中加大学“遗传学实验”教学模式比较与分析

解家松，马荣荣，薛良义

（宁波大学 海洋学院，浙江 宁波 315211）

“遗传学实验”是一门有机融合遗传学理论知识与实践活动的课程，其核心目标为锻炼学生科学研究的能力，激发学生探索求知的欲望，培养学生的创新精神［1-2］。长久以来，国内外高校均把实验教学作为培养学生创新意识和科研能力的重要途径［3］。

笔者于2011 年9 月至2016 年12 月在加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）攻读博士学位。期间担任“Bio207: Molecular Genetics and Heredity”（分子遗传学，以下简称“Bio207”）助教，并于2016年获得阿尔伯塔大学生命科学学院教学奖。具体负责内容包括：（1）Bio207 Lab Manual实验操作教材的编写与修改；（2）全面统筹学生的实验规划、实施与安排；（3）实验作业的批改与成绩评定。经过长时间一线教学锻炼，笔者已系统掌握了国外遗传学实验课程整体的规划、设计及实施流程。

本文通过总结、分析和比较加拿大高水平大学（以阿尔伯塔大学为例）与宁波大学“遗传学实验”在课程组织、实验设计、教学方式、成绩考核等方面的异同，为国内高校相关学科实验课程的教学改革提供新思路。

一、实验课程设置与内容分布比较

以阿尔伯塔大学分子遗传学（实验部分）为例，综合对比宁波大学“遗传学实验”在课程设置、教学形式、实验内容、成绩考核等方面的异同（见表1），总结各自优势和不足，确定国内“遗传学实验”存在的问题和改进方案，为我国高校建设世界一流学科的发展和实验教学的改革提供参考。

表1 “遗传学实验”课程比较

国外高校通常采用自编教材，因此实验设置与理论课程的衔接更为紧密，课程内容深度、广度、难度普遍高于国内大学。比如，阿尔伯塔大学“遗传学实验”课程一共仅有8个实验，主要内容包括突变发生、有丝分裂、减数分裂、变异&生化通路、单因子遗传、双因子遗传、分子克隆、DNA多态性。与之相比，宁波大学的“遗传学实验”课程共包括10个实验，主要内容包括减数分裂的观察、果蝇的麻醉和主要性状观察、果蝇的单因子杂交试验、果蝇的双因子杂交试验、果蝇的伴性遗传、果蝇的三点测交、果蝇唾液腺染色体的制备与观察、核型分析、同工酶技术、遗传平衡定律（见表2）。二者在遗传学实验的设计上均基本涵盖了遗传学的主要知识点，比如都包括了减数分裂、果蝇的单因子和双因子遗传、DNA多态性分析等，但前者的深度和难度优于后者。

表2 “遗传学实验”课程实验内容比较

从教学方式上看，国内外存在着较大差异：一是国内实验课为独立设课，由理论课教师全程负责，教学助理（Teaching assistant,TA）仅监督和辅助学生部分操作技能；而国外实验课通常由课程协调员（Course coordinator,CC）（类似于教辅人员）统筹管理，对TA进行系统指导、培训及评价，再由合格的TA全面负责实验授课、演示及指导；二是国内实验课通常为大班授课，选课学生在同一班级同时上课；而国外则采用小班授课，一般控制在20人以内，相同实验课在周一至周五不同时间段均有安排，故学生可根据课表自由选择实验班级。

二、实验教学内容和方法的比较

1.国外实验内容包括综合大实验，如变异&生化通路和分子克隆为主题的系统性实验项目，而国内实验课则由一个个较为简单的独立实验构成。系统性大实验通常需要几周时间完成，因此国外实验课程设计及实施常采取“穿插式”，即每周的实验课会根据实验内容之间的联系及实验进度，在同一堂实验课完成几个不同实验的部分内容，该安排灵活高效，大大节约了学生的等待时间。以阿尔伯塔大学生命科学学院“变异&生化通路”实验为例，学生通过判断变异菌株在多种不同选择培养基上的生长状况来确定生化通路可能的阻断位置，该实验过程需对变异菌株进行37℃过夜培养，因此学生在划线培养菌株后，可充分利用剩余时间进行下一个不同的实验。而菌株培养的后续工作则由实验员完成，主要包括第二天将平板取出并放至冰箱冷藏保存，等候下周实验课时取出，由学生观察及评估。相对而言，国内目前的实验内容安排往往聚焦于单个实验，因此经常出现等候时间较长的问题。比如在“核型分析”实验中对牛蛙骨髓细胞的低渗裂解需等待30分钟，“同工酶技术”实验中聚丙烯酰胺凝胶制备和电泳分别需要近40分钟和1小时的等待时间。据笔者观察，在这些时间段，学生往往无事可干，大大降低了实验课程的效率。

2.国外实验课程设计非常注重学生对实验结果的探索，考查学生发现问题和解决问题的能力［7］。国内的实验设计往往由授课教师全面负责，而学生以掌握实验操作技能为目的，忽略对学生的探索精神和独立思考能力的培养。比如，在“变异&生化通路”实验中，学生在完成“突变菌株在选择性培养基上的生长情况”和“确定该突变菌株可能突变基因（存在2种可能性）”的实验内容后，需基于给定的实验材料，自主设计后续实验方案，且该环节作为学生课程表现的重要评估依据。学生在此过程中需充分发动主观能动性，透彻理解生化通路，思维缜密，方能设计出切实可行的实验方案［8］。

3.经典遗传学模型（果蝇试验）的授课区别。国内果蝇实验由“果蝇的麻醉和主要性状观察”“果蝇的单因子杂交试验”“果蝇的双因子杂交试验”“果蝇的伴性遗传”“果蝇的三点测交”和“果蝇唾液腺染色体的制备与观察”六个子实验组成。国外果蝇实验虽只有“单因子遗传”和“双因子遗传”两部分，但实际已包含果蝇的麻醉和主要性状观察、单因子、双因子、伴性遗传和三点测交的内容。国内果蝇实验基本在实验室完成，其中果蝇杂交、子代的性状观察等实验在时间上较灵活，根据子代的生长发育状况在实验课中或课后观察。国外果蝇实验则结合实验室观察和虚拟仿真系统，后者主要采用北美大学广泛使用的cgslab.com虚拟仿真系统。在TA的指导下，学生学习并完成用户注册、操作系统的使用、演示给定果蝇类群雌雄个体杂交的杂交方法、推导和判断给定性状的显隐关系和基因连锁情况等内容。此过程有利于学生判断和分析给定果蝇类群的基因遗传规律，进而更透彻理解遗传学三大定律的基本原理。此外，该虚拟仿真系统作为实际杂交试验的重要补充，可在学生因实验误差造成的结果不明时，避免重复冗长的实验操作，并确保其掌握该实验原理及过程。

4.国外实验注重寓教于乐，而国内实验课则相对缺乏趣味性。比如，阿尔伯塔大学生命科学学院在“DNA的多态性”实验中，学生可抽提自身组织的基因组DNA（3～5根眉毛组织），进行PCR试验扩增SV40片段，通过统计分析判断结果是否满足Hardy-Weinburg方程。当然，学生需在实验前，秉承自愿原则签订《知情同意书》，方可采集自身样品。而对此过程有顾虑的学生，可选择备用样品进行实验。该设计在增加实验趣味性、提升学生积极性和探索欲等方面效果显著，在学生中取得了较好的反响。相对而言，国内的“遗传平衡定律”主要通过统计学生的血型进行分析。该设计主要存在两个问题：一是只通过口头统计血型，学生无法体会实验过程的乐趣；二是有部分学生不清楚自己的血型，随意填写造成实验结果偏差较大。

三、成绩评定与学评教比较

国内实验总评成绩主要依据教学大纲，按平时成绩和实验成绩综合评定。平时成绩的考核项目主要包括课程思政实践、实验规范与态度、研讨报告、课堂表现、实验操作等部分；实验成绩主要包括实验验收和实验报告等部分。其中每个实验的平时成绩和实验成绩都单独计分，最终按比例综合计算最终得分。此外，虽然课程也设置了TA岗位，但TA缺乏系统的培训，通常仅负责实验的准备与实验中的辅助操作，并没有特别固定的职责与任务，因课程或教师不同而灵活性较大。部分TA会负责批改实验报告，但最终成绩的解释权在任课教师。

相比之下，国外实验总评成绩主要通过叠加8个实验得分获得，而每个实验根据内容占据不同权重（4%～13%）。针对每个实验，评分构成又包含实验报告和实验操作。TA严格按照“评分标准”评估实验报告，每个扣分点均需注明理由，最后将“评分标准”和“实验报告”发还给学生。如学生对成绩有异议，可向TA提出，当双方意见无法达成一致时，由CC进行最终裁定。而国内实验成绩的评定主要通过平时成绩和实验报告成绩共同给分，且缺乏针对各个实验的具体评分标准细则。

此外，针对TA的教学表现，国外学生可在网上进行匿名评价。根据学评教结果，CC会和相关TA谈话，反馈学生需求，以帮助和督促TA进一步提升教学质量。课程结束后，CC会设置教学奖，学生可通过邮件提名自己认可的TA。CC根据提名信、期中学评教和自己巡视时所获得的信息综合评估，最终确定教学奖获得者。获奖名额一般控制在10%～15%，该教学奖是对TA实验教学工作的肯定，有助于其奖学金评定和未来求职，同时对提升TA教学积极性和内驱力具有重要作用。相比于国外的TA学评教，国内的学评教主要集中在任课教师，而缺乏对TA的评价，因此TA总体的存在感不强。

四、小结与建议

1.优化课程组织和教学内容，科学合理地安排实验。

在课程组织和教学内容方面，可对“遗传学实验”提出可行性修改方案：由任课教师全盘指导的单一教学模式，转变为由任课教师重点讲授实验原理、实验方法和实验流程，由实验员和研究生助教辅助指导具体实验操作；通过提高研究生助教的参与度，加强对学生在实验操作过程中的问题解决和技能指导。

在实验安排方面，可对“遗传学实验”提出可行性修改方案：针对实验过程中部分实验步骤等待时间过长的问题，提升时间安排的合理性。参照国外通常采用的“交错实验法”，“遗传学实验”中的核型分析实验和同工酶技术两个实验可分别分散至两周，与其他实验交错安排。

实验操作部分开始前或结束后如有多余时间，可布置与实验内容相关的习题，加强学生对实验原理、方法的理解；如实验过程较紧凑，可通过布置课后作业巩固相关实验知识，任课教师或TA可在下次实验课开始之前，对该部分习题进行讲解，达到温习和查漏补缺的目的［7，9］。

2.以问题驱动为导向，设计探索型实验，培养学生发现问题、解决问题的能力。

以问题驱动为导向，设计“变异&生化通路探索型”实验。20世纪40年代，Beadle和Tatum在链孢霉的生化反应遗传控制研究中提出了著名的“一个基因一个酶”假说，将基因与蛋白的关系和生理生化功能联系起来［10］。目前，国内“遗传学实验”课程缺乏相关实验。我们可参考“Bio207”中“变异&生化通路”实验来设计“基因突变与信号通路”，该实验以问题驱动为导向，要求学生通过对突变菌株中生化信号通路的阻断位点的判断，检测哪些基因可能发生突变，并通过设计基因回补试验，验证确定具体突变基因。本实验将以观察到的实验现象为基础，以问题驱动为导向，通过主动设计探索型的回补试验，最终验证实验结果。

以问题驱动为导向，设计基于自身遗传物质多态性的探索型“遗传平衡分析”实验。目前宁波大学“遗传平衡定律”实验采用随机选择班级群体进行ABO血型调查和遗传分析的方式，但存在学生血型未知、统计不准确、血型存在复等位基因（3个基因座）等问题，可考虑通过PCR扩增第16条染色体上的PV92基因（2个基因座）来进行遗传平衡分析［11］。该实验以问题驱动为导向，通过对自身遗传物质（眉毛组织）的提取、PV92基因的扩增，从而对班级群体的PV92位点遗传多样性进行客观、准确的分析。

以问题驱动为导向，引入果蝇杂交虚拟仿真系统，设计“果蝇性状的遗传分析”实验。针对果蝇大实验中，果蝇杂交试验耗时长、结果时常不准确、实验容易失败等问题，可考虑引入国外本科教学中广泛使用的cgslab.com虚拟仿真系统。该系统以问题驱动为导向，通过课堂对学生简单培训，后期可通过布置作业，使学生完成果蝇的单因子、双因子、伴性遗传等遗传分析，并掌握如何利用遗传学知识去研究实际生活中碰到的遗传学问题［12］。

3.强化实验室安全教育、科研规范教育，促进教学方式的创新和成绩考核方式的完善。

强化实验室安全教育，操作规范和生物安全。借鉴国外高校相关措施，建立完善的管理制度和严格的实验安全守则，进一步加强“遗传学实验”教学中的安全教育，强化学生的安全意识。在实验课教材中补充和突出强调有关实验安全的内容，课前对实验室安全知识进行培训和测试，课上加大对危险性及危害性实验操作的提醒，杜绝实验课中发生意外事件。

培养学生求实务真的科研精神。宁波大学为国家“双一流”学科建设高校，考研选取本专业的人数逐年增高，意味着越来越多的本科生未来将走向科学研究岗位，因此有必要通过本课程对学生进行学术诚信和学术规范教育。建议在实验课教材和课堂中增加有关科研诚信和科研规范教育的有关内容，在成绩考核中明确有关违反科研规范行为的惩戒制度，同时增加针对科研诚信知识的考查，为通过考查的学生出具合格证书，以期培养学生求真务实的科研精神。

制定明确的“评分标准”，完善成绩考核。国外实验课程成绩考核的方式通过制定明确的评分标准，对课前测试、实验操作和实验报告进行全方位考查，各部分按照一定比例分值计入总成绩。建议对每个具体实验的成绩考核设定明确的评分标准，成绩严格按照所制定的评分标准评定，扣分需提供清晰理由；课前10分钟，设置课前测试，考查上次实验的理解程度和本次实验课的预习情况；对学生实验操作的规范性进行客观准确的评估，比如移液器的使用、溶液的配制、无菌操作、标本的制备、显微镜的操作等，以督促学生掌握扎实的实验技能。

结语

实验教学在培养高校学生的实际操作技能方面具有不可替代的作用。本文以加拿大阿尔伯塔大学“遗传学实验”为例，对比了发达国家的高校实验教学在课程组织、实验设计、教学方式和成绩考核等方面与国内高校实验教学的异同，总结出国外高校在课程组织上更加注重理论课程与实验课程的紧密衔接，时间安排较为合理；在实验设计上更加强调对科学问题的探索性；在教学方式上结合教学助理的参与度，在成绩考核上遵循评分标准的客观性。国内高校实验教学可在结合我国国情的基础上，适当汲取国外实验教学的优点，深入开展实验教学改革，提高教学的质量和效果。