遺 傳 學 實 驗 教 學 的 改 進 與 實 踐

何世斌， 王翔伍， 吉逢逢, 吳禮芳， 王 基

(河南大學 生命科學學院，河南 開封 475004)

0 引 言

遺傳學是生物學中一門重要的基礎學科，孟德爾遺傳規律的重新發現，標志著遺傳學的建立[1]。遺傳學經歷了1個多世紀的快速發展，已經從個體水平，細胞水平發展到分子水平，其相關理論知識已經應用于生產生活的各個方面[2-3]。然而，遺傳學發展的每一個重要歷程都離不開實驗數據的統計分析，從遺傳學3大定律(分離定律、自由組合定律、連鎖互換定律)的發現，到現在各個物種遺傳圖譜、物理圖譜的完成，都和實驗驗證息息相關，這就決定了遺傳學這門學科的特點——理論與實驗緊密結合[4-5]。因此，實驗教學是遺傳學教學的一個重要組成部分，一方面可以激發學生的學習興趣，加深學生對理論知識的理解；另一方面可以提高學生的動手能力、設計實驗和解決實驗問題的能力，培養學生的創新思維，進而全面提升學生的綜合素質[6]。遺傳學實驗已經成為生命科學教學中一門不可缺少的基礎課程，目前高校生命科學專業中基本都開設了這門課程，許多高校教師為了提升教學效果，進行了很多探索性的嘗試[7-10]。筆者結合教學實踐，通過優化教學內容和模式，完善考核方式，提高教學質量，指導學生由基本技能向綜合技能發展，最終培養學生的創新能力。

1 優化教學內容

目前，生命科學發展迅猛，遺傳學相關的新知識，新技術層出不窮，而且與分子生物學、細胞生物學等課程的內容緊密相連[11]，這就決定了遺傳學實驗教學有以下兩個特點：①教學內容要與時俱進，在保留一些經典傳統的實驗內容的基礎上，也要及時添加一些新的實驗內容，注意綜合性設計性實驗的開設，使學生掌握更多的實驗技能；②本課程與其他實驗課程既要有銜接也要避免重復，要突出遺傳學實驗課程的特點。因此，將遺傳學實驗課程的內容分成了4個板塊：經典細胞遺傳實驗，群體遺傳實驗，分子遺傳實驗(綜合性實驗)和設計性實驗。遺傳學實驗課共設36學時的教學課時，4個板塊8個實驗(見表1)，8個具體的實驗內容不再規定具體的學時數，而是以其歸屬的板塊總學時數為準，這樣可以合理安排課時，有利于學生在有限的課時中學習到更多的知識和技能。

表1 遺傳學實驗內容和學時安排

講解經典遺傳實驗，目的是培養學生的動手能力和實驗結果分析能力；通過綜合性實驗的開設可以培養學生的綜合分析能力和運用多學科知識解決問題的能力；設計性實驗有助培養學生的創新能力，從而激發學生對科研產生濃厚的興趣。經典細胞遺傳實驗的教學內容主要包括有絲分裂和減數分裂的觀察以及染色體核型分析。在群體遺傳實驗教學內容中，主要是讓學生對理論課上學習的群體遺傳平衡定律有更深刻的理解。以學生感興趣的對象為實驗內容，比如讓學生品嘗苯硫脲溶液，進行味盲基因的調查；測量學生的血型，調查ABO血型基因的分布；以及觀察一些面部特征，如耳垂的有無，鼻梁的高低等，通過統計多個指標，讓學生驗證群體遺傳平衡定律。在綜合性實驗中，通過綜合多種分子遺傳實驗技術，以分子標記技術在遺傳育種中的應用為實驗內容，同時也避免了與其他課程的分子實驗內容相重合，突出了遺傳學實驗課的特點。設計性實驗板塊的教學內容主要包括遺傳學3大定律的驗證、基因的表達與調控以及遺傳學一些新技術的學習(比如熒光原位雜交、染色質免疫共沉淀、轉基因等技術),這些實驗由教師提供實驗所需的材料,學生可以選擇其一作為實驗內容。此外，學生也可以根據所學知識設計一些實驗，由教師提供實驗所需的試劑、儀器，讓學生進行探索，并且鼓勵學生進實驗室，積極參與科研項目，學習更多的實驗技能及知識。

2 改進教學模式

理論教學注重學生基礎知識的學習，而實驗教學則注重培養學生的動手能力，讓學生能夠獨立解決實驗中所遇到的問題，培養創新思維，加深對理論知識的理解。但是學生往往不太重視實驗課，如何提高學生的興趣，獲得好的教學效果，很多教育工作者也在不斷地探索中。

2.1 以學生為中心

長期以來，實驗教學大多受實驗場地及時間的限制，往往以教師講解加演示的方式為主，學生只是被動地觀看，導致學生的積極性不高。為了改善上述的教學模式，在實踐中采用“以學生為中心”、靈活多樣的教學模式，積極調動學生的興趣[12]。提前告訴學生實驗內容，讓學生主動參與實驗材料、試劑的準備，利用網絡資源設計實驗方案。課堂上教師先對實驗原理進行講解，然后學生對實驗內容進行討論，確定實驗方案，教師針對實驗中某些較難的操作進行演示，同時播放一些視頻資料給學生參考。基礎實驗內容要求每個學生都親自動手操作，周期較長的綜合性和設計性實驗，由學生自己分組，通過組內合作，完成實驗。在實驗過程中，可以有多種方案，鼓勵學生進行嘗試，并對實驗結果進行思考，寫出實驗心得。比如在有絲分裂和減數分裂的觀察實驗中，細胞解離方法和時間可以依據實驗材料靈活多變，學生自己可以嘗試，解離時間較短會導致細胞核不分散，解離時間較長會導致細胞核變形，學生通過自己摸索，思考實驗中遇到的問題，可以提高學生的積極性，提升學生在實驗中的主體地位。

2.2 合理安排課時

在實驗課中，課時往往有限，在有限的教學課時中，既想讓學生掌握傳統的遺傳學相關的實驗技術，又想讓學生對一些新的實驗技術有所了解，開設學生感興趣的實驗內容。因此合理安排課時，采用課上與課下相結合的方式。比如在細胞遺傳實驗教學中，大部分的實驗技術原理是相似的，盡量將這部分課時壓縮，把相關的實驗合并。如有絲分裂和減數分裂的觀察，相關的技術原理是一樣的，都是解離細胞核，然后進行染色體的制備和觀察，將植物或動物的有絲分裂和減數分裂觀察的實驗設置為一個實驗內容。學生在做完這個實驗之后，已經掌握了染色體的制備和技術，把染色體制備和染色體的核型分析設置為一個實驗內容。在這個實驗中，學生首先進行染色體的制備，然后由教師講解如何進行核型分析，最后學生將制備得到的染色體進行核型分析。這樣改變以往只給學生一張染色體圖片的實驗教學方法，讓學生對自己制備的染色體進行核型分析，把染色體一條一條進行排隊，充分提高了學生的實驗積極性。

開展綜合性和設計性實驗是學科發展的必然要求，可以提高學生的綜合素質。但是這些實驗內容的周期相對較長，不能在幾個學時內完成，因此這些實驗內容在課堂上先主要進行講解，示范性操作，然后集中周末的時間，提供實驗場地，具體內容再讓學生進行操作。在分子標記技術遺傳育種的應用實驗中，學生在其他實驗課上已經學過DNA提取、聚合酶鏈式反應(PCR)、電泳等技術，這些技術就不用在課堂上再進行講解，教師只需要講解如何利用分子標記進行基因的定位及輔助育種。結合科研上用的材料，讓學生鑒定出與產量性狀緊密連鎖的分子標記。首先給學生分組，讓學生利用課余時間去實驗田里測量小麥產量相關的一些指標，如穗長、分蘗數、千粒重等(可以每組學生分別測量一個指標)；然后分組采集小麥葉片，提取DNA，利用教師所給的分子標記引物，進行PCR、電泳、統計電泳條帶；最后結合測量的指標數據，進行聯合分析哪些分子標記和產量性狀緊密連鎖，并可以在以后的小麥育種中使用。在這些實驗中，通過合理分配實驗課時，學生可以學到多種實驗技術，也對分子標記如何進行輔助育種有了更深刻的了解。在遺傳學三大定律的驗證實驗中，考慮到實驗的周期，我們以果蠅作為材料[13]。課堂上教會學生如何分辨果蠅的各種突變體的性狀，果蠅的雌雄以及如何對果蠅進行麻醉，把果蠅的培養及雜交、驗證后代分離比例都讓學生利用課余時間進行。學生自己分組，設計實驗去驗證三大遺傳定律，并且學會分析的方法，這些實驗設計思路和分析方法可以應用于以后的科研和工作中。學生在理論課上學習了基因的表達與調控，但在實驗課上接觸相關的實驗內容較少，為了讓學生更好的理解基因的表達調控，由教師提供實驗材料，指導學生模擬干旱、高溫等條件，集中學生周末的時間，教會學生進行RNA提取、反轉錄、熒光定量PCR等實驗，并且學會分析基因表達量的差異。

一些新技術的學習(比如熒光原位雜交、染色質免疫共沉淀、轉基因技術等)，所用實驗試劑價格相對昂貴，實驗步驟相對復雜，課堂上集中講解實驗技術原理，課下分批組織學生進實驗室跟研究生進行學習。

2.3 加強實驗室建設

實驗教學離不開硬件設施的配置，建設設備齊全的遺傳學教學實驗室，可以進一步提升教學水平[14]。我校為加強實驗教學，整合共享資源，按照大學科、寬平臺的理念，建設了一個集管理、教學于一體的校級基礎實驗教學中心。學校統一建設、集中管理、重點投入，使中心在短期內快速發展，硬件達到較高水平，實驗教學取得了顯著成效。實驗室配置的儀器一應俱全，比如冷凍離心機，熒光顯微鏡，實時定量PCR儀等，為學生順利開展實驗提供了保障。另外在實驗過程中，有些實驗現象難以描述，引進了Motic顯微數碼互動系統，該系統可以實時直觀地對實驗現象進行講解，便于學生理解實驗現象[15]。比如，有絲分裂和減數分裂的觀察，學生受到教科書模式圖的影響，認為中期染色體排列在赤道板上，而實際操作過程中，細胞核是個立體的結構，中期染色體常常是分散排列的，學生往往觀察不到染色體。有了顯微數碼互動系統，可以實時對學生觀察的實驗現象進行講解，對一些實驗中遇到的共性問題，進行集中指導。學生觀察到的圖片，還可以及時保存，上傳給教師，作為平時成績評定的一個標準。

3 完善考核方式

制定一個良好的成績評價考核體系，可以有效檢驗學生所學實驗技能的效果，激發學生學習的動力，有助于形成良好的學風[16]。實驗課程的考核不同于理論課，主要在于平時實驗操作的考核，因此，將期末考核分為實驗操作和筆試，并且將期末成績的比重減到30%，平時成績的比重提升到70%。平時成績的考核分為3個部分，課堂表現占30%，實驗報告占30%，考勤占10%，而且每個實驗的比重是有區別的，綜合性和設計性實驗的成績所占比重要高一些。由于以前實驗操作很難科學地進行評價，平時成績的考核完全依賴實驗報告，引進了Motic顯微數碼互動系統，教師可以實時觀察學生的操作，學生可以在線提交實驗結果。實驗報告，尤其是綜合性和設計性實驗的報告，嚴格要求學生按照科技論文的標準(從實驗原理和目的意義，材料方法，結果與分析等方面)進行撰寫，從而提高學生對實驗課的重視程度，提高學生的語言表達能力和邏輯思維能力。在平時成績考核中，引入獎勵機制，對實驗操作或者實驗報告的撰寫等方面表現突出者，實行加分政策。通過多樣化的考核方式，激發學生學習的興趣，真實地反映學生對實驗課的掌握程度。

4 結 語

遺傳學是生命科學專業的核心課程，遺傳學實驗課程也是遺傳學教學過程中不可或缺的一部分。以上僅是根據教學經驗，從教學內容、教學模式、考核方式3個方面對遺傳學實驗課程改革的幾點經驗總結。然而科學技術發展日新月異，遺傳學中的新知識、新技能也不斷涌現，而與之配套的遺傳學實驗的教學內容、教學方式也需跟上時代的步伐，進行不斷的更新和完善；主講教師更需要不斷提升自身的專業水平，與時俱進；國家與學校相關的職能部門應給予更好的政策和支持，為了更好地提高教學質量，提升學生的綜合素質，培養出優秀的生命科學人才而共同努力。