遺傳學(xué)實驗教學(xué)方法的探討

張遠莉， 龐延軍

(南京大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 南京 210093)

在遺傳學(xué)常規(guī)實驗課教學(xué)中，實驗教學(xué)多以實驗操作為核心，并且由于實驗時間的限制，為了確保學(xué)生實驗成功，教師和實驗員往往在課前會做好所有的準備工作，比如材料的采集和處理、試劑的配制、儀器的調(diào)試、實驗條件的選擇。等到實驗課教學(xué)時，老師詳細講述實驗原理、實驗步驟及實驗中必須注意的問題，把所有可能導(dǎo)致實驗失敗的要點都教給學(xué)生。然后，學(xué)生按老師的要求按部就班地進行實驗就可以了。這樣的實驗教學(xué)方法雖然可以讓絕大多數(shù)同學(xué)實驗成功，但卻不容易調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于提高學(xué)生的主動性及創(chuàng)造性[1-2]。

為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，應(yīng)該改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，從“以傳授為主”轉(zhuǎn)向“以引導(dǎo)為主”，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和能力培養(yǎng)[3-7]。為此,我們結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗和本校的實驗條件，對遺傳學(xué)實驗教學(xué)進行了一些改革,引入了比較教學(xué)法、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，開設(shè)學(xué)生自主實驗和開放遺傳學(xué)實驗室，并建立數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體互動系統(tǒng)用于實驗教學(xué)，來提高遺傳學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量，經(jīng)過多年的教學(xué)觀察，該方法取得了一定實際教學(xué)效果。

1 比較教學(xué)法

以植物細胞有絲分裂的觀察實驗為例，介紹比較教學(xué)法。在植物細胞有絲分裂的觀察實驗中，實驗的學(xué)習(xí)要求是通過洋蔥根尖的制片，了解細胞有絲分裂的整個過程以及染色體在各個時期的變化。有絲分裂過程，大致可以分成前后連續(xù)的5個時期，間期、前期、中期、后期和末期[8]。教材中提到，洋蔥根尖細胞有絲分裂的時間是有規(guī)律的。通常在每天10：00至14：00分裂活躍，可在這時取材。我們在實驗教學(xué)中一般選擇12：00至13：00之間進行取材，為了使學(xué)生更清楚地了解這個實驗，在實際操作中我們通過簡單的實驗方案調(diào)整轉(zhuǎn)化為探索性實驗，這種教學(xué)方法，我們稱之為比較教學(xué)法。

在實驗中，我們選擇了早上8：00、12：00、16：00、20：00分別取材，進行有絲分裂的觀察。實驗時，一個年級3個班共100人都分別取材進行了對比實驗。通過自己的實際觀察，找到最適合的取材時間。采用這種探索性的實驗設(shè)計可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的基本方法，同時也可以使學(xué)生更加深刻地了解實驗的原理，增強實驗效果。

我們分別統(tǒng)計了在一次課(2 h)內(nèi)觀察到各分裂期細胞的學(xué)生數(shù)量，其結(jié)果如表1。從表1可以發(fā)現(xiàn)在12：00左右取材，觀察到分裂期細胞的學(xué)生數(shù)比例最高。在8：00和20：00取樣，觀察到分裂期細胞的學(xué)生數(shù)量比較少，在16：00取樣，觀察到分裂期細胞的學(xué)生其次多。

表1 不同時間取樣觀察到的分裂期細胞的人數(shù)比例

2 翻轉(zhuǎn)課堂引入遺傳學(xué)實驗教學(xué)

翻轉(zhuǎn)課堂是近年來新興的一種教學(xué)模式，是由教師創(chuàng)建教學(xué)視頻和其他資源，學(xué)生在課外學(xué)習(xí)，再回到課堂上師生面對面交流、答疑解惑、引導(dǎo)討論和輔導(dǎo)作業(yè)的一種教學(xué)形式[9-10]。近年來，隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，遺傳學(xué)的研究成果及新技術(shù)突飛猛進。但是，由于受傳統(tǒng)教學(xué)時間和教學(xué)體制的影響，課堂講解受限，遺傳學(xué)實驗課程教學(xué)很難跟上現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展速度。因此，我們在遺傳學(xué)實驗課程的教學(xué)過程中，開展了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)探索和實踐，獲得了較好的應(yīng)用效果。

首先，我們將遺傳學(xué)實驗內(nèi)容整合為4個教學(xué)模塊，并錄制了一些遺傳學(xué)實驗教學(xué)微視頻(表2)，讓學(xué)生在課外時間進行在線學(xué)習(xí)，完成實驗課前的預(yù)習(xí)工作。通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，我們將課堂時間空余出來開展討論和進行實驗操作。其次，在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中，我們還可以根據(jù)現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展方向，將現(xiàn)有遺傳學(xué)實驗內(nèi)容部分緊跟學(xué)科發(fā)展前沿的新技術(shù)、新方法，豐富了現(xiàn)有遺傳學(xué)實驗課的教學(xué)內(nèi)容，明顯地提高了學(xué)生對遺傳學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，并提升了學(xué)生對學(xué)科發(fā)展前沿內(nèi)容的了解和掌握，對提高學(xué)生的上課質(zhì)量和效率起到了很大的促進作用。

表2 實驗中錄制的一些教學(xué)視頻

3 開設(shè)學(xué)生自主實驗

學(xué)生自主實驗是學(xué)生對遺傳學(xué)方面某個科學(xué)問題產(chǎn)生興趣, 希望通過自己設(shè)計實驗來進行研究。實驗方案首先由學(xué)生自主確定，然后老師進行指導(dǎo)，實驗時間由學(xué)生自己選擇，在遺傳學(xué)開放實驗室進行。目前，在南京大學(xué)學(xué)習(xí)普通遺傳學(xué)和遺傳學(xué)實驗課程的主要為生命科學(xué)學(xué)院二年級本科生，他們已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些生物學(xué)方面的專業(yè)知識，具有一定的選擇和設(shè)計自主實驗的能力。與傳統(tǒng)的內(nèi)容和時間固定的遺傳學(xué)實驗相比，學(xué)生自主實驗更能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，更有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，還能培養(yǎng)學(xué)生的自主研究和創(chuàng)新能力，為以后的學(xué)習(xí)和科研打下基礎(chǔ)。為配合學(xué)生自主實驗的教學(xué)，學(xué)院特別開放了遺傳學(xué)開放實驗室。自2014年開放學(xué)生自主實驗以來，每年都有10～20項由學(xué)生自主設(shè)計完成的實驗(部分如表3)，對提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力起到了很大的幫助。

表3 學(xué)生自主設(shè)計完成的部分實驗

在遺傳學(xué)實驗中,由于實驗材料和課時都存在局限性,大都選擇學(xué)生操作比較方便，并且容易得到實驗結(jié)果的材料。而學(xué)生自主設(shè)計實驗時，學(xué)生可以選擇自己感興趣的材料進行研究。豐富的實驗材料,不僅可以完成教學(xué)任務(wù)，而且能拓寬學(xué)生視野,培養(yǎng)學(xué)生從學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

4 開放遺傳學(xué)實驗室

開設(shè)學(xué)生自主實驗可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作技能和創(chuàng)新意識，根據(jù)學(xué)生自主實驗的需要，我們開放了遺傳學(xué)實驗室。根據(jù)開放程序：學(xué)生首先查閱資料,設(shè)計實驗方案,然后教師進行適當(dāng)指導(dǎo)，經(jīng)實驗室主任批準后可進入開放性實驗室。實驗中，自己獨立選擇實驗材料,進行試劑配制,自主完成操作，寫出實驗報告。

在遺傳學(xué)的一些傳統(tǒng)實驗中，如有絲分裂、減數(shù)分裂、果蠅雜交和唾腺染色體的制備等復(fù)雜實驗，實驗時間較長,大部分由教師完成實驗材料的準備工作,學(xué)生只是進行部分操作，完成結(jié)論的驗證，很難完成完整的實驗過程。有了開放實驗室和開放式實驗教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣全部完成一系列操作過程，在正常課時不能完成的實驗都可以在開放實驗室內(nèi)完成。

5 數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體互動系統(tǒng)用于實驗教學(xué)

數(shù)碼顯微互動技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一種新技術(shù)。數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)由數(shù)碼顯微鏡、局域網(wǎng)、投影儀實物展示平臺等組成,可以展示每個學(xué)生顯微鏡下觀察到的內(nèi)容,并進行及時的顯微攝影,記錄實驗結(jié)果。我們在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體互動系統(tǒng)用于遺傳學(xué)實驗教學(xué)[11-13]。如圖1是一套學(xué)生使用的數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體鏡，包含了電腦、顯微鏡、體視鏡，顯微鏡和體視鏡下觀察的結(jié)果可以隨時切換在屏幕上顯示，極大地方便了學(xué)生操作，同時還可以將實驗效果好的結(jié)果展示在投影屏幕上,讓全體同學(xué)都能觀察到，大大提高了實驗的成功率和學(xué)生積極性。

圖1 數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體鏡

學(xué)生利用數(shù)碼互動系統(tǒng)可以對圖像進行靜態(tài)捕捉和動態(tài)錄像捕捉，學(xué)生可以通過拍照, 將典型的實驗圖像或?qū)嶒灲Y(jié)果記錄下來, 便于長久保存和隨時查看。記錄的現(xiàn)象和實驗結(jié)果, 也便于課后進一步分析或研究。如在收集果蠅處女蠅的教學(xué)實驗中，學(xué)生觀察到了果蠅從蛹孵化成果蠅的這一過程，并把它錄制下來，這在以前的傳統(tǒng)儀器中是很難做到和實現(xiàn)的，極大地調(diào)動了學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)的積極性。

在近幾年的教學(xué)過程中，通過上述教學(xué)方法的改進和授課老師的努力，學(xué)院也在實驗室硬件方面的改進給予了大力支持，學(xué)生對該課程給予了越來越高的評價。教學(xué)總是在不斷地摸索中前進，我們會繼續(xù)對遺傳學(xué)實驗的教學(xué)和硬件方面進行合理調(diào)整和優(yōu)化，提高遺傳學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新能力，為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供平臺。