解家松，馬榮榮，薛良義

（寧波大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 寧波 315211）

“遺傳學(xué)實驗”是一門有機融合遺傳學(xué)理論知識與實踐活動的課程，其核心目標(biāo)為鍛煉學(xué)生科學(xué)研究的能力，激發(fā)學(xué)生探索求知的欲望，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神［1-2］。長久以來，國內(nèi)外高校均把實驗教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和科研能力的重要途徑［3］。

筆者于2011 年9 月至2016 年12 月在加拿大阿爾伯塔大學(xué)（University of Alberta）攻讀博士學(xué)位。期間擔(dān)任“Bio207: Molecular Genetics and Heredity”（分子遺傳學(xué)，以下簡稱“Bio207”）助教，并于2016年獲得阿爾伯塔大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教學(xué)獎。具體負(fù)責(zé)內(nèi)容包括：（1）Bio207 Lab Manual實驗操作教材的編寫與修改；（2）全面統(tǒng)籌學(xué)生的實驗規(guī)劃、實施與安排；（3）實驗作業(yè)的批改與成績評定。經(jīng)過長時間一線教學(xué)鍛煉，筆者已系統(tǒng)掌握了國外遺傳學(xué)實驗課程整體的規(guī)劃、設(shè)計及實施流程。

本文通過總結(jié)、分析和比較加拿大高水平大學(xué)（以阿爾伯塔大學(xué)為例）與寧波大學(xué)“遺傳學(xué)實驗”在課程組織、實驗設(shè)計、教學(xué)方式、成績考核等方面的異同，為國內(nèi)高校相關(guān)學(xué)科實驗課程的教學(xué)改革提供新思路。

一、實驗課程設(shè)置與內(nèi)容分布比較

以阿爾伯塔大學(xué)分子遺傳學(xué)（實驗部分）為例，綜合對比寧波大學(xué)“遺傳學(xué)實驗”在課程設(shè)置、教學(xué)形式、實驗內(nèi)容、成績考核等方面的異同（見表1），總結(jié)各自優(yōu)勢和不足，確定國內(nèi)“遺傳學(xué)實驗”存在的問題和改進(jìn)方案，為我國高校建設(shè)世界一流學(xué)科的發(fā)展和實驗教學(xué)的改革提供參考。

表1 “遺傳學(xué)實驗”課程比較

國外高校通常采用自編教材，因此實驗設(shè)置與理論課程的銜接更為緊密，課程內(nèi)容深度、廣度、難度普遍高于國內(nèi)大學(xué)。比如，阿爾伯塔大學(xué)“遺傳學(xué)實驗”課程一共僅有8個實驗，主要內(nèi)容包括突變發(fā)生、有絲分裂、減數(shù)分裂、變異&生化通路、單因子遺傳、雙因子遺傳、分子克隆、DNA多態(tài)性。與之相比，寧波大學(xué)的“遺傳學(xué)實驗”課程共包括10個實驗，主要內(nèi)容包括減數(shù)分裂的觀察、果蠅的麻醉和主要性狀觀察、果蠅的單因子雜交試驗、果蠅的雙因子雜交試驗、果蠅的伴性遺傳、果蠅的三點測交、果蠅唾液腺染色體的制備與觀察、核型分析、同工酶技術(shù)、遺傳平衡定律（見表2）。二者在遺傳學(xué)實驗的設(shè)計上均基本涵蓋了遺傳學(xué)的主要知識點，比如都包括了減數(shù)分裂、果蠅的單因子和雙因子遺傳、DNA多態(tài)性分析等，但前者的深度和難度優(yōu)于后者。

表2 “遺傳學(xué)實驗”課程實驗內(nèi)容比較

從教學(xué)方式上看，國內(nèi)外存在著較大差異：一是國內(nèi)實驗課為獨立設(shè)課，由理論課教師全程負(fù)責(zé)，教學(xué)助理（Teaching assistant,TA）僅監(jiān)督和輔助學(xué)生部分操作技能；而國外實驗課通常由課程協(xié)調(diào)員（Course coordinator,CC）（類似于教輔人員）統(tǒng)籌管理，對TA進(jìn)行系統(tǒng)指導(dǎo)、培訓(xùn)及評價，再由合格的TA全面負(fù)責(zé)實驗授課、演示及指導(dǎo)；二是國內(nèi)實驗課通常為大班授課，選課學(xué)生在同一班級同時上課；而國外則采用小班授課，一般控制在20人以內(nèi)，相同實驗課在周一至周五不同時間段均有安排，故學(xué)生可根據(jù)課表自由選擇實驗班級。

二、實驗教學(xué)內(nèi)容和方法的比較

1.國外實驗內(nèi)容包括綜合大實驗，如變異&生化通路和分子克隆為主題的系統(tǒng)性實驗項目，而國內(nèi)實驗課則由一個個較為簡單的獨立實驗構(gòu)成。系統(tǒng)性大實驗通常需要幾周時間完成，因此國外實驗課程設(shè)計及實施常采取“穿插式”，即每周的實驗課會根據(jù)實驗內(nèi)容之間的聯(lián)系及實驗進(jìn)度，在同一堂實驗課完成幾個不同實驗的部分內(nèi)容，該安排靈活高效，大大節(jié)約了學(xué)生的等待時間。以阿爾伯塔大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院“變異&生化通路”實驗為例，學(xué)生通過判斷變異菌株在多種不同選擇培養(yǎng)基上的生長狀況來確定生化通路可能的阻斷位置，該實驗過程需對變異菌株進(jìn)行37℃過夜培養(yǎng)，因此學(xué)生在劃線培養(yǎng)菌株后，可充分利用剩余時間進(jìn)行下一個不同的實驗。而菌株培養(yǎng)的后續(xù)工作則由實驗員完成，主要包括第二天將平板取出并放至冰箱冷藏保存，等候下周實驗課時取出，由學(xué)生觀察及評估。相對而言，國內(nèi)目前的實驗內(nèi)容安排往往聚焦于單個實驗，因此經(jīng)常出現(xiàn)等候時間較長的問題。比如在“核型分析”實驗中對牛蛙骨髓細(xì)胞的低滲裂解需等待30分鐘，“同工酶技術(shù)”實驗中聚丙烯酰胺凝膠制備和電泳分別需要近40分鐘和1小時的等待時間。據(jù)筆者觀察，在這些時間段，學(xué)生往往無事可干，大大降低了實驗課程的效率。

2.國外實驗課程設(shè)計非常注重學(xué)生對實驗結(jié)果的探索，考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力［7］。國內(nèi)的實驗設(shè)計往往由授課教師全面負(fù)責(zé)，而學(xué)生以掌握實驗操作技能為目的，忽略對學(xué)生的探索精神和獨立思考能力的培養(yǎng)。比如，在“變異&生化通路”實驗中，學(xué)生在完成“突變菌株在選擇性培養(yǎng)基上的生長情況”和“確定該突變菌株可能突變基因（存在2種可能性）”的實驗內(nèi)容后，需基于給定的實驗材料，自主設(shè)計后續(xù)實驗方案，且該環(huán)節(jié)作為學(xué)生課程表現(xiàn)的重要評估依據(jù)。學(xué)生在此過程中需充分發(fā)動主觀能動性，透徹理解生化通路，思維縝密，方能設(shè)計出切實可行的實驗方案［8］。

3.經(jīng)典遺傳學(xué)模型（果蠅試驗）的授課區(qū)別。國內(nèi)果蠅實驗由“果蠅的麻醉和主要性狀觀察”“果蠅的單因子雜交試驗”“果蠅的雙因子雜交試驗”“果蠅的伴性遺傳”“果蠅的三點測交”和“果蠅唾液腺染色體的制備與觀察”六個子實驗組成。國外果蠅實驗雖只有“單因子遺傳”和“雙因子遺傳”兩部分，但實際已包含果蠅的麻醉和主要性狀觀察、單因子、雙因子、伴性遺傳和三點測交的內(nèi)容。國內(nèi)果蠅實驗基本在實驗室完成，其中果蠅雜交、子代的性狀觀察等實驗在時間上較靈活，根據(jù)子代的生長發(fā)育狀況在實驗課中或課后觀察。國外果蠅實驗則結(jié)合實驗室觀察和虛擬仿真系統(tǒng)，后者主要采用北美大學(xué)廣泛使用的cgslab.com虛擬仿真系統(tǒng)。在TA的指導(dǎo)下，學(xué)生學(xué)習(xí)并完成用戶注冊、操作系統(tǒng)的使用、演示給定果蠅類群雌雄個體雜交的雜交方法、推導(dǎo)和判斷給定性狀的顯隱關(guān)系和基因連鎖情況等內(nèi)容。此過程有利于學(xué)生判斷和分析給定果蠅類群的基因遺傳規(guī)律，進(jìn)而更透徹理解遺傳學(xué)三大定律的基本原理。此外，該虛擬仿真系統(tǒng)作為實際雜交試驗的重要補充，可在學(xué)生因?qū)嶒炚`差造成的結(jié)果不明時，避免重復(fù)冗長的實驗操作，并確保其掌握該實驗原理及過程。

4.國外實驗注重寓教于樂，而國內(nèi)實驗課則相對缺乏趣味性。比如，阿爾伯塔大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院在“DNA的多態(tài)性”實驗中，學(xué)生可抽提自身組織的基因組DNA（3～5根眉毛組織），進(jìn)行PCR試驗擴(kuò)增SV40片段，通過統(tǒng)計分析判斷結(jié)果是否滿足Hardy-Weinburg方程。當(dāng)然，學(xué)生需在實驗前，秉承自愿原則簽訂《知情同意書》，方可采集自身樣品。而對此過程有顧慮的學(xué)生，可選擇備用樣品進(jìn)行實驗。該設(shè)計在增加實驗趣味性、提升學(xué)生積極性和探索欲等方面效果顯著，在學(xué)生中取得了較好的反響。相對而言，國內(nèi)的“遺傳平衡定律”主要通過統(tǒng)計學(xué)生的血型進(jìn)行分析。該設(shè)計主要存在兩個問題：一是只通過口頭統(tǒng)計血型，學(xué)生無法體會實驗過程的樂趣；二是有部分學(xué)生不清楚自己的血型，隨意填寫造成實驗結(jié)果偏差較大。

三、成績評定與學(xué)評教比較

國內(nèi)實驗總評成績主要依據(jù)教學(xué)大綱，按平時成績和實驗成績綜合評定。平時成績的考核項目主要包括課程思政實踐、實驗規(guī)范與態(tài)度、研討報告、課堂表現(xiàn)、實驗操作等部分；實驗成績主要包括實驗驗收和實驗報告等部分。其中每個實驗的平時成績和實驗成績都單獨計分，最終按比例綜合計算最終得分。此外，雖然課程也設(shè)置了TA崗位，但TA缺乏系統(tǒng)的培訓(xùn)，通常僅負(fù)責(zé)實驗的準(zhǔn)備與實驗中的輔助操作，并沒有特別固定的職責(zé)與任務(wù)，因課程或教師不同而靈活性較大。部分TA會負(fù)責(zé)批改實驗報告，但最終成績的解釋權(quán)在任課教師。

相比之下，國外實驗總評成績主要通過疊加8個實驗得分獲得，而每個實驗根據(jù)內(nèi)容占據(jù)不同權(quán)重（4%～13%）。針對每個實驗，評分構(gòu)成又包含實驗報告和實驗操作。TA嚴(yán)格按照“評分標(biāo)準(zhǔn)”評估實驗報告，每個扣分點均需注明理由，最后將“評分標(biāo)準(zhǔn)”和“實驗報告”發(fā)還給學(xué)生。如學(xué)生對成績有異議，可向TA提出，當(dāng)雙方意見無法達(dá)成一致時，由CC進(jìn)行最終裁定。而國內(nèi)實驗成績的評定主要通過平時成績和實驗報告成績共同給分，且缺乏針對各個實驗的具體評分標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則。

此外，針對TA的教學(xué)表現(xiàn)，國外學(xué)生可在網(wǎng)上進(jìn)行匿名評價。根據(jù)學(xué)評教結(jié)果，CC會和相關(guān)TA談話，反饋學(xué)生需求，以幫助和督促TA進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量。課程結(jié)束后，CC會設(shè)置教學(xué)獎，學(xué)生可通過郵件提名自己認(rèn)可的TA。CC根據(jù)提名信、期中學(xué)評教和自己巡視時所獲得的信息綜合評估，最終確定教學(xué)獎獲得者。獲獎名額一般控制在10%～15%，該教學(xué)獎是對TA實驗教學(xué)工作的肯定，有助于其獎學(xué)金評定和未來求職，同時對提升TA教學(xué)積極性和內(nèi)驅(qū)力具有重要作用。相比于國外的TA學(xué)評教，國內(nèi)的學(xué)評教主要集中在任課教師，而缺乏對TA的評價，因此TA總體的存在感不強。

四、小結(jié)與建議

1.優(yōu)化課程組織和教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)合理地安排實驗。

在課程組織和教學(xué)內(nèi)容方面，可對“遺傳學(xué)實驗”提出可行性修改方案：由任課教師全盤指導(dǎo)的單一教學(xué)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橛扇握n教師重點講授實驗原理、實驗方法和實驗流程，由實驗員和研究生助教輔助指導(dǎo)具體實驗操作；通過提高研究生助教的參與度，加強對學(xué)生在實驗操作過程中的問題解決和技能指導(dǎo)。

在實驗安排方面，可對“遺傳學(xué)實驗”提出可行性修改方案：針對實驗過程中部分實驗步驟等待時間過長的問題，提升時間安排的合理性。參照國外通常采用的“交錯實驗法”，“遺傳學(xué)實驗”中的核型分析實驗和同工酶技術(shù)兩個實驗可分別分散至兩周，與其他實驗交錯安排。

實驗操作部分開始前或結(jié)束后如有多余時間，可布置與實驗內(nèi)容相關(guān)的習(xí)題，加強學(xué)生對實驗原理、方法的理解；如實驗過程較緊湊，可通過布置課后作業(yè)鞏固相關(guān)實驗知識，任課教師或TA可在下次實驗課開始之前，對該部分習(xí)題進(jìn)行講解，達(dá)到溫習(xí)和查漏補缺的目的［7，9］。

2.以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，設(shè)計探索型實驗，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，設(shè)計“變異&生化通路探索型”實驗。20世紀(jì)40年代，Beadle和Tatum在鏈孢霉的生化反應(yīng)遺傳控制研究中提出了著名的“一個基因一個酶”假說，將基因與蛋白的關(guān)系和生理生化功能聯(lián)系起來［10］。目前，國內(nèi)“遺傳學(xué)實驗”課程缺乏相關(guān)實驗。我們可參考“Bio207”中“變異&生化通路”實驗來設(shè)計“基因突變與信號通路”，該實驗以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，要求學(xué)生通過對突變菌株中生化信號通路的阻斷位點的判斷，檢測哪些基因可能發(fā)生突變，并通過設(shè)計基因回補試驗，驗證確定具體突變基因。本實驗將以觀察到的實驗現(xiàn)象為基礎(chǔ)，以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，通過主動設(shè)計探索型的回補試驗，最終驗證實驗結(jié)果。

以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，設(shè)計基于自身遺傳物質(zhì)多態(tài)性的探索型“遺傳平衡分析”實驗。目前寧波大學(xué)“遺傳平衡定律”實驗采用隨機選擇班級群體進(jìn)行ABO血型調(diào)查和遺傳分析的方式，但存在學(xué)生血型未知、統(tǒng)計不準(zhǔn)確、血型存在復(fù)等位基因（3個基因座）等問題，可考慮通過PCR擴(kuò)增第16條染色體上的PV92基因（2個基因座）來進(jìn)行遺傳平衡分析［11］。該實驗以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，通過對自身遺傳物質(zhì)（眉毛組織）的提取、PV92基因的擴(kuò)增，從而對班級群體的PV92位點遺傳多樣性進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確的分析。

以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，引入果蠅雜交虛擬仿真系統(tǒng)，設(shè)計“果蠅性狀的遺傳分析”實驗。針對果蠅大實驗中，果蠅雜交試驗耗時長、結(jié)果時常不準(zhǔn)確、實驗容易失敗等問題，可考慮引入國外本科教學(xué)中廣泛使用的cgslab.com虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)以問題驅(qū)動為導(dǎo)向，通過課堂對學(xué)生簡單培訓(xùn)，后期可通過布置作業(yè)，使學(xué)生完成果蠅的單因子、雙因子、伴性遺傳等遺傳分析，并掌握如何利用遺傳學(xué)知識去研究實際生活中碰到的遺傳學(xué)問題［12］。

3.強化實驗室安全教育、科研規(guī)范教育，促進(jìn)教學(xué)方式的創(chuàng)新和成績考核方式的完善。

強化實驗室安全教育，操作規(guī)范和生物安全。借鑒國外高校相關(guān)措施，建立完善的管理制度和嚴(yán)格的實驗安全守則，進(jìn)一步加強“遺傳學(xué)實驗”教學(xué)中的安全教育，強化學(xué)生的安全意識。在實驗課教材中補充和突出強調(diào)有關(guān)實驗安全的內(nèi)容，課前對實驗室安全知識進(jìn)行培訓(xùn)和測試，課上加大對危險性及危害性實驗操作的提醒，杜絕實驗課中發(fā)生意外事件。

培養(yǎng)學(xué)生求實務(wù)真的科研精神。寧波大學(xué)為國家“雙一流”學(xué)科建設(shè)高校，考研選取本專業(yè)的人數(shù)逐年增高，意味著越來越多的本科生未來將走向科學(xué)研究崗位，因此有必要通過本課程對學(xué)生進(jìn)行學(xué)術(shù)誠信和學(xué)術(shù)規(guī)范教育。建議在實驗課教材和課堂中增加有關(guān)科研誠信和科研規(guī)范教育的有關(guān)內(nèi)容，在成績考核中明確有關(guān)違反科研規(guī)范行為的懲戒制度，同時增加針對科研誠信知識的考查，為通過考查的學(xué)生出具合格證書，以期培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實的科研精神。

制定明確的“評分標(biāo)準(zhǔn)”，完善成績考核。國外實驗課程成績考核的方式通過制定明確的評分標(biāo)準(zhǔn)，對課前測試、實驗操作和實驗報告進(jìn)行全方位考查，各部分按照一定比例分值計入總成績。建議對每個具體實驗的成績考核設(shè)定明確的評分標(biāo)準(zhǔn)，成績嚴(yán)格按照所制定的評分標(biāo)準(zhǔn)評定，扣分需提供清晰理由；課前10分鐘，設(shè)置課前測試，考查上次實驗的理解程度和本次實驗課的預(yù)習(xí)情況；對學(xué)生實驗操作的規(guī)范性進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評估，比如移液器的使用、溶液的配制、無菌操作、標(biāo)本的制備、顯微鏡的操作等，以督促學(xué)生掌握扎實的實驗技能。

結(jié)語

實驗教學(xué)在培養(yǎng)高校學(xué)生的實際操作技能方面具有不可替代的作用。本文以加拿大阿爾伯塔大學(xué)“遺傳學(xué)實驗”為例，對比了發(fā)達(dá)國家的高校實驗教學(xué)在課程組織、實驗設(shè)計、教學(xué)方式和成績考核等方面與國內(nèi)高校實驗教學(xué)的異同，總結(jié)出國外高校在課程組織上更加注重理論課程與實驗課程的緊密銜接，時間安排較為合理；在實驗設(shè)計上更加強調(diào)對科學(xué)問題的探索性；在教學(xué)方式上結(jié)合教學(xué)助理的參與度，在成績考核上遵循評分標(biāo)準(zhǔn)的客觀性。國內(nèi)高校實驗教學(xué)可在結(jié)合我國國情的基礎(chǔ)上，適當(dāng)汲取國外實驗教學(xué)的優(yōu)點，深入開展實驗教學(xué)改革，提高教學(xué)的質(zhì)量和效果。