張瑞娜,余道倫,黃 林,黃仁術,佘德勇,陳乃富

(皖西學院 生物與制藥工程學院,安徽 六安 237012)

“動物遺傳學”是動物科學專業(yè)一門理論性較強的專業(yè)基礎課程,在動物遺傳育種與繁殖學科領域有著舉足輕重的位置[1]。該課程內(nèi)容從微觀、宏觀和現(xiàn)代遺傳學技術應用等多個層面,系統(tǒng)講述了動物細胞中遺傳物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、功能調(diào)控、世代傳遞規(guī)律和其重要的育種應用價值等,這些內(nèi)容豐富且應用廣泛的遺傳學知識,已成為現(xiàn)代畜牧科技工作者必備的重要專業(yè)技能之一。因此,“動物遺傳學”在地方應用型本科高校的動物科學專業(yè)的培養(yǎng)方案中被列為核心課程,充分顯示該課程在動物科學專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要地位,而設置與“動物遺傳學”理論教學內(nèi)容契合度高的實驗教學模式是鞏固和提高教學效果的必要措施。

“動物遺傳學”實驗課程的項目設置主要圍繞理論教學內(nèi)容開展,通過多種形式的實驗教學,不僅可以加深學生對遺傳學基本理論知識的理解,也能激發(fā)學生的學習積極性以及探索遺傳學規(guī)律的學習興趣,同時又能夠培養(yǎng)學生觀察問題、分析問題和解決問題的能力。所以,“動物遺傳學”實驗課程的項目設置既要有助于加深學生對遺傳學理論知識的理解及掌握,還要注重培養(yǎng)學生的動手操作、探索創(chuàng)新和知識總結(jié)能力。為了使學生能夠全面理解和掌握抽象的遺傳學知識和技能,實現(xiàn)創(chuàng)新應用型人才培養(yǎng)的目標,動物遺傳學教學團隊基于近幾年的理論和實驗教學經(jīng)驗,對整體實驗課程的項目設置、教學實施方案及教學效果評估等方面進行深入思考和研究,通過實施分層次性項目設置-示范性教學互動-操作過程考核-分析總結(jié)實驗報告等多層次性的教學模式,為應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供了有效途徑。

1 “動物遺傳學”課程實驗教學現(xiàn)狀

動物遺傳學實驗課程以分子遺傳學理論為技術基礎,主要包括動物組織基因組DNA提取、聚合酶鏈式反應(PCR)擴增和瓊脂糖凝膠電泳成像等基本實驗技術。這些實驗項目的設置雖然有助于學生強化理論知識,但在實驗教學中仍存在一些問題和不足。

1.1 實驗項目間缺乏連貫性,創(chuàng)新應用性不強

各實驗內(nèi)容相對獨立,缺乏連貫性,導致學生應用分子遺傳學的方法和技術解決遺傳學領域相關問題的能力較弱,難以實現(xiàn)提升學生創(chuàng)新意識和綜合能力的教學目的。

1.2 教學實施模式單一,學生積極性不高

在授課形式上,動物遺傳學實驗課程主要由教師講解實驗原理及示范關鍵操作步驟,學生根據(jù)實驗指導進行實驗,撰寫實驗報告。這種“填鴨化”的實驗教學方式難以培養(yǎng)學生的主觀能動性和獨立思考能力,學生不能對差異性的實驗結(jié)果進行正確分析,難以達到驗證和鞏固理論教學的效果。

1.3 教學資源有限,實驗課時較長

由于動物遺傳學所用實驗試劑和儀器比較昂貴,且每年學校在實驗教學方面的資金投入有限,教學中的一些儀器設備不能同時滿足多組學生操作,導致實驗時間延長且降低學生的實驗參與度。

2 “動物遺傳學”課程實驗教學的改革措施

結(jié)合該實驗課程特點,通過創(chuàng)新開發(fā)并設計實驗項目、統(tǒng)籌安排實驗教學資源及建立過程性實驗考核方案等措施,構(gòu)建動物遺傳學實驗課程教學新體系,在幫助學生理解和鞏固課堂理論知識學習的同時,也有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和分析解決問題的能力,提升學生的專業(yè)素養(yǎng)和綜合素質(zhì)。

2.1 緊扣課程理論內(nèi)容特點,創(chuàng)新開發(fā)、設計實驗項目

生物學理論與技術的飛速發(fā)展,致使“動物遺傳學”課程在動物科學專業(yè)領域內(nèi)的中心地位越來越明顯,尤其是該課程中涉及的群體、細胞及分子遺傳學的基本理論和技術,在畜禽種質(zhì)資源保存、利用及新品種培育等方面具有重大的實踐應用價值[2]。首先在學科地位方面,動物遺傳學專業(yè)基礎理論與其他學科知識相互交叉滲透,是學習動物育種學、細胞與分子生物學、動物繁殖學等專業(yè)課的先導課程[3]。其次從課程內(nèi)容來看,該課程從微觀到宏觀,其教學內(nèi)容囊括了遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及功能調(diào)控、基本傳遞規(guī)律及群體和數(shù)量遺傳學等,且隨著科學家對遺傳物質(zhì)特性研究的不斷深入和完善,一些前沿性的研究成果也整合到了遺傳學的教學內(nèi)容中,如基因組學及表觀遺傳學等,這使得該課程的專業(yè)知識量不斷更新且內(nèi)容迅猛增加,再加上遺傳學課程本身具有理論性強及內(nèi)容抽象等特點,從而給該課程的理論教學及調(diào)動學生的學習積極性增加了挑戰(zhàn)。面對動物遺傳學中龐大且復雜的理論知識體系及對口升學學生基礎薄弱的問題,設置及開展綜合系統(tǒng)性的實驗項目無疑是提高課堂理論教學質(zhì)量的有效途徑。所以,新的實驗項目的設置從宏觀、微觀及技術應用的不同層面,分層次性地體現(xiàn)出多級理論知識點之間的銜接性,以培養(yǎng)學生系統(tǒng)性的邏輯思維能力。

基于以上課程特點,教學團隊本著使學生“看到-拿到-用到動物細胞中遺傳物質(zhì)”的教學思路,使學生在實驗操作中將抽象化的遺傳物質(zhì)相關的理論知識轉(zhuǎn)變成具體化的可操作對象,從而鞏固和加深了學生對動物遺傳學理論知識的理解和應用。在動物遺傳學的理論教學中,細胞中遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能調(diào)控及相關前沿技術的開發(fā)應用等,無疑是集理論性、系統(tǒng)性、廣泛性及抽象性強為一體的難點和重點內(nèi)容。想把抽象的理論知識講解明白僅靠課堂理論教學還無法滿足學生們的學習需求。基于這一教學現(xiàn)狀,創(chuàng)新開發(fā)出針對重要理論知識點的實驗項目已顯得尤為必要。所以,新的實驗項目以分層次性的設計方式,逐層級地使學生在實踐操作中全面理解和掌握動物細胞中遺傳物質(zhì)的具體形態(tài)、分離鑒定方法及技術應用價值,體現(xiàn)出使學生“看到、拿到及用到遺傳物質(zhì)”的學習思路。從這一思路出發(fā),遺傳學的實驗教學先后安排了3個實驗項目,如表1所示。

表1 分層次性實驗項目內(nèi)容設置

實驗一能讓學生從宏觀層面看到動物骨髓細胞有絲分裂中期的遺傳物質(zhì),并使用顯微鏡觀察細胞中遺傳物質(zhì)的形態(tài)、大小和數(shù)量等指標。通過實驗一使學生掌握基礎實驗儀器的使用方法、理解遺傳學的物質(zhì)理論基礎及相關的實驗操作技能。實驗二能讓學生從微觀層面分離得到動物肌肉組織中的遺傳物質(zhì),并使用核酸測定儀和電泳儀檢測所得到的遺傳物質(zhì)的質(zhì)量,初步了解遺傳物質(zhì)DNA在動物遺傳學表型性狀檢測中的重大應用價值。通過實驗二使學生了解獲取動物組織細胞中遺傳物質(zhì)的方法及原理,為后續(xù)實驗項目的開展奠定基礎。實驗三能讓學生從技術應用層面利用所獲取的動物遺傳物質(zhì)進行動物性別性狀的檢測,使學生更加深入理解遺傳物質(zhì)在動物表型產(chǎn)生及育種性狀選擇中的重大應用價值。整體的項目設計涵蓋了細胞及分子遺傳學相關的經(jīng)典理論知識。

2.2 統(tǒng)籌安排時間及教學資源,充分調(diào)動學生的實驗參與感

實驗課的教學過程主要包括課前準備及預習、課中提問、實驗原理講解、操作細節(jié)演示及總結(jié)分析實驗報告等過程,多層次性地充分調(diào)動學生的實驗參與度,來提高學生的學習積極性和探索欲。根據(jù)項目內(nèi)容及教學目標的設置,課程教學團隊進行集體討論及分工后,編寫相應的教學大綱和實驗指導書。根據(jù)學生人數(shù)進行分組,分組模式為“25人/批-5人/組”,每組委派2名學生為組長,負責協(xié)助老師進行實驗前的準備及教學中的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工作。本著“教師少講,學生多做,引導學生在實驗操作中發(fā)現(xiàn)、思考及分析解決具體問題”的教學原則,為了盡量少占用學生的實驗操作時間,在上課之前提前通知小組組長將所需實驗試劑及動物準備好,課堂上花費約10～15分鐘挑選學生回答實驗內(nèi)容相關的預習思考題,引導學生進行主動性的積極思考及討論,教師在學生回答問題的過程中穿插解釋實驗原理及所對應的理論知識點,之后再對實驗操作過程的重點環(huán)節(jié)進行簡單講解并演示。另外,對于實驗操作過程中的細節(jié)問題暫不多做講解,而是在隨堂指導學生進行實驗操作的不同階段引導學生思考“怎么做及為什么”等問題,并對每一步的操作細節(jié)進行說明和強調(diào)。這種“邊做邊講”互動性的實驗教學方式,既能使學生由易到難地逐漸理解和掌握多個理論知識點,又能盡量填補學生在實驗過程中的等待時間,維持了整個實驗項目操作的連續(xù)性,同時也提高了學生的積極性和主動性(圖1)。

圖1 “邊做邊講”互動性的實驗教學實施過程

獲得實驗結(jié)果后,要求學生根據(jù)所學理論知識分析實驗結(jié)果,并結(jié)合實踐操作過程撰寫實驗報告。針對具體的實驗項目,其組織及實施過程遵循“統(tǒng)籌資源,保證實驗連續(xù)性和充分調(diào)動學生參與實驗”的原則,根據(jù)時間及現(xiàn)有教學資源進行靈活調(diào)整(圖2)。

圖2 實驗目的、實施原則及結(jié)果

實驗1的目的在于使學生能夠在宏觀層面看到動物細胞核內(nèi)的遺傳物質(zhì),并通過觀察染色體的形態(tài)及數(shù)量使學生對遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直觀的認識和理解。實驗開始前,小組組長協(xié)助指導老師完成動物飼養(yǎng)、秋水仙素注射及骨髓細胞分離等部分工作。因為該實驗中涉及的骨髓細胞分離中要進行多次重復性的離心操作,所以為了減少學生在實驗中的等待時間,保證實驗過程的連續(xù)性及每個學生的參與度,實驗中每小組內(nèi)再分成2個小組,分別進行小鼠股骨部位骨髓細胞的分離及染色體標本制備的工作。在骨髓細胞分離及染色體標本制備的等待過程中,教師對實驗原理、過程及操作細節(jié)進行系統(tǒng)性的解釋。要求每組制備2～3張染色體標本進行染色,并使用顯微鏡觀察染色體的具體形態(tài)及結(jié)構(gòu)。要求每個學生必須成功看到細胞中的染色體,并在實驗報告中粘貼結(jié)果圖片。對于那些圖片效果不典型的染色體,實驗報告中要求學生根據(jù)課堂強調(diào)的實驗操作原理及細節(jié)對結(jié)果進行分析和討論。

實驗2的目的在于使學生能夠在微觀層面分離并獲取到細胞核染色體上的遺傳物質(zhì)DNA,并了解如何通過分子生物學實驗設備來判斷所提取DNA的質(zhì)量,也為實驗項目3的學習奠定基礎。由于DNA提取過程所用設備簡單但過程煩瑣,因而動物組織裂解環(huán)節(jié)以小組為單位完成,而之后DNA的分離純化則要求每位學生必須獨立完成,并最終成功獲得動物基因組DNA,這能夠完全滿足學生們的實踐操作需求。另外,在利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質(zhì)量的環(huán)節(jié),則以小組為單位進行制膠和點樣操作。為了鞏固學生們的專業(yè)知識及培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng),教師在對結(jié)果分析時,僅選取一個小組的DNA樣品質(zhì)量進行講解和分析,其余小組的實驗結(jié)果解讀由小組代表承擔。實驗結(jié)束后要求每位學生在實驗報告中粘貼結(jié)果圖片,并在圖片中標出所做樣品的位置,要對所提取的DNA質(zhì)量做出判斷和分析。

實驗3的目的在于使學生在技術應用層面論證遺傳物質(zhì)DNA復制的基本過程,了解利用PCR技術體外擴增特定基因片段的理論原理,及其在動物表型性狀鑒定和傳染性疾病診斷中的應用價值。隨著分子生物學理論及技術的不斷發(fā)展更新,PCR技術已成為測定動物性狀及疾病的重要手段,而利用此技術進行畜禽性別鑒定是體現(xiàn)動物遺傳物質(zhì)應用及檢測價值的最直觀方法[4]。由于本實驗中所用的實驗試劑種類較多且添加微量,教師會根據(jù)每組用量的多少將所用試劑進行分裝和分配。每小組分配1套試劑和耗材,根據(jù)所需試劑的用量,先由小組組長負責將所用PCR試劑進行混合并分裝給每個組員,其他學生任意選取某個DNA樣品加入混合液管中,做好標記后放入PCR儀進行基因擴增。為了統(tǒng)籌規(guī)劃好時間及保證實驗過程的連續(xù)性,在實驗開始前要求學生先完成PCR反應的加樣工作,在PCR擴增過程中,教師再對實驗原理、過程及操作細節(jié)進行系統(tǒng)性解釋,并引導學生進行瓊脂糖凝膠電泳環(huán)節(jié)的準備工作。在之后的利用瓊脂糖凝膠電泳檢測基因擴增效率時,則以小組為單位進行制膠和點樣操作。實驗結(jié)果分析過程同實驗2相同。實驗結(jié)束后要求每位學生在實驗報告中粘貼結(jié)果圖片,并在圖片中標出所做樣品的位置及基因片段大小,對所鑒定動物的性別做出判斷。

2.3 強化過程考核,注重實踐操作及知識總結(jié)能力的培養(yǎng)

從以上“動物遺傳學”實驗項目總體設置及實施來看,其同樣具有所涉及的理論知識點多且系統(tǒng)性強的特點。在實驗過程中要求學生對關鍵實驗步驟的操作過程及原理進行思考總結(jié),使其把被動學習完全轉(zhuǎn)化為興趣學習,在培養(yǎng)并提升實踐操作能力的同時,也加深了對相關理論知識的理解和應用。另外,為了使學生充分了解相關實驗項目的實踐應用價值及發(fā)展前景,教師會將該實驗項目相關的理論原理、技術發(fā)展淵源及最新應用領域進行系統(tǒng)講解,使學生能夠?qū)υ搶W科相關的前沿知識、發(fā)展概況和關鍵技術有充足的認識,對培養(yǎng)良好的專業(yè)素養(yǎng)起到了積極的推動作用。這種多層次且系統(tǒng)性的實驗教學方式非常有利于學生在實驗操作中進行創(chuàng)新性的實踐和探索[4,5]。

為了督促學生積極參與實驗,驗證對所學知識的理解及掌握程度,在實驗教學效果考核方面,主要以能體現(xiàn)學生的實驗參與度和知識總結(jié)能力的實驗報告完成情況進行過程性考核。實驗報告總分為100分,其中報告完整度占60分,學生的實驗參與度占15分,知識匯總能力占15分,邏輯思維能力占10分。具體判斷標準如表2所示。

表2 過程性考核方式的打分標準

3 “動物遺傳學”課程實驗教學的改革效果

3.1 強化和鞏固專業(yè)學習

從強化學生學習效果的角度出發(fā),在“動物遺傳學”實驗課程教學結(jié)束后圍繞實驗項目名稱、所用重要儀器試劑及實驗項目滿意度等內(nèi)容,采用問卷調(diào)查的方式檢驗教學效果。本課程的調(diào)查問卷數(shù)據(jù)收集是在實驗結(jié)束后的2個月和6個月后進行,調(diào)查結(jié)果顯示84.5%和82.5%的學生依然記得開設的實驗項目名稱,93.5%和67.76%的學生能夠正確回答出實驗中用過的一些重要的儀器和試劑,90.3%和86.3%的學生認為所開設實驗項目與理論教學內(nèi)容的契合程度很高,且有助于理解和鞏固這些理論知識點。在收集相關意見的關鍵詞中,“好”分別占7/12(58.3%)和7/15(46.67%),“滿意”占2/12(16.7%)和4/15(26.67%),“其他”占3/12(25%)和4/15(26.67%)(圖3)。這些調(diào)查問卷的結(jié)果說明多層次的實驗教學方案可有助于強化和鞏固相應的理論知識點。

圖3 實驗項目結(jié)束2和6個月后的調(diào)查問卷結(jié)果

3.2 提升教師教學水平和學生專業(yè)素養(yǎng)

在提高教師教學水平方面,該實驗課程指導教師所教授的實驗項目3“PCR技術擴增小鼠性別決定基因Sry”在皖西學院“第十八屆青年教師課堂教學評優(yōu)賽”中取得實踐組一等獎。這一獲得學生和同行認可的教學成果,表明在該課程開展多層次性實驗教學對提升教學效果方面是切實有效的。

在提高學生綜合專業(yè)素養(yǎng)和知識應用層面,指導教師利用該實驗課程中系統(tǒng)性的分子遺傳學理論知識和技術,指導學生完成1項國家級大創(chuàng)項目的研究工作,培養(yǎng)了學生的專業(yè)素養(yǎng)和科研創(chuàng)新能力。

3.3 學生自信心及自主學習能力有待提升

在實驗過程中學生們的熱情很高,各組間的實驗進程不太一致,對于一些實驗操作細節(jié),指導教師需要先后講解好多遍。建議教師可在正式實驗項目開始之前,每組挑選1～2名學生進行預實驗的操作,使其提前熟悉實驗過程,以便在課堂中協(xié)助老師進行實驗管理和監(jiān)督,同時也能鍛煉和培養(yǎng)該學生的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力。

學生的主觀能動性及知識總結(jié)能力尚有待培養(yǎng)和提高。實驗中學生對于動手操作的需求很強烈,能夠完成實驗操作過程并獲取實驗結(jié)果,但每一步實驗都需要指導老師提前提醒,主觀能動性較差,且缺乏勇于自主探索的學習精神。另外,在撰寫實驗報告方面,不能對自己所做過的實驗過程進行回顧、歸納及總結(jié),大多數(shù)學生的實驗報告存在照搬實驗指導或相互抄襲的現(xiàn)象。針對這一問題,教師在實驗講解環(huán)節(jié),可通過反復向?qū)W生強調(diào)那些與理論知識點相關的重點內(nèi)容,來有意識地培養(yǎng)學生的歸納總結(jié)及邏輯思維能力,但關鍵還是要通過鼓勵學生動手操作及不怕試錯的方式,來培養(yǎng)學生的學習自信心。

4 結(jié)論

在“動物遺傳學”實驗課程的教學項目設置及實施中,采用看到、拿到和用到的實驗設計思路,開展多層次性的實驗教學,從宏觀、微觀及技術應用層次使學生全面系統(tǒng)地掌握遺傳學中抽象且復雜的理論知識,鍛煉了學生的實踐動手能力、并培養(yǎng)了學生的思維創(chuàng)新和知識總結(jié)驗證等方面的綜合素質(zhì),該教學模式符合地方本科應用型人才培養(yǎng)目標的需求。