基于創新能力培養的綜合性實驗設計與實踐

肖娟 陳華波 陳雪嬌 姚勁松 翟立紅

[摘 要]培養大學生的創新能力是高校素質教育的重要任務之一，而實驗教學中綜合性、設計性實驗的開設對培養學生創新能力和建構系統化知識體系具有重要作用。“科研反哺教學”是打破陳舊的實驗教學內容，設計綜合性實驗的重要手段。將開設兩年的課外實踐創新項目中的創新性實驗“人類苦味受體TAS2R38基因多態性分析”引入到臨床醫學專業本科生的醫學遺傳學實驗教學中，作為綜合性實驗項目，從人類PTC嘗味的表型鑒定到單倍型分析，使學生深入理解基因型和表型之間的聯系，豐富了實驗教學的項目類型，激發了學生對實驗課程的學習興趣，初步培養了學生的創新實踐能力。

[關鍵詞]創新能力;綜合性實驗;改革

[基金項目]2019年湖北文理學院創新創業教育教學研究專項“基于創新能力培養的科研項目引入本科生實驗教學的探索與實踐”（2019018）;2017年湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃項目“中樞神經系統的發病機制和診治方法研究”（T201915）;2017年湖北文理學院教學建設與改革項目“臨床醫學特色專業建設”（JS2017）

[作者簡介]肖 娟（1983—），女，湖北襄陽人，博士，副教授，主要從事神經免疫學研究;翟立紅（通信作者）（1983—），女，河北邢臺人，博士，副教授，主要從事分子生物學和遺傳學研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）46-0-03[收稿日期] 2020-09-28

醫學遺傳學是生命科學領域重要的基礎學科，是遺傳學與醫學相結合的邊緣科學[1]，是本科臨床醫學專業的一門專業基礎課。實驗在醫學遺傳學教學中具有重要作用，經典的醫學遺傳學實驗教學項目有正常人染色體核型分析、減數分裂標本制備與觀察、人類正常性狀和PTC嘗味能力的遺傳分析等[2]，教學項目類型單一、實驗內容陳舊。實驗教學除了掌握基本操作和實驗技能外，更應該注重實驗內容的研究性和前沿性。相對于目前單一的驗證性實驗，綜合性實驗不僅能檢驗學生對基礎理論的掌握程度，也能培養學生的綜合創新能力[3]。“科研反哺教學”是改善實驗教學現狀的有效措施。本文將開設兩年的課外實踐創新項目中的創新性實驗“人類苦味受體TAS2R38基因多態性分析”引入臨床醫學專業本科生的醫學遺傳學實驗教學中，作為綜合性實驗項目，力爭將實驗教學與大學生創新能力培養結合起來。現就該實驗的教學思路、設計和實施方案、教學效果等進行探討。

一、教學思路

科研和教學是高校教師的基本職責，而大部分青年教師面臨著如何處理科研和教學關系的問題。如何將科研與教學有機結合、相輔相成，實現科研與教學的統一發展是本研究的基本思路。長期以來，實驗教學的實驗項目類型單一，項目之間知識點獨立，難以讓學生形成系統的知識架構，更談不上創新性思維。本次改革的教學思路就是從實驗教學入手，更新經典的驗證性實驗，將科研的思路融入其中，綜合不同課程的知識點，設計成綜合性實驗，以期培養學生的實踐創新能力。筆者在調研上海交通大學醫學院的課程整合實施方案時，發現該校將醫學遺傳學、細胞生物學、分子生物學和組織胚胎學的部分內容有效整合在一門課程中。實踐證明，整合課程是教學內容改革的必然趨勢，促進相關內容的縱向整合和橫向整合，以幫助學生正確理解遺傳現象的本質[4]。與整合課程相對應的實驗教學，也急需整合各課程的知識點，更新目前的實驗項目，開展綜合性實驗。

二、實驗設計及實施方案

本文設計的綜合性實驗的授課對象為臨床醫學專業學生，實施時間為大三上學期，采用一人一組的教學方式，設置12學時。該實驗基于醫學遺傳學實驗教學中傳統的PTC嘗味能力的遺傳分析實驗，屬于群體遺傳學的知識點。傳統的實驗學習目標包括掌握不完全顯性的概念，學習基因型頻率和基因頻率的計算;加深理解群體遺傳平衡定律，并掌握卡方檢驗的方法;初步培養群體調查能力。實驗步驟主要包括配置不同濃度的PTC溶液，學生自測或者互測嘗到PTC苦味的濃度編號，判斷自己的基因型（TT，Tt或tt），之后統計全班的基因型，進行遺傳學分析，包括計算基因型和基因頻率，卡方檢驗群體是否處于平衡等內容。傳統的實驗內容基本上包括了遺傳學和統計學的知識，但是，在目前醫學教育改革提倡課程整合的大趨勢下，該實驗顯得教學內容陳舊、涉及學科較少、滲不透遺傳現象的本質等問題。在高中學習階段，同學們對T和t這一對等位基因的理解比較深刻，但是，從DNA層面來理解T和t的區別是大學階段的學習重點。

筆者在改革實驗之前，進行了為期兩年的論證和實踐，帶領課程團隊成功開設了4期基因克隆與功能研究課外實踐創新課程。該課程涉及了NCBI數據庫的介紹和使用、基因序列的查找和分析以及常用分子生物學技術等內容，分為理論和實踐教學，得到了學生的一致好評[5]。我們將課外實踐創新課程上的科研小項目“人類苦味受體TAS2R38基因多態性分析”引入到醫學遺傳學課程的實驗教學中，改變該實驗的弊端，即學生無法從分子角度理解T和t這對等位基因的區別，更加無法理解單倍型的概念。改革后的綜合性實驗項目結合了醫學遺傳學、分子生物學、醫學統計學和生物信息學等知識，其中生物信息學及其相關軟件的使用更是學生平時上課接觸不到的知識，豐富了實驗教學內容的同時，開拓了學生的科研視野，對培養學生的創新意識具有較大的作用。

具體的實施方案是將傳統的PTC嘗味能力的遺傳學分析作為前期實驗內容，后期聯合人類苦味受體 TAS2R38基因多態性分析形成一個綜合性實驗。實驗目的包括掌握DNA提取的原理和步驟，掌握PCR反應的基本原理，熟悉PTC嘗味能力決定基因TAS2R38的結構和功能，熟悉基因決定性狀、單倍型等概念。實驗前期準備工作包括學生在老師的輔導下從NCBI網站下載人類TAS2R38基因的序列和設計擴增基因序列的引物。

實驗步驟包括使用DNA提取試劑盒提取學生自身的唾液DNA、PCR擴增TAS2R38基因序列、瓊脂糖電泳檢測PCR產物、PCR產物進行3730測序、測序結果的分析等。實驗結果包括畫出TAS2R38基因的結構圖、基因CDS和肽鏈序列長度及引物所在位置、PCR擴增結果圖并標明片段大小、全班測序序列的比對結果、分析T和t等位基因的差異位點、單倍型的類型并計算單倍型頻率等（圖1）。

通過以上綜合性實驗流程，學生將深入理解人類基因的結構和序列，并深刻體會遺傳現象的本質和基因決定性狀的基本概念，有利于學生對科學研究有系統、綜合的認識，激發學生的創新性和科研積極性。

三、教學效果總結

為了解學生對本次綜合性實驗開設的滿意度，在課程結束后，我們通過問卷調查的方式進行教學效果評價。同一班級的學生（2018級臨床醫學專業151名學生）分別對開設綜合性實驗的醫學遺傳學和未開設綜合性實驗的生物化學的實驗教學進行滿意度測試。結果顯示，90%的學生對醫學遺傳學實驗教學較滿意，94%的學生對醫學遺傳學實驗課程中開設綜合性實驗較滿意。而未開設綜合性實驗的生物化學課程，僅有78%的學生對實驗教學較滿意，15%的學生對實驗教學一般滿意，7%的學生對實驗教學不太滿意（圖2、圖3）。

之后通過教師與學生面對面的交流，學生提出具體的意見和建議。①每個人提取自己的DNA并利用自己設計的引物進行PCR擴增和測序，給學生實驗操作的機會，避免了多人小組實驗中部分學生不參與實驗的缺點，實驗技能顯著提高，也增進了學生和教師的交流。②醫學遺傳學綜合性實驗設計多門專業基礎課程的實驗內容，學生對知識的掌握更加系統化。③教師對綜合性實驗的設計中包含了教師引導學生獨立思考，學生參與到實驗前期準備中，激發了學生對實驗課程的熱情。④接觸到了課堂以外的科研實驗內容，初步培養了學生對科研的興趣。

綜上所述，將“人類苦味受體TAS2R38基因多態性分析”引入到醫學遺傳學課程的實驗教學中，綜合了多學科的基礎知識和實驗手段，讓學生系統地學習和領會了遺傳現象的本質，模擬了科學研究的基本流程，培養了學生實踐技能、科研思維與創新能力。

參考文獻

[1]單長民，武玉永，楊軍厚，等.醫學遺傳學課程的優化整合與實踐[J].中國優生與遺傳雜志，2015，23（6）：133-134.

[2]王修海，單長民，楊康鵬.醫學遺傳學實驗指導（第3版）[M].北京：科學出版社，2012.

[3]梁可，徐英輝，余巧，等.基于學科交叉的藥學實驗教學模式的改革與實踐[J].食品與藥品，2017，19（1）：14-15.

[4]顧明敏，陸振虞，黃雷，等.醫學遺傳學課程建設的探索與實踐[A].中國遺傳學會，首都師范大學，安徽師范大學.高等院校遺傳學教學改革探索[C].中國遺傳學會，首都師范大學，安徽師范大學：中國遺傳學會，2010：5.

[5]翟立紅，鄭康鵬，任家鑫，等.本科課外實踐創新課程的教學與體會—以《基因克隆與功能研究》為例[J].中國衛生產業， 2019，16（13）：117-118.

Abstract： Cultivating the innovative ability of college students is one of the important tasks of quality education in colleges and universities， and the opening of comprehensive and design experiments in experimental teaching plays an important role in cultivating students' innovative ability and constructing systematic knowledge system. Support teaching with scientific research is an important means to break the old experimental teaching content and design comprehensive experiments. The author introduced the innovative experiment "human bitter receptor TAS2R38 gene polymorphism analysis" into the teaching of Medical Genetics Experiment for undergraduates majoring in clinical medicine. From human PTC taste phenotypic identification to haplotype analysis， students can deeply understand the relationship between genotype and phenotype. This attempt enriches the project types of experimental teaching， arouses students' interest in experimental courses， and cultivates students' innovative practical ability.

Key words： innovation ability; comprehensive experiment; reform