“遺傳學”課程實驗教學改革的探索
——以西北農林科技大學為例

馬凱恒 楊桂燕

(西北農林科技大學林學院，陜西楊凌 712100)

“遺傳學”是研究生物的遺傳與變異規律的科學，也是一門緊密聯系生產實際的基礎課程，該課程在各高等農林院校的生命科學相關專業廣泛開設[1]。實驗技術和方法是“遺傳學”課程建立和發展的基礎，隨著分子生物學和高通量測序技術的快速發展，“遺傳學”實驗的范疇和內容不斷拓寬和深化，研究方向也從個體水平向組織、細胞、染色體和基因層次縱深發展[2-3]。為滿足基因組學和生物信息學等生命科學發展前沿對具備遺傳學創新能力研究人才的渴求，提高學生分析和解決遺傳學問題能力，激發創新思維、培養科研素養，“遺傳學”課程實驗教學改革勢在必行。

隨著《教育信息化2.0行動計劃》提出開展智慧教育創新發展行動，信息化教育資源得到蓬勃發展，且已成為教育教學創新和變革的驅動力[4]。信息技術與教育發展的緊密結合，使教育理念、教學方法和學習方式逐漸發生改變，由原來的以教師為教學中心、學生被動接受知識的教學組織形式向以學生為教學活動主體、教師引導教學的模式轉變[5]。海量的信息化教學資源也讓學生隨時隨地學習實驗新技術和新方法，使虛擬仿真實驗教學被越來越多地被應用，并取得良好的教學效果。因此，如何將智慧教育環境下的信息化實驗教學資源和前沿實驗技術合理地引入到實驗教學中，是實踐教學改革面臨的一個新思路和新挑戰。

西北農林科技大學林學院“遺傳學”課程組根據一流專業課程體系建設中對實驗教學的總體要求，深度剖析當前“遺傳學”課程實驗教學存在的問題，全面探索了智慧教育環境下該課程實驗教學的改革，構建了適合學校林學等相關專業人才培養目標的實驗教學新思路和新舉措。

一、“遺傳學”課程實驗教學面臨的問題

(一)實驗教學內容陳舊，思政元素融入不夠

“遺傳學”課程實驗教學內容多以驗證性實驗為主，缺乏設計性和探索性實驗內容，不能緊跟發展中的遺傳學步伐，導致部分教學內容、實驗方法落后于實際發展，與生產實踐和科學研究前沿脫節，不利于學生實驗創新、科研素養及知識應用等能力的培養。部分實驗項目受到時空制約，學生很難對知識點進行邏輯貫通，使實踐技能缺乏連貫性和系統性。實驗教學思政案例挖掘不足或思政元素切入點生硬，不利于實驗教學育人功能的實現，嚴重影響學生社會責任感和服務意識的培養。

(二)實驗教學手段單一，教學方法落后

傳統“遺傳學”課程實驗教學只注重對實驗指導書單個實驗項目內容和方法的講解，忽略了智慧教育環境下網絡教學資源的融會貫通及合理應用，使教學缺少互動性、課堂氛圍沉悶、學生實驗參與積極性差，不利于“遺傳學”課程實驗教學廣度和深度的拓展。同時，該課程實驗教學方法流程化、按部就班、簡單驗證，無法迎合當前“信息化、無紙化、創新化、多維化”的學習方式，易忽視學生學習的主體地位，制約學生主觀能動性的發揮，無法實現“教師樂教”“學生樂學”，嚴重影響該課程實驗教學的效果。

(三)課程考核元素覆蓋面窄，考核方式簡單、認可度低

在“遺傳學”課程實驗教學的考核中，“遺傳學”課程實驗報告成績占比高，課前預習、課堂表現、實驗過程安全操作、表達能力及創新能力等考核元素未能合理、全面的納入考核評價體系中，導致考核不能客觀、準確、全面地反映學生對知識的掌握程度。這在一定程度上阻礙了實驗設計、創新思維、實踐動手等能力的培養，影響了課程實驗教學設置的初衷[6-7]。

(四)實驗教學安排不合理，教學效果難以保證

隨著高等教育改革的不斷推進，“遺傳學”課程實驗學時在不斷壓縮，部分學生無法在課堂規定時間內完成實驗操作，導致實驗內容的深度難以拓展，學生學到的實驗技術相對零散、缺乏連貫性。同時，學生的課余時間和實驗室管理人員的上班時間不一致，使學生不能很好的利用實驗室空閑時間，導致關聯性較強的設計性實驗很難從時間和地點上統籌安排，致使實驗教學效果無法得到保障。

二、“遺傳學”課程實驗教學改革的措施

(一)完善實驗教學體系

針對“遺傳學”課程實驗理論性強、技術發展更新快等特點，“遺傳學”課程組教師在保留經典實驗內容的基礎上及時添加緊跟學科前沿的新內容，并針對學生在申請大學生創新創業項目和學科競賽中感興趣的遺傳學范疇的熱點知識，如熒光原位雜交、轉基因技術、基因克隆技術等，開設了綜合性、設計性實驗項目，優化了實驗教學內容。

1.構建模塊化實驗內容，優化教學內容

根據新版專業培養方案及課程體系建設安排，“遺傳學”課程組優化了實驗教學內容，將其劃分為4大模塊，見圖1。課前，明確了實驗教學目標及項目間的區別與關聯，并將“分子生物學”“細胞生物學”課程的相關內容進行融合，優化了“遺傳學”課程實驗教學內容，培養了學生融會貫通的能力。

圖1 “遺傳學”課程實驗教學內容的架構體系

2.充分利用虛擬仿真技術手段，提升教學效果

虛擬仿真實驗教學擺脫了實驗條件和實驗學時對實驗課程開展的限制，更好地延伸和擴展了實驗教學手段，是對傳統教學手段的必要補充[8]。課程組教師將虛擬仿真手段引入到“遺傳學”課程實驗教學中，構建了“遺傳學”課程實驗教學“信息化實驗教學資源+虛擬仿真實驗教學+課堂實驗”的新教學體系，取得了較好的實驗教學效果。如“果蠅性狀識別及孟德爾遺傳分析”實驗，要求5個學時掌握果蠅的雌雄識別和性狀遺傳分析方法，這樣的技能要求和目標只是讓學生淺顯地了解實驗內容，無法讓學生完成對遺傳學模式動物的系統解讀。為此，通過教學平臺、學習群等媒介，課程組教師分享了果蠅雌雄識別和生活史的教學視頻，讓學生利用課余時間參與果蠅的培養，不僅提高了預習效果，而且使實驗項目虛擬仿真花，具體做法如下。實驗環節，先安排2學時對4個品種果蠅進行雌雄識別、突變性狀觀察和雜交實驗，讓學生掌握形態變異特征；再安排3學時在西北農林科技大學虛擬仿真教學平臺(http：//210.27.84.69：8080/edu-platform/front)進行果蠅性狀觀察，完成唾腺染色體觀察、麻醉與性別鑒定、三點測交與遺傳連鎖圖繪制等內容的學習，并通過VGLII軟件進行雜交實驗，以熟悉遺傳規律。課后，要求學生完成果蠅“求偶-交配-產卵-發育”各階段觀察，加深對遺傳定律的認知，做到實驗項目的虛實結合，以完善實驗教學內容。

3.融入思政元素，助力優良教風和學風的形成

“遺傳學”課程組教師在課程教學過程中，始終將思想政治教育貫穿于教學全過程，并結合課程知識點合理切入，激發學生的求知欲[9]。比如，在“染色體觀察及其核型分析”實驗中，將“西北楊樹王”樊軍鋒老師35年如一日致力于林木遺傳育種工作的事跡有機融入該課程實驗教學中，讓學生感受身邊平凡英雄的事跡、樹立正確的人生觀和價值觀，成長為具有堅定理想信念的高素質人才；在“分子標記在林木遺傳育種中的應用”實驗中，向學生介紹遺傳育種領域產生的社會價值，并讓學生結合家鄉發展實際開展“遺傳學”與鄉村振興關系的討論，以提高學生對“遺傳學”課程的實踐認知，體會學校“產學研用”辦學目標的意義，增強學生“知農、愛農，知林、愛林，服務三農，振興鄉村”的意識，樹立正確的社會服務觀，以形成優良的教風和學風。

(二)升級實驗教學手段，變革實驗教學方法

隨著大數據、互聯網的飛速發展，網絡教學平臺等信息化手段在教育教學全過程中廣泛應用，使傳統課堂實驗教學方法不能完全滿足學生對課程前沿知識和技術的需求，需借助慕課、微課等現代化教學技術手段完成實驗教學任務，這也成為引導實驗教學資源改革的關鍵環節。通過將這些觸手可及、易于理解并能激發學生學習興趣的信息化課程資源“可學習、能考核、可評價”應用到“遺傳學”課程實驗教學環節，創新該課程實驗教學形態，提升學生的主體意識和學習決定權，加強師生之間的互動，學生對實驗教學的滿意度提升。

1.加強實驗教學資源信息化，拓寬學生知識獲取途徑

“遺傳學”課程組任課教師通過授課班級的學習群，將國家優質慕課資源平臺(中國大學MOOC)、公開課等智慧環境媒介及“遺傳學”課程實驗教學相關章節的教學大綱、多媒體課件、實驗操作示范微視頻、實驗案例數據庫、文獻資料、大型儀器操作方法、遺傳學前沿熱點知識等信息化課程資源轉化為實驗教學素材分享給學生，學生根據自身時間學習相關知識點。這不僅補充、完善、拓寬了學生遺傳學知識的獲取途徑，而且還使學生及時了解“遺傳學”課程在農林產業發展的現狀，讓學生有的放矢進行思維鍛煉，強化了科研邏輯，培養了創新意識。比如，5學時的“植物DNA分析技術”實驗項目，要求學生掌握DNA提取、電泳及檢測技術，熟悉DNA譜帶解讀方法。筆者在教學中，通常以楊樹為材料提取DNA，利用分子標記檢測其多樣性。雖然DNA提取技術已經成熟且相對簡單，但對本科生來說，因接觸類似實驗較少，且難及時應用或參與相關科研項目加以鞏固，學生在要求的課時內掌握該技術有難度。為了讓學生切實掌握DNA提取與分析技術，“遺傳學”課程組結合各類教學資源平臺、各教師科研項目，錄制了不同實操視頻提取不同植物的DNA，如核桃葉的CTAB法提取RNA、構樹根的SDS法提取DNA等。

通過信息化途徑(教學平臺、學習群等)，不僅讓學生了解了不同方法的異同點、鞏固了知識，而且還使學生能在實驗前做到心中有數，拓寬了學生知識獲取途徑。經教學分析發現，這種方法不僅使學生實驗興趣加大、自信心增強，而且還提高了課程教學效果。

2.采取多樣化實驗教學方法，提升教學質量

(1)探究式教學方法

在“遺傳學”課程實驗教學過程中，課程組教師根據實驗類型的不同，采用了不同的實驗教學方法。對于設計性實驗項目，通常采用探究式教學方法，讓學生變為教學活動的主體，以激發學生的學習熱情與潛力，比如“植物基因組DNA提取技術及電泳分析”實驗項目。

在實驗預習階段，課程組教師讓學生自主學習信息化實驗教學資源，掌握不同植物材料提取基因組DNA、電泳分析的原理和方法，探究思考哪些試劑、方法和步驟是提取的關鍵，之后由2人組成實驗小組，選擇校園內植物材料設計DNA提取的實驗方案，方案經教師批閱、小組成員修改完善后方可進行實驗操作。

在實驗教學示范過程中，教師以楊樹幼嫩組織為材料，指導學生掌握CTAB提取法中液氮冷凍、樣品研磨、水浴、微量加樣、瓊脂糖凝膠制備、電泳上樣、凝膠分析等實驗操作步驟，之后學生根據預習方案進行自選材料的探究性操作。由于實驗過程未知，允許試錯，給學生發揮的機會大膽探究。

在實驗結束后，課程組教師要求學生認真、全面總結分析實驗設計、操作及結果各個環節，選取優秀項目進行PPT匯報，以互相借鑒、總結經驗，同時也鼓勵學生參與科創項目或有讀研想法的學生對該實驗進行進一步探究和拓展，嘗試寫作并發表科研論文。由于該項目耗時長、操作失誤幾率高、通常安排在周末開展，因此要求教師和實驗技術人員全程跟課、及時解答學生實驗過程中遇到的問題，以便使學生真正掌握該課程要求的實驗內容，提高資料查閱、實驗設計、實踐動手能力。

(2)認知導向型教學方法

針對部分存在驗證內容的綜合性實驗項目，如“花粉母細胞減數分裂觀察及植物染色體組型分析”，課程組教師采用認知導向型教學方法開展實驗教學，以提高學生的創新實驗能力，具體做法如下。

在實驗預習階段，教師告知學生需要掌握的相關知識點，讓學生自主查閱相關資料，了解常見動、植物的染色體基本知識，熟悉減數分裂過程特征研究和染色體組型分析在遺傳學研究中的重要作用。

在實驗過程中，教師通過認知教學，讓學生了解卡諾固定液、醋酸洋紅染液的配置方法及注意事項。通過玉米、黑麥等實驗材料，讓學生掌握顯微鏡的操作方法，觀察減數分裂過程中染色體的動態變化，并對比兩種實驗材料染色體數目、結構的不同，熟練掌握核型分析方法。之后，再通過導向型教學，讓學生將植物材料染色體實驗設計理念和分析方法與其他模式生物材料染色體研究進行對比，從本質上理解遺傳學實驗在研究中的共性和特性思路，更好地了解該實驗在林木育種和細胞遺傳學研究中的“可用”方向，在激發學生探索欲望的同時，提高學生解決實際問題的能力。

實驗結束后，課程組教師要求學生認真完成實驗報告的撰寫工作，并對實驗過程中出現的問題進行分析和討論，以便讓學生快速理解和掌握遺傳學研究中的基本原理和分析方法，激發學生創新思維，更好地實現教學目的。

(三)實施多元化課程考核，實現科學評價

合理有效的考核評價是檢驗學生實驗操作技能的有效手段，考核方式多元化既能激發學生學習的積極性和主動性，又能有效督促任課教師提高教學質量。改革后“遺傳學”課程實驗采用以能力為導向的“多方位、多角度、精細化”多元化考核，將探究式、認知導向型教學模式下的自主學習和個性化學習效果納入實驗考核指標中，激勵學生積極學習國家優質慕課、虛擬仿真實驗平臺的在線實驗項目。改革后，“遺傳學”課程實驗教學成績由實驗預習(30%)、實驗操作(40%)和實驗報告(30%)3部分組成，每一部分均有精細化的考核指標，見表1。

多元化實驗教學考核對任課教師的責任心提出了一定的要求：對于綜合性、設計性實驗報告，任課教師需指導學生按照科研論文的格式進行撰寫，在提高學生重視度的同時培養學生邏輯思維和科研論文的寫作能力；對學生實驗預習報告中存在的能力差異進行分析，對預習報告及實驗報告進行逐條批改并備注，向學生傳遞嚴謹認真的實驗態度，將“西農精神”體現在教學的點滴細節中；鼓勵具有科研思維、創新意識的學生進入教師的科研團隊學習或參加大學生學科競賽、創新創業項目等活動。

表1 “遺傳學”課程實驗教學考核評價體系%

(四)加強實驗教學條件建設，實現實驗室開放共享

高等院校實驗室承擔著開展實驗教學、科學研究和服務社會的重要職能，一流大學離不開一流實驗室的建設[10]。自2017年以來，在中央高校改善基本辦學條件專項資金項目的支持下，西北農林科技大學林學專業教學實驗室、顯微互動實驗室及國家級森林生物學虛擬仿真教學中心的軟硬件設施均得到了升級，建立了全天候預約開放的實驗教學平臺，實現了實驗室的開放共享，具體做法如下。①補充了染色體核型分析、體視顯微鏡成像、高速冷凍離心機、熒光顯微鏡等新型儀器設備，為學生進行實驗提供了硬件設備的保障；②實驗教學中心專業實驗室對本科生實行24小時預約開放，鼓勵學生進入實驗室開展設計性實驗、大學生創新創業項目及學科競賽實驗，解決了實驗課時壓縮導致的實驗拖欠問題和學生自主實驗項目開展受限的問題，提升了學習的自信心和方向感。

三、“遺傳學”課程實驗教學改革的成效

經過上述改革探索，“遺傳學”課程實驗教學在豐富教學資源、提高學生實踐技能等方面成效顯著。

(一)實現課程實驗教學的信息化

“遺傳學”課程實驗教學的全方位信息化改革便捷了學生實驗知識獲取的路徑，豐富了課程知識內容的廣度和深度，拓展了課程實驗的交叉融合，且在新冠肺炎疫情期間發揮了重要作用。受新冠肺炎疫情影響，部分學生無法進行現場實驗，課堂視頻教學及網絡學習群等媒介很好地解決了這一問題，為師生提供了不受時空限制的交流討論渠道，“遺傳學”課程組教師完成了新冠肺炎疫情期間實驗課程不延教、不延學、不延期的實驗教學任務。

優質的信息化“遺傳學”實驗教學資源，拓寬了學生的視野，順應了數字教育資源開放共享的智慧教育環境，所有學生在實驗課程信息化改革中受益匪淺。大量的信息化教學資源促使學生在實驗前積極準備、實驗過程中深入思考、實驗完成后全面總結，提高了學生的知識容量，激發了學生的學習興趣，學生對“遺傳學”課程實驗教學的滿意度從85%提升至90%以上，學生撰寫的實驗報告質量也逐年提升，85分以上的實驗報告成績明顯增加。

(二)提高學生的科研素養和創新思維能力

經過3年多的實踐探索，“遺傳學”課程實驗教學改革提升了學生的實驗主動性、學習方向感及實驗操作技能，強化了學生文獻查閱、實驗設計、數據分析、論文寫作、團隊協作等科研技能，塑造了正確的學術態度，形成了嚴謹的科研思維，同時也提高了學生參與學科競賽、創新創業項目的自信心。學生在2019、2020、2021年度全國大學生生命科學創新創業項目中獲得一、二等獎5項。

資助項目：陜西省教育科學規劃課題“新農科背景下林學專業認知體系優化研究”，項目編號SGH20Q205；教育部產學合作協同育人項目“產教融合背景下農林高校實踐平臺建設”，項目編號202102126090；教育部產學合作協同育人項目“認知導向的林學專業虛擬仿真實驗教學設計”，項目編號202101292026。