遺傳學實驗教學方法的探討

張遠莉， 龐延軍

(南京大學 生命科學學院， 南京 210093)

在遺傳學常規實驗課教學中，實驗教學多以實驗操作為核心，并且由于實驗時間的限制，為了確保學生實驗成功，教師和實驗員往往在課前會做好所有的準備工作，比如材料的采集和處理、試劑的配制、儀器的調試、實驗條件的選擇。等到實驗課教學時，老師詳細講述實驗原理、實驗步驟及實驗中必須注意的問題，把所有可能導致實驗失敗的要點都教給學生。然后，學生按老師的要求按部就班地進行實驗就可以了。這樣的實驗教學方法雖然可以讓絕大多數同學實驗成功，但卻不容易調動學生的學習興趣，不利于提高學生的主動性及創造性[1-2]。

為培養創新型人才，應該改變傳統的教學模式，從“以傳授為主”轉向“以引導為主”，關注學生的學習效果和能力培養[3-7]。為此,我們結合多年的教學經驗和本校的實驗條件，對遺傳學實驗教學進行了一些改革,引入了比較教學法、翻轉課堂教學法，開設學生自主實驗和開放遺傳學實驗室，并建立數碼顯微鏡-體視鏡一體互動系統用于實驗教學，來提高遺傳學實驗的教學質量，經過多年的教學觀察，該方法取得了一定實際教學效果。

1 比較教學法

以植物細胞有絲分裂的觀察實驗為例，介紹比較教學法。在植物細胞有絲分裂的觀察實驗中，實驗的學習要求是通過洋蔥根尖的制片，了解細胞有絲分裂的整個過程以及染色體在各個時期的變化。有絲分裂過程，大致可以分成前后連續的5個時期，間期、前期、中期、后期和末期[8]。教材中提到，洋蔥根尖細胞有絲分裂的時間是有規律的。通常在每天10：00至14：00分裂活躍，可在這時取材。我們在實驗教學中一般選擇12：00至13：00之間進行取材，為了使學生更清楚地了解這個實驗，在實際操作中我們通過簡單的實驗方案調整轉化為探索性實驗，這種教學方法，我們稱之為比較教學法。

在實驗中，我們選擇了早上8：00、12：00、16：00、20：00分別取材，進行有絲分裂的觀察。實驗時，一個年級3個班共100人都分別取材進行了對比實驗。通過自己的實際觀察，找到最適合的取材時間。采用這種探索性的實驗設計可以培養學生科學研究的基本方法，同時也可以使學生更加深刻地了解實驗的原理，增強實驗效果。

我們分別統計了在一次課(2 h)內觀察到各分裂期細胞的學生數量，其結果如表1。從表1可以發現在12：00左右取材，觀察到分裂期細胞的學生數比例最高。在8：00和20：00取樣，觀察到分裂期細胞的學生數量比較少，在16：00取樣，觀察到分裂期細胞的學生其次多。

表1 不同時間取樣觀察到的分裂期細胞的人數比例

2 翻轉課堂引入遺傳學實驗教學

翻轉課堂是近年來新興的一種教學模式，是由教師創建教學視頻和其他資源，學生在課外學習，再回到課堂上師生面對面交流、答疑解惑、引導討論和輔導作業的一種教學形式[9-10]。近年來，隨著生物技術的迅速發展，遺傳學的研究成果及新技術突飛猛進。但是，由于受傳統教學時間和教學體制的影響，課堂講解受限，遺傳學實驗課程教學很難跟上現代遺傳學的發展速度。因此，我們在遺傳學實驗課程的教學過程中，開展了翻轉課堂的教學探索和實踐，獲得了較好的應用效果。

首先，我們將遺傳學實驗內容整合為4個教學模塊，并錄制了一些遺傳學實驗教學微視頻(表2)，讓學生在課外時間進行在線學習，完成實驗課前的預習工作。通過學生的自主學習，我們將課堂時間空余出來開展討論和進行實驗操作。其次，在翻轉課堂教學模式中，我們還可以根據現代遺傳學的發展方向，將現有遺傳學實驗內容部分緊跟學科發展前沿的新技術、新方法，豐富了現有遺傳學實驗課的教學內容，明顯地提高了學生對遺傳學的學習興趣，并提升了學生對學科發展前沿內容的了解和掌握，對提高學生的上課質量和效率起到了很大的促進作用。

表2 實驗中錄制的一些教學視頻

3 開設學生自主實驗

學生自主實驗是學生對遺傳學方面某個科學問題產生興趣, 希望通過自己設計實驗來進行研究。實驗方案首先由學生自主確定，然后老師進行指導，實驗時間由學生自己選擇，在遺傳學開放實驗室進行。目前，在南京大學學習普通遺傳學和遺傳學實驗課程的主要為生命科學學院二年級本科生，他們已經學習了一些生物學方面的專業知識，具有一定的選擇和設計自主實驗的能力。與傳統的內容和時間固定的遺傳學實驗相比，學生自主實驗更能發揮學生的主觀能動性，更有利于學生的自主學習，還能培養學生的自主研究和創新能力，為以后的學習和科研打下基礎。為配合學生自主實驗的教學，學院特別開放了遺傳學開放實驗室。自2014年開放學生自主實驗以來，每年都有10～20項由學生自主設計完成的實驗(部分如表3)，對提高學生的專業素養和創新能力起到了很大的幫助。

表3 學生自主設計完成的部分實驗

在遺傳學實驗中,由于實驗材料和課時都存在局限性,大都選擇學生操作比較方便，并且容易得到實驗結果的材料。而學生自主設計實驗時，學生可以選擇自己感興趣的材料進行研究。豐富的實驗材料,不僅可以完成教學任務，而且能拓寬學生視野,培養學生從學習中發現問題、解決問題的能力。

4 開放遺傳學實驗室

開設學生自主實驗可以培養學生的實驗操作技能和創新意識，根據學生自主實驗的需要，我們開放了遺傳學實驗室。根據開放程序：學生首先查閱資料,設計實驗方案,然后教師進行適當指導，經實驗室主任批準后可進入開放性實驗室。實驗中，自己獨立選擇實驗材料,進行試劑配制,自主完成操作，寫出實驗報告。

在遺傳學的一些傳統實驗中，如有絲分裂、減數分裂、果蠅雜交和唾腺染色體的制備等復雜實驗，實驗時間較長,大部分由教師完成實驗材料的準備工作,學生只是進行部分操作，完成結論的驗證，很難完成完整的實驗過程。有了開放實驗室和開放式實驗教學，學生可以根據自己的興趣全部完成一系列操作過程，在正常課時不能完成的實驗都可以在開放實驗室內完成。

5 數碼顯微鏡-體視鏡一體互動系統用于實驗教學

數碼顯微互動技術是近年來迅速發展的一種新技術。數碼顯微互動系統由數碼顯微鏡、局域網、投影儀實物展示平臺等組成,可以展示每個學生顯微鏡下觀察到的內容,并進行及時的顯微攝影,記錄實驗結果。我們在此基礎上研發出了數碼顯微鏡-體視鏡一體互動系統用于遺傳學實驗教學[11-13]。如圖1是一套學生使用的數碼顯微鏡-體視鏡一體鏡，包含了電腦、顯微鏡、體視鏡，顯微鏡和體視鏡下觀察的結果可以隨時切換在屏幕上顯示，極大地方便了學生操作，同時還可以將實驗效果好的結果展示在投影屏幕上,讓全體同學都能觀察到，大大提高了實驗的成功率和學生積極性。

圖1 數碼顯微鏡-體視鏡一體鏡

學生利用數碼互動系統可以對圖像進行靜態捕捉和動態錄像捕捉，學生可以通過拍照, 將典型的實驗圖像或實驗結果記錄下來, 便于長久保存和隨時查看。記錄的現象和實驗結果, 也便于課后進一步分析或研究。如在收集果蠅處女蠅的教學實驗中，學生觀察到了果蠅從蛹孵化成果蠅的這一過程，并把它錄制下來，這在以前的傳統儀器中是很難做到和實現的，極大地調動了學生的興趣和學習的積極性。

在近幾年的教學過程中，通過上述教學方法的改進和授課老師的努力，學院也在實驗室硬件方面的改進給予了大力支持，學生對該課程給予了越來越高的評價。教學總是在不斷地摸索中前進，我們會繼續對遺傳學實驗的教學和硬件方面進行合理調整和優化，提高遺傳學實驗的教學質量，培養學生的科學思維能力和創新能力，為創新型人才培養提供平臺。