人類性狀遺傳學開放實驗的設計和實踐

王多佳，趙 寧，張 會，李劍虹，李 杰

(東北農業大學生命科學學院，黑龍江哈爾濱 150030)

遺傳學是研究生物遺傳和變異的科學，是生命科學最重要的分支之一[1]。遺傳學是農業院校生物工程、生物技術、動物醫學、農學、園藝、植物保護等專業的一門重要專業課。由于遺傳學的內容復雜、抽象、深奧、枯燥，學生普遍認為它是非常難以學習和掌握的一門課程。開放實驗課是理論知識與技術實踐的結合，是培養學生綜合能力的理想平臺。有目的的實驗活動和研究工作就是啟迪學生創新思維能力的有效途徑[2]。為此，在生物類課程的實驗教學活動中，教師適時地有針對性地設計綜合性實驗，以此來調動學生的主觀能動性，激發學生的創造性思維，增強對學生分析問題、解決問題能力的培養，從而為創新能力的培養奠定基礎[3]。

1 教學實驗涉及多個遺傳學知識要點

愛因斯坦曾經說過：“興趣是最好的老師”，濃厚的興趣能激發學生的學習潛能，對學生產生無形的動力，從而達到良好的學習效果[4]。在實際教學中，激發學生的學習興趣對促進學生積極學習具有十分重要的意義。人們在日常生活中經常遇到許多與遺傳學知識相關的問題，特別對涉及自身遺傳的問題，諸如人類遺傳病、生男生女、人類性狀遺傳等有著極大的興趣。通過自己親自動手做實驗而了解自身的遺傳性狀信息，則會引起學生的極大興趣，從而增加學習的主動性。人類性狀遺傳分析綜合性大實驗設計也是基于這樣的興趣，人類性狀的遺傳涉及范圍十分寬廣，而選擇的實驗項目要盡可能地提起學生的興趣和參與的積極性，同時又能涵蓋盡量多的遺傳學知識(表1)，例如人類性別決定長久以來認為是染色體決定的，但是XY女性和XX男性的出現說明最終決定性別的是基因，通過sry基因的PCR驗證，加深了學生對知識點的理解，同時該實驗操作難易適中， PCR、電泳、酶切都是非?；A且重要的分子遺傳學實驗，可以很好地得到結果(表2)。

2 教學實驗設計及整體思路

出于安全的考慮，利用口腔上皮細胞作為研究材料，利用口腔試子基因組DNA提取試劑盒(天根公司)，提取每個學生的口腔上皮細胞基因組DNA，并以此為材料進行以下4個單元的分析：①人類性別決定基因(SRY)的遺傳分析；②DNA指紋的分析；③人ABO血型基因型分型實驗；④PTC味盲基因的群體遺傳分析。

在完成這些實驗之前還要進行遺傳學實驗室常用設備和儀器的使用方法學習，PCR技術、酶切，以及瓊脂糖凝膠電泳的分子生物學基本實驗的學習與實踐。

學生自行組成4隊，每隊大約3～6人，每隊選擇一個組長，作為實驗組織、推進的總體負責人，在實驗完成后，每隊要選擇一個代表將實驗結果和分析以PPT的形式進行匯報。

對于實驗的基本技術步驟，提供基礎的參考資料和多次預實驗中比較好的方案，保證大實驗的順利進行。此外，還要掌握群體遺傳的數據調查方法和數據分析軟件的原理與應用。以全班學生或參加本次大實驗的全體學生為一個類似孟德爾群體，調查每一個學生的血型基因型，統計群體的基因型頻數，根據 Hardy-Weinberg 遺傳平衡定律和群體遺傳數據分析方法，應用 Popgene 軟件計算等位基因頻率等各種群體遺傳參數并對群體平衡進行檢驗[5]。

最后，以小組為單位，按學術期刊文章格式完成大實驗報告，目的是讓學生了解現實社會中學術交流的基本途徑，學以致用，設計的整體思路見圖1。

2 教學實施過程

整個開放大實驗的時間定為每個春季學期(普通遺傳學理論課也在這個學期)。開放實驗從第8周開始進行到第16周結束，其中指導教師要統一上3次課，一般集中在前兩周完成，一般每周1～2次課，最后1次課安排在最后一周，主要為了方便總結和分析。

表1 人類性狀遺傳學開放實驗涉及的遺傳學知識要點

注：難度指數指該實驗的操作難度，*越多表明越難操作，*****表明操作難度最大；興趣指數指學生對該知識點的感興趣程度，*越多表明越感興趣，*****表明感興趣程度最大。數據主要來源于教學過程中學生的反饋和總結

Note：The difficulty index refers to the difficulty of the operation of the experiment，and the more *，the more difficult it is to operate，***** shows the greatest difficulty of operation；Interest index refers to the degree of interest to which the student is interested in the knowledge point，and The more *，the more interested it is，***** shows the greatest degree of interest.The data are mainly derived from the feedback and summary of the middle school students in the teaching process

表2 人類性狀遺傳學開放實驗涉及的分子生物學技術

圖1 人類性狀遺傳學開放實驗整體思路Fig.1 The gerenal idea of the human genetics opening experiment

第1次課先介紹大實驗的學生分組原則和總體要求，然后是實驗內容——DNA 的提取與檢測；第2次課是目的片段的PCR 擴增；第3次課是電泳檢測及酶切；第4次課是電泳結果分析及群體遺傳分析，以《遺傳學》第三版實驗教材為操作指南[6]。

第1次課要強調學生分組的自愿組合，明確每人分工負責的工作，出現問題的解決原則。需要學生掌握口腔上皮細胞的取樣方法、DNA 的提取技術示范與操作和提取的 DNA 濃度的檢測。

第2次課的重點是需要學生學習PCR 擴增的原理和引物設計的原則，包括sry 基因的引物設計、ABO血型的引物設計、DNA指紋的引物設計以及PTC味盲基因的引物設計。退火溫度的優化以及PCR儀的操作使用等。

第3次課的重點是酶切原理、RFLP技術原理以及瓊脂糖凝膠電泳技術示范與操作。

第4次課的重點是電泳結果分析，群體遺傳分析以及學生的總結報告。

由于整個人類性狀的實驗內容很多，很多實驗的核心技術如PCR、電泳等都是類似操作，考慮到課時有限，允許每個實驗小組選擇自己感興趣的2～3個單元進行操作。

學生自主選取實驗單元后要計劃實驗方案，由每組的組長組織撰寫試驗計劃并和組員討論，最后和指導教師討論確定每個小組的計劃方案。計劃方案通過后，學生可利用實驗室開放時間完成實驗，分析實驗結果。這樣既可以在規定時間完成開放實驗的基本內容，保證大實驗的連續性和完整性，又可以鍛煉學生自主設計和駕馭實驗的能力。

由于整個大實驗是分組進行的，各小組間完成進度不一，各次實驗間時間上可能會有重疊。為了了解各小組的進度并提供有針對性的指導，確保每個小組都完成了所有技術環節，每個小組要將完成的階段實驗結果給教師看，教師檢查合格后需在“實驗進程項目考核單”上簽字認可，然后才能進行下一階段的實驗，直至完成全部大實驗內容。

3 教學效果及學生評價

整個大實驗完成后，各小組需按要求提交實驗總結、實驗報告、實驗記錄、調查問卷及實驗感想等材料。

實驗報告是指導教師上課的內容，按照實驗實習報告的要求撰寫，實驗項目的目的、原理、材料、方法、步驟及結果分析，要求工整、簡潔、準確、格式正確。

實驗記錄主要是實驗過程的真實反映，要求實驗數據要真實、可靠、詳盡。

實驗感想則是每個學生在實驗結束后的心得體會、感悟與收獲。很多學生都寫到開放實驗讓他們對實驗室工作有了全新的認識，激發了他們對遺傳學的興趣，鍛煉了動手能力，并且讓他們更加重視團隊協作，也磨練了個人的意志，這些都是在課堂中學不到的知識。

通過調查問卷分析，在做開放實驗的73人中，共收回有效問卷69份。其中認為開放實驗條件(儀器，設備、材料等)能達到要求的達到62.3%，基本能達到要求的占37.7%。對開放實驗持積極態度的達到91.3%，其中參加開放實驗目的是為了鍛煉能力的達到76.8%，獲取課外知識的占30.0%以上，只有不到5.0%的學生是為了學分或者其他原因參加開放實驗，經過一段時間的實驗，感覺收獲很大提高很多的學生占到49.3%，感覺略有提高的占到44.9%，還有4.0%的學生感覺沒什么提高。

4 結語與討論

人類性狀遺傳學分析開放實驗綜合了經典遺傳學、分子遺傳與群體遺傳的理論知識，深化了遺傳學實驗的內容；學生自主設計實驗，培養了學生駕馭知識的能力；開放實驗室允許學生反復操作，有充足的時間向教師和同伴學習，直到掌握分子遺傳實驗技術；分組實驗培養學生相互協作的團隊精神。整體而言，達到了讓學生掌握分子遺傳實驗技術、群體遺傳數據分析技術、培養學生的創新思維、提高學生實際動手能力和綜合素質的目的。這個大實驗通過 3年的教學探索與實踐，從實驗結果及學生反映看，激發了學生的學習熱情，取得了很好的教學效果。當然也存在一些問題，諸如指導教師工作量過大，學生單獨輔導不過來，個別學生出工不出力、實驗設備經常損壞、實驗設計過于依賴老師，還有開放實驗時間不集中，組別之間差異很大，有的組遇到問題時不能快速解決，越落越遠的現象。因此，這就需要投入更多的人力物力，尋找更行之有效的實踐手段，去思考設計更加新穎、創新的實驗方案，采取更加靈活的評估手段，滿足新形勢下開放實驗教學的需求。

如今現代的遺傳學實驗技術已廣泛滲透到生命科學的各個分支領域，并正在發揮其獨特的作用。實驗實踐教學環節為培養大學生的探索精神、科學思維、實踐創新能力和科學研究素養提供了條件，并且可以提高學生的實際動手能力和分析問題、解決問題的能力[7]，知識綜合能力和創新能力，還可以影響學生的世界觀、思維方式和工作作風，學生在參與科研中可以感受、理解知識的產生和發展的過程，養成科學精神和創新思維的良好習慣，在科研的準備、確定方案、進行實驗和實驗后的總結分析全過程中，能夠使學生收集信息的能力、獲得新知識的能力、分析解決問題的能力和團結協作的能力得以培養和提高[8]。

[1] 劉慶昌.遺傳學[M].3版.北京：科學出版社，2015.

[2] 張旭，劉立龍，趙鐵豐，等.關于生物類課程實施創新教育的幾點思考[J].畜牧與飼料科學，2011，32(12)：30-31.

[3] 孫世鵬，李銳.樹立實驗教學在創新教育中的核心地位[J].文教資料，2005(33)：17-18.

[4] 李雅軒，趙昕，張飛雄，等.案例在遺傳與優生教學中的應用[J].遺傳，2012，34(5)：647-650.

[5] 趙健，胡冬梅，于大德，等.人類血型性狀綜合遺傳大實驗的設計和教學實踐[J].遺傳，2016，38(5)：461-466.

[6] 喬守怡，皮妍，吳燕華，等.遺傳學實驗[M].3版.北京：高等教育出版社，2015.

[7] 李春紅，郭玉華，呂香玲，等.激發與培養學生學習遺傳學興趣的教學途徑[J].沈陽農業大學學報(社會科學版)，2011，13(4)：460-463.

[8] 皮妍，李曉瑩，懷聰，等.以人類血型為遺傳學案例教學的思考與實踐[J].遺傳，2013，35(8)：1040-1044.