遺 傳 學(xué) 實 驗 教 學(xué) 的 改 進 與 實 踐

何世斌， 王翔伍， 吉逢逢, 吳禮芳， 王 基

(河南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 開封 475004)

0 引 言

遺傳學(xué)是生物學(xué)中一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科，孟德爾遺傳規(guī)律的重新發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著遺傳學(xué)的建立[1]。遺傳學(xué)經(jīng)歷了1個多世紀(jì)的快速發(fā)展，已經(jīng)從個體水平，細(xì)胞水平發(fā)展到分子水平，其相關(guān)理論知識已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個方面[2-3]。然而，遺傳學(xué)發(fā)展的每一個重要歷程都離不開實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，從遺傳學(xué)3大定律(分離定律、自由組合定律、連鎖互換定律)的發(fā)現(xiàn)，到現(xiàn)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(guān)，這就決定了遺傳學(xué)這門學(xué)科的特點——理論與實驗緊密結(jié)合[4-5]。因此，實驗教學(xué)是遺傳學(xué)教學(xué)的一個重要組成部分，一方面可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對理論知識的理解；另一方面可以提高學(xué)生的動手能力、設(shè)計實驗和解決實驗問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，進而全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)[6]。遺傳學(xué)實驗已經(jīng)成為生命科學(xué)教學(xué)中一門不可缺少的基礎(chǔ)課程，目前高校生命科學(xué)專業(yè)中基本都開設(shè)了這門課程，許多高校教師為了提升教學(xué)效果，進行了很多探索性的嘗試[7-10]。筆者結(jié)合教學(xué)實踐，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和模式，完善考核方式，提高教學(xué)質(zhì)量，指導(dǎo)學(xué)生由基本技能向綜合技能發(fā)展，最終培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

目前，生命科學(xué)發(fā)展迅猛，遺傳學(xué)相關(guān)的新知識，新技術(shù)層出不窮，而且與分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等課程的內(nèi)容緊密相連[11]，這就決定了遺傳學(xué)實驗教學(xué)有以下兩個特點：①教學(xué)內(nèi)容要與時俱進，在保留一些經(jīng)典傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，也要及時添加一些新的實驗內(nèi)容，注意綜合性設(shè)計性實驗的開設(shè)，使學(xué)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(fù)，要突出遺傳學(xué)實驗課程的特點。因此，將遺傳學(xué)實驗課程的內(nèi)容分成了4個板塊：經(jīng)典細(xì)胞遺傳實驗，群體遺傳實驗，分子遺傳實驗(綜合性實驗)和設(shè)計性實驗。遺傳學(xué)實驗課共設(shè)36學(xué)時的教學(xué)課時，4個板塊8個實驗(見表1)，8個具體的實驗內(nèi)容不再規(guī)定具體的學(xué)時數(shù)，而是以其歸屬的板塊總學(xué)時數(shù)為準(zhǔn)，這樣可以合理安排課時，有利于學(xué)生在有限的課時中學(xué)習(xí)到更多的知識和技能。

表1 遺傳學(xué)實驗內(nèi)容和學(xué)時安排

講解經(jīng)典遺傳實驗，目的是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和實驗結(jié)果分析能力；通過綜合性實驗的開設(shè)可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力和運用多學(xué)科知識解決問題的能力；設(shè)計性實驗有助培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而激發(fā)學(xué)生對科研產(chǎn)生濃厚的興趣。經(jīng)典細(xì)胞遺傳實驗的教學(xué)內(nèi)容主要包括有絲分裂和減數(shù)分裂的觀察以及染色體核型分析。在群體遺傳實驗教學(xué)內(nèi)容中，主要是讓學(xué)生對理論課上學(xué)習(xí)的群體遺傳平衡定律有更深刻的理解。以學(xué)生感興趣的對象為實驗內(nèi)容，比如讓學(xué)生品嘗苯硫脲溶液，進行味盲基因的調(diào)查；測量學(xué)生的血型，調(diào)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(tǒng)計多個指標(biāo)，讓學(xué)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(shù)，以分子標(biāo)記技術(shù)在遺傳育種中的應(yīng)用為實驗內(nèi)容，同時也避免了與其他課程的分子實驗內(nèi)容相重合，突出了遺傳學(xué)實驗課的特點。設(shè)計性實驗板塊的教學(xué)內(nèi)容主要包括遺傳學(xué)3大定律的驗證、基因的表達(dá)與調(diào)控以及遺傳學(xué)一些新技術(shù)的學(xué)習(xí)(比如熒光原位雜交、染色質(zhì)免疫共沉淀、轉(zhuǎn)基因等技術(shù)),這些實驗由教師提供實驗所需的材料,學(xué)生可以選擇其一作為實驗內(nèi)容。此外，學(xué)生也可以根據(jù)所學(xué)知識設(shè)計一些實驗，由教師提供實驗所需的試劑、儀器，讓學(xué)生進行探索，并且鼓勵學(xué)生進實驗室，積極參與科研項目，學(xué)習(xí)更多的實驗技能及知識。

2 改進教學(xué)模式

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

2.1 以學(xué)生為中心

長期以來，實驗教學(xué)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(xué)生只是被動地觀看，導(dǎo)致學(xué)生的積極性不高。為了改善上述的教學(xué)模式，在實踐中采用“以學(xué)生為中心”、靈活多樣的教學(xué)模式，積極調(diào)動學(xué)生的興趣[12]。提前告訴學(xué)生實驗內(nèi)容，讓學(xué)生主動參與實驗材料、試劑的準(zhǔn)備，利用網(wǎng)絡(luò)資源設(shè)計實驗方案。課堂上教師先對實驗原理進行講解，然后學(xué)生對實驗內(nèi)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(xué)生參考。基礎(chǔ)實驗內(nèi)容要求每個學(xué)生都親自動手操作，周期較長的綜合性和設(shè)計性實驗，由學(xué)生自己分組，通過組內(nèi)合作，完成實驗。在實驗過程中，可以有多種方案，鼓勵學(xué)生進行嘗試，并對實驗結(jié)果進行思考，寫出實驗心得。比如在有絲分裂和減數(shù)分裂的觀察實驗中，細(xì)胞解離方法和時間可以依據(jù)實驗材料靈活多變，學(xué)生自己可以嘗試，解離時間較短會導(dǎo)致細(xì)胞核不分散，解離時間較長會導(dǎo)致細(xì)胞核變形，學(xué)生通過自己摸索，思考實驗中遇到的問題，可以提高學(xué)生的積極性，提升學(xué)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(xué)課時中，既想讓學(xué)生掌握傳統(tǒng)的遺傳學(xué)相關(guān)的實驗技術(shù)，又想讓學(xué)生對一些新的實驗技術(shù)有所了解，開設(shè)學(xué)生感興趣的實驗內(nèi)容。因此合理安排課時，采用課上與課下相結(jié)合的方式。比如在細(xì)胞遺傳實驗教學(xué)中，大部分的實驗技術(shù)原理是相似的，盡量將這部分課時壓縮，把相關(guān)的實驗合并。如有絲分裂和減數(shù)分裂的觀察，相關(guān)的技術(shù)原理是一樣的，都是解離細(xì)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(shù)分裂觀察的實驗設(shè)置為一個實驗內(nèi)容。學(xué)生在做完這個實驗之后，已經(jīng)掌握了染色體的制備和技術(shù)，把染色體制備和染色體的核型分析設(shè)置為一個實驗內(nèi)容。在這個實驗中，學(xué)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(xué)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(xué)生一張染色體圖片的實驗教學(xué)方法，讓學(xué)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(xué)生的實驗積極性。

開展綜合性和設(shè)計性實驗是學(xué)科發(fā)展的必然要求，可以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。但是這些實驗內(nèi)容的周期相對較長，不能在幾個學(xué)時內(nèi)完成，因此這些實驗內(nèi)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(nèi)容再讓學(xué)生進行操作。在分子標(biāo)記技術(shù)遺傳育種的應(yīng)用實驗中，學(xué)生在其他實驗課上已經(jīng)學(xué)過DNA提取、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)、電泳等技術(shù)，這些技術(shù)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(biāo)記進行基因的定位及輔助育種。結(jié)合科研上用的材料，讓學(xué)生鑒定出與產(chǎn)量性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記。首先給學(xué)生分組，讓學(xué)生利用課余時間去實驗田里測量小麥產(chǎn)量相關(guān)的一些指標(biāo)，如穗長、分蘗數(shù)、千粒重等(可以每組學(xué)生分別測量一個指標(biāo))；然后分組采集小麥葉片，提取DNA，利用教師所給的分子標(biāo)記引物，進行PCR、電泳、統(tǒng)計電泳條帶；最后結(jié)合測量的指標(biāo)數(shù)據(jù)，進行聯(lián)合分析哪些分子標(biāo)記和產(chǎn)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(xué)生可以學(xué)到多種實驗技術(shù)，也對分子標(biāo)記如何進行輔助育種有了更深刻的了解。在遺傳學(xué)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(xué)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(yǎng)及雜交、驗證后代分離比例都讓學(xué)生利用課余時間進行。學(xué)生自己分組，設(shè)計實驗去驗證三大遺傳定律，并且學(xué)會分析的方法，這些實驗設(shè)計思路和分析方法可以應(yīng)用于以后的科研和工作中。學(xué)生在理論課上學(xué)習(xí)了基因的表達(dá)與調(diào)控，但在實驗課上接觸相關(guān)的實驗內(nèi)容較少，為了讓學(xué)生更好的理解基因的表達(dá)調(diào)控，由教師提供實驗材料，指導(dǎo)學(xué)生模擬干旱、高溫等條件，集中學(xué)生周末的時間，教會學(xué)生進行RNA提取、反轉(zhuǎn)錄、熒光定量PCR等實驗，并且學(xué)會分析基因表達(dá)量的差異。

一些新技術(shù)的學(xué)習(xí)(比如熒光原位雜交、染色質(zhì)免疫共沉淀、轉(zhuǎn)基因技術(shù)等)，所用實驗試劑價格相對昂貴，實驗步驟相對復(fù)雜，課堂上集中講解實驗技術(shù)原理，課下分批組織學(xué)生進實驗室跟研究生進行學(xué)習(xí)。

2.3 加強實驗室建設(shè)

實驗教學(xué)離不開硬件設(shè)施的配置，建設(shè)設(shè)備齊全的遺傳學(xué)教學(xué)實驗室，可以進一步提升教學(xué)水平[14]。我校為加強實驗教學(xué)，整合共享資源，按照大學(xué)科、寬平臺的理念，建設(shè)了一個集管理、教學(xué)于一體的校級基礎(chǔ)實驗教學(xué)中心。學(xué)校統(tǒng)一建設(shè)、集中管理、重點投入，使中心在短期內(nèi)快速發(fā)展，硬件達(dá)到較高水平，實驗教學(xué)取得了顯著成效。實驗室配置的儀器一應(yīng)俱全，比如冷凍離心機，熒光顯微鏡，實時定量PCR儀等，為學(xué)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(xiàn)象難以描述，引進了Motic顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時直觀地對實驗現(xiàn)象進行講解，便于學(xué)生理解實驗現(xiàn)象[15]。比如，有絲分裂和減數(shù)分裂的觀察，學(xué)生受到教科書模式圖的影響，認(rèn)為中期染色體排列在赤道板上，而實際操作過程中，細(xì)胞核是個立體的結(jié)構(gòu)，中期染色體常常是分散排列的，學(xué)生往往觀察不到染色體。有了顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)，可以實時對學(xué)生觀察的實驗現(xiàn)象進行講解，對一些實驗中遇到的共性問題，進行集中指導(dǎo)。學(xué)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(biāo)準(zhǔn)。

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(xué)生所學(xué)實驗技能的效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力，有助于形成良好的學(xué)風(fēng)[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(xiàn)占30%，實驗報告占30%，考勤占10%，而且每個實驗的比重是有區(qū)別的，綜合性和設(shè)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(xué)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(shù)碼互動系統(tǒng)，教師可以實時觀察學(xué)生的操作，學(xué)生可以在線提交實驗結(jié)果。實驗報告，尤其是綜合性和設(shè)計性實驗的報告，嚴(yán)格要求學(xué)生按照科技論文的標(biāo)準(zhǔn)(從實驗原理和目的意義，材料方法，結(jié)果與分析等方面)進行撰寫，從而提高學(xué)生對實驗課的重視程度，提高學(xué)生的語言表達(dá)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(xiàn)突出者，實行加分政策。通過多樣化的考核方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，真實地反映學(xué)生對實驗課的掌握程度。

4 結(jié) 語

遺傳學(xué)是生命科學(xué)專業(yè)的核心課程，遺傳學(xué)實驗課程也是遺傳學(xué)教學(xué)過程中不可或缺的一部分。以上僅是根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式3個方面對遺傳學(xué)實驗課程改革的幾點經(jīng)驗總結(jié)。然而科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，遺傳學(xué)中的新知識、新技能也不斷涌現(xiàn)，而與之配套的遺傳學(xué)實驗的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)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(yè)水平，與時俱進；國家與學(xué)校相關(guān)的職能部門應(yīng)給予更好的政策和支持，為了更好地提高教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)出優(yōu)秀的生命科學(xué)人才而共同努力。