生物統(tǒng)計學(xué)原理融入動物遺傳學(xué)實驗課的探索與實踐

王春秀　李文婷　孫桂榮　王克君　李春麗

摘 要：動物遺傳學(xué)實驗課是加強學(xué)生理解遺傳學(xué)基本理論和掌握實驗技術(shù)的主要途徑，是提高動物遺傳學(xué)教學(xué)效果的重要環(huán)節(jié)。課程組對動物遺傳學(xué)實驗課內(nèi)容進行優(yōu)化，在實驗項目中注重生物試驗設(shè)計思想，讓學(xué)生參與實驗設(shè)計，旨在提高學(xué)生參與實驗課的主觀能動性，增加參與實驗課的積極性，提高他們分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：動物遺傳學(xué);生物統(tǒng)計學(xué);實驗教學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）07-0184-03

動物遺傳學(xué)課程是高等農(nóng)業(yè)院校動物科學(xué)相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，而動物遺傳學(xué)實驗課是該課程教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生通過實驗課加強對動物遺傳學(xué)抽象概念的理解，也是理解掌握遺傳學(xué)理論和實驗技術(shù)的主要途徑。但傳統(tǒng)的動物遺傳學(xué)實驗課多數(shù)為驗證性實驗，授課方式為教師先做預(yù)實驗，學(xué)生臨摹，這種實驗課教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有動物遺傳學(xué)教學(xué)的需求，為此，很多高校動物遺傳學(xué)課程組對實驗課教學(xué)進行研究和探索。例如，劉滿清等[1]提出以學(xué)生為主體的學(xué)研改革模式，苗永旺[2]等圍繞完善課程的理論和實驗教學(xué)方法和教學(xué)手段及完善考核評價制度等方面進行改革，官員等[3]探討思維導(dǎo)圖在動物遺傳學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，石建周等[4]對實驗課教學(xué)模式和考核方式進行探討，李碧春[5]等對在線開放課程教學(xué)模式進行探討，課程組前期在遺傳學(xué)實驗課的教學(xué)進行了初步探索[6]。任何一個實驗采用合適的試驗設(shè)計對結(jié)果的影響都至關(guān)重要，而采用合理的統(tǒng)計分析方法分析實驗數(shù)據(jù)以及對結(jié)果的解釋均需要統(tǒng)計學(xué)思想。為提高學(xué)生開展實驗課的成功率，增加學(xué)生參與實驗課的積極性，本研究實驗教學(xué)改革是在課程組前期的研究基礎(chǔ)上，把生物統(tǒng)計學(xué)思想融入動物遺傳學(xué)實驗課的教學(xué)中，通過學(xué)生參與實驗課的設(shè)計，提升教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

1 動物遺傳學(xué)實驗課的實驗內(nèi)容

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物遺傳學(xué)課程于2006年被評為河南省精品課程，2018年被評為河南省精品在線開放課程，2021年被評為河南省線上線下一流本科課程。該課程56學(xué)時，其中理論36學(xué)時，實驗課20學(xué)時。為保證實驗課的知識系統(tǒng)性和連貫性，實驗課除常規(guī)實驗外，打通4個綜合大實驗，分別為：染色體制備和細胞周期觀察，果蠅綜合大實驗、血型遺傳率和群體遺傳結(jié)構(gòu)分析，分子生物學(xué)大實驗等。為增加學(xué)生上課的主動性、參與感，每個綜合實驗實驗材料的準備階段均讓學(xué)生提前參加討論，分組設(shè)計不同方案，并討論可能出現(xiàn)的結(jié)果以及解決問題的方法等。

2 生物統(tǒng)計學(xué)原理融入遺傳學(xué)實驗項目設(shè)計

2.1 染色體制備和細胞周期觀察試驗采用雙因素實驗設(shè)計 雙因素完全實驗設(shè)計的原理，是研究2個不同的處理因素對1個或多個自變量是否產(chǎn)生影響。在動物遺傳學(xué)實驗課中，細胞周期觀察、染色體核型分析和果蠅唾液腺染色體觀察均需要對收集材料進行處理，首先使用1N鹽酸在室溫條件下解離3～8min，漂洗后用改良苯酚品紅染色3～7min;由于取材部位和大小存在差異，以及解離和染色時間的不同，試驗結(jié)果差異較大。如果解離時間短，材料的細胞不能完全分開，后面染色難度加大;但解離時間過長，導(dǎo)致取材組織浸泡時間過長，無法尋找生長點或者細胞過于分散。如果解離時間合適，但染色時間太少、無法著色，效果同樣差，很難看出細胞內(nèi)部的形態(tài);但染色時間過長，載玻片中細胞背景顏色過深，也很難觀察清楚處于分裂期的細胞形態(tài)。因此，在該實驗課開展之前，與學(xué)生一起討論要想取得理想的實驗結(jié)果，在操作的過程中需要注意哪些問題，以及如何進行合理的實驗設(shè)計解決這些問題。通過因勢利導(dǎo)，把解離時間和染色時間作為雙因素對樣品進行處理。通過近兩年的實施，有絲分裂染色體形態(tài)觀察和果蠅唾液腺染色體觀察制片成功率提高40%，同時增加了學(xué)生參與實驗課的主動性，也增加了實驗結(jié)果的準確性和科學(xué)性。另外，還可以讓學(xué)生討論與探究是否有其他因素影響實驗結(jié)果，如細胞分裂最活躍的時間段是上午10時，即使是合適的解離和染色時間，由于根尖的取樣時間不同，觀察到的細胞分裂相情況也可能不同。

2.2 在果蠅生活史觀察中引入局部控制的思想 統(tǒng)計學(xué)實驗設(shè)計三大原理，隨機、重復(fù)和局部控制。為讓學(xué)生理解局部控制在實驗設(shè)計中的重要性，對實驗結(jié)果可能產(chǎn)生顯著影響，在動物遺傳實驗課中，通過對果蠅生活周期的觀察，讓學(xué)生進一步了解什么是局部控制，局部環(huán)境對實驗結(jié)果可能產(chǎn)生的影響。因此，在果蠅生活史觀察實驗項目開展時，采用任課老師把果蠅接種于50mL的已鋪好培養(yǎng)基的果蠅瓶中，每個果蠅瓶中雌雄各半的3～5對果蠅，然后分發(fā)給學(xué)生，每2位學(xué)生1個果蠅瓶，讓其拿回宿舍自己觀察果蠅生活史，并記錄果蠅每天的形態(tài)特征和溫濕度等天氣情況，14d以后，以班級為單位總結(jié)果蠅生長情況。

2021年春季實驗課發(fā)給學(xué)生48支果蠅瓶，學(xué)生隨機把果蠅瓶分別放在南側(cè)陽臺、宿舍床下、北側(cè)陽臺，樓道等不同環(huán)境中，在不同環(huán)境中果蠅的生長狀態(tài)相差很大（表1），果蠅瓶放在床下的果蠅正常生長，繁殖較多，果蠅瓶置窗臺上爆嗮，培養(yǎng)基出現(xiàn)干裂，果蠅死亡等情況。通過該實驗讓學(xué)生切身體驗到局部控制對實驗結(jié)果的影響，同時延伸到畜牧生產(chǎn)中，由于環(huán)境的不同，如場季效應(yīng)、籠層效應(yīng)、通風(fēng)口等對動物的生長發(fā)育均可能產(chǎn)生顯著的影響。

2.3 目的基因檢測引入設(shè)置試驗對照組 開展科研試驗的目的是研究處理因素對試驗對象的影響，也就是研究處理因素是否存在效應(yīng)以及效應(yīng)的大小。因此，在具體試驗過程中，要求除了研究的處理因素是變化的，其他因素盡可能保持一致。但有些因素?zé)o法全部控制。因此，合理設(shè)計對照能夠最大限度地減少非處理因素對試驗結(jié)果的影響。對照的形式有多種，可根據(jù)實驗?zāi)康募皟?nèi)容選用不同的對照，常用的對照包括陽性對照、陰性對照、空白對照等。

在動物遺傳學(xué)實驗課中，分子生物學(xué)綜合大實驗包括基因組DNA提取，基因的PCR擴增和瓊脂糖凝膠電泳等3個環(huán)節(jié)?；蚪MDNA提取和瓊脂糖電泳相對容易掌握，PCR擴增主要包括PCR反應(yīng)體系和擴增體系，其中PCR擴增的反應(yīng)體系成分較多，包含Taq酶、目的基因的引物、基因組DNA、buffer或水;在加樣的過程中，Taq酶、引物和基因組DNA等任何成分出現(xiàn)問題，均有可能導(dǎo)致PCR擴增失敗，實驗課時因大部分同學(xué)是第一次使用基因槍，由于是未來加入樣品，所以每次開展該試驗，成功擴增出產(chǎn)物的實驗小組不到30%，嚴重挫傷了學(xué)生開展該試驗的積極性。

為解決PCR過程中哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，經(jīng)過幾年的探索，除了按照雙因素試驗設(shè)計思想外，通過課前討論，在實驗設(shè)計中設(shè)置對照及用標準品DNA和內(nèi)參基因GAPDH分別作為提取DNA和目的基因的對照。

通過采用合理的實驗設(shè)計，由于使用標準品DNA和內(nèi)參基因，大大提高了成功率，幾乎每個實驗小組都可看到PCR擴增成功的結(jié)果。對自己提取DNA和設(shè)計的引物沒有擴增結(jié)果的，也可以分析是基因組DNA還是引物出問題。通過該試驗方案的改革，讓學(xué)生明白做實驗過程中實驗設(shè)計的重要性，不僅提高了試驗成功的幾率，更提升了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，增加了科研的主動性。

3 教學(xué)改革效果分析

把生物統(tǒng)計課的思想融入動物遺傳學(xué)實驗課教學(xué)體系，學(xué)生參與實驗課的每個教學(xué)環(huán)節(jié)，增加了學(xué)生參與實驗課的主動性，提高了上課的積極性。尤其是最近2年疫情的原因，理論課采用線上講授，實驗課線下集中上課，實驗教學(xué)改革效果更彰顯其優(yōu)勢。

3.1 學(xué)生參與實驗前期工作，提高了學(xué)生參與實驗課的主動性和主導(dǎo)作用 根據(jù)實驗課的教學(xué)目的，把動物遺傳學(xué)原來10個試驗，整合為4個綜合大試驗。每個綜合實驗均為設(shè)計性實驗，學(xué)生根據(jù)實驗內(nèi)容和要求，參與實施方案的制定，明確具體的實驗方法、實驗設(shè)計、技術(shù)要點及注意事項。改變以往教學(xué)方式，整個實驗課由教師主導(dǎo)教學(xué)，介紹實驗課目的、原理、內(nèi)容和操作步驟后，接著做示范教學(xué)，學(xué)生觀摩和再做實驗的被動狀態(tài)，學(xué)生由被動強迫式學(xué)習(xí)變?yōu)樽约褐鲃右獙W(xué)，提高了參與實驗課的主動性和主導(dǎo)作用。

3.2 增加了學(xué)生動手能力和試驗成功的幾率 傳統(tǒng)實驗課課時為2個學(xué)時，由于受到時間的限制，教師講授基本實驗原理和操作注意事項等時間也很短，學(xué)生就是按照流程做一遍實驗，大部分實驗未能達到有理想結(jié)果，從而挫傷了學(xué)生參加實驗課的積極性，在理論學(xué)習(xí)和動手操作能力均受到限制;改革后的實驗課時間一般在4h以上，學(xué)生有充足的時間進行思考和實驗操作，增加他們的動手能力。由于學(xué)生理解了實驗操作原理，掌握了實驗操作方法，加上時間充足，很大程度地增加了實驗成功的幾率。

3.3 增加了學(xué)生科研興趣，培養(yǎng)了學(xué)生科研分析能力 通過改革后的實驗課教學(xué)，由于學(xué)生自己參與實驗課的設(shè)計，每次實驗課結(jié)束，無論是實驗結(jié)果成功還是失敗，學(xué)生對結(jié)果分析更有針對性，尤其是實驗失敗，他們能主動查閱資料，進行分析，尋求可采用解決的辦法。也增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，無論是課前還是課后，積極向老師咨詢問題，不僅增加了師生互動，也提高了學(xué)生獨立思考問題、分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生能用遺傳學(xué)的視角深入思考問題，用這些原理來闡釋生命過程，特別是動植物生命過程中的種種規(guī)律和現(xiàn)象。

4 問題與體會

動物遺傳學(xué)試驗課的教學(xué)改革，通過把生物統(tǒng)計的思想融入實驗課中，增加學(xué)生的主動性，真正發(fā)揮了實驗課輔助教學(xué)的作用，但是也存在一些問題。

4.1 實驗課上課時間協(xié)調(diào)難度增大 傳統(tǒng)實驗課課時為2個學(xué)時，學(xué)校的教務(wù)系統(tǒng)課時安排也是按照2h一次課。因此，由于時間和實驗室等問題，改革后的實驗課安排多數(shù)只能在周末，或者理論部分講授結(jié)束后，集中上實驗課。而周末上課，不僅增加了實驗課老師的工作，也出現(xiàn)部分學(xué)生因為參加周末社團活動而逃課現(xiàn)象;如果理論課結(jié)束，集中上實驗課，不能起到與理論課同步，未能及時通過實驗課理解理論課的內(nèi)容，影響對知識的掌握。

4.2 試驗結(jié)果差異大，挫傷部分學(xué)生的積極性 實驗課充分體現(xiàn)學(xué)生自主思考和動手能力，盡管每位學(xué)生都認真自我操作，但是每位學(xué)生的動手操作有差異，實驗結(jié)果相差很大，尤其是一些學(xué)生很認真準備，但是結(jié)果是失敗的，挫傷他們上實驗課的積極性。

4.3 實驗課經(jīng)費增加 在改革后實驗課教學(xué)過程中，由于讓學(xué)生自主設(shè)計方案的實施，相關(guān)的處理條件，但是處理水平等不同，如在細胞分裂試驗中，解離和染色時間，有些學(xué)生分別設(shè)計2個時間點，有些學(xué)生設(shè)計3個時間點等，分子生物學(xué)試驗，購買標準品DNA等，增加了實驗材料和相關(guān)試劑的費用。

5 結(jié)語

動物遺傳學(xué)實驗課是動物遺傳學(xué)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，不同學(xué)校都在進行教學(xué)改革，但是實驗課教學(xué)改革問題仍然存在。本課程組針對河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物遺傳學(xué)實驗課的特點，為保證實驗課的知識系統(tǒng)性和連貫性，實驗課除常規(guī)實驗外，打通4個綜合大實驗，把統(tǒng)計學(xué)思想融入動物遺傳學(xué)實驗課的教學(xué)改革中，盡管存在一些不足，如增加教學(xué)經(jīng)費，協(xié)調(diào)上課時間等問題，但實踐證明，生物統(tǒng)計學(xué)原理融入動物遺傳學(xué)實驗課教學(xué)改革中，更好地促進了教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生參與實驗課的主觀能動性和積極性，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，達到了教學(xué)改革的目標。

參考文獻

[1]劉滿清，聶慶華，張細權(quán)，等.“動物遺傳學(xué)”課程實驗教學(xué)改革與探索[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報：上旬刊.2019（12）：194-196.

[2]苗永旺，王配，滕曉紅，等.動物遺傳學(xué)課程教學(xué)改革探索[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020（6）：276-279.

[3]官員，潘英樹，陳建，等.思維導(dǎo)圖在動物遺傳學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用與探索[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2019（9）：169-171.

[4]石建州，高宛莉，王冰，等.提高動物遺傳學(xué)實驗課程教學(xué)效果的探索[J].畜牧與飼料科學(xué)，2019（6）：81-84.

[5]李碧春，徐琪，張亞妮，等.在線開放課程教學(xué)研究與實踐的一點體會[J].家畜生態(tài)學(xué)報，2019（10）：91-93.

[6]孫桂榮，王春秀，李春麗，等.地方高等農(nóng)林高校動物遺傳學(xué)實驗教學(xué)的思考[J].課程教育研究，2017（44）：242.

（責(zé)編：張宏民）

Exploration and Application of Biostatistics in the Experimental Teaching of Animal Genetics

WANG Chunxiu? ?LI Wenting? ?SUN Guirong? WANG Kejun? ?LI Chunli

（College of Animal Science and Technology， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： Experiment course of animal genetics is the main way for students to understand the basic theory of genetics， further to master the experimental techniques of animal genetics. It plays an important role to improve the teaching effect of theory lessons. We optimized the course contents and introduced the core idea of experimental design they had learned in biostatistics. The aim was to improve the subjective initiative of students and increase the individualize learning activities to participating in experimental course. The ability to analyze and solve problem was finally developed.

Key words： Animal genetics; Biostatistics; Experimental teaching; Teaching reform

基金項目：河南高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目（2019SJGLX052）;河南省2021年線上線下混合一流本科課程《動物遺傳學(xué)》（教高【2021】174號）。

作者簡介：王春秀（1973—），女，河南信陽人，碩士，實驗師，研究方向：動物遺傳育種。 通訊作者：孫桂榮（1976—），女，河南沈丘人，博士，教授，研究方向：家禽遺傳育種。? 收稿日期：2021-11-29