人類性狀遺傳學(xué)開放實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐

王多佳，趙 寧，張 會(huì)，李劍虹，李 杰

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150030)

遺傳學(xué)是研究生物遺傳和變異的科學(xué)，是生命科學(xué)最重要的分支之一[1]。遺傳學(xué)是農(nóng)業(yè)院校生物工程、生物技術(shù)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、園藝、植物保護(hù)等專業(yè)的一門重要專業(yè)課。由于遺傳學(xué)的內(nèi)容復(fù)雜、抽象、深?yuàn)W、枯燥，學(xué)生普遍認(rèn)為它是非常難以學(xué)習(xí)和掌握的一門課程。開放實(shí)驗(yàn)課是理論知識(shí)與技術(shù)實(shí)踐的結(jié)合，是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的理想平臺(tái)。有目的的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)和研究工作就是啟迪學(xué)生創(chuàng)新思維能力的有效途徑[2]。為此，在生物類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，教師適時(shí)地有針對(duì)性地設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，增強(qiáng)對(duì)學(xué)生分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，從而為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)[3]。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及多個(gè)遺傳學(xué)知識(shí)要點(diǎn)

愛因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過：“興趣是最好的老師”，濃厚的興趣能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，對(duì)學(xué)生產(chǎn)生無(wú)形的動(dòng)力，從而達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果[4]。在實(shí)際教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣對(duì)促進(jìn)學(xué)生積極學(xué)習(xí)具有十分重要的意義。人們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到許多與遺傳學(xué)知識(shí)相關(guān)的問題，特別對(duì)涉及自身遺傳的問題，諸如人類遺傳病、生男生女、人類性狀遺傳等有著極大的興趣。通過自己親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)而了解自身的遺傳性狀信息，則會(huì)引起學(xué)生的極大興趣，從而增加學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。人類性狀遺傳分析綜合性大實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也是基于這樣的興趣，人類性狀的遺傳涉及范圍十分寬廣，而選擇的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要盡可能地提起學(xué)生的興趣和參與的積極性，同時(shí)又能涵蓋盡量多的遺傳學(xué)知識(shí)(表1)，例如人類性別決定長(zhǎng)久以來(lái)認(rèn)為是染色體決定的，但是XY女性和XX男性的出現(xiàn)說(shuō)明最終決定性別的是基因，通過sry基因的PCR驗(yàn)證，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)操作難易適中， PCR、電泳、酶切都是非常基礎(chǔ)且重要的分子遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以很好地得到結(jié)果(表2)。

2 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及整體思路

出于安全的考慮，利用口腔上皮細(xì)胞作為研究材料，利用口腔試子基因組DNA提取試劑盒(天根公司)，提取每個(gè)學(xué)生的口腔上皮細(xì)胞基因組DNA，并以此為材料進(jìn)行以下4個(gè)單元的分析：①人類性別決定基因(SRY)的遺傳分析；②DNA指紋的分析；③人ABO血型基因型分型實(shí)驗(yàn)；④PTC味盲基因的群體遺傳分析。

在完成這些實(shí)驗(yàn)之前還要進(jìn)行遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用設(shè)備和儀器的使用方法學(xué)習(xí)，PCR技術(shù)、酶切，以及瓊脂糖凝膠電泳的分子生物學(xué)基本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐。

學(xué)生自行組成4隊(duì)，每隊(duì)大約3～6人，每隊(duì)選擇一個(gè)組長(zhǎng)，作為實(shí)驗(yàn)組織、推進(jìn)的總體負(fù)責(zé)人，在實(shí)驗(yàn)完成后，每隊(duì)要選擇一個(gè)代表將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析以PPT的形式進(jìn)行匯報(bào)。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)的基本技術(shù)步驟，提供基礎(chǔ)的參考資料和多次預(yù)實(shí)驗(yàn)中比較好的方案，保證大實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。此外，還要掌握群體遺傳的數(shù)據(jù)調(diào)查方法和數(shù)據(jù)分析軟件的原理與應(yīng)用。以全班學(xué)生或參加本次大實(shí)驗(yàn)的全體學(xué)生為一個(gè)類似孟德爾群體，調(diào)查每一個(gè)學(xué)生的血型基因型，統(tǒng)計(jì)群體的基因型頻數(shù)，根據(jù) Hardy-Weinberg 遺傳平衡定律和群體遺傳數(shù)據(jù)分析方法，應(yīng)用 Popgene 軟件計(jì)算等位基因頻率等各種群體遺傳參數(shù)并對(duì)群體平衡進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。

最后，以小組為單位，按學(xué)術(shù)期刊文章格式完成大實(shí)驗(yàn)報(bào)告，目的是讓學(xué)生了解現(xiàn)實(shí)社會(huì)中學(xué)術(shù)交流的基本途徑，學(xué)以致用，設(shè)計(jì)的整體思路見圖1。

2 教學(xué)實(shí)施過程

整個(gè)開放大實(shí)驗(yàn)的時(shí)間定為每個(gè)春季學(xué)期(普通遺傳學(xué)理論課也在這個(gè)學(xué)期)。開放實(shí)驗(yàn)從第8周開始進(jìn)行到第16周結(jié)束，其中指導(dǎo)教師要統(tǒng)一上3次課，一般集中在前兩周完成，一般每周1～2次課，最后1次課安排在最后一周，主要為了方便總結(jié)和分析。

表1 人類性狀遺傳學(xué)開放實(shí)驗(yàn)涉及的遺傳學(xué)知識(shí)要點(diǎn)

注：難度指數(shù)指該實(shí)驗(yàn)的操作難度，*越多表明越難操作，*****表明操作難度最大；興趣指數(shù)指學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的感興趣程度，*越多表明越感興趣，*****表明感興趣程度最大。數(shù)據(jù)主要來(lái)源于教學(xué)過程中學(xué)生的反饋和總結(jié)

Note：The difficulty index refers to the difficulty of the operation of the experiment，and the more *，the more difficult it is to operate，***** shows the greatest difficulty of operation；Interest index refers to the degree of interest to which the student is interested in the knowledge point，and The more *，the more interested it is，***** shows the greatest degree of interest.The data are mainly derived from the feedback and summary of the middle school students in the teaching process

表2 人類性狀遺傳學(xué)開放實(shí)驗(yàn)涉及的分子生物學(xué)技術(shù)

圖1 人類性狀遺傳學(xué)開放實(shí)驗(yàn)整體思路Fig.1 The gerenal idea of the human genetics opening experiment

第1次課先介紹大實(shí)驗(yàn)的學(xué)生分組原則和總體要求，然后是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容——DNA 的提取與檢測(cè)；第2次課是目的片段的PCR 擴(kuò)增；第3次課是電泳檢測(cè)及酶切；第4次課是電泳結(jié)果分析及群體遺傳分析，以《遺傳學(xué)》第三版實(shí)驗(yàn)教材為操作指南[6]。

第1次課要強(qiáng)調(diào)學(xué)生分組的自愿組合，明確每人分工負(fù)責(zé)的工作，出現(xiàn)問題的解決原則。需要學(xué)生掌握口腔上皮細(xì)胞的取樣方法、DNA 的提取技術(shù)示范與操作和提取的 DNA 濃度的檢測(cè)。

第2次課的重點(diǎn)是需要學(xué)生學(xué)習(xí)PCR 擴(kuò)增的原理和引物設(shè)計(jì)的原則，包括sry 基因的引物設(shè)計(jì)、ABO血型的引物設(shè)計(jì)、DNA指紋的引物設(shè)計(jì)以及PTC味盲基因的引物設(shè)計(jì)。退火溫度的優(yōu)化以及PCR儀的操作使用等。

第3次課的重點(diǎn)是酶切原理、RFLP技術(shù)原理以及瓊脂糖凝膠電泳技術(shù)示范與操作。

第4次課的重點(diǎn)是電泳結(jié)果分析，群體遺傳分析以及學(xué)生的總結(jié)報(bào)告。

由于整個(gè)人類性狀的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很多，很多實(shí)驗(yàn)的核心技術(shù)如PCR、電泳等都是類似操作，考慮到課時(shí)有限，允許每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組選擇自己感興趣的2～3個(gè)單元進(jìn)行操作。

學(xué)生自主選取實(shí)驗(yàn)單元后要計(jì)劃實(shí)驗(yàn)方案，由每組的組長(zhǎng)組織撰寫試驗(yàn)計(jì)劃并和組員討論，最后和指導(dǎo)教師討論確定每個(gè)小組的計(jì)劃方案。計(jì)劃方案通過后，學(xué)生可利用實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣既可以在規(guī)定時(shí)間完成開放實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容，保證大實(shí)驗(yàn)的連續(xù)性和完整性，又可以鍛煉學(xué)生自主設(shè)計(jì)和駕馭實(shí)驗(yàn)的能力。

由于整個(gè)大實(shí)驗(yàn)是分組進(jìn)行的，各小組間完成進(jìn)度不一，各次實(shí)驗(yàn)間時(shí)間上可能會(huì)有重疊。為了了解各小組的進(jìn)度并提供有針對(duì)性的指導(dǎo)，確保每個(gè)小組都完成了所有技術(shù)環(huán)節(jié)，每個(gè)小組要將完成的階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果給教師看，教師檢查合格后需在“實(shí)驗(yàn)進(jìn)程項(xiàng)目考核單”上簽字認(rèn)可，然后才能進(jìn)行下一階段的實(shí)驗(yàn)，直至完成全部大實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3 教學(xué)效果及學(xué)生評(píng)價(jià)

整個(gè)大實(shí)驗(yàn)完成后，各小組需按要求提交實(shí)驗(yàn)總結(jié)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)記錄、調(diào)查問卷及實(shí)驗(yàn)感想等材料。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告是指導(dǎo)教師上課的內(nèi)容，按照實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)報(bào)告的要求撰寫，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的、原理、材料、方法、步驟及結(jié)果分析，要求工整、簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確、格式正確。

實(shí)驗(yàn)記錄主要是實(shí)驗(yàn)過程的真實(shí)反映，要求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)要真實(shí)、可靠、詳盡。

實(shí)驗(yàn)感想則是每個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的心得體會(huì)、感悟與收獲。很多學(xué)生都寫到開放實(shí)驗(yàn)讓他們對(duì)實(shí)驗(yàn)室工作有了全新的認(rèn)識(shí)，激發(fā)了他們對(duì)遺傳學(xué)的興趣，鍛煉了動(dòng)手能力，并且讓他們更加重視團(tuán)隊(duì)協(xié)作，也磨練了個(gè)人的意志，這些都是在課堂中學(xué)不到的知識(shí)。

通過調(diào)查問卷分析，在做開放實(shí)驗(yàn)的73人中，共收回有效問卷69份。其中認(rèn)為開放實(shí)驗(yàn)條件(儀器，設(shè)備、材料等)能達(dá)到要求的達(dá)到62.3%，基本能達(dá)到要求的占37.7%。對(duì)開放實(shí)驗(yàn)持積極態(tài)度的達(dá)到91.3%，其中參加開放實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱隋憻捘芰Φ倪_(dá)到76.8%，獲取課外知識(shí)的占30.0%以上，只有不到5.0%的學(xué)生是為了學(xué)分或者其他原因參加開放實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，感覺收獲很大提高很多的學(xué)生占到49.3%，感覺略有提高的占到44.9%，還有4.0%的學(xué)生感覺沒什么提高。

4 結(jié)語(yǔ)與討論

人類性狀遺傳學(xué)分析開放實(shí)驗(yàn)綜合了經(jīng)典遺傳學(xué)、分子遺傳與群體遺傳的理論知識(shí)，深化了遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容；學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生駕馭知識(shí)的能力；開放實(shí)驗(yàn)室允許學(xué)生反復(fù)操作，有充足的時(shí)間向教師和同伴學(xué)習(xí)，直到掌握分子遺傳實(shí)驗(yàn)技術(shù)；分組實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生相互協(xié)作的團(tuán)隊(duì)精神。整體而言，達(dá)到了讓學(xué)生掌握分子遺傳實(shí)驗(yàn)技術(shù)、群體遺傳數(shù)據(jù)分析技術(shù)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)的目的。這個(gè)大實(shí)驗(yàn)通過 3年的教學(xué)探索與實(shí)踐，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果及學(xué)生反映看，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，取得了很好的教學(xué)效果。當(dāng)然也存在一些問題，諸如指導(dǎo)教師工作量過大，學(xué)生單獨(dú)輔導(dǎo)不過來(lái)，個(gè)別學(xué)生出工不出力、實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)常損壞、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過于依賴?yán)蠋?，還有開放實(shí)驗(yàn)時(shí)間不集中，組別之間差異很大，有的組遇到問題時(shí)不能快速解決，越落越遠(yuǎn)的現(xiàn)象。因此，這就需要投入更多的人力物力，尋找更行之有效的實(shí)踐手段，去思考設(shè)計(jì)更加新穎、創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)方案，采取更加靈活的評(píng)估手段，滿足新形勢(shì)下開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

如今現(xiàn)代的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已廣泛滲透到生命科學(xué)的各個(gè)分支領(lǐng)域，并正在發(fā)揮其獨(dú)特的作用。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)為培養(yǎng)大學(xué)生的探索精神、科學(xué)思維、實(shí)踐創(chuàng)新能力和科學(xué)研究素養(yǎng)提供了條件，并且可以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和分析問題、解決問題的能力[7]，知識(shí)綜合能力和創(chuàng)新能力，還可以影響學(xué)生的世界觀、思維方式和工作作風(fēng)，學(xué)生在參與科研中可以感受、理解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展的過程，養(yǎng)成科學(xué)精神和創(chuàng)新思維的良好習(xí)慣，在科研的準(zhǔn)備、確定方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)后的總結(jié)分析全過程中，能夠使學(xué)生收集信息的能力、獲得新知識(shí)的能力、分析解決問題的能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力得以培養(yǎng)和提高[8]。

[1] 劉慶昌.遺傳學(xué)[M].3版.北京：科學(xué)出版社，2015.

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