人类性状遗传学开放实验的设计和实践

王多佳，赵 宁，张 会，李剑虹，李 杰

(东北农业大学生命科学学院，黑龙江哈尔滨 150030)

遗传学是研究生物遗传和变异的科学，是生命科学最重要的分支之一[1]。遗传学是农业院校生物工程、生物技术、动物医学、农学、园艺、植物保护等专业的一门重要专业课。由于遗传学的内容复杂、抽象、深奥、枯燥，学生普遍认为它是非常难以学习和掌握的一门课程。开放实验课是理论知识与技术实践的结合，是培养学生综合能力的理想平台。有目的的实验活动和研究工作就是启迪学生创新思维能力的有效途径[2]。为此，在生物类课程的实验教学活动中，教师适时地有针对性地设计综合性实验，以此来调动学生的主观能动性，激发学生的创造性思维，增强对学生分析问题、解决问题能力的培养，从而为创新能力的培养奠定基础[3]。

1 教学实验涉及多个遗传学知识要点

爱因斯坦曾经说过：“兴趣是最好的老师”，浓厚的兴趣能激发学生的学习潜能，对学生产生无形的动力，从而达到良好的学习效果[4]。在实际教学中，激发学生的学习兴趣对促进学生积极学习具有十分重要的意义。人们在日常生活中经常遇到许多与遗传学知识相关的问题，特别对涉及自身遗传的问题，诸如人类遗传病、生男生女、人类性状遗传等有着极大的兴趣。通过自己亲自动手做实验而了解自身的遗传性状信息，则会引起学生的极大兴趣，从而增加学习的主动性。人类性状遗传分析综合性大实验设计也是基于这样的兴趣，人类性状的遗传涉及范围十分宽广，而选择的实验项目要尽可能地提起学生的兴趣和参与的积极性，同时又能涵盖尽量多的遗传学知识(表1)，例如人类性别决定长久以来认为是染色体决定的，但是XY女性和XX男性的出现说明最终决定性别的是基因，通过sry基因的PCR验证，加深了学生对知识点的理解，同时该实验操作难易适中， PCR、电泳、酶切都是非常基础且重要的分子遗传学实验，可以很好地得到结果(表2)。

2 教学实验设计及整体思路

出于安全的考虑，利用口腔上皮细胞作为研究材料，利用口腔试子基因组DNA提取试剂盒(天根公司)，提取每个学生的口腔上皮细胞基因组DNA，并以此为材料进行以下4个单元的分析：①人类性别决定基因(SRY)的遗传分析；②DNA指纹的分析；③人ABO血型基因型分型实验；④PTC味盲基因的群体遗传分析。

在完成这些实验之前还要进行遗传学实验室常用设备和仪器的使用方法学习，PCR技术、酶切，以及琼脂糖凝胶电泳的分子生物学基本实验的学习与实践。

学生自行组成4队，每队大约3～6人，每队选择一个组长，作为实验组织、推进的总体负责人，在实验完成后，每队要选择一个代表将实验结果和分析以PPT的形式进行汇报。

对于实验的基本技术步骤，提供基础的参考资料和多次预实验中比较好的方案，保证大实验的顺利进行。此外，还要掌握群体遗传的数据调查方法和数据分析软件的原理与应用。以全班学生或参加本次大实验的全体学生为一个类似孟德尔群体，调查每一个学生的血型基因型，统计群体的基因型频数，根据 Hardy-Weinberg 遗传平衡定律和群体遗传数据分析方法，应用 Popgene 软件计算等位基因频率等各种群体遗传参数并对群体平衡进行检验[5]。

最后，以小组为单位，按学术期刊文章格式完成大实验报告，目的是让学生了解现实社会中学术交流的基本途径，学以致用，设计的整体思路见图1。

2 教学实施过程

整个开放大实验的时间定为每个春季学期(普通遗传学理论课也在这个学期)。开放实验从第8周开始进行到第16周结束，其中指导教师要统一上3次课，一般集中在前两周完成，一般每周1～2次课，最后1次课安排在最后一周，主要为了方便总结和分析。

表1 人类性状遗传学开放实验涉及的遗传学知识要点

注：难度指数指该实验的操作难度，*越多表明越难操作，*****表明操作难度最大；兴趣指数指学生对该知识点的感兴趣程度，*越多表明越感兴趣，*****表明感兴趣程度最大。数据主要来源于教学过程中学生的反馈和总结

Note：The difficulty index refers to the difficulty of the operation of the experiment，and the more *，the more difficult it is to operate，***** shows the greatest difficulty of operation；Interest index refers to the degree of interest to which the student is interested in the knowledge point，and The more *，the more interested it is，***** shows the greatest degree of interest.The data are mainly derived from the feedback and summary of the middle school students in the teaching process

表2 人类性状遗传学开放实验涉及的分子生物学技术

图1 人类性状遗传学开放实验整体思路Fig.1 The gerenal idea of the human genetics opening experiment

第1次课先介绍大实验的学生分组原则和总体要求，然后是实验内容——DNA 的提取与检测；第2次课是目的片段的PCR 扩增；第3次课是电泳检测及酶切；第4次课是电泳结果分析及群体遗传分析，以《遗传学》第三版实验教材为操作指南[6]。

第1次课要强调学生分组的自愿组合，明确每人分工负责的工作，出现问题的解决原则。需要学生掌握口腔上皮细胞的取样方法、DNA 的提取技术示范与操作和提取的 DNA 浓度的检测。

第2次课的重点是需要学生学习PCR 扩增的原理和引物设计的原则，包括sry 基因的引物设计、ABO血型的引物设计、DNA指纹的引物设计以及PTC味盲基因的引物设计。退火温度的优化以及PCR仪的操作使用等。

第3次课的重点是酶切原理、RFLP技术原理以及琼脂糖凝胶电泳技术示范与操作。

第4次课的重点是电泳结果分析，群体遗传分析以及学生的总结报告。

由于整个人类性状的实验内容很多，很多实验的核心技术如PCR、电泳等都是类似操作，考虑到课时有限，允许每个实验小组选择自己感兴趣的2～3个单元进行操作。

学生自主选取实验单元后要计划实验方案，由每组的组长组织撰写试验计划并和组员讨论，最后和指导教师讨论确定每个小组的计划方案。计划方案通过后，学生可利用实验室开放时间完成实验，分析实验结果。这样既可以在规定时间完成开放实验的基本内容，保证大实验的连续性和完整性，又可以锻炼学生自主设计和驾驭实验的能力。

由于整个大实验是分组进行的，各小组间完成进度不一，各次实验间时间上可能会有重叠。为了了解各小组的进度并提供有针对性的指导，确保每个小组都完成了所有技术环节，每个小组要将完成的阶段实验结果给教师看，教师检查合格后需在“实验进程项目考核单”上签字认可，然后才能进行下一阶段的实验，直至完成全部大实验内容。

3 教学效果及学生评价

整个大实验完成后，各小组需按要求提交实验总结、实验报告、实验记录、调查问卷及实验感想等材料。

实验报告是指导教师上课的内容，按照实验实习报告的要求撰写，实验项目的目的、原理、材料、方法、步骤及结果分析，要求工整、简洁、准确、格式正确。

实验记录主要是实验过程的真实反映，要求实验数据要真实、可靠、详尽。

实验感想则是每个学生在实验结束后的心得体会、感悟与收获。很多学生都写到开放实验让他们对实验室工作有了全新的认识，激发了他们对遗传学的兴趣，锻炼了动手能力，并且让他们更加重视团队协作，也磨练了个人的意志，这些都是在课堂中学不到的知识。

通过调查问卷分析，在做开放实验的73人中，共收回有效问卷69份。其中认为开放实验条件(仪器，设备、材料等)能达到要求的达到62.3%，基本能达到要求的占37.7%。对开放实验持积极态度的达到91.3%，其中参加开放实验目的是为了锻炼能力的达到76.8%，获取课外知识的占30.0%以上，只有不到5.0%的学生是为了学分或者其他原因参加开放实验，经过一段时间的实验，感觉收获很大提高很多的学生占到49.3%，感觉略有提高的占到44.9%，还有4.0%的学生感觉没什么提高。

4 结语与讨论

人类性状遗传学分析开放实验综合了经典遗传学、分子遗传与群体遗传的理论知识，深化了遗传学实验的内容；学生自主设计实验，培养了学生驾驭知识的能力；开放实验室允许学生反复操作，有充足的时间向教师和同伴学习，直到掌握分子遗传实验技术；分组实验培养学生相互协作的团队精神。整体而言，达到了让学生掌握分子遗传实验技术、群体遗传数据分析技术、培养学生的创新思维、提高学生实际动手能力和综合素质的目的。这个大实验通过 3年的教学探索与实践，从实验结果及学生反映看，激发了学生的学习热情，取得了很好的教学效果。当然也存在一些问题，诸如指导教师工作量过大，学生单独辅导不过来，个别学生出工不出力、实验设备经常损坏、实验设计过于依赖老师，还有开放实验时间不集中，组别之间差异很大，有的组遇到问题时不能快速解决，越落越远的现象。因此，这就需要投入更多的人力物力，寻找更行之有效的实践手段，去思考设计更加新颖、创新的实验方案，采取更加灵活的评估手段，满足新形势下开放实验教学的需求。

如今现代的遗传学实验技术已广泛渗透到生命科学的各个分支领域，并正在发挥其独特的作用。实验实践教学环节为培养大学生的探索精神、科学思维、实践创新能力和科学研究素养提供了条件，并且可以提高学生的实际动手能力和分析问题、解决问题的能力[7]，知识综合能力和创新能力，还可以影响学生的世界观、思维方式和工作作风，学生在参与科研中可以感受、理解知识的产生和发展的过程，养成科学精神和创新思维的良好习惯，在科研的准备、确定方案、进行实验和实验后的总结分析全过程中，能够使学生收集信息的能力、获得新知识的能力、分析解决问题的能力和团结协作的能力得以培养和提高[8]。

[1] 刘庆昌.遗传学[M].3版.北京：科学出版社，2015.

[2] 张旭，刘立龙，赵铁丰，等.关于生物类课程实施创新教育的几点思考[J].畜牧与饲料科学，2011，32(12)：30-31.

[3] 孙世鹏，李锐.树立实验教学在创新教育中的核心地位[J].文教资料，2005(33)：17-18.

[4] 李雅轩，赵昕，张飞雄，等.案例在遗传与优生教学中的应用[J].遗传，2012，34(5)：647-650.

[5] 赵健，胡冬梅，于大德，等.人类血型性状综合遗传大实验的设计和教学实践[J].遗传，2016，38(5)：461-466.

[6] 乔守怡，皮妍，吴燕华，等.遗传学实验[M].3版.北京：高等教育出版社，2015.

[7] 李春红，郭玉华，吕香玲，等.激发与培养学生学习遗传学兴趣的教学途径[J].沈阳农业大学学报(社会科学版)，2011，13(4)：460-463.

[8] 皮妍，李晓莹，怀聪，等.以人类血型为遗传学案例教学的思考与实践[J].遗传，2013，35(8)：1040-1044.