“遺傳學”課程教學改革的探索
——以北京林業大學為例

(北京林業大學生物科學與技術學院，北京 100083)

遺傳學(genetics)作為一門研究生物遺傳與變異規律的科學，其體系完整、發展迅速、理論內容寬泛且實踐性強，已成為21世紀生命科學領域發展最為迅速的學科之一。隨著現代生物技術的發展，遺傳學研究領域由群體、個體逐漸拓寬至細胞、亞細胞(細胞核、染色體)、基因(轉錄調控、翻譯表達、轉錄后沉默、甲基化修飾)、基因組等多個層次，形成了眾多的分支學科和交叉學科[1]。基于遺傳學建立起來的基因工程、基因組學、表觀遺傳學等新理論和新技術已成為生命科學發展的前沿，部分研究成果已在生態、農業、能源、環保和醫藥等領域發揮了重要作用。因此，開展“遺傳學”課程教學活動，不僅要保持學科自身的完整性和系統性，而且還要關注分支學科與交叉學科的知識構成和最新的研究進展，逐漸完善、優化“遺傳學”課程的教學內容，讓學生掌握完整的“遺傳學”課程體系和前沿的理論知識與技術。

一、“遺傳學”課程教學存在的問題

多年來，教育工作者在“遺傳學”課程教學實踐中進行了知識結構和教學方法等的改革與探索[2-4]。然而，相比于遺傳學前沿理論知識與技術的發展速度，當前高等院校“遺傳學”課程教學內容和教學方案仍存在一定的問題。其中，比較突出的問題如下。①教學方法較為單一，“一言堂”和“飯來張口”的教學模式貫穿于整個教學過程中。教師課堂講授知識點較多，難以突出講授重點，“費力不討好”；學生學習的積極性與主動性不高，對課程教學內容理解不深刻，影響學生專業研究能力的培養。②知識點繁瑣且學時有限，新舊知識整合效率低，缺乏與遺傳學研究進展同步的參考教材與輔助資料，難以形成較為系統的課程教學體系。③實驗教學仍采用固定的“教師示范+學生模仿操作”的方式，導致學生自行設計實驗和動手操作的主動性差，極大地限制了學生的科研思維。④“遺傳學”課程教師隊伍力量薄弱，信息化網絡平臺與公共數據庫等資源沒有得到有效利用。上述教學問題給高校“遺傳學”課程教學改革提出了新的挑戰和更高的要求。

二、“遺傳學”課程教學改革的措施

基于“遺傳學”課程教學存在的問題，筆者和教學團隊積極優化“遺傳學”課程教學內容，改革“遺傳學”課程教學方法，及時、全面地將國際前沿理論知識和技術轉化為教學素材，具體做法如下。

(一)確定課程教學核心內容

“遺傳學”作為生命科學重要的基礎課程，要求教師全面系統地講授遺傳學的基本原理、研究方法及現代遺傳學發展的最新成果。針對“遺傳學”課程課時量減少與新內容增加的矛盾，筆者對該課程教學內容進行了調整和優選。以劉慶昌版《遺傳學(第2版)》為基本教材，以劉祖洞和朱軍版《遺傳學》為輔助教材，并通過選取多部中英文教材、國家精品課程課件、相關專業文獻等，系統地編寫了“遺傳學”課程教學大綱、教案和習題，并制作了該課程英文版多媒體課件。

在“遺傳學”課程教學過程中，筆者始終以遺傳和變異為核心，以遺傳物質的結構、功能、傳遞、變異以及遺傳信息的表達與調控為主線，從經典遺傳學、細胞遺傳學、分子遺傳學、基因組學和群體遺傳學等方面，結合經典案例，詳細講述遺傳學的三大定律、基因突變、染色體畸變、數量性狀的遺傳、基因工程、基因組學及群體遺傳進化等內容，使學生在個體、群體、細胞和分子等水平上理解和認識生物遺傳變異的原因、物質基礎及內在規律，培養具有系統遺傳學理論體系、創新性思維模式的專業人才。另外，在制定“遺傳學”課程教學計劃時，為合理地整合新舊教學內容、突出遺傳學新理論與新技術，筆者適當調整了各個章節的課時分配，縮減了DNA結構、孟德爾定律、伴性遺傳定律等與高中生物課程相同的內容，以及與“細胞生物學”“生物化學”課程重復的內容，增加了結構基因組學、功能基因組學、蛋白質組學等新興內容。

(二)將前沿理論知識和技術轉化為教學素材

為了提高學生對“遺傳學”課程的興趣，使學生了解遺傳學前沿發展趨勢，掌握遺傳變異、生物進化等概念及遺傳學的研究對象與研究方法，筆者對“遺傳學”課程的教學方式進行了探索與實踐，將國際前沿理論知識和技術轉化為教學素材，取得了較好的教學效果。

第一，通過回顧遺傳學發展史上重要遺傳學理論假說的提出、驗證、發展與認可的漫長歷程，引導學生認識科學發展的基本規律與崇高的科學探索精神，系統了解遺傳學發展的重要脈絡，并通過推薦相應的科普讀物來提高學生對遺傳學發展史與遺傳學家事跡的了解。

第二，通過典型案例講解，讓學生體會遺傳學理論規律與人類文明發展的密切關系，如雜種優勢在作物遺傳育種中的應用、近親結婚易產生遺傳疾病的主要原因、親子鑒定技術與重要遺傳疾病分子診斷技術的發展等。

第三，通過介紹國際最新遺傳學理論研究動態，與學生探討遺傳學發展的機遇與挑戰，如介紹Spliceosome(RNA剪切體)工作機理方面的突破性進展[5]，讓學生了解遺傳學“中心法則”定律中成熟RNA轉錄過程中剪接體對前體信使RNA執行剪接的基本工作機理。

第四，通過介紹利用CRISPR技術(一種用化學物質修改基因片段的技術)開發的轉基因生物“刪除開關”功能，防止轉基因生物破壞人身安全與自然環境[6]，提高轉基因作物的安全性。

第五，通過介紹國內遺傳學領域的著名科學家取得的重要研究成果，如袁隆平院士的“雜交水稻”、張啟發院士的“綠色超級水稻”、李家洋院士的水稻重要農藝性狀的“圖位克隆”、曹曉風院士的植物表觀遺傳學研究等，讓學生真切感受到遺傳學不僅存在于教科書中，而且就在身邊，從而激發他們學習的興趣，認識了解遺傳學知識的重要應用價值。

(三)引入“翻轉課堂”教學模式

作為“遺傳學”課程的核心章節之一，生物遺傳變異在遺傳學研究中占有重要的地位。筆者在講述該部分內容時，一方面開展了“雙語”教學活動，對經典“遺傳學”課程中與遺傳變異緊密相關的基礎知識進行歸納總結，提高了學生外文文獻的閱讀能力；另一方面改變以往的灌輸式教學模式，在該課程教學過程中采用“翻轉課堂”教學模式，讓學生擔當教師角色進行講授，教師做引導和最后的點評。例如，在講授“染色體畸變(結構和數目變異)”這一生物學遺傳現象時，筆者在講授完基本知識點之后，對學生進行分組，并以染色體不同畸變類型為選擇方向進行最新研究進展的檢索與資料收集；隨后，各小組通過對文獻的集中學習與討論，制作多媒體課件，并以小組為單位匯報論文主要內容和結論，同時教師參與討論，對部分知識點進行延伸性解釋。通過這種“翻轉課堂”的學習模式，學生不僅深刻地了解了染色體變異的前沿理論知識和技術，而且提高了學生自主學習的熱情，有利于高素質專業人才的培養。

(四)依托學科優勢研究團隊開設前沿專題講座

針對較為抽象，且推理過程涉及到統計學知識的部分內容，筆者與所在學院的林木分子遺傳學、數量遺傳學、關聯遺傳學、群體遺傳學等優勢研究平臺共同制定教學計劃，設置了“三點測驗”“連鎖與重組”“偏分離與復合區間作圖”等熱點專題，具體做法如下。

首先，聘請各個研究方向的知名教授著重講授主要的理論和技術(如數量性狀的多基因假說、數量性狀的遺傳模型、連鎖圖譜構建與數量性狀基因座(quantitative trait loci，QTL)作圖的原理和步驟等)，讓學生提前熟悉數量性狀遺傳的核心知識框架體系[7-11]。

其次，邀請2～3名在林木數量遺傳研究領域成就斐然的知名科學家以專題講座的形式講授最新科研進展，如：遺傳作圖統計模型選擇與案例分析、重要農藝性狀的圖位克隆研究進展、數量性狀功能作圖(function mapping)與系統作圖(system mapping)等[12-17]。利用高水平講座形式來輔助該課程本章節內容的學習，有利于提高學生理解復雜抽象遺傳學難點問題的能力，有利于學生系統認識數量性狀遺傳研究現狀、前沿和發展方向，為“遺傳學”課程其他章節，如基因組學、群體遺傳學與表觀遺傳學的教學奠定理論基礎。通過開展這種以學生為主體的教學活動，可以提高學生的自主學習與思考能力，增進學生對“遺傳學”課程學習的興趣，為學生專業素質的提高與遺傳學教學體系的發展創造了必要條件。

(五)優化課程實驗教學內容和模式

“遺傳學”課程實驗教學是提高學生動手操作能力和科研創新思維的重要環節。通過該課程實驗教學，不僅加深了學生對所學遺傳學理論知識的理解，而且鍛煉了學生分析和解決問題的能力。

在“遺傳學”課程實驗教學過程中，筆者摒棄了傳統的“教師準備-講解-示范+學生模仿操作”的實驗課教學模式，將國內外前沿科研成果的核心內容轉化成了學生簡單易懂、容易操作的自主性實驗。在“遺傳學”實驗課教學時間上，將原來只是在規定學時內完成的示范實驗延伸到可以在課外持續開展的創新大實驗上，加深了學生對實驗內容的消化與理解，提高了學生的動手能力。

另外，筆者開設了以“認識和探索基因功能”為目標的基因工程實驗，圍繞基因的克隆、重組DNA的構建及重組子的驗證等環節設計實驗，突出了實驗的連貫性、綜合性和設計性。例如，利用多媒體講述電子克隆的過程，筆者向學生介紹如何利用美國國立、生物技術信息中心(NCBI)的EST數據庫的基因資源進行新基因的電子拼接，使實驗教學真正做到了反哺理論教學；在重組子的驗證環節，除了利用藍白斑篩選和酶切鑒定外，還要求學生掌握熒光定量PCR檢測、熒光顯微鏡觀察活體細胞檢測、Western印記檢測等mRNA水平和蛋白質水平驗證技術。在上述實驗環節中，筆者除保留基因組綜合大實驗外，還整理編寫了一些前沿新穎的基因工程技術，讓學生緊跟時代和學科發展的步伐，熟悉和掌握新的理論和操作技術。同時，依托“林木分子育種”創新實驗室，利用其完善的群體數據庫，筆者還開展了“高密度遺傳連鎖圖譜的構建、QTL與基因定位分析及其數量性狀全基因組關聯作圖”等創新性實驗，將多個遺傳學前沿研究內容引入到實驗教學中，不僅使教學內容緊跟時代的發展，而且還幫助學生深刻理解遺傳學的重要應用價值，提升了專業人才的培養質量。

三、“遺傳學”課程教學改革的效果

通過對“遺傳學”課程進行教學改革，保證了教學內容的系統性和創新性，拓寬了學生的專業視野，有力地促進了生物技術與生物科學專業本科生培養質量的提高。

(一)開展遺傳學科研訓練的學生數持續增多，本科生培養質量得到提高

學生對“遺傳學”課程的系統學習，為按照培養計劃開設相關課程提供了基礎，學生的學習興趣和積極性得到了顯著提高，學生與授課教師在專業知識、科研疑問、畢業去向等方面的溝通逐漸增多，越來越多的學生選擇到筆者所在的遺傳學教研團隊開展大學生科研訓練和畢業設計。據統計，依托“遺傳學”教研團隊開展大學生科研訓練的學生人數從2010年前的每年5人次增加到2015年的每年14人次，有11名學生在國際知名學術期刊發表了SCI論文，獲得校級優秀畢業論文的數量也從2010年前的每年平均0.5篇增加到2015年的每年2篇，遺傳學專業人才的培養質量得到了提高。

(二)學生的科研水平和競爭力得到提升，出國留學或深造的人數增加

通過對“遺傳學”課程的學習，學生逐漸了解到國際遺傳學領域最新研究成果，對該領域知名團隊和科學家的研究方向有了系統認識和濃厚興趣，專業學習能力得到了增強，視野得到了拓展，主動學習的愿望得到加強。

“遺傳學”課程考試平均成績從2010年之前的79.3分提高到2015年的88.6分，85%的學生希望通過出國留學或者推免、考試等方式赴更高的科研平臺進行遺傳學領域的深造。出國學生數量從2010年之前平均6人次/年提升到近5年的13人次/年，其中不乏牛津大學、耶魯大學、多倫多大學與加州大學等國際頂尖大學。同時，通過對“遺傳學”課程的學習，學生在研究生復試過程中的競爭力提高，多個研究生錄取單位反饋，北京林業大學生物科學與生物技術專業學生的遺傳學知識面寬廣、實驗操作與科研素養較高。據統計，學校生物科學與生物技術專業學生被中國科學院、清華大學、北京大學、浙江大學與復旦大學等國內知名研究團隊錄取為研究生的比例從2010年之前的45%提升到近5年的76.6%。越來越多的學生從先前主要選擇攻讀農林遺傳學領域的研究生拓寬到醫學、基因組學、微生物學、生物信息學與動物遺傳學等領域，極大地提升了生物科學與生物技術專業本科生培養的質量。

資助項目：北京林業大學2015年研究生課程建設項目——“分子遺傳學”全英文研究生核心課程建設，項目編號YWKC1504。