實驗教學引導的“三階段八模塊兩提升”普通遺傳學課程改革與實踐

田蕾 羅成科 劉萍 劉鳳樓 李清峰 張曉崗 楊淑琴

摘 要：為適應新農科人才培養需求，依托寧夏回族自治區農學一流專業建設全農科人才培養和卓越農林人才培養計劃，針對植物生產類普通遺傳學課程設計和本科教學過程中存在的主要問題，緊跟時代發展和數字化農業需求，基于OBE理念，以提升學生實踐能力為目標，開展了普通遺傳學課程改革與實踐，構建了“三階段、八模塊、兩提升”的普通遺傳學課程體系，優化課程內容，創新教學方法，構建突出創新實踐能力的多元評價方法，為打造專業精品課程和卓越農林人才培養奠定了堅實的理論基礎。

關鍵詞：普通遺傳學;OBE理念;模塊化教學;“互聯網+”混合式教學

中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）08-0194-04

Teaching Reform and Practice of General Genetics Guided by Experimental “Teaching with Three Stages， Eight Modules and Two Improvements”

TIAN Lei? ?LUO Chengke? ?LIU Ping? ?LIU Fenglou? ?LI Qingfeng? ?ZHANG Xiaogang? ?YANG Shuqin

（College of Agriculture， Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： In order to meet the needs of new agricultural talents training， the course reform and practice of General genetics was carried out， relying on the construction of first-class agricultural specialty in Ningxia Hui Autonomous Region， the cultivation of talents in agricultural sciences and the outstanding talent cultivation of agriculture and forestry program.In view of the main problems existing in the course design and Genetics learning of plant production major undergraduates， the course reform closely followed the development of the times and the needs of digital agriculture.Based on the concept of OBE and aiming at improving students′ practical ability， we constructed a “three-stages， eight-modules and two-improvements” course system of “General genetics”， with optimized course content， innovated teaching methods and a multiple evaluation method based on the innovative practical ability to create a professional quality course and lay a solid theoretical foundation for the cultivation of outstanding agricultural and forestry talents.

Key words： General genetics; OBE concept; Modular teaching; Internet plus blended teaching

“一粒種子可以改變一個世界，一項技術能夠創造一個奇跡[1]。”2021年國家中央一號文件提出要“打好種業翻身仗[2]。”如何讓小種子迸發大能量呢？作物育種技術的創新和種業人才的培養對我國種業的發展都是不可或缺的。遺傳學是指導育種工作的理論基礎[3]，是研究生物遺傳和變異規律的一門科學，是生物科學中體系完整、發展迅速的重要基礎理論，對于探索生物多樣性、生命的本質、起源和進化機制以及整個生命科學的發展都有著巨大的推動作用。該學科能夠緊密聯系生產實際，對植物、動物、微生物遺傳育種和遺傳疾病防治具有重要的指導意義。

普通遺傳學是高等農業院校植物生產類專業的一門核心課程，旨在培養學生掌握遺傳學原理，鍛煉分析問題、解決問題的綜合知識應用能力，為其獨立地運用遺傳學原理進行育種研究工作，新品種的選育提供理論支撐，促進我國種業的穩步發展。該課程理論性強、知識范圍廣、知識點瑣碎，且常與數學、統計學、分子生物學、生物信息學等學科交織在一起，是一門邏輯性強、難度很大的課程[4]。在日常的植物生產類本科教學中，主要存在的問題如下：（1）教學內容和理念陳舊，科學性與時代性不足;（2）課堂教學模式和教學方法創新不足;（3）在現行農科人才培養模式下，學生實踐能力以及創新意識薄弱，理論與實踐融合程度不深;（4）學習效果評價單一，實踐測試和前沿知識捕捉能力評價占比不高。加之日常教學中存在教師單方面灌輸知識的情況，導致學生學習積極性不高[5]，對課程內容理解困難，教學效果不太理想。為提高本科生學習遺傳學的積極性，本課程組緊跟時代發展和數字化農業需求，基于OBE（Outcomes-based Education）理念，以開拓學生科研思維，提升實踐能力為目標，開展了課程改革與實踐。通過優化課程內容、創新教學方法、完善評價體系，構建了“三階段、八模塊、兩提升”的普通遺傳學課程體系，旨在推動教學改革，切實提升學生的實踐創新能力和綜合素質。

1 OBE引導下的遺傳學教學理念更新和課程內容優化

本著“三全育人”中“全方位育人”理念，以能力、目標、需求3個導向為基礎，在教學過程中始終將“立德樹人[6]”“讓學生學什么？為什么學？如何學？怎么知道學生已經學會了？”等教學理念融入遺傳學教學的全過程。依據遺傳學、作物育種學的前沿動態，數字化農業發展需求，凝練遺傳學中體現“科技前沿”“數字化和信息化”的知識體系和實踐技能。以“基因突變”為理論基礎的航天誘變育種為例，如搭載嫦娥五號遨游太空的“航聚香絲苗”水稻，太空玫瑰、太空南瓜、太空辣椒等，是我國航天科技和遺傳學有機結合的鮮活事例。在全基因組測序的大背景下，遺傳學已進入到后基因組和多組學聯合分析時代，“基因工程與基因組”的教學內容除了介紹基本的理論知識之外，要大量引入基因編輯[7]、痕量核酸測序、宏基因組測序、生態組學、演化組學和太空組學等科技前沿內容，拓展學生的分子遺傳學知識體系。培養學生將遺傳學知識融入育種實踐的能力，開拓分子遺傳學思維，激發其創造力。

2 構建“三階段、八模塊”的遺傳學課程結構

2.1 “八模塊”課程結構的規劃與組成 “八模塊”是指打破教材章節限制，根據各章節內容之間的聯系，以基因為主體，形成的“1.基因概念的誕生、發展與應用”“2.基因的細胞遺傳學”“3.基因遺傳的規律”“4.基因的改變”“5.數量性狀的遺傳與應用”“6.雜種優勢的利用”“7.基因工程與基因組”“8.基因的群體遺傳與進化”8個既彼此獨立又相互聯系的遺傳學教學模塊（圖1）。在“八模塊”中，除了模塊1是圍繞著基因展開的遺傳學發展史之外，其余7個模塊的內容都直接應用于植物育種實踐。如應用群體遺傳與進化的選擇育種（育種1.0時代）;分別由細胞遺傳學和遺傳學三大定律、基因的改變、雜種優勢與近親繁殖理論指導的雜交育種、倍性和誘變育種、雜種優勢利用育種等均屬于常規育種（育種2.0時代）;利用數量遺傳學原理和轉基因技術的分子育種（育種3.0時代）;應用基因工程、各種組學、基因編輯等生物育種手段和人工智能的設計育種（育種4.0時代）。這些遺傳學內容貫穿了全球生物育種技術發展的4個時代[8]。

2.2 “八模塊”課程結構在學生“三階段”學習中的應用 “三階段”即理論認知、實驗實踐、綜合能力提升。在8個模塊構架基礎上，以基因為主線貫穿遺傳學教學的始終，加深學生對遺傳學的理論認知。采用任務驅動教學法，于不同模塊教學中拋出日常生活或育種實踐中的具體問題來創設情境、設定任務，引導學生主動運用原有的知識和經驗，通過各種學習資源的廣泛應用，進行自主探索與互動協作相結合的學習。如在模塊5的教學中，讓學生們在日常生活和作物栽培與育種實踐中去發現數量遺傳性狀，并通過數據的測量和統計分析證明，以翻轉課堂的形式按組來分享自己的研究結果。第1組展示了全班同學身高的統計數據，通過繪制頻率分布圖發現表現為連續分布，是數量性狀;但正態分布規律不太明顯，當他們把統計數據擴展到全年級時，頻率分布接近了正態分布。按照性別分開統計時，也獲得了類似結果。第3組測量了1塊玉米田的果穗長，呈典型的連續分布，表明是數量性狀;進一步通過繪制頻率直方圖、Q-Q圖和Shapiro-Wilk假設檢驗，均證明這組玉米穗長數據符合正態分布，通過實驗實踐和互動協作，學生們加深了對數量性狀分布特點的理解。學生們在“發現并證明數量性狀”任務引導下，充分理解了“數量性狀”的定義、特征和分布規律，總結了判斷數量性狀的方法。總之，通過主動觀察、測量、運用統計學理論和軟件、組內協作討論和PPT匯報等，切實提升了學生實驗實踐，互助協作、數據處理和語言表達等的綜合能力。結合“三階段”學習的不同層次要求，課程組通過各模塊知識結構的設計和完善，知識點微課和實驗教學視頻的制作，優質網絡MOOC資源的充分利用等，配合各模塊特點分別設計與之相適應的教學活動，完成了每個模塊各教學節段的教學設計，進一步完善了整個教學過程。

3 重視實驗教學，構建“兩提升”的課程體系

3.1 遺傳學實驗教學視頻的錄制與應用 作為以實驗為基礎的一門自然科學，遺傳學實驗教學不但可以幫助學生掌握基本的實驗操作技能（如顯微鏡的使用、臨時裝片的制作等），有利于提高動手能力和深入理解遺傳學原理;而且激發了學生的科研思維并提升了創新實踐等綜合素質[9]。課程組根據各模塊的內容，分別設計、錄制了一些實驗教學視頻。2015年，劉萍和劉鳳樓2位教師利用重演實驗過程的教學方法，錄制了一部涵蓋植物基因組DNA提取，目的基因分離、純化和體外重組，陽性克隆的分子檢測和測序驗證等內容的教學視頻[10]，作為課下預習和復習的視頻資源，為模塊7的教學提供了很大的便利。學生在預習階段觀看視頻，了解實驗操作的全過程，思考其中蘊含的分子遺傳學原理，在實驗課上有了更多的操作和討論時間，有助于鍛煉學生的自學能力，發散科研思維。在劉萍教授的帶領下，課程組根據模塊2～4的教學內容，設計錄制了“植物根尖有絲分裂臨時裝片制作和觀察”“花粉母細胞涂抹制片技術”“基因連鎖互換的遺傳分析”“植物多倍體的鑒定”等實驗教學視頻，為遺傳學的實驗教學提供了鮮活的教材。

3.2 遺傳學實驗教學在“兩提升”課程體系中的作用 “兩提升”指創新能力和實踐能力的提升。在應用實驗視頻，開展常規觀察、驗證性實驗的基礎上，增設綜合性、拓展性實驗，全天候開放遺傳學實驗室。這些實驗的開展不僅有利于加深學生對遺傳學理論知識的理解，也有利于知識應用與創新能力的培養。綜合性實驗要求學生從遺傳學基礎理論出發，自行設計實驗、準備實驗材料、配制試劑、測定實驗數據并進行統計分析，提交翔實的實驗報告和心得。引導學生在實驗中完成問題的提出、分析和解決3個步驟，使學生化身為整個實驗教學的設計者、實施者和評價者[11]，切實提高學生的學習興趣，培養其實踐創新能力。如2016級農學專業的謝菲菲小組，基于在模塊5學到的數量遺傳學知識，自己設計了“西北粳稻種質資源苗期耐鹽相關性狀的數量遺傳學分析”的綜合性實驗，驗證了水稻耐鹽相關性狀均屬于數量性狀，明確了不同性狀之間的相關關系;通過t檢驗分析了鹽脅迫對水稻苗高、根長、莖粗、干鮮質量等性狀的顯著影響，明晰了數量性狀普遍存在基因型與環境互作的含義。基于此申請獲批了1項國家級大學生創新創業訓練計劃項目，經過連續2年的科研實踐，以第一作者發表了1篇北大中文核心期刊論文[12]。在遺傳學實驗教學基礎上，進一步結合植物生產類本科生“科研技能和創新創業訓練模塊”、卓越農林導師制等措施，著力培養學生綜合運用遺傳學知識進行研究、創新和指導育種實踐能力，取得了一定的成效。

4 構建“互聯網+”混合式教學模式

“互聯網+教育”集成了教學資源的移動化、數字化和模塊化，是線上教學的主要形式[13]。但其學習體驗和效果很大程度上依賴于學習環境、網絡狀況和學生的主動自覺性，必須與線下教學有機結合，才能真正形成“教”為主導，“學”為核心的混合式教學模式。本課程組在“八模塊”遺傳學課程結構基礎上，整合線下教學資源，強化理論知識，重視專業技能培養;提煉核心專題，構建完整知識體系;以核心專題為主線，通過專題拓展和內容劃分完善模塊化課程體系。通過實驗教學對遺傳學理論進行深入解析，依托綜合性、拓展性實驗，給予學生獨立思考、應用知識探索科學問題的平臺。通過雨課堂[14]、騰訊會議等網絡學習交流平臺的應用，配合翻轉課堂、MOOC學習[15]、線上和線下討論、學習競賽等互動教學活動形成“互聯網+”混合式教學模式。雨課堂作為混合式教學的重要媒介，貫穿于教學的全過程。課前利用雨課堂發布公告、布置預習和探索任務，課中通過掃碼簽到、滾動提問、實時線上答題來把握學生的出勤和學習狀態，課后利用限時試卷、發起投票和討論等功能，對學生課堂和課后的學習效果、知識掌握程度作出全面、科學的評價。強化學生學習過程的評價，將線上學習成績納入總評成績中，實現學生學習情況的信息化管理。

5 建立突出實踐創新能力評價的學習效果多元評價體系

與教學模式改革相匹配的是評價方式的更新。在混合式教學評價體系中，過程性評價和期末考試評價各占總評成績的50%。從理論認知、實驗實踐、綜合能力3個角度對學生學習效果進行考核和評價。期末試卷中考核學生綜合能力的試題不少于20分，過程性評價中實驗成績占20%（綜合性、拓展性實驗10%，觀察、驗證性實驗10%），線上MOOC學習、課堂考勤、互動和小測驗等占有10%，探索性任務5%，課后練習（思考）題占15%（圖2）。該評價體系增加了過程性評價的比例，強化了學生創新實踐和綜合能力在總評成績中的作用。

6 課程改革的實踐成效

本課程組圍繞植物生產類本科生普通遺傳學教學中存在的主要問題，從教學理念更新、課程內容和結構優化、教學方法創新以及學習效果評價體系建立等多個方面開展了教學改革與實踐[16]。每年將取得的教改成果有效地應用于植物生產類不同專業150余名學生的本課程教學中，實踐成效顯著，具體表現在：學生的平均滿意度達到了87.6%，課程成績逐年穩步提高，每年申報獲批遺傳學相關大學生創新創業訓練計劃項目8～10項，學生的學習習慣從“被動”轉變為“積極主動”，充分激發了他們探索遺傳學奧秘的興趣，創新實踐和綜合素質得到了很大的提升，課堂教學效果明顯。

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（責編：張宏民）