生物统计学原理融入动物遗传学实验课的探索与实践

王春秀　李文婷　孙桂荣　王克君　李春丽

摘 要：动物遗传学实验课是加强学生理解遗传学基本理论和掌握实验技术的主要途径，是提高动物遗传学教学效果的重要环节。课程组对动物遗传学实验课内容进行优化，在实验项目中注重生物试验设计思想，让学生参与实验设计，旨在提高学生参与实验课的主观能动性，增加参与实验课的积极性，提高他们分析问题和解决问题的能力。

关键词：动物遗传学;生物统计学;实验教学;教学改革

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）07-0184-03

动物遗传学课程是高等农业院校动物科学相关专业的专业基础课，而动物遗传学实验课是该课程教学中的重要环节，学生通过实验课加强对动物遗传学抽象概念的理解，也是理解掌握遗传学理论和实验技术的主要途径。但传统的动物遗传学实验课多数为验证性实验，授课方式为教师先做预实验，学生临摹，这种实验课教学模式已经不能满足现有动物遗传学教学的需求，为此，很多高校动物遗传学课程组对实验课教学进行研究和探索。例如，刘满清等[1]提出以学生为主体的学研改革模式，苗永旺[2]等围绕完善课程的理论和实验教学方法和教学手段及完善考核评价制度等方面进行改革，官员等[3]探讨思维导图在动物遗传学实验教学中的应用，石建周等[4]对实验课教学模式和考核方式进行探讨，李碧春[5]等对在线开放课程教学模式进行探讨，课程组前期在遗传学实验课的教学进行了初步探索[6]。任何一个实验采用合适的试验设计对结果的影响都至关重要，而采用合理的统计分析方法分析实验数据以及对结果的解释均需要统计学思想。为提高学生开展实验课的成功率，增加学生参与实验课的积极性，本研究实验教学改革是在课程组前期的研究基础上，把生物统计学思想融入动物遗传学实验课的教学中，通过学生参与实验课的设计，提升教学质量，提高学生分析问题和解决问题的能力。

1 动物遗传学实验课的实验内容

河南农业大学动物遗传学课程于2006年被评为河南省精品课程，2018年被评为河南省精品在线开放课程，2021年被评为河南省线上线下一流本科课程。该课程56学时，其中理论36学时，实验课20学时。为保证实验课的知识系统性和连贯性，实验课除常规实验外，打通4个综合大实验，分别为：染色体制备和细胞周期观察，果蝇综合大实验、血型遗传率和群体遗传结构分析，分子生物学大实验等。为增加学生上课的主动性、参与感，每个综合实验实验材料的准备阶段均让学生提前参加讨论，分组设计不同方案，并讨论可能出现的结果以及解决问题的方法等。

2 生物统计学原理融入遗传学实验项目设计

2.1 染色体制备和细胞周期观察试验采用双因素实验设计 双因素完全实验设计的原理，是研究2个不同的处理因素对1个或多个自变量是否产生影响。在动物遗传学实验课中，细胞周期观察、染色体核型分析和果蝇唾液腺染色体观察均需要对收集材料进行处理，首先使用1N盐酸在室温条件下解离3～8min，漂洗后用改良苯酚品红染色3～7min;由于取材部位和大小存在差异，以及解离和染色时间的不同，试验结果差异较大。如果解离时间短，材料的细胞不能完全分开，后面染色难度加大;但解离时间过长，导致取材组织浸泡时间过长，无法寻找生长点或者细胞过于分散。如果解离时间合适，但染色时间太少、无法着色，效果同样差，很难看出细胞内部的形態;但染色时间过长，载玻片中细胞背景颜色过深，也很难观察清楚处于分裂期的细胞形态。因此，在该实验课开展之前，与学生一起讨论要想取得理想的实验结果，在操作的过程中需要注意哪些问题，以及如何进行合理的实验设计解决这些问题。通过因势利导，把解离时间和染色时间作为双因素对样品进行处理。通过近两年的实施，有丝分裂染色体形态观察和果蝇唾液腺染色体观察制片成功率提高40%，同时增加了学生参与实验课的主动性，也增加了实验结果的准确性和科学性。另外，还可以让学生讨论与探究是否有其他因素影响实验结果，如细胞分裂最活跃的时间段是上午10时，即使是合适的解离和染色时间，由于根尖的取样时间不同，观察到的细胞分裂相情况也可能不同。

2.2 在果蝇生活史观察中引入局部控制的思想 统计学实验设计三大原理，随机、重复和局部控制。为让学生理解局部控制在实验设计中的重要性，对实验结果可能产生显著影响，在动物遗传实验课中，通过对果蝇生活周期的观察，让学生进一步了解什么是局部控制，局部环境对实验结果可能产生的影响。因此，在果蝇生活史观察实验项目开展时，采用任课老师把果蝇接种于50mL的已铺好培养基的果蝇瓶中，每个果蝇瓶中雌雄各半的3～5对果蝇，然后分发给学生，每2位学生1个果蝇瓶，让其拿回宿舍自己观察果蝇生活史，并记录果蝇每天的形态特征和温湿度等天气情况，14d以后，以班级为单位总结果蝇生长情况。

2021年春季实验课发给学生48支果蝇瓶，学生随机把果蝇瓶分别放在南侧阳台、宿舍床下、北侧阳台，楼道等不同环境中，在不同环境中果蝇的生长状态相差很大（表1），果蝇瓶放在床下的果蝇正常生长，繁殖较多，果蝇瓶置窗台上爆嗮，培养基出现干裂，果蝇死亡等情况。通过该实验让学生切身体验到局部控制对实验结果的影响，同时延伸到畜牧生产中，由于环境的不同，如场季效应、笼层效应、通风口等对动物的生长发育均可能产生显著的影响。

2.3 目的基因检测引入设置试验对照组 开展科研试验的目的是研究处理因素对试验对象的影响，也就是研究处理因素是否存在效应以及效应的大小。因此，在具体试验过程中，要求除了研究的处理因素是变化的，其他因素尽可能保持一致。但有些因素无法全部控制。因此，合理设计对照能够最大限度地减少非处理因素对试验结果的影响。对照的形式有多种，可根据实验目的及内容选用不同的对照，常用的对照包括阳性对照、阴性对照、空白对照等。

在动物遗传学实验课中，分子生物学综合大实验包括基因组DNA提取，基因的PCR扩增和琼脂糖凝胶电泳等3个环节。基因组DNA提取和琼脂糖电泳相对容易掌握，PCR扩增主要包括PCR反应体系和扩增体系，其中PCR扩增的反应体系成分较多，包含Taq酶、目的基因的引物、基因组DNA、buffer或水;在加样的过程中，Taq酶、引物和基因组DNA等任何成分出现问题，均有可能导致PCR扩增失败，实验课时因大部分同学是第一次使用基因枪，由于是未来加入样品，所以每次开展该试验，成功扩增出产物的实验小组不到30%，严重挫伤了学生开展该试验的积极性。

为解决PCR过程中哪个环节出现问题，经过几年的探索，除了按照双因素试验设计思想外，通过课前讨论，在实验设计中设置对照及用标准品DNA和内参基因GAPDH分别作为提取DNA和目的基因的对照。

通过采用合理的实验设计，由于使用标准品DNA和内参基因，大大提高了成功率，几乎每个实验小组都可看到PCR扩增成功的结果。对自己提取DNA和设计的引物没有扩增结果的，也可以分析是基因组DNA还是引物出问题。通过该试验方案的改革，让学生明白做实验过程中实验设计的重要性，不仅提高了试验成功的几率，更提升了学生分析问题和解决问题的能力，增加了科研的主动性。

3 教学改革效果分析

把生物统计课的思想融入动物遗传学实验课教学体系，学生参与实验课的每个教学环节，增加了学生参与实验课的主动性，提高了上课的积极性。尤其是最近2年疫情的原因，理论课采用线上讲授，实验课线下集中上课，实验教学改革效果更彰显其优势。

3.1 学生参与实验前期工作，提高了学生参与实验课的主动性和主导作用 根据实验课的教学目的，把动物遗传学原来10个试验，整合为4个综合大试验。每个综合实验均为设计性实验，学生根据实验内容和要求，参与实施方案的制定，明确具体的实验方法、实验设计、技术要点及注意事项。改变以往教学方式，整个实验课由教师主导教学，介绍实验课目的、原理、内容和操作步骤后，接着做示范教学，学生观摩和再做实验的被动状态，学生由被动强迫式学习变为自己主动要学，提高了参与实验课的主动性和主导作用。

3.2 增加了学生动手能力和试验成功的几率 传统实验课课时为2个学时，由于受到时间的限制，教师讲授基本实验原理和操作注意事项等时间也很短，学生就是按照流程做一遍实验，大部分实验未能达到有理想结果，从而挫伤了学生参加实验课的积极性，在理论学习和动手操作能力均受到限制;改革后的实验课时间一般在4h以上，学生有充足的时间进行思考和实验操作，增加他们的动手能力。由于学生理解了实验操作原理，掌握了实验操作方法，加上时间充足，很大程度地增加了实验成功的几率。

3.3 增加了学生科研兴趣，培养了学生科研分析能力 通过改革后的实验课教学，由于学生自己参与实验课的设计，每次实验课结束，无论是实验结果成功还是失败，学生对结果分析更有针对性，尤其是实验失败，他们能主动查阅资料，进行分析，寻求可采用解决的办法。也增加了学生学习的积极性，无论是课前还是课后，积极向老师咨询问题，不仅增加了师生互动，也提高了学生独立思考问题、分析问题和解决问题的能力，使学生能用遗传学的视角深入思考问题，用这些原理来阐释生命过程，特别是动植物生命过程中的种种规律和现象。

4 问题与体会

动物遗传学试验课的教学改革，通过把生物统计的思想融入实验课中，增加学生的主动性，真正发挥了实验课辅助教学的作用，但是也存在一些问题。

4.1 实验课上课时间协调难度增大 传统实验课课时为2个学时，学校的教务系统课时安排也是按照2h一次课。因此，由于时间和实验室等问题，改革后的实验课安排多数只能在周末，或者理論部分讲授结束后，集中上实验课。而周末上课，不仅增加了实验课老师的工作，也出现部分学生因为参加周末社团活动而逃课现象;如果理论课结束，集中上实验课，不能起到与理论课同步，未能及时通过实验课理解理论课的内容，影响对知识的掌握。

4.2 试验结果差异大，挫伤部分学生的积极性 实验课充分体现学生自主思考和动手能力，尽管每位学生都认真自我操作，但是每位学生的动手操作有差异，实验结果相差很大，尤其是一些学生很认真准备，但是结果是失败的，挫伤他们上实验课的积极性。

4.3 实验课经费增加 在改革后实验课教学过程中，由于让学生自主设计方案的实施，相关的处理条件，但是处理水平等不同，如在细胞分裂试验中，解离和染色时间，有些学生分别设计2个时间点，有些学生设计3个时间点等，分子生物学试验，购买标准品DNA等，增加了实验材料和相关试剂的费用。

5 结语

动物遗传学实验课是动物遗传学教学中的重要环节，不同学校都在进行教学改革，但是实验课教学改革问题仍然存在。本课程组针对河南农业大学动物遗传学实验课的特点，为保证实验课的知识系统性和连贯性，实验课除常规实验外，打通4个综合大实验，把统计学思想融入动物遗传学实验课的教学改革中，尽管存在一些不足，如增加教学经费，协调上课时间等问题，但实践证明，生物统计学原理融入动物遗传学实验课教学改革中，更好地促进了教学质量，提高了学生参与实验课的主观能动性和积极性，提高了学生分析问题和解决问题的能力，达到了教学改革的目标。

参考文献

[1]刘满清，聂庆华，张细权，等.“动物遗传学”课程实验教学改革与探索[J].中国多媒体与网络教学学报：上旬刊.2019（12）：194-196.

[2]苗永旺，王配，滕晓红，等.动物遗传学课程教学改革探索[J].安徽农业科学，2020（6）：276-279.

[3]官员，潘英树，陈建，等.思维导图在动物遗传学实验教学中的应用与探索[J].黑龙江畜牧兽医，2019（9）：169-171.

[4]石建州，高宛莉，王冰，等.提高动物遗传学实验课程教学效果的探索[J].畜牧与饲料科学，2019（6）：81-84.

[5]李碧春，徐琪，张亚妮，等.在线开放课程教学研究与实践的一点体会[J].家畜生态学报，2019（10）：91-93.

[6]孙桂荣，王春秀，李春丽，等.地方高等农林高校动物遗传学实验教学的思考[J].课程教育研究，2017（44）：242.

（责编：张宏民）

Exploration and Application of Biostatistics in the Experimental Teaching of Animal Genetics

WANG Chunxiu   LI Wenting   SUN Guirong  WANG Kejun   LI Chunli

（College of Animal Science and Technology， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： Experiment course of animal genetics is the main way for students to understand the basic theory of genetics， further to master the experimental techniques of animal genetics. It plays an important role to improve the teaching effect of theory lessons. We optimized the course contents and introduced the core idea of experimental design they had learned in biostatistics. The aim was to improve the subjective initiative of students and increase the individualize learning activities to participating in experimental course. The ability to analyze and solve problem was finally developed.

Key words： Animal genetics; Biostatistics; Experimental teaching; Teaching reform

基金項目：河南高等教育教学改革研究与实践项目（2019SJGLX052）;河南省2021年线上线下混合一流本科课程《动物遗传学》（教高【2021】174号）。

作者简介：王春秀（1973—），女，河南信阳人，硕士，实验师，研究方向：动物遗传育种。 通讯作者：孙桂荣（1976—），女，河南沈丘人，博士，教授，研究方向：家禽遗传育种。  收稿日期：2021-11-29