遗传学实验混合式全程参与性教学探索

王晓雯， 张建奎， 张正圣， 张 建， 周清元， 桑贤春

（西南大学农学基础实验教学中心，重庆 400715）

0 引 言

遗传学是以实验为手段来认识生物的遗传变异与进化规律的科学，是生物类、植物生产类、草学类等专业的核心基础课程［1-3］。随着现代分子生物学等相关学科的发展，遗传学新的理论和技术不断涌现，提升遗传学教学内容和教学技能对学科发展和人才培养至关重要。遗传学实验不仅从实验角度验证了遗传学理论知识，而且锻炼了学生的动手能力和科研思维，是遗传教学中不可或缺的组成部分［4-5］。遗传学实验教学的难点是技术更新快、信息量大和实践性强，传统教学以观摩式为主、参与式为辅，不利于学生动手能力的培养。为此，部分高校进行了改革，增大了学生的参与度，并取得了一定的效果。然而，由于遗传学实验发展迅速、所覆盖的知识面和技能训练内容较广等，实验往往不能取得预期效果，不利于学生科研思维的培养。

“互联网＋教育”是互联网科技与教育领域相结合的一种新的教育形式。随着“互联网＋教育”的发展，传统课堂不断融入了许多新的教学组织形式，如：MOOC（massive open online courses）、微课、翻转课堂等，既充分利用了空间和时间优势，又提高了学生的主体地位，受到学生的广泛欢迎［6-7］。但“互联网＋教育”模式在实验课程中的应用遇到了许多难题［8-9］。如学生无法从屏幕教育中切实感受实验过程，很难认知实验细节，从而导致实验成功率降低；学生无法从屏幕教育中体验教师的人格魅力和言传身教，无法体会到实验教学中的“遇物则诲，相机而教”；面对综合能力不同的学生，缺乏针对性的教育。这些都影响了实验课程培养目标的达成。

为探索互联网下传统教学的新模式，完善“互联网＋教育”在实验课程中的应用，2010年至今，笔者以翻转课堂为基础［10-12］，依托重庆市重点实验室农学基础实验教学中心、转基因植物与安全控制重庆市重点实验室和南方山地农业教育部工程技术研究中心等教学科研平台，以“基于综合、立于专业、归于个性”的人才培养理念，对遗传学实验教学内容、教学模式和考核方式进行了不断的探索和优化，摸索出了一套线上线下、课堂内外相结合、全程参与性的遗传学实验教学新模式。该模式以过程管理为核心，激发了学生的学习兴趣，发挥了学生的主动性和创新性，取得了良好的教学效果。

1 实验教学内容的系统化整理

遗传学涉及植物、动物、微生物、医学等多个领域，实验项目内容广而杂［13］。为了适应以植物为主要研究对象的植物生产类专业特点，提高学生的动手能力和创新意识，对实验理论和实验技术进行了不断的迭代更新。

1.1 内容模块化

遗传学实验采用了模块化教学，即细胞遗传学、质量性状遗传学、突变的诱导分析、分子遗传学、群体和数量遗传学5个实验模块［14］。其中每个模块都包括实验基础知识和实验技术，这让繁杂的遗传学实验内容变得系统化，更有针对性。遗传学实验共设36学时，6个实验项目，其中包括验证性实验2个、综合性实验3个和创新性实验1个。验证性实验将经典遗传学与现代遗传学相结合，如孟德尔两大遗传规律的验证，既有传统的基于表型的验证，又增加了利用SSR

分子标记的DNA水平验证，让等位基因、基因型和表型之间的联系变得直观化、形象化，便于学生理解［15］。同时利用SSR分子标记验证连锁遗传规律，将科研的新进展融入教学之中，调动了学生开展科学研究的积极性［16］。综合性实验将验证性实验与创新结合起来，如植物根尖染色体标本片的制备和观察等。学生在掌握有丝分裂染色体图像准确识别的同时，根据学生的兴趣，提问性引导学生将普通遗传学中的理论知识染色体的数目变异和结构变异引入实验，开展创新性实验设计。创新性实验主要涉及分子遗传学模块，按实验难易程度开设。学生根据自己对理论知识的汲取和内化能力、动手操作能力和兴趣，自由组合，自由选择与之能力相匹配的实验项目，有利于锻炼不同学生的创新能力，达到个性化发展。验证性实验以线下为主，综合性和创新性实验线下线上、课堂内外相结合，从而实现了实验教学的系统性和连贯性。

1.2 增设实验基础知识

在每个模块的实验项目之前，对每一章实验基础知识包括理论基础、研究方法和实验技术（见表1）进行梳理、概括和串讲，让学生从宏观上掌握每个模块的体系，对该模块有一个整体的把握，避免“只见树木、不见森林”的现象，引导学生利用遗传学实验进行相关的探索，从而达到利用实验推导理论的目标。如染色体标本片的制备和观察实验，学生在操作之前，了解并掌握不同材料的取材和处理方法、试剂特性、不同制片方法、染色体的分析方法等，鼓励学生利用不同的材料和方法开展实验，根据实验结果推导结论，然后利用实验得出的结论检验遗传学理论教学内容。在实验教学中，学生利用实验基础知识对实验过程中出现的疑难问题、异常现象等进行常识性解读，提高学生的自主能动性，培养解决科学问题的科研精神。实验基础知识的学习以线上教学为主、线下教学为辅，该模式不仅解决了教学内容多与教学课时有限的矛盾，而且学生在课前可随时学习，提高了学生的能动性。

表1 遗传学实验基础知识

2 混合式教学下全程参与性教学模式在遗传学实验教学中的应用

2.1 教学模式的特点

（1）以学生为中心，强调过程管理。为提高学生探索问题、解决问题的能力，必须激发他们的实验热情。以学生为主体的全程参与性教学，强化过程管理是行之有效的教学模式。为此，在遗传学实验教学关键环节中设置“打怪兽式”教学任务，每个任务为一个怪兽，动手操作之前，引导学生通过自主学习解决掉一个个怪兽。教学任务由易到难、呈递进式。如染色体的观察和分析实验，首先安排第1个任务：如何根据植物的生长特点掌握不同材料最佳取材时间和部位？学生在完成第一个任务和相应的实验后，下发第2个任务：材料如何处理？以此类推完成第3个任务：染色体如何制备？及第4个任务：染色体，尤其变异的染色体，数目和结构如何进行分析？每个实验环节之前，学生带着任务去查文献、了解实验基础知识和技能，以激发学生的学习内动力。实验操作过程中鼓励学生全程参与，包括实验的设计与开展、结果的讨论与分析，甚至实验考核也都有学生的身影，在参与中培养自信心、责任心，在努力中学会思考，真正体验学习的快乐和成就感。在实验过程中，面对学生层次不同、人数较多等问题，有限的教师如何做到因材施教，采用了教师为主，小组PI和班级“小老师”为辅的分层教学。教师根据学生线上线下的表现情况，每班选拔3～5名学生为“小老师”，负责较难实验的教辅工作。

（2）线上与线下、课堂内外相结合。为了使学习多元化，将“互联网＋教育”的教学形式引入到遗传学实验的教学中，线上教师一对一施教，线下小组PI带队和“小老师”一对一辅助，独立操作和小组开展协调进行，形式灵活，既解决了实验场地和学时的有限性，又实现了个性化教学，具有针对性，全面提升了学生的创新能力。如植物数量性状的遗传分析，线上学生了解数量性状遗传研究的基本统计方法，线下每个小组在PI的带领下利用课余时间调查油菜6个世代与经济产量相关的茎高、株高、主花序长、主花序角果数、一次有效分枝起点等数量性状，学会如何抽样调查。线下课堂上，教师讲授，“小老师”辅助指导学生根据调查结果利用不同方法估算遗传率；同时取每个株系的幼嫩叶片，提取DNA，进行SNP（single nucleotide polymorphism，单核苷酸多态性）标记分析，利用WinQTLCart2.5软件和复合区间作图法对茎高进行QTL（quantitative trait locus，数量性状基因座）定位分析［17-18］，将科研成果融入遗传学实验教学中，让学生从分子水平理解油菜主要数量性状的遗传规律。孟德尔三大定律是经典遗传学必学内容，通常利用豌豆、玉米和果蝇来验证［19-20］，利用SSLP（simple sequence length polymorphism，简单序列长度多态性）分子标记验证孟德尔的三大定律已在遗传学实验中开展［21］，将SSR（simple sequence repeat，简单重复序列）分子标记引入三大定律的验证。线上引导学生自主学习三大定律、SSR分子标记的原理和方法等基本理论知识和技能，线下鼓励学生利用课堂内外开展SSR分子标记筛选、DNA提取、PCR（polymerase chain reaction，聚合酶链式反应）扩增、数据记录及统计分析。最后，在教师的讲解下，让学生利用SSR标记验证分离定律、自由组合定律和连锁互换定律，使学生在本科阶段尽早接触到科研的思维方法，提高学生的学习兴趣和科研素质。

2.2 教学措施

混合式全程参与性教学，以学生为主，教师为辅，营造积极向上的实践氛围，学生全程参与，教学实施过程包括线上、线下和课堂内外等多种形式（见图1）。

图1 基于混合式教学下遗传学实验全程参与性教学模式探索

首先将班级学生分组，构成教学团队，每组3～5人，其中1人为PI。PI不仅是老师和学生之间沟通的主桥梁，而且负责本组实验的统筹规划、团队成员的协调合作以及最终的PPT总结汇报。小组之间进行评比，从而达到相互学习和竞争的目的，进而培养了学生的组织管理能力，增强了学生的责任心和团队协作能力。为配合学生自主实验，遗传学实验室配备指纹锁，全天候对学生开放。学生根据自己实验的进度和时间安排实验，充分发挥学生的主动性，激发学生操作热情。

（1）云课堂一。主要进行实验预习和方案设计，通过任务驱使型教学方法提高学生对新知识的汲取能力和内化能力。在上课之前，教师发布教学任务，在教学任务驱动下，学生借助网络工具学习实验基础知识和实验技术相关的视频资料、文档、文献等，熟悉实验背景，撰写预习报告。对于综合性和创新性实验，鼓励学生大胆质疑、解疑、独立设计实验方案，积极与老师互动交流学习心得、实验设计是否切实可行等，激发学生的学习热情和创新思维的火花。

（2）线下课堂内外。在云课堂学习的基础上，开展探索性实验，提高学生独立思考和实践创新能力。为了提高学生学习自由度，灵活开展实验，课堂课余兼顾，学生全程参与，包括最初的材料准备、试剂配制等，让学生切实感受实验过程，认知实验细节，培养学生严谨的科学态度。课堂上，教师只对实验过程中的技术要点、难点、易混淆知识点等进行讲解和答疑，从而提高学生分析问题、解决问题的能力。

（3）云课堂二。强调过程管理，审核和评价电子版总结报告并返回相应学生，从而提高学生综合分析能力和专业素养。引导学生利用图片、微视频、Word或Excel表等多种形式展示结果，尝试利用生物统计软件分析实验数据，既实现学科之间的融会贯通，又激发了学生的探索热情。教师对学生在云课堂提交的PPT总结报告进行多方位审核、把关，包括视频是否正确、连贯、美观，实验描述是否规范、清晰，结果是否可靠等，提出建设性意见并与学生积极探讨，鼓励学生进行创新性改进。根据师生互动情况，教师掌握学生对实验理论知识和技能掌握程度，为后期开展“小老师”教辅活动做准备。

（4）线下课堂。为了提高教学效果，特别是不易掌握的实验，发动“小老师”辅导其他同学，唤起学生强烈的求知欲和浓厚的学习兴趣，形成自主学习的好风气。在遗传学实验过程中，染色体的观察，特别是减数分裂染色体的观察是本科生教学中的一个重要难点。减数分裂时期比较多，包括细线期、偶线期、双线期等13个典型时期。由于生物发育的连续动态变化，细胞并不都是处在典型时期，有些可能处在两个典型时期之间的过渡态，另外，观察角度的不同、学生操作水平的差异等因素均增加了染色体观察的难度，实际辨认起来比普通遗传学课本上绘制的模式图要难很多。如减数分裂Ⅰ的中期，貌似形态完全不同的侧面图和极面图（见图2）；减数分裂Ⅰ的后期，早后期和晚后期的侧面观和极面观（见图3）。细胞时期太多，而教师人数有限，教师很难在课堂上对所有学生进行深入辅导，教学效果不是很理想。如何让教师能够“分身”？在教学中采用学生当“小老师”的模式，教师鼓励学生勇当“小老师”对其他同学进行“一对一”辅导。这一模式既激发“小老师”积极预习和实践，争做能胜任的好老师，又激起其他学生学习的热情、主动性和“挑刺”精神，面对熟悉的“小老师”更有亲切感，更愿意交流和勇于提出自己的质疑，充分发挥了学生的主体能动性。教师在进行“一对一”辅导的同时，对“小老师”不能解决的问题进行释疑和解答。“小老师”的教学模式既减轻了教师的工作量，又提高了学生学习的主动性，取得了意想不到的良好效果。

图2 减数分裂Ⅰ中期

图3 减数分裂Ⅰ后期

在课程结束时，鼓励同一专业、不同班级、同一实验的各组PI将自己最终的实验过程、结果和讨论、心得体会以PPT的形式讲解并展示给教师和其他同学，促进了学生之间的交流和学习，提高了学生的综合表达能力和思维能力。鼓励学生对实验项目进行互评，体验成功的获得感和荣誉感，激发学习的内动力。

3 建立教学全程过程化考核体系

实验考核是实验教学中重要的环节，可有效检验学生对实验基本理论和技术的掌握程度。不同于理论考核，实验考核更偏重于操作技能的考核，不仅体现实验结果，更重视实验过程。随着现代教育技术的发展，考核方式多元化，可有效提高教学质量［22-24］。遗传学教研组根据植物遗传学的特点和本科生创新性的培养目标，建立全程过程化考核体系。教师根据学生出勤（5%）、课前学习（5%）、实验态度（5%）、课堂提问（5%）、操作过程（30%）、实验报告（20%）、PPT总结报告（20%）和学生互评（10%）8部分进行过程化考核，极大提高了学生的满意度和教学质量。

4 教学效果

在教师的指导下，学生利用数码互动技术和视频制作软件，将实验过程和结果详细记录下来，并配以字幕和动画，5大模块均录制了不同的教学视频，丰富了教学资源，提高了学生的学习兴趣。为了检验混合式全程参与性遗传学教学模式的教学效果，2020年将该教学模式在作物生产实践、作物遗传育种等其他课程中进行了初步实践，获得学生的好评。另外，对已采用这种教学模式的2018级和2019级农学、植物科学与技术专业15个班413名学生进行了教学模式对综合能力的提高和对教学模式的满意度的问卷调查（见表2、3）。结果表明，学生对教学模式和综合能力的提高满意度均达到83.54%以上，没有1名学生不满意，说明线上线下与课堂内外相结合的全程参与性教学模式很受学生喜欢，明显提高了学生的学习效果和综合素养，特别是动手操作能力尤为突出。

表2 教学模式的满意度调查

表3 教学模式对综合能力的提高情况

5 结 语

随着国家对创新型人才的不断需求，实践教学在大学教学中的比重越来越大，是培养学生创新能力的重要环节［25］。在遗传学研究领域，新的理论和技术不断涌现，遗传学实验教学必须适应新形势下的教学需求，结合植物生产类专业的特点，与时俱进，加强遗传学实验教学改革，提高学生的实践能力和创新能力［26-27］。自2010年以来，遗传学教研组对遗传学实验进行了一系列改革，由附属于理论教学，改为独立开设。在“互联网＋教育”的背景下，结合多年的教学经验，对遗传学实验教学模式进行了不断的探索和实践，提出了基于混合式教学下学生全程参与性教学模式，教学过程重视学生的学习体验和个性化培养，教学内容注重基础与前沿、经典与现代相结合，基础能力训练与创新能力培养相结合，既有经典遗传学实验项目的改良，又有前沿技术的整合，以综合性、设计性、创新性实验项目为主，培养学生的动手操作能力、应用能力、分析问题和解决问题的能力及创新能力。