明道中學生物老師陳沛鴻 引領學生研究基因工程
文、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），他們今（2019）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。
合成生物學 把基因當樂高玩
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。
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
