“遗传学”课程教学改革的探索——以北京林业大学为例

(北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083)

遗传学(genetics)作为一门研究生物遗传与变异规律的科学，其体系完整、发展迅速、理论内容宽泛且实践性强，已成为21世纪生命科学领域发展最为迅速的学科之一。随着现代生物技术的发展，遗传学研究领域由群体、个体逐渐拓宽至细胞、亚细胞(细胞核、染色体)、基因(转录调控、翻译表达、转录后沉默、甲基化修饰)、基因组等多个层次，形成了众多的分支学科和交叉学科[1]。基于遗传学建立起来的基因工程、基因组学、表观遗传学等新理论和新技术已成为生命科学发展的前沿，部分研究成果已在生态、农业、能源、环保和医药等领域发挥了重要作用。因此，开展“遗传学”课程教学活动，不仅要保持学科自身的完整性和系统性，而且还要关注分支学科与交叉学科的知识构成和最新的研究进展，逐渐完善、优化“遗传学”课程的教学内容，让学生掌握完整的“遗传学”课程体系和前沿的理论知识与技术。

一、“遗传学”课程教学存在的问题

多年来，教育工作者在“遗传学”课程教学实践中进行了知识结构和教学方法等的改革与探索[2-4]。然而，相比于遗传学前沿理论知识与技术的发展速度，当前高等院校“遗传学”课程教学内容和教学方案仍存在一定的问题。其中，比较突出的问题如下。①教学方法较为单一，“一言堂”和“饭来张口”的教学模式贯穿于整个教学过程中。教师课堂讲授知识点较多，难以突出讲授重点，“费力不讨好”；学生学习的积极性与主动性不高，对课程教学内容理解不深刻，影响学生专业研究能力的培养。②知识点繁琐且学时有限，新旧知识整合效率低，缺乏与遗传学研究进展同步的参考教材与辅助资料，难以形成较为系统的课程教学体系。③实验教学仍采用固定的“教师示范+学生模仿操作”的方式，导致学生自行设计实验和动手操作的主动性差，极大地限制了学生的科研思维。④“遗传学”课程教师队伍力量薄弱，信息化网络平台与公共数据库等资源没有得到有效利用。上述教学问题给高校“遗传学”课程教学改革提出了新的挑战和更高的要求。

二、“遗传学”课程教学改革的措施

基于“遗传学”课程教学存在的问题，笔者和教学团队积极优化“遗传学”课程教学内容，改革“遗传学”课程教学方法，及时、全面地将国际前沿理论知识和技术转化为教学素材，具体做法如下。

(一)确定课程教学核心内容

“遗传学”作为生命科学重要的基础课程，要求教师全面系统地讲授遗传学的基本原理、研究方法及现代遗传学发展的最新成果。针对“遗传学”课程课时量减少与新内容增加的矛盾，笔者对该课程教学内容进行了调整和优选。以刘庆昌版《遗传学(第2版)》为基本教材，以刘祖洞和朱军版《遗传学》为辅助教材，并通过选取多部中英文教材、国家精品课程课件、相关专业文献等，系统地编写了“遗传学”课程教学大纲、教案和习题，并制作了该课程英文版多媒体课件。

在“遗传学”课程教学过程中，笔者始终以遗传和变异为核心，以遗传物质的结构、功能、传递、变异以及遗传信息的表达与调控为主线，从经典遗传学、细胞遗传学、分子遗传学、基因组学和群体遗传学等方面，结合经典案例，详细讲述遗传学的三大定律、基因突变、染色体畸变、数量性状的遗传、基因工程、基因组学及群体遗传进化等内容，使学生在个体、群体、细胞和分子等水平上理解和认识生物遗传变异的原因、物质基础及内在规律，培养具有系统遗传学理论体系、创新性思维模式的专业人才。另外，在制定“遗传学”课程教学计划时，为合理地整合新旧教学内容、突出遗传学新理论与新技术，笔者适当调整了各个章节的课时分配，缩减了DNA结构、孟德尔定律、伴性遗传定律等与高中生物课程相同的内容，以及与“细胞生物学”“生物化学”课程重复的内容，增加了结构基因组学、功能基因组学、蛋白质组学等新兴内容。

(二)将前沿理论知识和技术转化为教学素材

为了提高学生对“遗传学”课程的兴趣，使学生了解遗传学前沿发展趋势，掌握遗传变异、生物进化等概念及遗传学的研究对象与研究方法，笔者对“遗传学”课程的教学方式进行了探索与实践，将国际前沿理论知识和技术转化为教学素材，取得了较好的教学效果。

第一，通过回顾遗传学发展史上重要遗传学理论假说的提出、验证、发展与认可的漫长历程，引导学生认识科学发展的基本规律与崇高的科学探索精神，系统了解遗传学发展的重要脉络，并通过推荐相应的科普读物来提高学生对遗传学发展史与遗传学家事迹的了解。

第二，通过典型案例讲解，让学生体会遗传学理论规律与人类文明发展的密切关系，如杂种优势在作物遗传育种中的应用、近亲结婚易产生遗传疾病的主要原因、亲子鉴定技术与重要遗传疾病分子诊断技术的发展等。

第三，通过介绍国际最新遗传学理论研究动态，与学生探讨遗传学发展的机遇与挑战，如介绍Spliceosome(RNA剪切体)工作机理方面的突破性进展[5]，让学生了解遗传学“中心法则”定律中成熟RNA转录过程中剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理。

第四，通过介绍利用CRISPR技术(一种用化学物质修改基因片段的技术)开发的转基因生物“删除开关”功能，防止转基因生物破坏人身安全与自然环境[6]，提高转基因作物的安全性。

第五，通过介绍国内遗传学领域的著名科学家取得的重要研究成果，如袁隆平院士的“杂交水稻”、张启发院士的“绿色超级水稻”、李家洋院士的水稻重要农艺性状的“图位克隆”、曹晓风院士的植物表观遗传学研究等，让学生真切感受到遗传学不仅存在于教科书中，而且就在身边，从而激发他们学习的兴趣，认识了解遗传学知识的重要应用价值。

(三)引入“翻转课堂”教学模式

作为“遗传学”课程的核心章节之一，生物遗传变异在遗传学研究中占有重要的地位。笔者在讲述该部分内容时，一方面开展了“双语”教学活动，对经典“遗传学”课程中与遗传变异紧密相关的基础知识进行归纳总结，提高了学生外文文献的阅读能力；另一方面改变以往的灌输式教学模式，在该课程教学过程中采用“翻转课堂”教学模式，让学生担当教师角色进行讲授，教师做引导和最后的点评。例如，在讲授“染色体畸变(结构和数目变异)”这一生物学遗传现象时，笔者在讲授完基本知识点之后，对学生进行分组，并以染色体不同畸变类型为选择方向进行最新研究进展的检索与资料收集；随后，各小组通过对文献的集中学习与讨论，制作多媒体课件，并以小组为单位汇报论文主要内容和结论，同时教师参与讨论，对部分知识点进行延伸性解释。通过这种“翻转课堂”的学习模式，学生不仅深刻地了解了染色体变异的前沿理论知识和技术，而且提高了学生自主学习的热情，有利于高素质专业人才的培养。

(四)依托学科优势研究团队开设前沿专题讲座

针对较为抽象，且推理过程涉及到统计学知识的部分内容，笔者与所在学院的林木分子遗传学、数量遗传学、关联遗传学、群体遗传学等优势研究平台共同制定教学计划，设置了“三点测验”“连锁与重组”“偏分离与复合区间作图”等热点专题，具体做法如下。

首先，聘请各个研究方向的知名教授着重讲授主要的理论和技术(如数量性状的多基因假说、数量性状的遗传模型、连锁图谱构建与数量性状基因座(quantitative trait loci，QTL)作图的原理和步骤等)，让学生提前熟悉数量性状遗传的核心知识框架体系[7-11]。

其次，邀请2～3名在林木数量遗传研究领域成就斐然的知名科学家以专题讲座的形式讲授最新科研进展，如：遗传作图统计模型选择与案例分析、重要农艺性状的图位克隆研究进展、数量性状功能作图(function mapping)与系统作图(system mapping)等[12-17]。利用高水平讲座形式来辅助该课程本章节内容的学习，有利于提高学生理解复杂抽象遗传学难点问题的能力，有利于学生系统认识数量性状遗传研究现状、前沿和发展方向，为“遗传学”课程其他章节，如基因组学、群体遗传学与表观遗传学的教学奠定理论基础。通过开展这种以学生为主体的教学活动，可以提高学生的自主学习与思考能力，增进学生对“遗传学”课程学习的兴趣，为学生专业素质的提高与遗传学教学体系的发展创造了必要条件。

(五)优化课程实验教学内容和模式

“遗传学”课程实验教学是提高学生动手操作能力和科研创新思维的重要环节。通过该课程实验教学，不仅加深了学生对所学遗传学理论知识的理解，而且锻炼了学生分析和解决问题的能力。

在“遗传学”课程实验教学过程中，笔者摒弃了传统的“教师准备-讲解-示范+学生模仿操作”的实验课教学模式，将国内外前沿科研成果的核心内容转化成了学生简单易懂、容易操作的自主性实验。在“遗传学”实验课教学时间上，将原来只是在规定学时内完成的示范实验延伸到可以在课外持续开展的创新大实验上，加深了学生对实验内容的消化与理解，提高了学生的动手能力。

另外，笔者开设了以“认识和探索基因功能”为目标的基因工程实验，围绕基因的克隆、重组DNA的构建及重组子的验证等环节设计实验，突出了实验的连贯性、综合性和设计性。例如，利用多媒体讲述电子克隆的过程，笔者向学生介绍如何利用美国国立、生物技术信息中心(NCBI)的EST数据库的基因资源进行新基因的电子拼接，使实验教学真正做到了反哺理论教学；在重组子的验证环节，除了利用蓝白斑筛选和酶切鉴定外，还要求学生掌握荧光定量PCR检测、荧光显微镜观察活体细胞检测、Western印记检测等mRNA水平和蛋白质水平验证技术。在上述实验环节中，笔者除保留基因组综合大实验外，还整理编写了一些前沿新颖的基因工程技术，让学生紧跟时代和学科发展的步伐，熟悉和掌握新的理论和操作技术。同时，依托“林木分子育种”创新实验室，利用其完善的群体数据库，笔者还开展了“高密度遗传连锁图谱的构建、QTL与基因定位分析及其数量性状全基因组关联作图”等创新性实验，将多个遗传学前沿研究内容引入到实验教学中，不仅使教学内容紧跟时代的发展，而且还帮助学生深刻理解遗传学的重要应用价值，提升了专业人才的培养质量。

三、“遗传学”课程教学改革的效果

通过对“遗传学”课程进行教学改革，保证了教学内容的系统性和创新性，拓宽了学生的专业视野，有力地促进了生物技术与生物科学专业本科生培养质量的提高。

(一)开展遗传学科研训练的学生数持续增多，本科生培养质量得到提高

学生对“遗传学”课程的系统学习，为按照培养计划开设相关课程提供了基础，学生的学习兴趣和积极性得到了显著提高，学生与授课教师在专业知识、科研疑问、毕业去向等方面的沟通逐渐增多，越来越多的学生选择到笔者所在的遗传学教研团队开展大学生科研训练和毕业设计。据统计，依托“遗传学”教研团队开展大学生科研训练的学生人数从2010年前的每年5人次增加到2015年的每年14人次，有11名学生在国际知名学术期刊发表了SCI论文，获得校级优秀毕业论文的数量也从2010年前的每年平均0.5篇增加到2015年的每年2篇，遗传学专业人才的培养质量得到了提高。

(二)学生的科研水平和竞争力得到提升，出国留学或深造的人数增加

通过对“遗传学”课程的学习，学生逐渐了解到国际遗传学领域最新研究成果，对该领域知名团队和科学家的研究方向有了系统认识和浓厚兴趣，专业学习能力得到了增强，视野得到了拓展，主动学习的愿望得到加强。

“遗传学”课程考试平均成绩从2010年之前的79.3分提高到2015年的88.6分，85%的学生希望通过出国留学或者推免、考试等方式赴更高的科研平台进行遗传学领域的深造。出国学生数量从2010年之前平均6人次/年提升到近5年的13人次/年，其中不乏牛津大学、耶鲁大学、多伦多大学与加州大学等国际顶尖大学。同时，通过对“遗传学”课程的学习，学生在研究生复试过程中的竞争力提高，多个研究生录取单位反馈，北京林业大学生物科学与生物技术专业学生的遗传学知识面宽广、实验操作与科研素养较高。据统计，学校生物科学与生物技术专业学生被中国科学院、清华大学、北京大学、浙江大学与复旦大学等国内知名研究团队录取为研究生的比例从2010年之前的45%提升到近5年的76.6%。越来越多的学生从先前主要选择攻读农林遗传学领域的研究生拓宽到医学、基因组学、微生物学、生物信息学与动物遗传学等领域，极大地提升了生物科学与生物技术专业本科生培养的质量。

资助项目：北京林业大学2015年研究生课程建设项目——“分子遗传学”全英文研究生核心课程建设，项目编号YWKC1504。