遗传学实验教学方法的探讨

张远莉， 庞延军

(南京大学 生命科学学院， 南京 210093)

在遗传学常规实验课教学中，实验教学多以实验操作为核心，并且由于实验时间的限制，为了确保学生实验成功，教师和实验员往往在课前会做好所有的准备工作，比如材料的采集和处理、试剂的配制、仪器的调试、实验条件的选择。等到实验课教学时，老师详细讲述实验原理、实验步骤及实验中必须注意的问题，把所有可能导致实验失败的要点都教给学生。然后，学生按老师的要求按部就班地进行实验就可以了。这样的实验教学方法虽然可以让绝大多数同学实验成功，但却不容易调动学生的学习兴趣，不利于提高学生的主动性及创造性[1-2]。

为培养创新型人才，应该改变传统的教学模式，从“以传授为主”转向“以引导为主”，关注学生的学习效果和能力培养[3-7]。为此,我们结合多年的教学经验和本校的实验条件，对遗传学实验教学进行了一些改革,引入了比较教学法、翻转课堂教学法，开设学生自主实验和开放遗传学实验室，并建立数码显微镜-体视镜一体互动系统用于实验教学，来提高遗传学实验的教学质量，经过多年的教学观察，该方法取得了一定实际教学效果。

1 比较教学法

以植物细胞有丝分裂的观察实验为例，介绍比较教学法。在植物细胞有丝分裂的观察实验中，实验的学习要求是通过洋葱根尖的制片，了解细胞有丝分裂的整个过程以及染色体在各个时期的变化。有丝分裂过程，大致可以分成前后连续的5个时期，间期、前期、中期、后期和末期[8]。教材中提到，洋葱根尖细胞有丝分裂的时间是有规律的。通常在每天10：00至14：00分裂活跃，可在这时取材。我们在实验教学中一般选择12：00至13：00之间进行取材，为了使学生更清楚地了解这个实验，在实际操作中我们通过简单的实验方案调整转化为探索性实验，这种教学方法，我们称之为比较教学法。

在实验中，我们选择了早上8：00、12：00、16：00、20：00分别取材，进行有丝分裂的观察。实验时，一个年级3个班共100人都分别取材进行了对比实验。通过自己的实际观察，找到最适合的取材时间。采用这种探索性的实验设计可以培养学生科学研究的基本方法，同时也可以使学生更加深刻地了解实验的原理，增强实验效果。

我们分别统计了在一次课(2 h)内观察到各分裂期细胞的学生数量，其结果如表1。从表1可以发现在12：00左右取材，观察到分裂期细胞的学生数比例最高。在8：00和20：00取样，观察到分裂期细胞的学生数量比较少，在16：00取样，观察到分裂期细胞的学生其次多。

表1 不同时间取样观察到的分裂期细胞的人数比例

2 翻转课堂引入遗传学实验教学

翻转课堂是近年来新兴的一种教学模式，是由教师创建教学视频和其他资源，学生在课外学习，再回到课堂上师生面对面交流、答疑解惑、引导讨论和辅导作业的一种教学形式[9-10]。近年来，随着生物技术的迅速发展，遗传学的研究成果及新技术突飞猛进。但是，由于受传统教学时间和教学体制的影响，课堂讲解受限，遗传学实验课程教学很难跟上现代遗传学的发展速度。因此，我们在遗传学实验课程的教学过程中，开展了翻转课堂的教学探索和实践，获得了较好的应用效果。

首先，我们将遗传学实验内容整合为4个教学模块，并录制了一些遗传学实验教学微视频(表2)，让学生在课外时间进行在线学习，完成实验课前的预习工作。通过学生的自主学习，我们将课堂时间空余出来开展讨论和进行实验操作。其次，在翻转课堂教学模式中，我们还可以根据现代遗传学的发展方向，将现有遗传学实验内容部分紧跟学科发展前沿的新技术、新方法，丰富了现有遗传学实验课的教学内容，明显地提高了学生对遗传学的学习兴趣，并提升了学生对学科发展前沿内容的了解和掌握，对提高学生的上课质量和效率起到了很大的促进作用。

表2 实验中录制的一些教学视频

3 开设学生自主实验

学生自主实验是学生对遗传学方面某个科学问题产生兴趣, 希望通过自己设计实验来进行研究。实验方案首先由学生自主确定，然后老师进行指导，实验时间由学生自己选择，在遗传学开放实验室进行。目前，在南京大学学习普通遗传学和遗传学实验课程的主要为生命科学学院二年级本科生，他们已经学习了一些生物学方面的专业知识，具有一定的选择和设计自主实验的能力。与传统的内容和时间固定的遗传学实验相比，学生自主实验更能发挥学生的主观能动性，更有利于学生的自主学习，还能培养学生的自主研究和创新能力，为以后的学习和科研打下基础。为配合学生自主实验的教学，学院特别开放了遗传学开放实验室。自2014年开放学生自主实验以来，每年都有10～20项由学生自主设计完成的实验(部分如表3)，对提高学生的专业素养和创新能力起到了很大的帮助。

表3 学生自主设计完成的部分实验

在遗传学实验中,由于实验材料和课时都存在局限性,大都选择学生操作比较方便，并且容易得到实验结果的材料。而学生自主设计实验时，学生可以选择自己感兴趣的材料进行研究。丰富的实验材料,不仅可以完成教学任务，而且能拓宽学生视野,培养学生从学习中发现问题、解决问题的能力。

4 开放遗传学实验室

开设学生自主实验可以培养学生的实验操作技能和创新意识，根据学生自主实验的需要，我们开放了遗传学实验室。根据开放程序：学生首先查阅资料,设计实验方案,然后教师进行适当指导，经实验室主任批准后可进入开放性实验室。实验中，自己独立选择实验材料,进行试剂配制,自主完成操作，写出实验报告。

在遗传学的一些传统实验中，如有丝分裂、减数分裂、果蝇杂交和唾腺染色体的制备等复杂实验，实验时间较长,大部分由教师完成实验材料的准备工作,学生只是进行部分操作，完成结论的验证，很难完成完整的实验过程。有了开放实验室和开放式实验教学，学生可以根据自己的兴趣全部完成一系列操作过程，在正常课时不能完成的实验都可以在开放实验室内完成。

5 数码显微镜-体视镜一体互动系统用于实验教学

数码显微互动技术是近年来迅速发展的一种新技术。数码显微互动系统由数码显微镜、局域网、投影仪实物展示平台等组成,可以展示每个学生显微镜下观察到的内容,并进行及时的显微摄影,记录实验结果。我们在此基础上研发出了数码显微镜-体视镜一体互动系统用于遗传学实验教学[11-13]。如图1是一套学生使用的数码显微镜-体视镜一体镜，包含了电脑、显微镜、体视镜，显微镜和体视镜下观察的结果可以随时切换在屏幕上显示，极大地方便了学生操作，同时还可以将实验效果好的结果展示在投影屏幕上,让全体同学都能观察到，大大提高了实验的成功率和学生积极性。

图1 数码显微镜-体视镜一体镜

学生利用数码互动系统可以对图像进行静态捕捉和动态录像捕捉，学生可以通过拍照, 将典型的实验图像或实验结果记录下来, 便于长久保存和随时查看。记录的现象和实验结果, 也便于课后进一步分析或研究。如在收集果蝇处女蝇的教学实验中，学生观察到了果蝇从蛹孵化成果蝇的这一过程，并把它录制下来，这在以前的传统仪器中是很难做到和实现的，极大地调动了学生的兴趣和学习的积极性。

在近几年的教学过程中，通过上述教学方法的改进和授课老师的努力，学院也在实验室硬件方面的改进给予了大力支持，学生对该课程给予了越来越高的评价。教学总是在不断地摸索中前进，我们会继续对遗传学实验的教学和硬件方面进行合理调整和优化，提高遗传学实验的教学质量，培养学生的科学思维能力和创新能力，为创新型人才培养提供平台。