遺傳學實驗教材出版的創新與實踐

劉 暢 劉 丹

遺傳學實驗教材出版的創新與實踐

劉 暢 劉 丹

一本好的教材是教學思路、教學方法的高度概況和體現。主要闡述一本本科生教材《遺傳學實驗》編寫與出版過程中的創新與實踐：通過對教材結構體系的改變，實驗內容的細化，實驗安排的創新來加強對學生科學思維的引導、科學素養的培訓等。實踐發現，教材出版后，被很多高校選做本科生教材，有著較好的市場表現；多位遺傳學實驗教師反映教學效果有較大的提升，學生實驗效率提高、學生探索發現問題的興趣與主動性增強。

遺傳學；實驗教學；實驗教材

遺傳學實驗是生命科學類、農林類、醫學類本科專業的專業基礎課程，教材的質量直接關乎教學質量。策劃出版一本高水平的遺傳學實驗教材既是編輯的責任，也是作者與編輯的共同目標。中國農業大學楊大祥編寫《遺傳學實驗》[1]自2004年出版以來，修訂兩次，累計印刷5萬余冊，得到了授課教師和讀者的一致好評。2016年2月，第三版問世。這本教材既是作者教學思路、教學方法的總結，也是科學出版社在實驗教材出版上一種新的嘗試。本文從該教材的設計構思與結構上剖析，力求為實驗類教材的編寫與出版提供一個參考：如何通過對傳統教學內容的優化與教學改革，來實現更好的實驗教學效果。

一、新穎且實用的結構

國內遺傳學實驗教材版本較多，結構體系基本一致，比如一般涵蓋實驗目的、實驗原理、實驗材料及試劑、實驗步驟、實驗結果等。本書在策劃與編寫之初，根據本科生的知識結構與學習規律，對實驗教材的結構進行創新，增補了傳統實驗教材沒有的知識模塊。目的是方便教師授課、學生學習，更主要的是提高學生的學習主動性，使其積極思考，養成嚴謹、認真科研習慣。

本書的第一個部分是實驗安排。在整個實驗學期開始之前，讀者或授課教師可以根據學時、實驗室條件等進行整體規劃，安排一個學期的實驗安排，這樣學生在實驗初期就能了解主要的實驗內容及前后關系。接下來本書安排了預備知識，分別是：記錄、科學實驗的基本功、實驗報告的寫法、光學顯微鏡的使用及簡易書目、顯微攝影、可視化壓片法。這部分內容都是與后面實驗項目息息相關的實驗技能，關乎實驗的完成質量與總結效果。在實驗內容的撰寫上，本書并沒有采用傳統的“原理—步驟”這樣的寫作模式，而是在每個實驗的開端先附上一段與實驗內容緊密相關的科學史的內容，提高學生學習興趣，同時也是直觀地對科學發展史中“關鍵先生”、科研思路形成過程一個很好的呈現。每個實驗的實驗背景介紹部分不是傳統意義上的實驗原理，而是將實驗材料的選擇緣由、本實驗的思路，甚至是時間安排進行清晰表述，這樣更利用學生實驗的開展。在實驗材料、器具和試劑環節，不是像其他教科書一樣，籠統地告訴所有需要的器材及試劑，而是具體到每一個實驗者、每個實驗小組需要具備的詳細的材料、器材和試劑。這樣，實驗教師和學生都能更加清晰自己的實驗準備情況。實驗步驟環節，對一些關鍵點插入閱讀框或圖片進行詳細說明。比如“實驗一 果蠅的性別鑒定、性狀觀察及飼養方法”中，對于本科階段的學生來說，收集處女蠅是一個比較考驗實驗操作技巧的環節，所以在該環節插入了閱讀框，詳細講述果蠅的飼養、收集的技巧等，同時進一步說明“雜交親本的數量確定”這類學生經常在實驗中會面臨的問題。實驗結果記錄環節，設計了標準化的實驗記錄表格，這樣便于學生在進行實驗時不會漏掉關鍵環節的實驗數據，形成良好、規范的記錄習慣，同時這些原始數據也是實驗報告的重要組成部分。在每個實驗的結尾，都安排有“進一步的問題”這個環節，圍繞前面的本次實驗項目，進一步開拓思維，引發思考，引導讀者思考更深層次的科學問題。附錄中，作者詳細介紹了幾個與實驗相關的小制作，比如移蠅塞及移蠅漏斗、冰凍麻醉法麻醉果蠅、自動鉛筆式解剖針、電動試管刷等，這些都是作者及其學生在多年的實驗過程中積極思考，發揮主觀能動性，發明或設計的新的實驗器具，能大大提高實驗效率，啟發學生思考。

在以學生為本的教材設計理念指導下，完善的結構設計，方便了學生的實驗進行，同時調動學生的專業興趣，使其能主動投入到實驗的各個環節中。對于授課教師來說，這種結構設計使得教師的授課更加生動、條理清晰。

二、打破常規的實驗內容、過程的安排

傳統的遺傳學實驗開設基本是按照“實驗原理—意義—實驗步驟”的順序進行，著眼于對學生實驗技能的培訓。尤其是很多驗證性實驗多是以這種方式開設，一些高校也采取了教學改革，在教學內容上增加綜合性、探究性實驗，比如增加群體性遺傳、分子遺傳的內容[3]，但總體來說，實驗教學的創新相對緩慢。這樣的實驗開設方式存在一定局限性：學生主動性差，為了實驗而實驗，知其然不知其所以然；實驗時間較短，對實驗結果的分析不夠透徹等。這種教育思路下的教材編寫也多是傳統形式，實驗內容以經典實驗結果的重復及基本實驗技能培訓為主。目前大部分的遺傳學實驗教材存在的問題主要如下：對實驗的背景介紹很少，實驗原理圍繞技術層面更多，枯燥，可讀性不強，學生基本按照教材操作，自主性、能動性不足。圍繞這些問題，本書進行以下創新。

本書首先圍繞基礎性、共性的問題為學生設計了基礎實驗技能訓練環節，如實驗結果的記錄、實驗報告的撰寫等，這為后續實驗的開設、科學的記錄方式、規范的實驗報告撰寫方式奠定基礎。

在具體的實驗項目環節，首先，學生一定要熟悉實驗的背景知識，對實驗的來龍去脈有清晰的認識。同時也是為了吸引學生，本書非常重視對科學史中關鍵人物及其主要工作的介紹。遺傳學研究進展依賴于一些關鍵技術的推進和實驗思路的創新。本書在內容上始終強調的一點就是將遺傳學實驗技能的訓練與基本的科研思想、方法的傳授結合起來。例如，實驗“果蠅的實驗基礎”，作者詳細介紹了果蠅作為遺傳學材料的優點，以及遺傳學材料的選擇標準，讓學生了解為何果蠅能成為遺傳學發展史上最重要的實驗材料之一，同時也是后續多個實驗的必備材料；果蠅唾腺染色體制備這個實驗，從研究歷史開始，娓娓道來唾腺染色體如何一步一步走進果蠅遺傳研究并成為重要的工具，使來龍去脈一清二楚。

在實驗內容的安排上，由于不少學校都在嘗試開放性實驗，學生的實驗時間更加充裕，從實驗的設計，實驗室的預約、實驗結果的分析、實驗報告的撰寫等都有了足夠的時間保證，所以本書也安排了一些周期較長的實驗，比如實驗“孟德爾分離定律和自由組合定律的驗證”，不僅是對經典實驗的驗證，也是考驗學生主觀能動性很好的機會，其中涉及果蠅不同雜交組合的選擇，這需要學生自己去設計。同時，教材也在部分實驗給出了分組的建議，便于學生形成團隊，協調以便更好地完成實驗。

對于學生實驗來說，拿到一個好的實驗結果并不是實驗的結束，如何根據實驗結果分析本次實驗的效果至關重要，對于大部分實驗，本書都設計了參照的實驗結果對照圖，以及實驗結果的分析方法、分析要點等。比如實驗“植物染色體的Giemsa分帶”，拿到實驗結果后，本書提示了不同分帶結果的比較以及重要的對照點等，并提供了大麥染色體C帶和N帶染色的參考圖。

三、融入科學思維的引導與科學素養的培養

全書貫穿前后的一個思想即是提高學生的專業興趣，引導他們形成良好的科學思維習慣，同時具備較好的科學素養。

例如，開篇本書便將學術規范和學術道德放在首位，這是科技工作者必備的素質。本書反復強調一個觀點：“一個完整的實驗應該包括實驗記錄，實驗操作及實驗報告。實驗記錄是重要檔案，是寫論文或報告的依據；而報告則不僅反映學生操作結果如何，更反映學生是否準確、深入地理解實驗結果。只有當論文發表同行能看到時，一個科學實驗才算結束。”[4]由于不少學校沒有開設“科技論文的寫作與發表”類似的課程，或者學生在實驗之前沒有修，導致學生對完整的實驗流程沒有清晰的認識，本書開篇即把這些簡明扼要地講出，有利于學生對科研實驗流程與規范有明確的認識。

另外，在每個實驗的最后一部分設計了“進一步的問題”。在這部分內容里，目的是引導學生關注與實驗相關的問題，能夠融會貫通，讓學生去思考，提高學生學習的興趣，而不是簡單地得出實驗結果。如“人類性染色體檢測”這一實驗中，“進一步的問題”就是引導學生思考：Barr小體檢測如何用于重大體育賽事的女選手遺傳性別的檢測，而這種檢測存在什么樣的問題，為什么這項原本受女選手贊成的技術后來遭到女選手的反對？學生學習到本部分內容時可以結合今年舉辦的奧運會拓展思維，查閱文獻，進一步學習。

實驗環節，學生的主觀能動性不多，但本書提供一個新穎的思路。目前的實驗，在很多環節上仍然有可以創新和提高的部分。比如作者在附錄中就展示了一種新的果蠅麻醉方法，它能替代傳統的乙醚麻醉法，并且解決了乙醚不易購買、有刺激性味道的問題；還呈現了學生們研究如何切割海綿塞，并在此基礎上設計果蠅轉移裝置；將數碼相機連接到顯微設備上的支架以實現用普通數碼相機就能進行顯微攝影（書中預備知識三）；發明可換頭解剖針；等等。這些發生在作者及其學生實驗課堂的真實案例給了很好的示范與啟示：實驗不僅僅是一個照著教科書驗證的過程，而是一個能夠積極思考、大有可為的創新之地。借鑒這些創新，學生可以更好地完成實驗。

本書將科學人文關懷、實驗技能培訓、科研素質培養很好地結合起來，這種“活的知識”不僅展示了如何掌握一種實驗技能，同時呈現了科學家在推進學科發展過程中所思、所為，引導讀者學會發現科學問題，尋找解決途徑，在重復這些實驗的過程中，可能會有失敗，會有新的發現，一如這些實驗當初被確立的過程。學科在發展，未來的學科推進要靠當前的讀者們努力去推進，這種歷史使命感是閱讀本書過程中油然而生的感觸與巨大收獲。

四、結語

實驗教材的創新離不開對實驗內容的深入研究和對學生知識水平結構、學習規律的探究。本書的出版，也給了筆者一個深入思考如何提高遺傳學實驗教材質量的機會。如何將實驗的科學性、趣味性、啟發性較好地統一于一本教材中，既需要良好的結構設計，又需要精心的內容設計，同時將教育理論、教育目標融入內容編寫中來。筆者在與作者規劃下一版的時候，不僅要做到實驗思路、結構、內容的優化，還要增加和優化更多數字化、立體化等更直觀的素材與展現形式，以便更好地服務廣大的教師和學生。

[1]楊大翔.遺傳學實驗[M].3版.北京：科學出版社，2016.

[2]周天宇，干勁，楊大祥.果蠅實驗中海綿塞與移蠅漏斗的制作[J].生物學通報，2011，46（6）：49-50.

[3]楊大祥.遺傳學實驗教材存在的問題及改革實踐[J].中國農業教育，2012，6：78-81.

[4]Day R A，Gastel B.How to write and publish a scientific paper[M].Westport：Greenwood Press，2006.

[作 者]劉暢、劉丹，科學出版社。