高校遗传学基础实验教学的改革与创新

郭 燕， 王乃宁， 朱东丽， 杨铁林

(西安交通大学 生命科学与技术学院 陕西省生命科学实验教学中心， 西安 710049)

遗传学是生命科学重要的基础学科，其实验的开展是课程的重要组成。分子遗传学实验作为遗传学实验三大模块之一，其中较为基础的基因型验证实验，在带领学生理解基因型与表型关系中的作用不可忽视。随着国家发展壮大，对基础学科拔尖人才的需求也越来越大，“强基计划”的提出为学校培养基础学科拔尖人才起到强大支撑作用[1]。基础学科的建设也需重视，基础实验是培养人才的基础。限制性片段长度多态性(RFLP)作为第一代DNA分子标记技术，其简单易学、好操作的特性，成为分子遗传学实验课程中基因分型常用的实验技术。为提高学生对基础实验的兴趣，加深学生对基础实验的掌握，并在其中增加培养学生创新能力的元素，我们以RFLP在基因型验证实验中的应用为例对遗传学实验中验证型实验课程进行改革，以期为其他院校基础实验课程体系的建设及改革提供思路。

为培养创新型人才，高校在对学生创新能力和创新意识的培养方面进行了一系列改革。而这些改革往往通过增加与现代技术相关的创新型实验[2-3]来提高教学效果和进行人才培养，但这也导致基础类实验陷入两大问题：(1)在培养方案实践教学课时不变的情况下，新型实验的加入会削弱基础实验占比。课时减少会导致教师教学内容得不到空间施展，探索性和设计性因素融入不到教学过程中，自然验证型实验也就不会作为培养学生创新能力和意识的教学环节。学生和教师都不够重视，对教学环境的实施和教学效果也会产生不良影响。分子遗传学实验中较为基础的RFLP基因验证实验，是带领学生理解基因型与表型关系的重要步骤，为后续实验或者科研奠定基础的作用不容小觑。因此，改变师生对验证型实验的态度是改革的一大方向。(2)目前遗传学实验中的验证型实验都有相同诟病，例如教学方式单一，实验内容一成不变，实验结果已知或者学生应付实验等问题[4]。经典实验固然重要，但是缺少新元素的加入只会显得老套死板。学生机械地按照实验讲义操作得到已知的实验结果，至于学到了多少，这就因人而异。我校虽然在RFLP基因验证型实验上有了一定的改革[5]，但是验证型实验在培养学生创新能力上的作用还没有得到实现。因此，转变教师和学生对验证型实验的态度，更新实验内容，拓宽课程宽度等方面的改革不可忽视。

为加强基础学科建设，抓好基础实验教学质量，为培养创新型人才做准备，我们以RFLP基因型验证实验为例，结合最近实验课教改思路和方法[6-7]，对基础验证型实验进行改革，改革方案主要内容如图1所示。

图1 RFLP基因型验证实验改革主要内容Figure 1 Main contents of RFLP genotype validation experiment reform

2.1 整合优化实验教学重心，授之以渔

以往RFLP基因验证型实验，教学重心强调实验原理和操作步骤，整个实验过程缺乏激情。因此我们调整了教学重心，将实验设计原理加入课堂教学。以叶酸代谢基因检测实验为例，教师讲述RFLP实验原理之后，将叶酸代谢基因亚甲基四氢叶酸还原酶基因(MTHFR)检测实验的设计流程和实验方案优化过程进行详细讲解，例如讲解如何使用NCBI等平台查询MTHFR基因及其序列，如何设计PCR扩增使用的引物，如何使用SnapGene等软件查看酶切位点等。“授人以鱼，不如授之以渔”，这种教学重心的调整改革，系统地将遗传学、分子生物学和生物信息学理论课程内容进行整合，让学生充分理解理论知识及其应用，从基础实验设计学习开始，为后面综合型和创新型实验的开展打下基础。

2.2 课程实验内容更新，并引入设计性实验环节

RFLP基因验证实验还需要增加更多学生感兴趣的多种表型和基因型。教师通过酒精代谢、脂肪代谢、叶酸代谢以及乳糖耐受等代谢表型为例，抛砖引玉，打开学生思路，让学生大胆探索。而具体的实验方案设计则交给学生。这不仅考察了学生对理论课堂上的知识掌握程度，也给学生提供了独立设计实验方案的机会，将理论应用到实践中，学以致用。同时培养了学生的科学意识和素质，为之后学生进行其他科研实验打下基础。

2.3 科学设计和改进教学环节，细化实验课时，拓展实验课程指导

翻转课堂的形式已经被大多数高校采纳，问题导向教学法(PBL)也经常被借鉴[8]。高效的课堂在于师生之间良好的双向交流[9]。在验证型实验的理论教学方法上，也要采用以学生为主的讨论式教学方法，让学生成为课堂的主人，加强学生的课堂责任感。

我们将有限的实验课时细化为3部分，首次上课教师讲述实验原理和实验方案设计，引导学生课后进行表型选择和分组。学生根据自己喜欢的表型，3～5人分组，同组内同学分工合作，各自选取擅长和适合的部分，互相取长补短，共同完成实验方案的设计。第二次课程教师和学生一起讨论方案可行性并进行优化，最后统计所需试剂耗材，为实验操作课做准备。第三次课程则让学生动手将实验方案进行落实。与传统课堂不同，现在强调以学生主动学习为主，其核心是小组分工合作，以及问题的提出与解决，并在过程中培养学生沟通能力以及独立思考并解决问题的能力。

课堂时间毕竟是有限的，我校已经搭建了例如思源学堂等网络教学平台，教师可以充分利用网络平台，拓展实验指导的时间和空间，将一些实验原理、实验设计方案和常用实验技术等制作成微课。这种形式知识点针对性强，讲解时间不长，方便学生随时对不明白的知识点进行回顾，将实验指导拓展到课堂外，扩展教学空间。

2.4 课程融入思政元素，传递思政思想，帮助学生树立正确的三观

思政环节可以穿插在实验教学环节的方方面面。在RFLP基因验证实验中，开篇介绍PCR可以以核酸检测方法为切入点，讲述我国在全球新冠肺炎疫情发生时的重要举措和疫情期间的感人事迹，激发学生爱国意识和社会责任感，引导学生思考个人和社会、国家的关系，树立正确的世界观、人生观和价值观[10]。通过展示科研人员在破解变异病毒的特殊结构的无私奉献和在研发疫苗时不畏艰难等的新闻报道，增强学生学科自信，培养学生不怕困难、勇往直前和尊重并相信科学等精神。实验课程思政还有一个重要的部分便是实验室安全。通过讲述实验室安全案例，讲解实验中大型仪器的规范操作和有毒试剂的使用，引导学生树立起进实验室规范操作，用化学试剂防护使用等实验室安全意识，养成规范的实验习惯。

2.5 优化实验考核方式，多角度评估实验成绩

考核方法是否严格与学生对待课程的态度息息相关。合理的考核方法会对学生的课程学习起到积极的督促作用。之前课程采用了课前预习、实验操作和实验报告3部分作为评分标准，但是最后往往还是沦为唯实验报告结果论的局面。我们根据授课方法改革情况，将成绩评定划分成实验方案创新性、课堂表现和“个性化”实验报告三大方面，评价标准如表1所示。

表1 考核方式以及评分标准

方案创新性和课堂表现要求教师和学生在课堂上共同打分，避免唯报告论。“个性化”实验报告则需要学生汇总自己在实验方案中的主要工作，每个人工作都不一样，避免报告抄袭的漏洞。这种体系的建立，引起学生对实验课程的重视，也能培养对科研的正确严谨态度。

新的实验教学内容和教学方法已在西安交通大学生物工程2019级遗传学实验教学中试运行，目前已经取得良好的预期：(1)实验重心改革后将理论课堂上的零散知识综合起来，加深学生对教材中的一些概念的理解，并将书本上的知识、概念应用于制定基因型检测方案设计中。(2)能够亲身参与实验方案设计显著提高了学生的学习兴趣，进一步提高实践动手能力。学生经过整个实验流程后既掌握了RFLP原理，又学会了实验设计的基本方法，做到了理论联系实践。(3)每个人简短的课堂汇报，极大地提高了学生对实验课程要学习内容的理解和掌握，课前预习情况从零提升到90%。因为实验结果关乎自身基因型，学生实验专注程度都有提高，改革前50%的学生不想做实验，改革后95%的学生都可以积极参与其中。(4)根据学校提供的教务评价系统中学生的评价内容来看，学生非常喜欢这种兴趣导向性的实验，评价内容丰富，例如，微课形式得到了学生的认同，类似真实科研实践的形式让学生有了科研的体验，通过这种从实验设计到落实再到收获结果的完整过程，学生成就感油然而生。当然也有同学反映课后时间占用较多，后续将根据学生提出的反馈不断改进。

基础验证型实验作为分子遗传学实验重要的环节，在巩固课堂理论知识，培养学生基本实验操作能力方面有不可缺少的作用。随着新型实验加入，基础验证型实验往往得不到重视。因此我们以RFLP基因型验证实验为例，对这一类型实验教学的教学重心、实验内容、课堂设计和考核方式等方面进行改革和创新，并引入思政元素。从基础实验就开始培养学生独立设计实验的能力，提高学生学习积极性和主动性，并培养学生学科自信。不仅保证了良好的教学效果，也积极响应了“强基计划”人才培养理念，潜移默化地培养了学生的创新能力和科研素养，为培养拔尖生物学人才奠定基础。

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