遺傳學實驗混合式全程參與性教學探索

王曉雯， 張建奎， 張正圣， 張 建， 周清元， 桑賢春

（西南大學農學基礎實驗教學中心，重慶 400715）

0 引 言

遺傳學是以實驗為手段來認識生物的遺傳變異與進化規律的科學，是生物類、植物生產類、草學類等專業的核心基礎課程［1-3］。隨著現代分子生物學等相關學科的發展，遺傳學新的理論和技術不斷涌現，提升遺傳學教學內容和教學技能對學科發展和人才培養至關重要。遺傳學實驗不僅從實驗角度驗證了遺傳學理論知識，而且鍛煉了學生的動手能力和科研思維，是遺傳教學中不可或缺的組成部分［4-5］。遺傳學實驗教學的難點是技術更新快、信息量大和實踐性強，傳統教學以觀摩式為主、參與式為輔，不利于學生動手能力的培養。為此，部分高校進行了改革，增大了學生的參與度，并取得了一定的效果。然而，由于遺傳學實驗發展迅速、所覆蓋的知識面和技能訓練內容較廣等，實驗往往不能取得預期效果，不利于學生科研思維的培養。

“互聯網＋教育”是互聯網科技與教育領域相結合的一種新的教育形式。隨著“互聯網＋教育”的發展，傳統課堂不斷融入了許多新的教學組織形式，如：MOOC（massive open online courses）、微課、翻轉課堂等，既充分利用了空間和時間優勢，又提高了學生的主體地位，受到學生的廣泛歡迎［6-7］。但“互聯網＋教育”模式在實驗課程中的應用遇到了許多難題［8-9］。如學生無法從屏幕教育中切實感受實驗過程，很難認知實驗細節，從而導致實驗成功率降低；學生無法從屏幕教育中體驗教師的人格魅力和言傳身教，無法體會到實驗教學中的“遇物則誨，相機而教”；面對綜合能力不同的學生，缺乏針對性的教育。這些都影響了實驗課程培養目標的達成。

為探索互聯網下傳統教學的新模式，完善“互聯網＋教育”在實驗課程中的應用，2010年至今，筆者以翻轉課堂為基礎［10-12］，依托重慶市重點實驗室農學基礎實驗教學中心、轉基因植物與安全控制重慶市重點實驗室和南方山地農業教育部工程技術研究中心等教學科研平臺，以“基于綜合、立于專業、歸于個性”的人才培養理念，對遺傳學實驗教學內容、教學模式和考核方式進行了不斷的探索和優化，摸索出了一套線上線下、課堂內外相結合、全程參與性的遺傳學實驗教學新模式。該模式以過程管理為核心，激發了學生的學習興趣，發揮了學生的主動性和創新性，取得了良好的教學效果。

1 實驗教學內容的系統化整理

遺傳學涉及植物、動物、微生物、醫學等多個領域，實驗項目內容廣而雜［13］。為了適應以植物為主要研究對象的植物生產類專業特點，提高學生的動手能力和創新意識，對實驗理論和實驗技術進行了不斷的迭代更新。

1.1 內容模塊化

遺傳學實驗采用了模塊化教學，即細胞遺傳學、質量性狀遺傳學、突變的誘導分析、分子遺傳學、群體和數量遺傳學5個實驗模塊［14］。其中每個模塊都包括實驗基礎知識和實驗技術，這讓繁雜的遺傳學實驗內容變得系統化，更有針對性。遺傳學實驗共設36學時，6個實驗項目，其中包括驗證性實驗2個、綜合性實驗3個和創新性實驗1個。驗證性實驗將經典遺傳學與現代遺傳學相結合，如孟德爾兩大遺傳規律的驗證，既有傳統的基于表型的驗證，又增加了利用SSR

分子標記的DNA水平驗證，讓等位基因、基因型和表型之間的聯系變得直觀化、形象化，便于學生理解［15］。同時利用SSR分子標記驗證連鎖遺傳規律，將科研的新進展融入教學之中，調動了學生開展科學研究的積極性［16］。綜合性實驗將驗證性實驗與創新結合起來，如植物根尖染色體標本片的制備和觀察等。學生在掌握有絲分裂染色體圖像準確識別的同時，根據學生的興趣，提問性引導學生將普通遺傳學中的理論知識染色體的數目變異和結構變異引入實驗，開展創新性實驗設計。創新性實驗主要涉及分子遺傳學模塊，按實驗難易程度開設。學生根據自己對理論知識的汲取和內化能力、動手操作能力和興趣，自由組合，自由選擇與之能力相匹配的實驗項目，有利于鍛煉不同學生的創新能力，達到個性化發展。驗證性實驗以線下為主，綜合性和創新性實驗線下線上、課堂內外相結合，從而實現了實驗教學的系統性和連貫性。

1.2 增設實驗基礎知識

在每個模塊的實驗項目之前，對每一章實驗基礎知識包括理論基礎、研究方法和實驗技術（見表1）進行梳理、概括和串講，讓學生從宏觀上掌握每個模塊的體系，對該模塊有一個整體的把握，避免“只見樹木、不見森林”的現象，引導學生利用遺傳學實驗進行相關的探索，從而達到利用實驗推導理論的目標。如染色體標本片的制備和觀察實驗，學生在操作之前，了解并掌握不同材料的取材和處理方法、試劑特性、不同制片方法、染色體的分析方法等，鼓勵學生利用不同的材料和方法開展實驗，根據實驗結果推導結論，然后利用實驗得出的結論檢驗遺傳學理論教學內容。在實驗教學中，學生利用實驗基礎知識對實驗過程中出現的疑難問題、異常現象等進行常識性解讀，提高學生的自主能動性，培養解決科學問題的科研精神。實驗基礎知識的學習以線上教學為主、線下教學為輔，該模式不僅解決了教學內容多與教學課時有限的矛盾，而且學生在課前可隨時學習，提高了學生的能動性。

表1 遺傳學實驗基礎知識

2 混合式教學下全程參與性教學模式在遺傳學實驗教學中的應用

2.1 教學模式的特點

（1）以學生為中心，強調過程管理。為提高學生探索問題、解決問題的能力，必須激發他們的實驗熱情。以學生為主體的全程參與性教學，強化過程管理是行之有效的教學模式。為此，在遺傳學實驗教學關鍵環節中設置“打怪獸式”教學任務，每個任務為一個怪獸，動手操作之前，引導學生通過自主學習解決掉一個個怪獸。教學任務由易到難、呈遞進式。如染色體的觀察和分析實驗，首先安排第1個任務：如何根據植物的生長特點掌握不同材料最佳取材時間和部位？學生在完成第一個任務和相應的實驗后，下發第2個任務：材料如何處理？以此類推完成第3個任務：染色體如何制備？及第4個任務：染色體，尤其變異的染色體，數目和結構如何進行分析？每個實驗環節之前，學生帶著任務去查文獻、了解實驗基礎知識和技能，以激發學生的學習內動力。實驗操作過程中鼓勵學生全程參與，包括實驗的設計與開展、結果的討論與分析，甚至實驗考核也都有學生的身影，在參與中培養自信心、責任心，在努力中學會思考，真正體驗學習的快樂和成就感。在實驗過程中，面對學生層次不同、人數較多等問題，有限的教師如何做到因材施教，采用了教師為主，小組PI和班級“小老師”為輔的分層教學。教師根據學生線上線下的表現情況，每班選拔3～5名學生為“小老師”，負責較難實驗的教輔工作。

（2）線上與線下、課堂內外相結合。為了使學習多元化，將“互聯網＋教育”的教學形式引入到遺傳學實驗的教學中，線上教師一對一施教，線下小組PI帶隊和“小老師”一對一輔助，獨立操作和小組開展協調進行，形式靈活，既解決了實驗場地和學時的有限性，又實現了個性化教學，具有針對性，全面提升了學生的創新能力。如植物數量性狀的遺傳分析，線上學生了解數量性狀遺傳研究的基本統計方法，線下每個小組在PI的帶領下利用課余時間調查油菜6個世代與經濟產量相關的莖高、株高、主花序長、主花序角果數、一次有效分枝起點等數量性狀，學會如何抽樣調查。線下課堂上，教師講授，“小老師”輔助指導學生根據調查結果利用不同方法估算遺傳率；同時取每個株系的幼嫩葉片，提取DNA，進行SNP（single nucleotide polymorphism，單核苷酸多態性）標記分析，利用WinQTLCart2.5軟件和復合區間作圖法對莖高進行QTL（quantitative trait locus，數量性狀基因座）定位分析［17-18］，將科研成果融入遺傳學實驗教學中，讓學生從分子水平理解油菜主要數量性狀的遺傳規律。孟德爾三大定律是經典遺傳學必學內容，通常利用豌豆、玉米和果蠅來驗證［19-20］，利用SSLP（simple sequence length polymorphism，簡單序列長度多態性）分子標記驗證孟德爾的三大定律已在遺傳學實驗中開展［21］，將SSR（simple sequence repeat，簡單重復序列）分子標記引入三大定律的驗證。線上引導學生自主學習三大定律、SSR分子標記的原理和方法等基本理論知識和技能，線下鼓勵學生利用課堂內外開展SSR分子標記篩選、DNA提取、PCR（polymerase chain reaction，聚合酶鏈式反應）擴增、數據記錄及統計分析。最后，在教師的講解下，讓學生利用SSR標記驗證分離定律、自由組合定律和連鎖互換定律，使學生在本科階段盡早接觸到科研的思維方法，提高學生的學習興趣和科研素質。

2.2 教學措施

混合式全程參與性教學，以學生為主，教師為輔，營造積極向上的實踐氛圍，學生全程參與，教學實施過程包括線上、線下和課堂內外等多種形式（見圖1）。

圖1 基于混合式教學下遺傳學實驗全程參與性教學模式探索

首先將班級學生分組，構成教學團隊，每組3～5人，其中1人為PI。PI不僅是老師和學生之間溝通的主橋梁，而且負責本組實驗的統籌規劃、團隊成員的協調合作以及最終的PPT總結匯報。小組之間進行評比，從而達到相互學習和競爭的目的，進而培養了學生的組織管理能力，增強了學生的責任心和團隊協作能力。為配合學生自主實驗，遺傳學實驗室配備指紋鎖，全天候對學生開放。學生根據自己實驗的進度和時間安排實驗，充分發揮學生的主動性，激發學生操作熱情。

（1）云課堂一。主要進行實驗預習和方案設計，通過任務驅使型教學方法提高學生對新知識的汲取能力和內化能力。在上課之前，教師發布教學任務，在教學任務驅動下，學生借助網絡工具學習實驗基礎知識和實驗技術相關的視頻資料、文檔、文獻等，熟悉實驗背景，撰寫預習報告。對于綜合性和創新性實驗，鼓勵學生大膽質疑、解疑、獨立設計實驗方案，積極與老師互動交流學習心得、實驗設計是否切實可行等，激發學生的學習熱情和創新思維的火花。

（2）線下課堂內外。在云課堂學習的基礎上，開展探索性實驗，提高學生獨立思考和實踐創新能力。為了提高學生學習自由度，靈活開展實驗，課堂課余兼顧，學生全程參與，包括最初的材料準備、試劑配制等，讓學生切實感受實驗過程，認知實驗細節，培養學生嚴謹的科學態度。課堂上，教師只對實驗過程中的技術要點、難點、易混淆知識點等進行講解和答疑，從而提高學生分析問題、解決問題的能力。

（3）云課堂二。強調過程管理，審核和評價電子版總結報告并返回相應學生，從而提高學生綜合分析能力和專業素養。引導學生利用圖片、微視頻、Word或Excel表等多種形式展示結果，嘗試利用生物統計軟件分析實驗數據，既實現學科之間的融會貫通，又激發了學生的探索熱情。教師對學生在云課堂提交的PPT總結報告進行多方位審核、把關，包括視頻是否正確、連貫、美觀，實驗描述是否規范、清晰，結果是否可靠等，提出建設性意見并與學生積極探討，鼓勵學生進行創新性改進。根據師生互動情況，教師掌握學生對實驗理論知識和技能掌握程度，為后期開展“小老師”教輔活動做準備。

（4）線下課堂。為了提高教學效果，特別是不易掌握的實驗，發動“小老師”輔導其他同學，喚起學生強烈的求知欲和濃厚的學習興趣，形成自主學習的好風氣。在遺傳學實驗過程中，染色體的觀察，特別是減數分裂染色體的觀察是本科生教學中的一個重要難點。減數分裂時期比較多，包括細線期、偶線期、雙線期等13個典型時期。由于生物發育的連續動態變化，細胞并不都是處在典型時期，有些可能處在兩個典型時期之間的過渡態，另外，觀察角度的不同、學生操作水平的差異等因素均增加了染色體觀察的難度，實際辨認起來比普通遺傳學課本上繪制的模式圖要難很多。如減數分裂Ⅰ的中期，貌似形態完全不同的側面圖和極面圖（見圖2）；減數分裂Ⅰ的后期，早后期和晚后期的側面觀和極面觀（見圖3）。細胞時期太多，而教師人數有限，教師很難在課堂上對所有學生進行深入輔導，教學效果不是很理想。如何讓教師能夠“分身”？在教學中采用學生當“小老師”的模式，教師鼓勵學生勇當“小老師”對其他同學進行“一對一”輔導。這一模式既激發“小老師”積極預習和實踐，爭做能勝任的好老師，又激起其他學生學習的熱情、主動性和“挑刺”精神，面對熟悉的“小老師”更有親切感，更愿意交流和勇于提出自己的質疑，充分發揮了學生的主體能動性。教師在進行“一對一”輔導的同時，對“小老師”不能解決的問題進行釋疑和解答。“小老師”的教學模式既減輕了教師的工作量，又提高了學生學習的主動性，取得了意想不到的良好效果。

圖2 減數分裂Ⅰ中期

圖3 減數分裂Ⅰ后期

在課程結束時，鼓勵同一專業、不同班級、同一實驗的各組PI將自己最終的實驗過程、結果和討論、心得體會以PPT的形式講解并展示給教師和其他同學，促進了學生之間的交流和學習，提高了學生的綜合表達能力和思維能力。鼓勵學生對實驗項目進行互評，體驗成功的獲得感和榮譽感，激發學習的內動力。

3 建立教學全程過程化考核體系

實驗考核是實驗教學中重要的環節，可有效檢驗學生對實驗基本理論和技術的掌握程度。不同于理論考核，實驗考核更偏重于操作技能的考核，不僅體現實驗結果，更重視實驗過程。隨著現代教育技術的發展，考核方式多元化，可有效提高教學質量［22-24］。遺傳學教研組根據植物遺傳學的特點和本科生創新性的培養目標，建立全程過程化考核體系。教師根據學生出勤（5%）、課前學習（5%）、實驗態度（5%）、課堂提問（5%）、操作過程（30%）、實驗報告（20%）、PPT總結報告（20%）和學生互評（10%）8部分進行過程化考核，極大提高了學生的滿意度和教學質量。

4 教學效果

在教師的指導下，學生利用數碼互動技術和視頻制作軟件，將實驗過程和結果詳細記錄下來，并配以字幕和動畫，5大模塊均錄制了不同的教學視頻，豐富了教學資源，提高了學生的學習興趣。為了檢驗混合式全程參與性遺傳學教學模式的教學效果，2020年將該教學模式在作物生產實踐、作物遺傳育種等其他課程中進行了初步實踐，獲得學生的好評。另外，對已采用這種教學模式的2018級和2019級農學、植物科學與技術專業15個班413名學生進行了教學模式對綜合能力的提高和對教學模式的滿意度的問卷調查（見表2、3）。結果表明，學生對教學模式和綜合能力的提高滿意度均達到83.54%以上，沒有1名學生不滿意，說明線上線下與課堂內外相結合的全程參與性教學模式很受學生喜歡，明顯提高了學生的學習效果和綜合素養，特別是動手操作能力尤為突出。

表2 教學模式的滿意度調查

表3 教學模式對綜合能力的提高情況

5 結 語

隨著國家對創新型人才的不斷需求，實踐教學在大學教學中的比重越來越大，是培養學生創新能力的重要環節［25］。在遺傳學研究領域，新的理論和技術不斷涌現，遺傳學實驗教學必須適應新形勢下的教學需求，結合植物生產類專業的特點，與時俱進，加強遺傳學實驗教學改革，提高學生的實踐能力和創新能力［26-27］。自2010年以來，遺傳學教研組對遺傳學實驗進行了一系列改革，由附屬于理論教學，改為獨立開設。在“互聯網＋教育”的背景下，結合多年的教學經驗，對遺傳學實驗教學模式進行了不斷的探索和實踐，提出了基于混合式教學下學生全程參與性教學模式，教學過程重視學生的學習體驗和個性化培養，教學內容注重基礎與前沿、經典與現代相結合，基礎能力訓練與創新能力培養相結合，既有經典遺傳學實驗項目的改良，又有前沿技術的整合，以綜合性、設計性、創新性實驗項目為主，培養學生的動手操作能力、應用能力、分析問題和解決問題的能力及創新能力。