧光蛋白的微生物的培养,创作微生物绘画,将平时不可见的微生物世界展现在大家面前,激发学生的学习兴趣,通过美丽的微生物绘画表达对生活的热爱,也点亮自己的学习探索之路。实验得到学生、老师认可,并获央视新闻客户端等报道。

交叉创新为基,思政同向同行。“生命科学基础I课内实验”教学团队群策群力,深入挖掘课程育人潜力,为学生带来差异化、个性化专业教育的同时,坚持立德树人基本原则,以学生为中心,将思政教育与专业教育巧妙融合,给学生的心灵与思想以滋养。

文字:实践教学中心 生命科学省级实验教学示范中心(新太阳城) 教务处
图片:生命科学省级实验教学示范中心(新太阳城)
编辑:星火

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