“三自”教學模式提高遺傳學綜合性實驗的教學效果

何風華，黎杰強，朱碧巖，高峰

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“三自”教學模式提高遺傳學綜合性實驗的教學效果

何風華，黎杰強，朱碧巖，高峰

華南師范大學生命科學學院, 廣州 510631

綜合性實驗是遺傳學實驗教學的重要模塊之一。為了提高遺傳學實驗課的研究氛圍，全面培養學生的科研創新能力，本課程組開展了遺傳學綜合性實驗的教學改革：在教學中以學生為主導，采用學生自主選題、自主實驗、自主創新的“三自”教學模式，學生利用我院實驗教學中心開放的實驗室和技術平臺完成實驗研究，并撰寫小論文。綜合性實驗的教學是學生在完成畢業論文前的一次科研演習，通過這項實驗，學生在實驗設計與操作、實驗數據分析、結果報告等與科研密切相關的綜合實驗能力得到了加強，全面提升了學生的團隊協作精神和自主創新意識。

“三自”教學模式; 遺傳學實驗; 綜合性實驗教學改革; 實驗技能; 創新能力

遺傳學是生命科學類專業的主干課程之一[1]。遺傳學是一門實驗學科，遺傳學實驗對訓練學生的動手能力和培養學生的科研思維都顯得尤為重要。全國綜合性大學、師范、農林和醫學院校都開設遺傳學實驗課程。最近十多年來，為了提高教學質量，很多院校開展了遺傳學實驗的教學改革[2~9]。這些改革涉及遺傳學實驗的教學內容、教學方法、教學設備和教學手段等諸多方面，各院校的教學理念和教學模式雖各有特色，但都認為綜合性設計性實驗在遺傳學實驗課的教學中占有舉足輕重的地位。

我校生命科學學院一直重視遺傳學實驗的教學，遺傳學實驗單獨設置課程，有32學時，1學分。本課程教學組在廣泛調研和思考的基礎上，針對師范院校的人才培養目標，對遺傳學實驗的教學內容重新進行了設計，遺傳學實驗主要包括3大模塊：驗證性實驗、技能型實驗和綜合性實驗[9, 10]。驗證性實驗主要通過果蠅飼養和雜交實驗，驗證3大遺傳規律和伴性遺傳規律；技能型實驗主要訓練制備染色體玻片標本的兩種基本實驗技能，即壓片法和低滲法；技能型實驗的內容包括植物細胞有絲分裂染色體的壓片及永久封片的制作、蝗蟲精母細胞減數分裂染色體的壓片、果蠅唾液腺染色體的壓片、低滲法制備小鼠骨髓染色體玻片標本等實驗。對于分子遺傳學部分的實驗，如DNA的提取及純化、酶切、電泳、目的基因片段回收、PCR擴增等實驗，我院安排分子生物學實驗課進行專門訓練[11]。驗證性實驗和技能型實驗的教學是老師提前安排好教學內容，著重學生基礎知識的鞏固和基本實驗技能的訓練。綜合性實驗的教學則一改這種老師包辦的教學模式，以“國家大學生創新性實驗計劃指南”中提出的“興趣驅動、自主實驗、重在過程”的實施原則為指導，推行學生自主選題、自主實驗、自主創新的“三自”教學模式，著重提升學生的創新意識及實踐能力，培養“追求卓越、自主發展”的新型人才。在遺傳學綜合性實驗的教學中，通過放手讓學生自主安排實驗的相關事宜，充分發揮學生的主觀能動性，引領實驗教學一步一步從知識教學轉向思維和能力的訓練，推動實驗教學的深層次改革。與其他院校的改革措施相比，我們開設的綜合性實驗選題范圍更為廣泛，實驗的開放性管理和學生的成績評價上富有特色，實施多年來，取得了明顯的教學效果，現介紹如下。

1 遺傳學綜合性實驗教學改革的實施過程

提高學生的綜合實踐能力是遺傳學實驗教學改革的首要目標。在完成驗證性和技能型實驗的學習后，加強實踐與創新能力的培養顯得尤為重要[9]。在遺傳學綜合性實驗的教學中教師應以研究性實驗教學為導向，以發現和解決科學問題為核心，要求學生自主選題、自己制定實驗方案并自主操作，著重培養學生獨立思考和提出問題、自主實驗解決問題和報告研究結果的能力，而這些正是科學研究所需要的基本素質。在綜合性實驗的教學中，教師只需要提供必要的儀器、藥品和實驗條件，給予必要的協助和輔導。

1.1 學生自主選題

遺傳學與生命科學的其他許多分支學科都有交叉，研究內容非常廣泛，在綜合性實驗的教學中選題也非常廣泛。合理調整教學與科研的關系，將更加貼近實際、符合遺傳學的特點和學科發展方向的內容融入到選題中，有利于激發學生的學習興趣和探究興趣。團隊合作精神也是科研的一項基本素質，我們在教學中將每個班分成多個小組，實驗小組的組成以興趣和自愿為原則，每個小組4~6個同學，每個小組選一個共同感興趣的題目，組內實現分工協作，培養同學與他人合作解決問題的能力。根據實際條件，我們設計了多個研究性課題[10]。匯總最近幾年同學們實驗選題的內容有以下幾個方面。

1.1.1 動植物染色體核型分析

染色體核型是指中期染色體按一定順序排列起來所構成的圖像，核型分析包括對染色體的各種特征進行定量和定性的描述，如染色體數目、染色體長度和著絲點的位置、臂比和隨體的有無等；通常是將顯微攝影得到的照片剪貼而得到核型圖，現在也常借助圖像分析軟件進行核型分析[10]。為了體現研究性，教師鼓勵同學選擇未知染色體數目的物種進行研究。我校蘭花中心收集了石斛屬幾十個種的材料，并提供給學生進行核型分析；遺傳教研組收集了華南地區蔥屬植物的幾十個種，同學們對其進行核型分析，并進一步根據核型進行聚類分析，研究了蔥屬植物的親緣和系統演化關系[12]；還有同學采集了多種校園植物的根尖用于核型分析等研究[13]。

1.1.2 動植物染色體分帶

借助于特殊的處理程序，動植物染色體的一定部位會顯示出深淺不同的帶紋，這些帶紋具有物種及不同染色體的特異性。由于染料和處理條件不同會顯示C-帶、N-帶、G-帶等不同條帶[10]。染色體分帶是一項重要的細胞遺傳學技術，但由于處理步驟較多，實驗條件需要摸索和優化。盧洪武等[14]同學對小鼠骨髓細胞染色體G帶制片技術進行了探討和優化。黎杰強等[15]選育了超甜玉米新品種“甜豐6號”，并指導同學研究“甜豐6號”和普通玉米品種G-帶帶型的差異。

1.1.3 遺傳毒理學方面的實驗

微核檢測是遺傳毒理學研究中常開展的一項試驗。微核是某種真核細胞受到放射性物質或有毒物質的損傷后，喪失著絲粒的染色體斷片在分裂間期形成的游離于主核之外的一種異常小核，其大小通常在主核直徑的1/3以下。已經證明微核率的大小與用藥劑量或輻射累積劑量呈正相關[10]。蠶豆根尖微核測試靈敏度高、技術簡單，常用于檢測環境污染物或放射性物質的細胞學損傷和遺傳毒性效應，是一種較理想的測試系統。黃海琳等[16]同學研究了萬靈、三氯殺螨醇和多菌靈等農藥對蠶豆根尖的細胞毒性效應，李彩虹等[17]應用蠶豆根尖微核測試系統監測珠江河涌水的污染情況，還有同學研究評價食品添加劑的安全性、研究不同重金屬離子對微核形成的作用等。

單細胞凝膠電泳技術（Single cell gel electrophoresis, SCGE）也能用于檢測有毒物質或環境污染物的遺傳毒性。SCGE是一種在單細胞水平檢測真核細胞DNA損傷的技術，一些有毒物質或放射性物質對染色體和DNA有較強烈的遺傳損傷效應，把經過處理的細胞包埋到低熔點凝膠，在電泳過程中，細胞核DNA停留在原位，而染色體DNA斷片離開細胞核向陽極移動，經熒光染料染色后，細胞的電泳形態頗似慧星，故又稱為慧星實驗。彗星尾巴的長度和面積、熒光強度等指標可以反映DNA損傷的大小，彗星尾巴越長，細胞受損傷越嚴重[18]。彗星實驗中常用的試驗材料是小鼠骨髓細胞。學生可以通過慧星實驗檢測各種環境污染物，如農藥、除草劑、重金屬離子、染發劑等對DNA的損傷、監測環境污染物對機體的遺傳損害，為環境污染的評價提供新的方法和依據，學生也可以設計試驗探討條件因素對慧星分析方法的影響[10]。

1.1.4 植物多倍體的誘發與鑒定

利用一些物理或化學的方法可以人工誘導植物產生多倍體。處理植物根尖可以得到多倍體細胞，而處理植物種子或生長點并結合田間選育，可能得到多倍體植株。多倍體的細胞學鑒定是常開設的實驗，通常的做法是老師提前誘導多倍體，同學取根尖壓片鑒定染色體數目是否加倍[10]。我們將此驗證性實驗改造成綜合性創新性實驗，將選材、誘導、鑒定的過程都交給同學完成。不同的實驗小組應用低溫、模擬干旱、秋水仙素處理等不同方法誘導多倍體，然后對這些方法的誘導效率、效果等進行分析和比較。

1.1.5 果蠅性別和壽命影響因素的分析

通過果蠅生存試驗能探討各種藥品、保健品是否具有延緩生命衰老的作用。果蠅生存試驗就是在果蠅培養基中添加不同濃度的藥品或保健品，每天記錄雌雄果蠅的存活數、死亡數、統計性比和死亡率并進行分析的方法。綜合性實驗課上同學可以研究乙烯利對果蠅性別分化的影響，還可以將中草藥或食用菌的提取物等作為果蠅培養基的添加物，探討這些物質對果蠅性別和壽命的影響[19]。

1.1.6 同工酶遺傳標記的分析

同工酶是指催化作用相同但結構和物理性質不同的酶。同工酶是基因表達的產物，由同一基因座的不同等位基因編碼的同工酶又稱為等位酶，它能直接從分子水平上反應基因與性狀的關系，是一種可靠的共顯性遺傳標記。黎杰強老師[20]指導同學開展了應用酯酶同工酶技術鑒定水稻種子純度的研究；另有同學研究了超甜玉米和普通玉米在過氧化物酶帶上的差異，發現超甜玉米的過氧化物酶帶更為豐富一些；還研究了不同玉米雜交組合親本和F1之間過氧化物酶帶的差異，探討雜種優勢和酶譜的關系。

統計最近3年學生選題的情況(表1)，發現我們推薦的實驗項目都有研究小組選題，反映學生的學習和研究興趣非常廣泛。但選題分布很不均衡，絕大多數選題集中在動植物染色體核型分析、微核試驗和植物多倍體的誘發與鑒定上；而染色體分帶、單細胞凝膠電泳和同工酶遺傳標記分析等實驗步驟較多、難度稍大，果蠅性別和壽命影響因素的分析持續時間很長，選這4個實驗的研究小組數較少。但實際上這4個實驗在基礎性和技能性試驗的基礎上進一步加強了科研技能的訓練，教師鼓勵同學開展這幾個實驗。

表1 最近3年選擇各個研究項目的實驗小組數

確定研究課題以后，以實驗小組為單位討論研究思路，制定研究計劃；同學們以小組為單位用PPT演示的方式做開題報告，實驗小組相互評議修改，由教師對學生的實驗方案做最后把關。開題報告的主要內容包括研究背景、目的、意義和國內外研究概況；研究方法、研究內容；研究條件和可能存在的問題、實驗進度安排、預期實驗結果等。完成開題報告的目的是要求學生對實驗設計、過程和結果分析方法都有全面深刻的理解，讓學生認識到實驗準備和過程的復雜性，從而加深對實驗課的印象。

1.2 學生自主實驗

在驗證型和技能型實驗課上，總是老師準備好實驗材料和試劑、安排好實驗過程，學生只需要參加，最后得到一個預設的實驗結果。綜合性實驗的目的是培養學生的自主學習和創新思維能力，因此綜合性實驗的完成應以學生為主體。教師將綜合性實驗的全過程都交給學生完成，包括實驗材料的選擇和準備、試劑配制、實驗操作、實驗結果分析與小論文的撰寫等，以期能激發學生的主觀能動性和創造性，培養學生的綜合實踐能力。教師主要為他們營造良好的氛圍，強調實驗過程中的安全、衛生和團隊合作，引導學生根據實驗情況不斷調整實驗方案，以期獲得一個好的研究結果。對于實驗步驟較少的實驗可以完全放手讓學生自己做，但對于稍復雜的實驗，教師應加強輔導，如單細胞凝膠電泳實驗、染色體帶型分析和同工酶遺傳標記的分析等，教師有必要給予更多的解釋和幫助。

對于實驗數據和實驗結果的分析、討論，教師主要起引導作用，幫助學生解答疑問，指導學生撰寫研究性小論文，鍛煉學生的寫作能力。這樣，學生在有限的時間內得到全面深刻的訓練，在不同的分析和設計過程中鞏固所學的理論知識、培養動手能力、創新意識和創新能力。我們的體會是以往總是老師需要為學生做什么，現在則先問學生需要準備什么，讓學生完成自我規劃，反而效果更好！

1.3 實驗報告及成績評定

重視實驗報告的質量，對實驗的效果進行客觀評價，有利于啟發學生的積極思維；重視實驗報告的評價對學生也起到很好的督促作用。教師要求每個同學參照科研論文的規范格式，提交一篇小論文。每個實驗小組的同學可以共享實驗數據，但論文應獨立撰寫。小論文的內容包括：前言（包括實驗目的、背景、研究進展）、實驗材料與方法、結果分析與討論等內容。

教師批閱小論文并對每個同學的論文給出成績，在給成績的過程中著重體現對“自主創新”的評價。評價的內容包括：提出了什么問題？解決了什么問題？在實驗材料、實驗方法、實驗結果等方面哪些方面體現了創新性？教師對論文格式，文獻引用、圖表格式的規范性等方面進行批閱和標示，幫助學生進一步修改提高。

對學生實驗的全過程進行監督和考核，才能切實考查出學生對研究工作的熱情，客觀評價學生自主完成實驗項目的能力。我們制定了一套相應的課程考核標準和考核方法[21]。在綜合性實驗的成績評定中，查閱文獻、設計實驗方案及小組開題報告占總分數的30%、實驗態度和實驗操作占30%、實驗結果分析占20%、小論文的寫作占20%，最后按加權平均算出遺傳學綜合性實驗的成績。綜合性實驗在遺傳學實驗課中占有50%的比例，而驗證性和技能型實驗共有5個實驗，每個實驗占10%，最后根據各個實驗的分數加權算出遺傳學實驗課的總 成績。

2 保證教學質量的措施

我校生命科學學院每年都有6~7個教學班(每班30人左右)的同學選修遺傳學實驗課。由于學生人數眾多，選題較為分散，給綜合性實驗教學的組織和管理帶來一些困難。為了保證綜合性實驗的教學質量，我們采取了以下措施。

首先學院非常重視遺傳學實驗課的教學。在“211工程”實驗設備費的支持下，遺傳學教研室建立了200多平方米的教學實驗室，相關實驗設備配置齊全，并且實驗室全天候對同學開放[22,23]。遺傳學綜合性實驗往往需要持續很長時間，必須課內和課外相結合，開放實驗室是完成綜合性實驗的前提條件。我校生命科學學院擁有廣東省高校生物學科基礎課實驗教學示范中心，該中心配置有完備的實驗儀器平臺和各種大型儀器設備，包括體視顯微鏡、顯微攝影系統、凝膠成像分析系統、流式細胞儀、激光共聚焦顯微鏡等都能按計劃提供給學生使用，保證了實驗教學的高質量。遺傳學教研室配有專職的實驗教師，實驗課的任課教師都能隨時給同學提供輔導，幫助解決實驗過程中遇到的問題，保證綜合性實驗的順利進行。

其次，我們重視驗證性和技能型實驗的教學，因為牢固的基礎知識和熟練的實驗技術是完成綜合性實驗的保證。例如染色體核型分析、染色體分帶實驗、微核實驗、多倍體的鑒定都要用到染色體制片技術，常用的染色體標本的制備方法有壓片法和低滲法，這兩種方法都在技能型實驗中反復訓練，為學生完成綜合性實驗提供了保證。

我們學院還建立了遺傳學實驗課程的教學網站(http://sky.scnu.edu.cn/life/class/ycsy)，將相關課件和視頻放在網站上，供學生預習、自主復習提高。教師引導學生利用我校圖書館豐富的網絡數據庫等媒體資源查閱文獻、熟練應用網絡資源和相關軟件，深入了解具體的研究內容和進展。遺傳學實驗室擁有完善的多媒體教學設備，引導學生利用多媒體設備進行PPT演示，以期能鍛煉學生的口頭表達能力和講解能力。

3 遺傳學綜合性實驗教學改革的效果

遺傳學實驗在生命科學類課程中占有舉足輕重的地位，加強遺傳學綜合性實驗的教學，是培養學生實踐能力和創新能力的重要途徑之一。多年來，本課程教學組堅持遺傳學綜合性實驗的“三自”教學，增加了課堂教學的研究氛圍，提高了遺傳學課程的教學效果。通過這項實驗，學生在儀器設備的使用維護、實驗藥品試劑的配置、實驗設計與操作、數據分析、結果展示與報告等一系列能力得到了加強，全面提升了學生的綜合實驗能力。綜合性實驗的“三自”教學模式還激發了學生的科研興趣和參與創新性研究的興趣，增進了學生的團隊合作意識和自主創新的能力。

對于實驗結果良好的實驗可以繼續延伸變為學生的畢業論文課題進行更為深入的研究。最近幾年，有30多位同學在遺傳學綜合性實驗的基礎上完成了本科畢業論文，并有多位同學發表了研究論 文[14, 16, 17, 20]，有關石斛屬、蔥屬植物的核型分析、彗星實驗技術檢測藥物遺傳毒性、超甜玉米同工酶遺傳標記分析的論文尚在整理過程中。實驗課上教師鼓勵學生積極參與科學研究，培養實事求是的科學精神和獨立地科研意識。同學們都認為在遺傳學綜合性實驗的過程中獲得了必要的實驗技能，為順利完成畢業論文和以后獨立開展科研工作打下了基礎。另外，“三自”教學模式還提高了大型儀器設備，如顯微攝影系統、凝膠成像分析系統和流式細胞儀等的使用率。

“三自”教學模式增加了遺傳學課程的探究性和趣味性，提高了遺傳學課程的吸引力。為了得到一個好的實驗結果，有的實驗小組先后十幾次到實驗室，探索實驗條件和步驟，直到做出滿意的實驗結果。學生有更多的時間和老師接觸，加強師生交流對話，也提高了教師的工作積極性，有利于“教學相長”。遺傳學實驗課歷年都受到學生的好評，學生給任課教師的課堂教學質量評價都在90分以上。

4 結語

培養學生的自學和獨立思考能力是高校教學的重要目標之一[24]?！叭浴苯虒W模式突出了學生在實驗課中的主導地位，有利于學生的學習從被動接受轉變為主動思考。本課程教學組試圖通過改革，讓學生體驗科研的全過程，幫助學生了解和掌握正確的科研方法，推動實驗教學在價值觀和學習模式上的進步。當然，創新能力的培養沒有固定的模式，本文所敘述的方法只是其中之一。Zhou等[25]開發了一門新課程，讓低年級本科生參與教師的研究項目，認為這樣能讓學生掌握更多的現代生物實驗技能。我們也嘗試遺傳學綜合性實驗的教學與教師的科研項目直接結合，讓學生直接在老師的研究項目中完成遺傳學綜合性實驗，這將是又一個可行的教學模式。

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(責任編委: 張飛雄)

A new teaching mode improves the effect of comprehensive experimental teaching of genetics

Fenghua He, Jieqiang Li, Biyan Zhu, Feng Gao

To improve the research atmosphere in genetics experimental teaching and develop students’ creativity in research, we carried out a reform in comprehensive experimental teaching which is one of important modules for genetics practice. In our new student-centered teaching mode, they chose research topics, performed experiments and took innovative approaches independently. With the open laboratory and technical platform in our experimental teaching center, students finished their experiments and were required to write a mini-research article. Comprehensive experimental teaching is a scientific research practice before they complete their thesis. Through this teaching practice, students’ research skills in experimental design and operation, data analysis and results presentation, as well as their collaboration spirit and innovation consciousness are strengthened.

a new teaching mode; genetics experiment; reform in comprehensive experimental teaching; research skill; innovation

2014-09-05;

2015-01-14

廣東省高等教育學會實驗室研究會基金項目(編號:GDJ2012081)，留學回國人員科研啟動基金(2013)，華南師范大學首批創新研究性實驗項目(編號：2013-524320)和華南師范大學本科教育教學改革項目資助

何風華，博士，副教授，研究方向：遺傳學課程的教學與科研。E-mail: hefh@scnu.edu.cn

10.16288/j.yczz.14-298

2015-1-15 10:06:48

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20150115.1006.002.html