遗传学小班实验的教学体系改革

摘要小班化实验操作符合实验课程的要求，有利于激发学生对于课程学习的内驱力，培养学生的实践能力和创新能力，是一种科学有效的实验教学组织形式。以农学专业的遗传学为例，开展了小班化实验教学研究，通过实验课程设置的调整和优化、教学团队的重组以及教学手段和方法的改进等，充分发挥小班化教学的优势，形成有效的基础实验教学新模式，显著地提高了实验教学的质量和效果。这些措施能有效地培养学生的科研素质和创新思维，融入更多人文思考，真正体现综合性大学农学专业“育人为本”的精神。

关键词农学专业;遗传学实验;“精细化”教学;“小班化”教学;育人为本

中图分类号S-01文献标识码A

文章编号0517-6611（2022）13-0271-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.13.071

Experimental Teaching System of Genetics after Small Class Reform—Taking Agronomy as an Example

JIN Xiao-li，XIAO Jian-fu，SHI Chun-hai

（Agronomy Department，College of Agriculture and Biotechnology，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang 310058）

AbstractSmall-class experimental teaching belongs to fine teaching，which is in line with students’ personality development. It is conducive to stimulate students’ internal drive for students’ practical ability and innovation ability. It is a scientific and effective form of experimental teaching. The College of Agriculture and Biotechnology of Zhejiang University carried out small-class experimental teaching of genetics. Taking agronomy as an example，it adjusted the setting of experimental courses，reorganized the teaching team，improved the teaching means，gave full play to the advantages of small class teaching，summarized an effective new model of basic experimental teaching，and significantly improved the quality and effect of experimental teaching. These measures effectively cultivate students’ scientific research quality and innovative thinking，integrate more humanistic thinking，and truly reflect the spirit of “people-centered education” in the University.

Key wordsAgronomy;Genetics experiment;Fine teaching;Small-class teaching;People-centered education

遗传学（genetics）是生命科学领域最重要的基础课程之一，20世纪以来发展迅速，推动着整个生命科学的发展和进步。期间，理论体系不断完善和发展，相应的实验技术与理论体系相得益彰，不断创新发展。遗传学实验教学通过实验设计、实验操作、数据分析，结果总结等多个实践环节，让学生掌握实验方法和技术，巩固遗传学理论体系，提高观察、思考、分析问题的能力，培养有一定创新能力的新型专业人才[1]。浙江大学农业与生物技术学院的遗传学课程是国家级精品课程。多年来，该团队在教学模式改革中不断探索尝试，建立了“开放式、研究性”教学理念与模式，不仅取得了较好的效果，也得到了国内高校同行的广泛认同与借鉴。

自20世纪90年代起，遗传学安排在3年级的第一学期开设，学生经过大一、大二两年前修课程的学习，所学的基础知识已经比较扎实，课程教学内容体系合理，具有良好的科学性和先进性。目前，实施小班化教育是国际教育改革的一大潮流，在国外和国内的许多大城市，小班化教育已较为普及。由二三十学生组成一个班级，控制班级人数，更有利于目前提倡的个性化教学、深化教育内涵，适合每一个学生差异发展，是教育在课堂教学领域里的一场“攻坚战”。基于这样一种教学理念的更新，自2019级开始，浙江大学农业与生物技术学院全面实施了课程的小班化教学，遗传学由原来的学院所有专业学生参与的大课，细化到每个专业，根据专业特点，调整了遗传学的授课模式。在农学专业中，遗传学作为作物育种学、植物生物技术等课程的前导课，为了强化农学专业遗传学作为基础课的实验技能，将遗传学课程由原来的大三第一学期调整到了大二第一学期。这样调整的结果使得遗传学课程的教学提前一年，前修课程的设置产生了很大的变化，导致学生在学习遗传学知识时所应具备的基础知识不全，做遗传学实验时所应具备的能力更是严重不足。遗传学的实验教学在该课程的整个教学体系中占有重要的地位，影响着课程整体水平的提高[2]。基于此，有必要针对学生知识结构特点以及学习技能的情况，进行遗传学实验教学改革与调整。

1实验教学调研、教学体系设计

1.1实验教学调研以农学专业本科生学生为对象，侧重农学专业大二学生，调查他们的知识体系、实验操作技能、科学素养等，通过学生随访等形式，了解学生的基本知识结构和能力情况。同时，考察国内高校该课程的教学安排情况。发现在浙江大学这样的综合性大学中，大一学期主要以公共课程为主，在化学、数学、计算机数据处理和英语等方面具备了一定的基础，尚未开始专业基础课方面的学习，严重缺乏遗传学知识学习时所应具备的基础知识，如植物学、生物化学和生物学等。同时对农学专业的大三、大四学生课程进行了调研，发现后续课程如植物生物技术、作物育种学、数量遗传学、分子遗传育种等多门课程均需以遗传学为基础，遗传学与植物基因组学、分子生物学概论与遗传学课程互相渗透交叉，遗传学实验所学的知识也相应成为这些课程的先导实验技术。因此，依据调研结果，结合已有的遗传学实验教学方案，需要调整实验教学方案，设计相应的实验教学体系。

1.2实验教学体系设计选择与理论课配套的实验课程内容，可以印证、巩固、理解和丰富课堂理论教学，培养学生分析和解决实际问题及其创新能力，使学生运用理论知识和方法，是提高学生动手操作能力和科研创新思维的重要环节，引导学生建立良好的科学素养和人文素养。基于大二学生的特点，在专业知识的学习过程中，更加需要注重基本科学素质与人文素养的培养。因此，在坚持“开放式、研究性”教学理念的同时，实行多元化实验教学模式，可提升学生理论联系实际的能力以及创新意识[3]，因此，对标农学专业的遗传学授课框架，设置如下实验教学模块：① 通过强化基本实验技能实验内容以及考核体系，在实验课程体系中强化基本实验素质训练;②在实验教学体系中设立经典实验模块，引导学生建立良好的科学素养;③在课程体系整个过程中，注重人文素养的引导，将人文素养纳入学生能力考核的体系中。因此，在整个实验教学过程中，设置了基本实验技能实验内容、经典实验模块和遗传学综合性实验模块等3个重要的实验模块。

1.2.1基本实验技能实验内容。“遗传学”理论课教学总体围绕“遗传”“变异”及其相关规律及应用，在实验设计过程中，注重细胞学、遗传物质的分子生物学、生物统计学等各个环节的技能培养，培养学生对于制片技术、显微镜使用、数据分析等基本技能的培养。因此，着重设置了有丝分裂、减数分裂、核型分析、染色体显带、遗传距离计算等遗传学特色实验环节。

1.2.2实验教学体系中设立经典实验模块，引导学生建立良好的科学素养。在遗传学发展史上，有多个经典实验促进了遗传规律的形成和发展。笔者在实验设计过程中，注意设立经典实验模块，引导学生了解遗传学发展史中的重要环节，建立良好的科学素养。例如孟德尔的豌豆杂交实验，形成了遗传学三大规律中的分离规律和自由组合规律。而果蝇作为另外一个重要的遗传模式生物，也发挥了巨大的作用，催生了四代诺贝尔生理学或医学大奖。摩尔根（T. H. Morgan）、爱德华·路易斯（Edward B. Lewis）、沃尔哈德（C. N. Volhard）、艾瑞克·威斯乔斯（Eric F. Wieschaus），杰弗理·霍尔（Jeffrey C. Hall）、迈克尔·罗斯巴什（Michael Rosbash）和迈克尔·杨（Michael W. Young）等多位科学家利用果蝇作为遗传材料，在遗传学史上留了浓墨重彩的功绩。首当其冲的为摩尔根，其通过对于果蝇的性状分离规律分析统计，发现了遗传学第三大遗传定律——基因的连锁和交换定律，并于1933年获得诺贝尔奖。缪勒证明了X 射线能使果蝇的突变率提高150倍，成为辐射遗传学的创始人。爱德华·路易斯、沃尔哈德、艾瑞克·威斯乔斯等发现了早期胚胎发育的遗传调控机理。2017年，杰弗理·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·杨提出了控制昼夜节律的分子机制。果蝇因生长周期短、体型小、突变性状繁多等特点，成为最佳的遗传分析材料之一。因此，合理地运用果蝇材料开展遗传学实验教学，不仅有助于巩固学生的遗传学理论体系，掌握相关实验方法和技术，更有利于学生了解遗传学发展历史，促进学生科研精神的培养和创新能力的提升。综合多个因素，笔者设计了果蝇的形态鉴别和伴性遗传、果蝇性染色体基因的三点测验两个大实验，学生需经历果蝇培养实验、果蝇生活史观察、果蝇雌雄鉴别及突变类型观察、果蝇唾腺染色体制片、取处女蝇、杂交配组、表型鉴定及统计、分析两个性状间的遗传距离等多个环节，仔细观察果蝇形态特点，直观了解突变引起的性状差异，才能很好地掌握遗传学第三个定律，体会到果蝇在遗传学上的重要地位。同时，介绍三点测验在作物学上的应用，可以通过这种方法定位基因和克隆基因，可为分子设计育种提供连锁标记，提高育种效率。

1.2.3基于农学专业背景下设置遗传学综合性实验，在课程体系整个过程中，注重人文素养的引导。遗传学知识点多且杂，每个章节各有侧重，各章节可以分为基本的三大遗传定律、不同生物的遗传规律、分子水平的遗传规律和技术、核外遗传规律、数量性状遗传规律、群体遗传规律等多个方面，导致表面上看起来各个知识点非常分散。除了在理论课教学过程中，需要将各个知识点串联起来，同时要合理设计实验课内容，将多个知识点有机联系到一起，形成一个完整的知识体系。基于农学专业背景，以重要作物作为研究对象设计相关实验。例如设计实验加深质量性状知识点的理解。以杂交玉米F1果穗上的种子为研究对象，统计各性状数据，共设计了3个实验：①一对性状，甜（皱）（susu）×非甜（圆）（SuSu）;②两对相对性状，甜黄、非甜（皱）（PPWxWx）×白、甜（圆）（ppwxwx）;③两对相对性状，白色（AAcc）×白色（aaCC）。通过对统计结果进行 χ2 测验，以验证其分离比例是否符合遗传规律。通过这一大型综合实验的设立，融合了独立分配规律、自由组合规律和基因互作规律这3个遗传知识点。同时在讲解过程中，适当融合相关知识点应用于作物遗传育种中。

为了形象化理解染色体结构和数目的变异，以小麦及其近源种——方穗山羊草组（Vertebrata）、硬粒小麦为研究对象，因方穗山羊草组中的种都带有与小麦同源的D染色体组，硬粒小麦带有与小麦同源的A和B染色体组，该实验带D染色体组的3个山羊草种和3个硬粒小麦品种远缘杂交后代，观察杂交后多代的染色体结构差异，生动形象地了解染色体桥、多分体、微核、落后染色体等染色体异常结构。在实验讲解过程中，结合农业专业背景，穿插普通小麦的演化过程，渗透遗传育种的概念和手段，例如芸苔属的著名“禹氏三角”[4]。白菜型油菜（B.campestris，2n=20，AA）、黑芥（Brassica nigra，2n=16，BB）、甘蓝（B.oleracea，2n=18，CC）相互杂交，形成了芥菜型油菜（B.juncea，2n=36，AABB）、阿比西利亚芥（B.carinata，2n=34，BBCC）和甘蓝型油菜（B.napus，2n=38，AACC）。通过类似的遗传教学模式，做好专业的先导课程角色，为后续作物育种学专业课程的教学提供理论基础。