К. В. Северинов. Новые направления преподавания биологии в американских школах

Если двадцатый век принято считать веком физики, то двадцать первый будет эпохой биологии или более точно – биомедицины и наук о жизни. Положение России в этой перспективной области нельзя признать удовлетворительным. В последнее время разработано несколько программ, реализация которых призвана сократить зависимость нашей страны от зарубежных лекарств и стимулировать разработку и производство инновационных лечебных препаратов внутри России. В частности, программа «Фарма-2020» предполагает производство двухсот инновационных лекарств в Российской Федерации в 2020 году. Учитывая мировой опыт по эффективности разработки медицинских препаратов и введения их в практику, выполнение требований программы означает, что в активной разработке должны находиться тысячи препаратов, лишь некоторые из которых дойдут до рынка. Очевидно, что обеспечение такого процесса квалифицированными кадрами во многом определит успешность программы «Фарма-2020» и других подобных программ. Другими словами, сегодняшние старшеклассники должны будут выбрать путь ученых и технологов – и в конце второго десятилетия 21 века они станут разработчиками российских инновационных лекарств. Тем самым в качестве важной задачи учителя биологии в школе следует рассматривать повышение интереса школьников к предмету с тем, чтобы те из них, кто имеет призвание и талант, связали свое будущее с науками о жизни, поступили в профильные  вузы и, в конечном счете, обеспечили бы прорывные разработки в будущем.

Как решить такую задачу? Я хотел бы рассказать о некоторых подходах, используемых для решения подобных проблем в США. Вопрос увеличения заинтересованности школьников современной биологией стоит там весьма остро, так как самые талантливые и мотивированные ученики мечтают, прежде всего, о высокооплачиваемых профессиях юриста или доктора, а не о «непрестижной» карьере ученого­-биолога в лаборатории. Некоторые из разработанных американскими педагогами методик могли бы с успехом применяться в российских школах.

Первый подход заключается в визуализации различных сложных молекулярно-биологических и биохимических процессов, что позволяет школьникам лучше усвоить материал. Лидером в разработке таких образовательных материалов является Образовательный центр ДНК (DNAlearningcenter) лаборатории Колд Спринг Харбор. На сайте центра (http://www.dnalc.org/) в свободном доступе выложены мультфильмы, иллюстрирующие основные стадии процесса передачи генетической информации (репликация, транскрипция, трансляция), а также некоторые клеточные процессы, как, например, механизм влияния гормонов на активность генов (http://www.dnalc.org/resources/3d/). В отличие от статических рисунков в учебниках эти анимационные фильмы дают возможность в динамике наблюдать процессы взаимодействия сложных биологических молекул, например, изучить трехмерное изображение процесса синтеза белка на рибосоме. Анимации научно корректны, в том смысле, что все «актеры»-молекулы, задействованные в них, реально соответствуют атомным структурам, полученным методами рентгеновского анализа, а изображаемые взаимодействия и различные конформационные перестройки точно отражают современное видение учеными описываемого процесса. Анимация сопровождается звуковой дорожкой, комментирующей происходящее. Язык, естественно, английский. Было бы очень неплохо качественно продублировать эти мультфильмы на русский язык и сделать их доступными для наших учителей. Эту работу планируется совершить при поддержке благотворительного фонда «Династия». На сайте Образовательного центра ДНК также выложены флеш-анимации, доступно, но корректно повествующие об основных методах молекулярной биологии, таких как цепная полимеразная реакция, молекулярное клонирование, генная модификация животных и т.д. (http://www.dnalc.org/resources/animations/). Это также очень полезная информация, которая может быть использована в учебном процессе.

Другим подходом, который приобретает все большую популярность, является использование технологий трехмерного прототипирования для самостоятельного построения учащимися объемных моделей биологических молекул. Многие помнят трехмерные модели ДНК, которые встречались в некоторых школьных кабинетах биологии. Разнообразие таких наглядных пособий было ограничено, большинство из них не были прочными и скоро приходили в негодность. Современные технологии трехмерного прототипирования позволяют ученику самому изготовить учебное пособие – структурную модель выбранной им биомолекулы, раскрасить ее (например, отметив различными цветами основания ДНК и атомы сахарофосфатного остова), а затем пронализировать созданную модель и лучше понять, как «функционирует» конкретная биологическая молекула. В общем виде подход выглядит следующим образом: после того, как выбрана интересующая молекула (в результате обсуждения с преподавателем), информация о ее трехмерной структуре сгружается из общедоступной базы данных (например, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/structure), а затем модель воспроизводится с помощью современных трехмерных фрезерных станков или принтеров. Материалом могут служить дерево, нейлон, пластик и т.п. При этом наличие в школе соответствующего оборудования совсем не обязательно. Модели могут выполняться в контракных центрах, обслуживающих множество школ из разных регионов, подобно тому, как это делается в набирающих популярностях Фаблабах (одна такая лаборатория недавно открылась в Московском лицее № 1502). Полученные модели раскрашиваются учениками и используются как для изучения структуры макромолекулы, так и для оценки возможности взаимодействия с другими молекулами (например, изучение связывания белка с ДНК) и образования комплексов (например, сложение субъединиц рибосомы). Вся эта деятельность естественным образом сопровождается работой с литературой, подготовкой рефератов и семинаром/выступлением учащегося с рассказом о проекте. В качестве иллюстрации такого подхода на рисунке продемонстрирована молекула РНК-полимеразы (фермента транскрипции), изготовленная учениками школы Пингри в Нью-Джерси. Дополнительную информацию о проектах, выполненных учениками этой школы, можно найти на школьном веб-сайте. (http://www.pingrysmartteam.com/models.htm).

Раскрашенная нейлоновая трехмерная модель РНК-полимеразы бактерий, сделанная участниками команды SMART(УМНИК) из школы Пингри. Показан кор-фермент РНК-полимеразы и отдельно лежащая субьединица промоторной специфичности s (оранжевая).

Третий и, пожалуй, самый любопытный подход связан с непосредственной попыткой организовать лабораторные занятия по экспериментальной биологии с учениками школ. В США широко распространена проектная деятельность школьников в лабораториях, когда старшеклассник сам связывается с той или иной университетской лабораторией и выполняет небольшие научные проекты с помощью студентов и аспирантов.

Такого рода деятельность активно стимулируется государством. Например, привлечение школьников к лабораторной работе или чтение лекций университетским профессором в школе существенно увеличивает шансы получения этим профессором грантов от Национального Научного Фонда (аналога Российского Фонда Фундаментальных Исследований) для проведения собственной научной работы. Другим заслуживающим внимания способом стимулирования является система небольших летних грантов, которые школьные преподаватели могут получить для работы в университетских лабораториях. В США учителям выплачивают зарплату в течение девяти месяцев учебного года, а летом они находятся в неоплачиваемом отпуске. Учитель, заслуживший летний грант, может рассчитывать на зарплату и летом, но должен работать (а, следовательно, повышать свою квалификацию) в университетской лаборатории. В университете, где находится моя американская лаборатория, летние гранты получают «команды», состоящие из учителя биологии и одного-двух старшеклассников. Совместная работа такой команды особенно эффективна и часто приводит к очень интересной динамике взаимоотношений ученика и учителя, которые вместе обучаются лабораторной работе. Информация об этой программе доступна на сайте http://www.waksman.rutgers.edu/education/education/scholars.

Очевидно, что не все школы находятся поблизости от университетов. Для организации лабораторной работы в таких школах разработаны замечательные учебные наборы, которые позволяют привить ученикам вкус к лабораторной работе. Каждый набор содержит достаточное количество реагентов и материалов для одновременной работы 15-25 учеников. Большинство наборов конфигурировано таким образом, что опыт или занимает один-два академических часа, без перерыва, или проводится в течение нескольких академических часов с суточными перерывами (например, для роста бактерий). Наборы почти не требуют дополнительного специального оборудования, за исключением холодильника с морозильной камерой, печи СВЧ и, для некоторых наборов, термостата. Для оценки того, насколько применимы такие наборы в условиях российских школ, на базе учебного центра моей лаборатории в Институте биологии гена РАН осуществлена пилотная программа тренинга двенадцати учителей биологии. Тренинг реализован при финансовой поддержке благотворительного фонда «Династия». Информацию об этой программе, которая с 2012 года будет проводиться ежегодно, можно найти на сайте http://www.polit.ru/news/2011/01/12/biology_training/.

В ходе тренинга педагоги ознакомились с учебными наборами фирмы Bioradпо выделению человеческой ДНК, трансформации бактерий, выявлению зеленого флуоресцентного белка методом колоночной хроматографии и проведению иммуноферментного анализа. По окончании тренинга учителя получили все виды наборов и в течение третьей и четвертой четвертей 2010/2011 учебного года использовали их для работы со своими учениками. Итоги были озвучены на ежегодной летней конференции учителей, проводимой фондом «Династия». Результаты превзошли все ожидания. Самое главное, что педагоги очень творчески отнеслись к наборам: они изменяли условия эксперимента в зависимости от условий школьной лаборатории, сами придумывали варианты постановки эксперимента, не прописанные в методических руководствах, находили способы замены отсутствовавшего оборудования (например, использование подогреваемого аквариума вместо термостата)  и т.д.  Школьники также отреагировали на программу с очевидным энтузиазмом, так что во многих школах приходилось ограничивать доступ желающих поучаствовать в программе. Большинство учителей, участвовавших в программе, выдвинули своих учеников на различные городские и краевые конкурсы, и ребята заняли там призовые места со своими работами. Мы также с успехом использовали учебные наборы Biorad в мастерской по молекулярной биологии на летней школе проекта «Школьная лига РОСНАНО» в Пензе («Наноград-2011») и на уроках биологии в московских школах № 192 и 199.

Основной вопрос, который задавали учителя-участники программы на летней конференции фонда «Династия» – это: «Где и как можно приобрести такие наборы?». Это, к сожалению, серьезная проблема. В США подобные наборы стоят около $100, свободно приобретаются через интернет и доставляются в школу в течение нескольких дней. В России такие наборы можно закупить через представительство компании Biorad, но стоят они около $300, доставка в Москву занимает несколько месяцев, а сама номенклатура наборов очень ограничена. Для решения этой непростой ситуации в настоящее время нами ведутся переговоры с Фондом Бортника и представителями Министерства образования и науки РФ с целью организации разработки, сертификации и производства таких наборов в России.