中加大學“遺傳學實驗”教學模式比較與分析

解家松，馬榮榮，薛良義

（寧波大學 海洋學院，浙江 寧波 315211）

“遺傳學實驗”是一門有機融合遺傳學理論知識與實踐活動的課程，其核心目標為鍛煉學生科學研究的能力，激發(fā)學生探索求知的欲望，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神［1-2］。長久以來，國內(nèi)外高校均把實驗教學作為培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和科研能力的重要途徑［3］。

筆者于2011 年9 月至2016 年12 月在加拿大阿爾伯塔大學（University of Alberta）攻讀博士學位。期間擔任“Bio207: Molecular Genetics and Heredity”（分子遺傳學，以下簡稱“Bio207”）助教，并于2016年獲得阿爾伯塔大學生命科學學院教學獎。具體負責內(nèi)容包括：（1）Bio207 Lab Manual實驗操作教材的編寫與修改；（2）全面統(tǒng)籌學生的實驗規(guī)劃、實施與安排；（3）實驗作業(yè)的批改與成績評定。經(jīng)過長時間一線教學鍛煉，筆者已系統(tǒng)掌握了國外遺傳學實驗課程整體的規(guī)劃、設計及實施流程。

本文通過總結、分析和比較加拿大高水平大學（以阿爾伯塔大學為例）與寧波大學“遺傳學實驗”在課程組織、實驗設計、教學方式、成績考核等方面的異同，為國內(nèi)高校相關學科實驗課程的教學改革提供新思路。

一、實驗課程設置與內(nèi)容分布比較

以阿爾伯塔大學分子遺傳學（實驗部分）為例，綜合對比寧波大學“遺傳學實驗”在課程設置、教學形式、實驗內(nèi)容、成績考核等方面的異同（見表1），總結各自優(yōu)勢和不足，確定國內(nèi)“遺傳學實驗”存在的問題和改進方案，為我國高校建設世界一流學科的發(fā)展和實驗教學的改革提供參考。

表1 “遺傳學實驗”課程比較

國外高校通常采用自編教材，因此實驗設置與理論課程的銜接更為緊密，課程內(nèi)容深度、廣度、難度普遍高于國內(nèi)大學。比如，阿爾伯塔大學“遺傳學實驗”課程一共僅有8個實驗，主要內(nèi)容包括突變發(fā)生、有絲分裂、減數(shù)分裂、變異&生化通路、單因子遺傳、雙因子遺傳、分子克隆、DNA多態(tài)性。與之相比，寧波大學的“遺傳學實驗”課程共包括10個實驗，主要內(nèi)容包括減數(shù)分裂的觀察、果蠅的麻醉和主要性狀觀察、果蠅的單因子雜交試驗、果蠅的雙因子雜交試驗、果蠅的伴性遺傳、果蠅的三點測交、果蠅唾液腺染色體的制備與觀察、核型分析、同工酶技術、遺傳平衡定律（見表2）。二者在遺傳學實驗的設計上均基本涵蓋了遺傳學的主要知識點，比如都包括了減數(shù)分裂、果蠅的單因子和雙因子遺傳、DNA多態(tài)性分析等，但前者的深度和難度優(yōu)于后者。

表2 “遺傳學實驗”課程實驗內(nèi)容比較

從教學方式上看，國內(nèi)外存在著較大差異：一是國內(nèi)實驗課為獨立設課，由理論課教師全程負責，教學助理（Teaching assistant,TA）僅監(jiān)督和輔助學生部分操作技能；而國外實驗課通常由課程協(xié)調(diào)員（Course coordinator,CC）（類似于教輔人員）統(tǒng)籌管理，對TA進行系統(tǒng)指導、培訓及評價，再由合格的TA全面負責實驗授課、演示及指導；二是國內(nèi)實驗課通常為大班授課，選課學生在同一班級同時上課；而國外則采用小班授課，一般控制在20人以內(nèi)，相同實驗課在周一至周五不同時間段均有安排，故學生可根據(jù)課表自由選擇實驗班級。

二、實驗教學內(nèi)容和方法的比較

1.國外實驗內(nèi)容包括綜合大實驗，如變異&生化通路和分子克隆為主題的系統(tǒng)性實驗項目，而國內(nèi)實驗課則由一個個較為簡單的獨立實驗構成。系統(tǒng)性大實驗通常需要幾周時間完成，因此國外實驗課程設計及實施常采取“穿插式”，即每周的實驗課會根據(jù)實驗內(nèi)容之間的聯(lián)系及實驗進度，在同一堂實驗課完成幾個不同實驗的部分內(nèi)容，該安排靈活高效，大大節(jié)約了學生的等待時間。以阿爾伯塔大學生命科學學院“變異&生化通路”實驗為例，學生通過判斷變異菌株在多種不同選擇培養(yǎng)基上的生長狀況來確定生化通路可能的阻斷位置，該實驗過程需對變異菌株進行37℃過夜培養(yǎng)，因此學生在劃線培養(yǎng)菌株后，可充分利用剩余時間進行下一個不同的實驗。而菌株培養(yǎng)的后續(xù)工作則由實驗員完成，主要包括第二天將平板取出并放至冰箱冷藏保存，等候下周實驗課時取出，由學生觀察及評估。相對而言，國內(nèi)目前的實驗內(nèi)容安排往往聚焦于單個實驗，因此經(jīng)常出現(xiàn)等候時間較長的問題。比如在“核型分析”實驗中對牛蛙骨髓細胞的低滲裂解需等待30分鐘，“同工酶技術”實驗中聚丙烯酰胺凝膠制備和電泳分別需要近40分鐘和1小時的等待時間。據(jù)筆者觀察，在這些時間段，學生往往無事可干，大大降低了實驗課程的效率。

2.國外實驗課程設計非常注重學生對實驗結果的探索，考查學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力［7］。國內(nèi)的實驗設計往往由授課教師全面負責，而學生以掌握實驗操作技能為目的，忽略對學生的探索精神和獨立思考能力的培養(yǎng)。比如，在“變異&生化通路”實驗中，學生在完成“突變菌株在選擇性培養(yǎng)基上的生長情況”和“確定該突變菌株可能突變基因（存在2種可能性）”的實驗內(nèi)容后，需基于給定的實驗材料，自主設計后續(xù)實驗方案，且該環(huán)節(jié)作為學生課程表現(xiàn)的重要評估依據(jù)。學生在此過程中需充分發(fā)動主觀能動性，透徹理解生化通路，思維縝密，方能設計出切實可行的實驗方案［8］。

3.經(jīng)典遺傳學模型（果蠅試驗）的授課區(qū)別。國內(nèi)果蠅實驗由“果蠅的麻醉和主要性狀觀察”“果蠅的單因子雜交試驗”“果蠅的雙因子雜交試驗”“果蠅的伴性遺傳”“果蠅的三點測交”和“果蠅唾液腺染色體的制備與觀察”六個子實驗組成。國外果蠅實驗雖只有“單因子遺傳”和“雙因子遺傳”兩部分，但實際已包含果蠅的麻醉和主要性狀觀察、單因子、雙因子、伴性遺傳和三點測交的內(nèi)容。國內(nèi)果蠅實驗基本在實驗室完成，其中果蠅雜交、子代的性狀觀察等實驗在時間上較靈活，根據(jù)子代的生長發(fā)育狀況在實驗課中或課后觀察。國外果蠅實驗則結合實驗室觀察和虛擬仿真系統(tǒng)，后者主要采用北美大學廣泛使用的cgslab.com虛擬仿真系統(tǒng)。在TA的指導下，學生學習并完成用戶注冊、操作系統(tǒng)的使用、演示給定果蠅類群雌雄個體雜交的雜交方法、推導和判斷給定性狀的顯隱關系和基因連鎖情況等內(nèi)容。此過程有利于學生判斷和分析給定果蠅類群的基因遺傳規(guī)律，進而更透徹理解遺傳學三大定律的基本原理。此外，該虛擬仿真系統(tǒng)作為實際雜交試驗的重要補充，可在學生因實驗誤差造成的結果不明時，避免重復冗長的實驗操作，并確保其掌握該實驗原理及過程。

4.國外實驗注重寓教于樂，而國內(nèi)實驗課則相對缺乏趣味性。比如，阿爾伯塔大學生命科學學院在“DNA的多態(tài)性”實驗中，學生可抽提自身組織的基因組DNA（3～5根眉毛組織），進行PCR試驗擴增SV40片段，通過統(tǒng)計分析判斷結果是否滿足Hardy-Weinburg方程。當然，學生需在實驗前，秉承自愿原則簽訂《知情同意書》，方可采集自身樣品。而對此過程有顧慮的學生，可選擇備用樣品進行實驗。該設計在增加實驗趣味性、提升學生積極性和探索欲等方面效果顯著，在學生中取得了較好的反響。相對而言，國內(nèi)的“遺傳平衡定律”主要通過統(tǒng)計學生的血型進行分析。該設計主要存在兩個問題：一是只通過口頭統(tǒng)計血型，學生無法體會實驗過程的樂趣；二是有部分學生不清楚自己的血型，隨意填寫造成實驗結果偏差較大。

三、成績評定與學評教比較

國內(nèi)實驗總評成績主要依據(jù)教學大綱，按平時成績和實驗成績綜合評定。平時成績的考核項目主要包括課程思政實踐、實驗規(guī)范與態(tài)度、研討報告、課堂表現(xiàn)、實驗操作等部分；實驗成績主要包括實驗驗收和實驗報告等部分。其中每個實驗的平時成績和實驗成績都單獨計分，最終按比例綜合計算最終得分。此外，雖然課程也設置了TA崗位，但TA缺乏系統(tǒng)的培訓，通常僅負責實驗的準備與實驗中的輔助操作，并沒有特別固定的職責與任務，因課程或教師不同而靈活性較大。部分TA會負責批改實驗報告，但最終成績的解釋權在任課教師。

相比之下，國外實驗總評成績主要通過疊加8個實驗得分獲得，而每個實驗根據(jù)內(nèi)容占據(jù)不同權重（4%～13%）。針對每個實驗，評分構成又包含實驗報告和實驗操作。TA嚴格按照“評分標準”評估實驗報告，每個扣分點均需注明理由，最后將“評分標準”和“實驗報告”發(fā)還給學生。如學生對成績有異議，可向TA提出，當雙方意見無法達成一致時，由CC進行最終裁定。而國內(nèi)實驗成績的評定主要通過平時成績和實驗報告成績共同給分，且缺乏針對各個實驗的具體評分標準細則。

此外，針對TA的教學表現(xiàn)，國外學生可在網(wǎng)上進行匿名評價。根據(jù)學評教結果，CC會和相關TA談話，反饋學生需求，以幫助和督促TA進一步提升教學質(zhì)量。課程結束后，CC會設置教學獎，學生可通過郵件提名自己認可的TA。CC根據(jù)提名信、期中學評教和自己巡視時所獲得的信息綜合評估，最終確定教學獎獲得者。獲獎名額一般控制在10%～15%，該教學獎是對TA實驗教學工作的肯定，有助于其獎學金評定和未來求職，同時對提升TA教學積極性和內(nèi)驅力具有重要作用。相比于國外的TA學評教，國內(nèi)的學評教主要集中在任課教師，而缺乏對TA的評價，因此TA總體的存在感不強。

四、小結與建議

1.優(yōu)化課程組織和教學內(nèi)容，科學合理地安排實驗。

在課程組織和教學內(nèi)容方面，可對“遺傳學實驗”提出可行性修改方案：由任課教師全盤指導的單一教學模式，轉變?yōu)橛扇握n教師重點講授實驗原理、實驗方法和實驗流程，由實驗員和研究生助教輔助指導具體實驗操作；通過提高研究生助教的參與度，加強對學生在實驗操作過程中的問題解決和技能指導。

在實驗安排方面，可對“遺傳學實驗”提出可行性修改方案：針對實驗過程中部分實驗步驟等待時間過長的問題，提升時間安排的合理性。參照國外通常采用的“交錯實驗法”，“遺傳學實驗”中的核型分析實驗和同工酶技術兩個實驗可分別分散至兩周，與其他實驗交錯安排。

實驗操作部分開始前或結束后如有多余時間，可布置與實驗內(nèi)容相關的習題，加強學生對實驗原理、方法的理解；如實驗過程較緊湊，可通過布置課后作業(yè)鞏固相關實驗知識，任課教師或TA可在下次實驗課開始之前，對該部分習題進行講解，達到溫習和查漏補缺的目的［7，9］。

2.以問題驅動為導向，設計探索型實驗，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

以問題驅動為導向，設計“變異&生化通路探索型”實驗。20世紀40年代，Beadle和Tatum在鏈孢霉的生化反應遺傳控制研究中提出了著名的“一個基因一個酶”假說，將基因與蛋白的關系和生理生化功能聯(lián)系起來［10］。目前，國內(nèi)“遺傳學實驗”課程缺乏相關實驗。我們可參考“Bio207”中“變異&生化通路”實驗來設計“基因突變與信號通路”，該實驗以問題驅動為導向，要求學生通過對突變菌株中生化信號通路的阻斷位點的判斷，檢測哪些基因可能發(fā)生突變，并通過設計基因回補試驗，驗證確定具體突變基因。本實驗將以觀察到的實驗現(xiàn)象為基礎，以問題驅動為導向，通過主動設計探索型的回補試驗，最終驗證實驗結果。

以問題驅動為導向，設計基于自身遺傳物質(zhì)多態(tài)性的探索型“遺傳平衡分析”實驗。目前寧波大學“遺傳平衡定律”實驗采用隨機選擇班級群體進行ABO血型調(diào)查和遺傳分析的方式，但存在學生血型未知、統(tǒng)計不準確、血型存在復等位基因（3個基因座）等問題，可考慮通過PCR擴增第16條染色體上的PV92基因（2個基因座）來進行遺傳平衡分析［11］。該實驗以問題驅動為導向，通過對自身遺傳物質(zhì)（眉毛組織）的提取、PV92基因的擴增，從而對班級群體的PV92位點遺傳多樣性進行客觀、準確的分析。

以問題驅動為導向，引入果蠅雜交虛擬仿真系統(tǒng)，設計“果蠅性狀的遺傳分析”實驗。針對果蠅大實驗中，果蠅雜交試驗耗時長、結果時常不準確、實驗容易失敗等問題，可考慮引入國外本科教學中廣泛使用的cgslab.com虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)以問題驅動為導向，通過課堂對學生簡單培訓，后期可通過布置作業(yè)，使學生完成果蠅的單因子、雙因子、伴性遺傳等遺傳分析，并掌握如何利用遺傳學知識去研究實際生活中碰到的遺傳學問題［12］。

3.強化實驗室安全教育、科研規(guī)范教育，促進教學方式的創(chuàng)新和成績考核方式的完善。

強化實驗室安全教育，操作規(guī)范和生物安全。借鑒國外高校相關措施，建立完善的管理制度和嚴格的實驗安全守則，進一步加強“遺傳學實驗”教學中的安全教育，強化學生的安全意識。在實驗課教材中補充和突出強調(diào)有關實驗安全的內(nèi)容，課前對實驗室安全知識進行培訓和測試，課上加大對危險性及危害性實驗操作的提醒，杜絕實驗課中發(fā)生意外事件。

培養(yǎng)學生求實務真的科研精神。寧波大學為國家“雙一流”學科建設高校，考研選取本專業(yè)的人數(shù)逐年增高，意味著越來越多的本科生未來將走向科學研究崗位，因此有必要通過本課程對學生進行學術誠信和學術規(guī)范教育。建議在實驗課教材和課堂中增加有關科研誠信和科研規(guī)范教育的有關內(nèi)容，在成績考核中明確有關違反科研規(guī)范行為的懲戒制度，同時增加針對科研誠信知識的考查，為通過考查的學生出具合格證書，以期培養(yǎng)學生求真務實的科研精神。

制定明確的“評分標準”，完善成績考核。國外實驗課程成績考核的方式通過制定明確的評分標準，對課前測試、實驗操作和實驗報告進行全方位考查，各部分按照一定比例分值計入總成績。建議對每個具體實驗的成績考核設定明確的評分標準，成績嚴格按照所制定的評分標準評定，扣分需提供清晰理由；課前10分鐘，設置課前測試，考查上次實驗的理解程度和本次實驗課的預習情況；對學生實驗操作的規(guī)范性進行客觀準確的評估，比如移液器的使用、溶液的配制、無菌操作、標本的制備、顯微鏡的操作等，以督促學生掌握扎實的實驗技能。

結語

實驗教學在培養(yǎng)高校學生的實際操作技能方面具有不可替代的作用。本文以加拿大阿爾伯塔大學“遺傳學實驗”為例，對比了發(fā)達國家的高校實驗教學在課程組織、實驗設計、教學方式和成績考核等方面與國內(nèi)高校實驗教學的異同，總結出國外高校在課程組織上更加注重理論課程與實驗課程的緊密銜接，時間安排較為合理；在實驗設計上更加強調(diào)對科學問題的探索性；在教學方式上結合教學助理的參與度，在成績考核上遵循評分標準的客觀性。國內(nèi)高校實驗教學可在結合我國國情的基礎上，適當汲取國外實驗教學的優(yōu)點，深入開展實驗教學改革，提高教學的質(zhì)量和效果。