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明道中學生物老師 帶學生研究基因工程、國際競賽拿金牌

2020-01-11 19:09經濟日報 文/張淳育

明道中學生物科技中心的標誌結合基因雙螺旋與齒輪符號,由陳沛鴻一手設計。 攝影/張...
明道中學生物科技中心的標誌結合基因雙螺旋與齒輪符號,由陳沛鴻一手設計。 攝影/張淳育

電影《侏儸紀公園》以複製、改造恐龍,開啟大家對基因工程的想像,然而現在基因工程不是只出現在科幻電影中,而是已成為高中生的專題研究主題。

台中明道中學讓學生嘗試以基因工程進行生物的合成,還連年帶學生到美國參加最初由美國麻省理工學院(MIT)舉行的國際基因工程生物競賽(International Genetically Engineered Machine Competition, iGEM),他們去(2020)年11月更以能淨化二氧化碳與有機揮發物的「微藻空氣淨化器」獲得金牌。背後的推手,是擔任明道科學教育委員會執行長與生物科教師的陳沛鴻。

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明道的生物科技中心前,掛著生物科技中心的專屬標誌,分別由代表生命科學的雙股螺旋與代表工程學的兩個齒輪組成,是陳沛鴻親手設計,顯示了他對生物科技的熱情。

陳沛鴻是明道校友,取得台灣大學醫學院微生物研究所的博士學位,具有深厚實驗研究基礎,更是生物基因改造的專家,在博士後研究時,開始對合成生物學感到著迷。一次返校的機會,認識重視工程教育的明道中學校長汪大久,因而開啟回母校發展生物科技教育的機會,並引領校內學生學習合成生物學。

他解釋,合成生物學是結合生物科技與工程學,解決人類遇到問題的學問。合成生物學領域建立在生命科學的研究基礎上,把基因視為可以編寫的程式碼,再透過「模組化」的概念,把一段段基因整理成各具功能的零件。研究過程中只要像樂高積木一樣組裝基因,大大簡化設計過程,因此只要具備相關實驗技術,就算知識不到位,仍然可以進行實驗與觀察,很適合國高中的初學者入門。

而iGEM競賽是MIT在發展合成生物學這門新興學問時,為了探討它的應用性與創業可能性而舉辦的大型專題研究競賽。除了做實驗,評分包括裝置設計、數學模擬、大眾推廣、網頁呈現、英語簡報製作、現場口頭簡報等項目,因此參賽團隊往往需要由跨領域人才組成。

明道在校長的支持下,從2014年開始每年都參加iGEM,讓學生以參賽作為探索、學習合成生物領域的具體目標,同時,也考驗學生團隊的時間管理與協作能力。「今年學生在美國簡報完後,評審很驚訝他們的水準,問我說他們真的都是高中生嗎?我想這代表他們真的表現不錯。」

陳沛鴻說,國中階段為前期推廣,培養學生對合成生物的興趣,學生升上高中部後,才進行甄選與集中培訓,並在學生升上高二的11月赴美參賽。為此陳沛鴻分別在國中部開設了數理拔尖的「生醫特色課程」以及選修的「生物科技人才培訓班」,提供學生生物科技相關的實驗技能,以及基因工程與分子生物學等基礎知識,讓學生了解DNA的運作機制。

陳沛鴻帶領的2019年明道iGEM團隊以淨化二氧化碳與有機揮發物的「微藻空氣淨化...
陳沛鴻帶領的2019年明道iGEM團隊以淨化二氧化碳與有機揮發物的「微藻空氣淨化器」為題,獲得金牌。 照片提供/陳沛鴻

在明道生物科技中心實驗室擺有一排的「微量分注器」,是分子生物學實驗室常用到的精細滴管,一般高中並不常見,陳沛鴻會在特色課程與選修課程中要求學生都要實際操作過,好掌握獨立進行生技實驗的實作能力。

國三下學期的甄選,陳沛鴻則要求學生自己組隊,並從生活周遭發想題目。今年參賽的「微藻空氣淨化器」就是學生從環保署推動室內二氧化碳濃度指標發想;2016年的題目「血酒機」則是希望改善、提供更好的酒測方案,而從血糖機的原理研發而來。

用以致學 符合素養導向探索精神

「學生參加iGEM,其實很符合新課綱素養導向的精神。」陳沛鴻說,素養導向強調知識、技能與態度並重,明道iGEM團隊以解決特定問題的態度出發,具備進行實驗的基礎能力,至於完成專題所需的知識,則是讓學生在研究的過程中逐步補強。「比起學以致用,我們更強調用以致學。」也就是透過實作發現不足的地方再學習,未來學生即使離開學校,也能夠有自學的能力。

也因此陳沛鴻要求學生要有嘗試解決問題的精神,如果遇到問題,可以上網找答案、翻書查資料,或是詢問校內外專家學者。他說,「一定要先嘗試用自己的方法思考,努力解決,而不是遇到問題什麼都沒做,就想要問別人。」今年做微藻空氣淨化器,他就讓學生自己找大學的藻類專家諮詢,他則是在平時做好和各大學的公共關係,提供學生嘗試與發揮的舞台。

明道高中部二年級的張曜鵬,主要負責微藻空氣淨化器裝置設計,需要學習使用3D列印機。他說,如果什麼都沒思考就跑去問老師,常常會被念,「老師會說,做不出來要先自己想辦法。即使遇到現階段無法解決的難題,也要持續放在腦中,不要因為無法解決而放棄。」

同樣是高二的周子捷,在團隊中負責以電腦進行數學模擬,用以對照和檢驗實驗結果。為了要用電腦操作模擬器,正確模擬實驗結果,他常要查很多英文資料,「有時候卡很久,我們就會問老師。關鍵字搜尋不到想要的,他就會用換句話說的方式,嘗試不同的關鍵字。」

高標準要求 失敗也是學習

除了獨立思考解決問題方法,陳沛鴻還常以高標準要求學生挑戰自我。他解釋,「因為他們都是很聰明的學生,帶他們朝目標前進,標準設得高,嘗試後才會知道自己的極限,看到極限後才會知道哪裡不足,境界才會不一樣。」對陳沛鴻來說,即使失敗了,也是一種學習。

負責生物實驗的高二陳秉毅就說,實驗做得再好,但如果沒辦法以「阿嬤也聽得懂」的方式說明,不容易讓大眾了解價值。「像溝通時最好不要中英文夾雜,也不要使用英文術語。」但在製作網頁時,因為溝通對象換成專業評審,「這時候就應該以英文使用精確的字句描述。」

陳沛鴻說,參賽時間逼進時,難免對學生的進度感到擔心,常常會對學生很嚴厲。不過他也為了專題研究,每天花比學生更多的時間在研究室,這些學生都看在眼裡。

張曜鵬記得暑假時,團隊成員來的人超過一半,眼看當天進度有望,老師鬆了口氣說要回家洗個澡,看球賽。他說,「看到老師每天這麼辛苦,特別買了老師喜歡的鐵觀音拿鐵,要給他一個驚喜。」隔天老師喝了飲料,還難得在臉書社團發了一篇感性的文章,讓大家很感動。

談到老師的趣事,學生你一言我一句,沒有人因為陳沛鴻高標準而不滿。對學生來說,他個性很好,專業能力強,給學生很多自由,雖然有點不會表達關心,卻是能啟發學生探索、突破極限的老師。

About 陳沛鴻

出生:1980年

現職:明道中學科學教育委員會執行長、生物科技中心駐校科學家、生物科老師

學歷:台灣大學醫學院微生物研究所博士

經歷:陽明大學生醫資訊研究所暨系統與合成生物學研究中心博士後研究

專長:生物基因改造

本文由《English OK》提供

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