基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

肖娟 陳華波 陳雪嬌 姚勁松 翟立紅

[摘 要]培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力是高校素質(zhì)教育的重要任務(wù)之一，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)中綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和建構(gòu)系統(tǒng)化知識(shí)體系具有重要作用?！翱蒲蟹床附虒W(xué)”是打破陳舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)的重要手段。將開(kāi)設(shè)兩年的課外實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目中的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)“人類(lèi)苦味受體TAS2R38基因多態(tài)性分析”引入到臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，作為綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從人類(lèi)PTC嘗味的表型鑒定到單倍型分析，使學(xué)生深入理解基因型和表型之間的聯(lián)系，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的項(xiàng)目類(lèi)型，激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣，初步培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新能力;綜合性實(shí)驗(yàn);改革

[基金項(xiàng)目]2019年湖北文理學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)研究專(zhuān)項(xiàng)“基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的科研項(xiàng)目引入本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐”（2019018）;2017年湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目“中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)病機(jī)制和診治方法研究”（T201915）;2017年湖北文理學(xué)院教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目“臨床醫(yī)學(xué)特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)”（JS2017）

[作者簡(jiǎn)介]肖 娟（1983—），女，湖北襄陽(yáng)人，博士，副教授，主要從事神經(jīng)免疫學(xué)研究;翟立紅（通信作者）（1983—），女，河北邢臺(tái)人，博士，副教授，主要從事分子生物學(xué)和遺傳學(xué)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）46-0-03[收稿日期] 2020-09-28

醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)學(xué)科，是遺傳學(xué)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的邊緣科學(xué)[1]，是本科臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。實(shí)驗(yàn)在醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)教學(xué)中具有重要作用，經(jīng)典的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目有正常人染色體核型分析、減數(shù)分裂標(biāo)本制備與觀察、人類(lèi)正常性狀和PTC嘗味能力的遺傳分析等[2]，教學(xué)項(xiàng)目類(lèi)型單一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊。實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了掌握基本操作和實(shí)驗(yàn)技能外，更應(yīng)該注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的研究性和前沿性。相對(duì)于目前單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，綜合性實(shí)驗(yàn)不僅能檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的掌握程度，也能培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力[3]?！翱蒲蟹床附虒W(xué)”是改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的有效措施。本文將開(kāi)設(shè)兩年的課外實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目中的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)“人類(lèi)苦味受體TAS2R38基因多態(tài)性分析”引入臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，作為綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，力爭(zhēng)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)?，F(xiàn)就該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思路、設(shè)計(jì)和實(shí)施方案、教學(xué)效果等進(jìn)行探討。

一、教學(xué)思路

科研和教學(xué)是高校教師的基本職責(zé)，而大部分青年教師面臨著如何處理科研和教學(xué)關(guān)系的問(wèn)題。如何將科研與教學(xué)有機(jī)結(jié)合、相輔相成，實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)的統(tǒng)一發(fā)展是本研究的基本思路。長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類(lèi)型單一，項(xiàng)目之間知識(shí)點(diǎn)獨(dú)立，難以讓學(xué)生形成系統(tǒng)的知識(shí)架構(gòu)，更談不上創(chuàng)新性思維。本次改革的教學(xué)思路就是從實(shí)驗(yàn)教學(xué)入手，更新經(jīng)典的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，將科研的思路融入其中，綜合不同課程的知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)成綜合性實(shí)驗(yàn)，以期培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。筆者在調(diào)研上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院的課程整合實(shí)施方案時(shí)，發(fā)現(xiàn)該校將醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和組織胚胎學(xué)的部分內(nèi)容有效整合在一門(mén)課程中。實(shí)踐證明，整合課程是教學(xué)內(nèi)容改革的必然趨勢(shì)，促進(jìn)相關(guān)內(nèi)容的縱向整合和橫向整合，以幫助學(xué)生正確理解遺傳現(xiàn)象的本質(zhì)[4]。與整合課程相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也急需整合各課程的知識(shí)點(diǎn)，更新目前的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)展綜合性實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案

本文設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)的授課對(duì)象為臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生，實(shí)施時(shí)間為大三上學(xué)期，采用一人一組的教學(xué)方式，設(shè)置12學(xué)時(shí)。該實(shí)驗(yàn)基于醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中傳統(tǒng)的PTC嘗味能力的遺傳分析實(shí)驗(yàn)，屬于群體遺傳學(xué)的知識(shí)點(diǎn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)包括掌握不完全顯性的概念，學(xué)習(xí)基因型頻率和基因頻率的計(jì)算;加深理解群體遺傳平衡定律，并掌握卡方檢驗(yàn)的方法;初步培養(yǎng)群體調(diào)查能力。實(shí)驗(yàn)步驟主要包括配置不同濃度的PTC溶液，學(xué)生自測(cè)或者互測(cè)嘗到PTC苦味的濃度編號(hào)，判斷自己的基因型（TT，Tt或tt），之后統(tǒng)計(jì)全班的基因型，進(jìn)行遺傳學(xué)分析，包括計(jì)算基因型和基因頻率，卡方檢驗(yàn)群體是否處于平衡等內(nèi)容。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上包括了遺傳學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識(shí)，但是，在目前醫(yī)學(xué)教育改革提倡課程整合的大趨勢(shì)下，該實(shí)驗(yàn)顯得教學(xué)內(nèi)容陳舊、涉及學(xué)科較少、滲不透遺傳現(xiàn)象的本質(zhì)等問(wèn)題。在高中學(xué)習(xí)階段，同學(xué)們對(duì)T和t這一對(duì)等位基因的理解比較深刻，但是，從DNA層面來(lái)理解T和t的區(qū)別是大學(xué)階段的學(xué)習(xí)重點(diǎn)。

筆者在改革實(shí)驗(yàn)之前，進(jìn)行了為期兩年的論證和實(shí)踐，帶領(lǐng)課程團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)設(shè)了4期基因克隆與功能研究課外實(shí)踐創(chuàng)新課程。該課程涉及了NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)的介紹和使用、基因序列的查找和分析以及常用分子生物學(xué)技術(shù)等內(nèi)容，分為理論和實(shí)踐教學(xué)，得到了學(xué)生的一致好評(píng)[5]。我們將課外實(shí)踐創(chuàng)新課程上的科研小項(xiàng)目“人類(lèi)苦味受體TAS2R38基因多態(tài)性分析”引入到醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，改變?cè)搶?shí)驗(yàn)的弊端，即學(xué)生無(wú)法從分子角度理解T和t這對(duì)等位基因的區(qū)別，更加無(wú)法理解單倍型的概念。改革后的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合了醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)和生物信息學(xué)等知識(shí)，其中生物信息學(xué)及其相關(guān)軟件的使用更是學(xué)生平時(shí)上課接觸不到的知識(shí)，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，開(kāi)拓了學(xué)生的科研視野，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)具有較大的作用。

具體的實(shí)施方案是將傳統(tǒng)的PTC嘗味能力的遺傳學(xué)分析作為前期實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，后期聯(lián)合人類(lèi)苦味受體 TAS2R38基因多態(tài)性分析形成一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌ㄕ莆誅NA提取的原理和步驟，掌握PCR反應(yīng)的基本原理，熟悉PTC嘗味能力決定基因TAS2R38的結(jié)構(gòu)和功能，熟悉基因決定性狀、單倍型等概念。實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作包括學(xué)生在老師的輔導(dǎo)下從NCBI網(wǎng)站下載人類(lèi)TAS2R38基因的序列和設(shè)計(jì)擴(kuò)增基因序列的引物。

實(shí)驗(yàn)步驟包括使用DNA提取試劑盒提取學(xué)生自身的唾液DNA、PCR擴(kuò)增TAS2R38基因序列、瓊脂糖電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物、PCR產(chǎn)物進(jìn)行3730測(cè)序、測(cè)序結(jié)果的分析等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括畫(huà)出TAS2R38基因的結(jié)構(gòu)圖、基因CDS和肽鏈序列長(zhǎng)度及引物所在位置、PCR擴(kuò)增結(jié)果圖并標(biāo)明片段大小、全班測(cè)序序列的比對(duì)結(jié)果、分析T和t等位基因的差異位點(diǎn)、單倍型的類(lèi)型并計(jì)算單倍型頻率等（圖1）。

通過(guò)以上綜合性實(shí)驗(yàn)流程，學(xué)生將深入理解人類(lèi)基因的結(jié)構(gòu)和序列，并深刻體會(huì)遺傳現(xiàn)象的本質(zhì)和基因決定性狀的基本概念，有利于學(xué)生對(duì)科學(xué)研究有系統(tǒng)、綜合的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性和科研積極性。

三、教學(xué)效果總結(jié)

為了解學(xué)生對(duì)本次綜合性實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的滿意度，在課程結(jié)束后，我們通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式進(jìn)行教學(xué)效果評(píng)價(jià)。同一班級(jí)的學(xué)生（2018級(jí)臨床醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)151名學(xué)生）分別對(duì)開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)和未開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)的生物化學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行滿意度測(cè)試。結(jié)果顯示，90%的學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)較滿意，94%的學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)較滿意。而未開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)的生物化學(xué)課程，僅有78%的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)較滿意，15%的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般滿意，7%的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不太滿意（圖2、圖3）。

之后通過(guò)教師與學(xué)生面對(duì)面的交流，學(xué)生提出具體的意見(jiàn)和建議。①每個(gè)人提取自己的DNA并利用自己設(shè)計(jì)的引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增和測(cè)序，給學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)，避免了多人小組實(shí)驗(yàn)中部分學(xué)生不參與實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)技能顯著提高，也增進(jìn)了學(xué)生和教師的交流。②醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)多門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握更加系統(tǒng)化。③教師對(duì)綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中包含了教師引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備中，激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的熱情。④接觸到了課堂以外的科研實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，初步培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)科研的興趣。

綜上所述，將“人類(lèi)苦味受體TAS2R38基因多態(tài)性分析”引入到醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，綜合了多學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)手段，讓學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和領(lǐng)會(huì)了遺傳現(xiàn)象的本質(zhì)，模擬了科學(xué)研究的基本流程，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐技能、科研思維與創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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Abstract： Cultivating the innovative ability of college students is one of the important tasks of quality education in colleges and universities， and the opening of comprehensive and design experiments in experimental teaching plays an important role in cultivating students' innovative ability and constructing systematic knowledge system. Support teaching with scientific research is an important means to break the old experimental teaching content and design comprehensive experiments. The author introduced the innovative experiment "human bitter receptor TAS2R38 gene polymorphism analysis" into the teaching of Medical Genetics Experiment for undergraduates majoring in clinical medicine. From human PTC taste phenotypic identification to haplotype analysis， students can deeply understand the relationship between genotype and phenotype. This attempt enriches the project types of experimental teaching， arouses students' interest in experimental courses， and cultivates students' innovative practical ability.

Key words： innovation ability; comprehensive experiment; reform