“动物遗传学”课程多层次性实验教学改革与实践探索.pdf

2 0 2 3年1 0月第3 9卷第5期皖西学院学报J o u r n a l o f W e s t A n h u i U n i v e r s i t yO c t.,2 0 2 3V o l.3 9 N o.5“动物遗传学”课程多层次性实验教学改革与实践探索张瑞娜,余道伦,黄 林,黄仁术,佘德勇,陈乃富(皖西学院 生物与制药工程学院,安徽 六安 2 3 7 0 1 2)摘 要:“动物遗传学”是动物科学专业一门重要的专业基础课,课程内容从宏观到微观的层面涵盖了群体、细胞及分子遗传学等方面抽象且系统性的基础理论知识。为使学生充分理解和巩固“动物遗传学”课程中复杂且抽象的理论知识,该课程的实验教学改革以学生“看到-拿到-用到动物细胞中遗传物质”为设计思路,通过边操作边讲解的教学实施模式,运用过程性的考核方式,多层次性地将系统抽象化的理论内容转化成具体化的可操作对象。重点阐述了地方应用型本科高校中开展“动物遗传学”多层次性实验教学的项目设计思路、实施过程、考核方式及所取得的教学效果,为切实提高学生的逻辑思维能力及综合专业素养奠定基础。关键词:动物遗传学;实验教学;多层次性;看到-拿到-用到中图分类号:Q 9 5 3-4 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-9 7 3 5(2 0 2 3)0 5-0 0 3 5-0 5*收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 6基金项目:皖西学院质量工程一般教学研究项目(w x x y 2 0 2 0 0 7 1);皖西学院课程思政示范项目(w x x y 2 0 2 1 0 9 8);安徽省高等学校省级质量工程项目(2 0 2 1 j x t d 3 1 1);安徽省高等学校省级质量工程课程思政示范项目(2 0 2 0 s z s f k c 0 9 6 0);皖西学院高层次人才科研启动基金(WG K Q 2 0 2 0 0 1 0 0 9)。作者简介:张瑞娜(1 9 8 3-),女,河南郑州人,讲师,博士,研究方向:动物遗传育种与繁殖。“动物遗传学”是动物科学专业一门理论性较强的专业基础课程,在动物遗传育种与繁殖学科领域有着举足轻重的位置1。该课程内容从微观、宏观和现代遗传学技术应用等多个层面,系统讲述了动物细胞中遗传物质的基本结构、功能调控、世代传递规律和其重要的育种应用价值等,这些内容丰富且应用广泛的遗传学知识,已成为现代畜牧科技工作者必备的重要专业技能之一。因此,“动物遗传学”在地方应用型本科高校的动物科学专业的培养方案中被列为核心课程,充分显示该课程在动物科学专业人才培养中的重要地位,而设置与“动物遗传学”理论教学内容契合度高的实验教学模式是巩固和提高教学效果的必要措施。“动物遗传学”实验课程的项目设置主要围绕理论教学内容开展,通过多种形式的实验教学,不仅可以加深学生对遗传学基本理论知识的理解,也能激发学生的学习积极性以及探索遗传学规律的学习兴趣,同时又能够培养学生观察问题、分析问题和解决问题的能力。所以,“动物遗传学”实验课程的项目设置既要有助于加深学生对遗传学理论知识的理解及掌握,还要注重培养学生的动手操作、探索创新和知识总结能力。为了使学生能够全面理解和掌握抽象的遗传学知识和技能,实现创新应用型人才培养的目标,动物遗传学教学团队基于近几年的理论和实验教学经验,对整体实验课程的项目设置、教学实施方案及教学效果评估等方面进行深入思考和研究,通过实施分层次性项目设置-示范性教学互动-操作过程考核-分析总结实验报告等多层次性的教学模式,为应用型创新人才的培养提供了有效途径。1 “动物遗传学”课程实验教学现状动物遗传学实验课程以分子遗传学理论为技术基础,主要包括动物组织基因组D N A提取、聚合酶链式反应(P C R)扩增和琼脂糖凝胶电泳成像等基本实验技术。这些实验项目的设置虽然有助于学生强化理论知识,但在实验教学中仍存在一些问题和不足。1.1 实验项目间缺乏连贯性,创新应用性不强各实验内容相对独立,缺乏连贯性,导致学生应用分子遗传学的方法和技术解决遗传学领域相关问题的能力较弱,难以实现提升学生创新意识和综合能力的教学目的。1.2 教学实施模式单一,学生积极性不高在授课形式上,动物遗传学实验课程主要由教师讲解实验原理及示范关键操作步骤,学生根据实验指导进行实验,撰写实验报告。这种“填鸭化”的实验教学方式难以培养学生的主观能动性和独立思考能力,学生不能对差异性的实验结果进行正确分析,难以达到验证和巩固理论教学的效果。1.3 教学资源有限,实验课时较长由于动物遗传学所用实验试剂和仪器比较昂贵,且每年学校在实验教学方面的资金投入有限,教学中的一些仪器设备不能同时满足多组学生操作,导致实验时间延长且降低学生的实验参与度。2 “动物遗传学”课程实验教学的改革措施结合该实验课程特点,通过创新开发并设计实验项目、统筹安排实验教学资源及建立过程性实验考核方案等措施,构建动物遗传学实验课程教学新体系,在帮助学生理解和巩固课堂理论知识学习的同时,也有助于培养学生的创新思维和分析解决问题的能力,提升学生的专业素养和综合素质。2.1 紧扣课程理论内容特点,创新开发、设计实验项目生物学理论与技术的飞速发展,致使“动物遗传学”课程在动物科学专业领域内的中心地位越来越明显,尤其是该课程中涉及的群体、细胞及分子遗传学的基本理论和技术,在畜禽种质资源保存、利用及新品种培育等方面具有重大的实践应用价值2。首先在学科地位方面,动物遗传学专业基础理论与其他学科知识相互交叉渗透,是学习动物育种学、细胞与分子生物学、动物繁殖学等专业课的先导课程3。其次从课程内容来看,该课程从微观到宏观,其教学内容囊括了遗传物质的结构及功能调控、基本传递规律及群体和数量遗传学等,且随着科学家对遗传物质特性研究的不断深入和完善,一些前沿性的研究成果也整合到了遗传学的教学内容中,如基因组学及表观遗传学等,这使得该课程的专业知识量不断更新且内容迅猛增加,再加上遗传学课程本身具有理论性强及内容抽象等特点,从而给该课程的理论教学及调动学生的学习积极性增加了挑战。面对动物遗传学中庞大且复杂的理论知识体系及对口升学学生基础薄弱的问题,设置及开展综合系统性的实验项目无疑是提高课堂理论教学质量的有效途径。所以,新的实验项目的设置从宏观、微观及技术应用的不同层面,分层次性地体现出多级理论知识点之间的衔接性,以培养学生系统性的逻辑思维能力。基于以上课程特点,教学团队本着使学生“看到-拿到-用到动物细胞中遗传物质”的教学思路,使学生在实验操作中将抽象化的遗传物质相关的理论知识转变成具体化的可操作对象,从而巩固和加深了学生对动物遗传学理论知识的理解和应用。在动物遗传学的理论教学中,细胞中遗传物质的结构、功能调控及相关前沿技术的开发应用等,无疑是集理论性、系统性、广泛性及抽象性强为一体的难点和重点内容。想把抽象的理论知识讲解明白仅靠课堂理论教学还无法满足学生们的学习需求。基于这一教学现状,创新开发出针对重要理论知识点的实验项目已显得尤为必要。所以,新的实验项目以分层次性的设计方式,逐层级地使学生在实践操作中全面理解和掌握动物细胞中遗传物质的具体形态、分离鉴定方法及技术应用价值,体现出使学生“看到、拿到及用到遗传物质”的学习思路。从这一思路出发,遗传学的实验教学先后安排了3个实验项目,如表1所示。实验一能让学生从宏观层面看到动物骨髓细胞有丝分裂中期的遗传物质,并使用显微镜观察细胞中遗传物质的形态、大小和数量等指标。通过实验一使学生掌握基础实验仪器的使用方法、理解遗传学的物质理论基础及相关的实验操作技能。实验二能让学表1 分层次性实验项目内容设置实验项目名称实验内容实验目的教学理念学时实验1动物骨髓细胞染色体分离及核型分析(1)秋水仙素处理实验动物,使骨髓细胞周期停滞于分裂中期;(2)分离骨髓细胞,低渗处理使细胞核内的染色体释放出来;(3)滴片,吉姆萨染色后显微镜观察染色体的形态及数量。宏观上看到动物细胞中的染色体,了解核型分析的基本原理及应用价值。宏观-看到4实验2动 物 组 织 基 因 组D N A的分离与鉴定(1)动物肌肉组织裂解及基因组D N A的抽提;(2)微量核酸测定仪检测D N A的浓度及纯度;(3)琼脂糖凝胶电泳检测D N A的质量。获取 动 物 组 织 基 因 组D N A,了解D N A提取及质量鉴定方法。微观-拿到6实验3P C R技术扩增小鼠性别决定基因S r y(1)动物组织基因组D N A的快速分离(2)性别决定基因S R Y的P C R扩增反应;(3)琼脂糖凝胶电泳检测S R Y的扩增效率,判断动物性别。利用动物基因组D N A进行性别鉴定,了解D N A在遗 传 育 种 中 的 应 用价值。应用-用到663皖西学院学报第3 9卷生从微观层面分离得到动物肌肉组织中的遗传物质,并使用核酸测定仪和电泳仪检测所得到的遗传物质的质量,初步了解遗传物质D N A在动物遗传学表型性状检测中的重大应用价值。通过实验二使学生了解获取动物组织细胞中遗传物质的方法及原理,为后续实验项目的开展奠定基础。实验三能让学生从技术应用层面利用所获取的动物遗传物质进行动物性别性状的检测,使学生更加深入理解遗传物质在动物表型产生及育种性状选择中的重大应用价值。整体的项目设计涵盖了细胞及分子遗传学相关的经典理论知识。2.2 统筹安排时间及教学资源,充分调动学生的实验参与感实验课的教学过程主要包括课前准备及预习、课中提问、实验原理讲解、操作细节演示及总结分析实验报告等过程,多层次性地充分调动学生的实验参与度,来提高学生的学习积极性和探索欲。根据项目内容及教学目标的设置,课程教学团队进行集体讨论及分工后,编写相应的教学大纲和实验指导书。根据学生人数进行分组,分组模式为“2 5人/批-5人/组”,每组委派2名学生为组长,负责协助老师进行实验前的准备及教学中的统筹协调工作。本着“教师少讲,学生多做,引导学生在实验操作中发现、思考及分析解决具体问题”的教学原则,为了尽量少占用学生的实验操作时间,在上课之前提前通知小组组长将所需实验试剂及动物准备好,课堂上花费约1 01 5分钟挑选学生回答实验内容相关的预习思考题,引导学生进行主动性的积极思考及讨论,教师在学生回答问题的过程中穿插解释实验原理及所对应的理论知识点,之后再对实验操作过程的重点环节进行简单讲解并演示。另外,对于实验操作过程中的细节问题暂不多做讲解,而是在随堂指导学生进行实验操作的不同阶段引导学生思考“怎么做及为什么”等问题,并对每一步的操作细节进行说明和强调。这种“边做边讲”互动性的实验教学方式,既能使学生由易到难地逐渐理解和掌握多个理论知识点,又能尽量填补学生在实验过程中的等待时间,维持了整个实验项目操作的连续性,同时也提高了学生的积极性和主动性(图1)。获得实验结果后,要求学生根据所学理论知识分析实验结果,并结合实践操作过程撰写实验报告。针对具体的实验项目,其组织及实施过程遵循“统筹资源,保证实验连续性和充分调动学生参与实验”的原则,根据时间及现有教学资源进行灵活调整(图2)。实验1的目的在于使学生能够在宏观层面看到动图1 “边做边讲”互动性的实验教学实施过程图2 实验目的、实施原则及结果物细胞核内的遗传物质,并通过观察染色体的形态及数量使学生对遗传物质的结构产生直观的认识和理解。实验开始前,小组组长协助指导老师完成动物饲养、秋水仙素注射及骨髓细胞分离等部分工作。因为该实验中涉及的骨髓细胞分离中要进行多次重复性的离心操作,所以为了减少学生在实验中的等待时间,保证实验过程的连续性及每个学生的参与度,实验中每小组内再分成2个小组,分别进行小鼠股骨部位骨髓细胞的分离及染色体标本制备的工作。在骨髓细胞分离及染色体标本制备的等待过程中,教师对实验原理、过程及操作细节进行系统性的解释。要求每组制备2 3张染色体标本进行染色,并使用显微镜观察染色体的具体形态及结构。要求每个学生必须成功看到细胞中的染色体,并在实验报告中粘贴结果图片。对于那些图片效果不典型的染色体,实验报告中要求学生根据课堂强调的实验操作原理及细节对结果进行分析和讨论。实验2的目的在于使学生能够在微观层面分离并获取到细胞核染色体上的遗传物质D N A,并了解如何通过分子生物学实验设备来判断所提取D N A的质量,也为实验项目3的学习奠定基础。由于D N A提取过程所用设备简单但过程烦琐,因而动物组织裂解环节以小组为单位完成,而之后D N A的分73第5期张瑞娜,等:“动物遗传学”课程多层次性实验教学改革与实践探索离纯化则要求每位学生必须独立完成,并最终成功获得动物基因组D N A,这能够完全满足学生们的实践操作需求。另外,在利用琼脂糖凝胶电泳检测D N A质量的环节,则以小组为单位进行制胶和点样操作。为了巩固学生们的专业知识及培养专业素养,教师在对结果分析时,仅选取一个小组的D N A样品质量进行讲解和分析,其余小组的实验结果解读由小组代表承担。实验结束后要求每位学生在实验报告中粘贴结果图片,并在图片中标出所做样品的位置,要对所提取的D N A质量做出判断和分析。实验3的目的在于使学生在技术应用层面论证遗传物质D N A复制的基本过程,了解利用P C R技术体外扩增特定基因片段的理论原理,及其在动物表型性状鉴定和传染性疾病诊断中的应用价值。随着分子生物学理论及技术的不断发展更新,P C R技术已成为测定动物性状及疾病的重要手段,而利用此技术进行畜禽性别鉴定是体现动物遗传物质应用及检测价值的最直观方法4。由于本实验中所用的实验试剂种类较多且添加微量,教师会根据每组用量的多少将所用试剂进行分装和分配。每小组分配1套试剂和耗材,根据所需试剂的用量,先由小组组长负责将所用P C R试剂进行混合并分装给每个组员,其他学生任意选取某个D N A样品加入混合液管中,做好标记后放入P C R仪进行基因扩增。为了统筹规划好时间及保证实验过程的连续性,在实验开始前要求学生先完成P C R反应的加样工作,在P C R扩增过程中,教师再对实验原理、过程及操作细节进行系统性解释,并引导学生进行琼脂糖凝胶电泳环节的准备工作。在之后的利用琼脂糖凝胶电泳检测基因扩增效率时,则以小组为单位进行制胶和点样操作。实验结果分析过程同实验2相同。实验结束后要求每位学生在实验报告中粘贴结果图片,并在图片中标出所做样品的位置及基因片段大小,对所鉴定动物的性别做出判断。2.3 强化过程考核,注重实践操作及知识总结能力的培养从以上“动物遗传学”实验项目总体设置及实施来看,其同样具有所涉及的理论知识点多且系统性强的特点。在实验过程中要求学生对关键实验步骤的操作过程及原理进行思考总结,使其把被动学习完全转化为兴趣学习,在培养并提升实践操作能力的同时,也加深了对相关理论知识的理解和应用。另外,为了使学生充分了解相关实验项目的实践应用价值及发展前景,教师会将该实验项目相关的理论原理、技术发展渊源及最新应用领域进行系统讲解,使学生能够对该学科相关的前沿知识、发展概况和关键技术有充足的认识,对培养良好的专业素养起到了积极的推动作用。这种多层次且系统性的实验教学方式非常有利于学生在实验操作中进行创新性的实践和探索4,5。为了督促学生积极参与实验,验证对所学知识的理解及掌握程度,在实验教学效果考核方面,主要以能体现学生的实验参与度和知识总结能力的实验报告完成情况进行过程性考核。实验报告总分为1 0 0分,其中报告完整度占6 0分,学生的实验参与度占1 5分,知识汇总能力占1 5分,逻辑思维能力占1 0分。具体判断标准如表2所示。表2 过程性考核方式的打分标准考核内容打分依据分值实验报告完整度(6 0分)内容简单,重点不突出5 0内容完整,与实验指导完全相同6 0实验参与程度(1 5分)如实记录实验过程及结果1 0实验时间及试剂用量准确5知识总结能力(1 5分)实验原理清晰1 0实验步骤简洁、完整5逻辑思维能力(1 0分)实验结果正确分析5正确回答思考题53 “动物遗传学”课程实验教学的改革效果3.1 强化和巩固专业学习从强化学生学习效果的角度出发,在“动物遗传学”实验课程教学结束后围绕实验项目名称、所用重要仪器试剂及实验项目满意度等内容,采用问卷调查的方式检验教学效果。本课程的调查问卷数据收集是在实验结束后的2个月和6个月后进行,调查结果显示8 4.5%和8 2.5%的学生依然记得开设的实验项目名称,9 3.5%和6 7.7 6%的学生能够正确回答出实验中用过的一些重要的仪器和试剂,9 0.3%和8 6.3%的学生认为所开设实验项目与理论教学内容的契合程度很高,且有助于理解和巩固这些理论知识点。在收集相关意见的关键词中,“好”分别占7/1 2(5 8.3%)和7/1 5(4 6.6 7%),“满意”占2/1 2(1 6.7%)和4/1 5(2 6.6 7%),“其他”占3/1 2(2 5%)和4/1 5(2 6.6 7%)(图3)。这些调查问卷的结果说明多层次的实验教学方案可有助于强化和巩固相应的理论知识点。3.2 提升教师教学水平和学生专业素养在提高教师教学水平方面,该实验课程指导教师所教授的实验项目3“P C R技术扩增小鼠性别决定基因S r y”在皖西学院“第十八届青年教师课堂教学评83皖西学院学报第3 9卷图3 实验项目结束2和6个月后的调查问卷结果优赛”中取得实践组一等奖。这一获得学生和同行认可的教学成果,表明在该课程开展多层次性实验教学对提升教学效果方面是切实有效的。在提高学生综合专业素养和知识应用层面,指导教师利用该实验课程中系统性的分子遗传学理论知识和技术,指导学生完成1项国家级大创项目的研究工作,培养了学生的专业素养和科研创新能力。3.3 学生自信心及自主学习能力有待提升在实验过程中学生们的热情很高,各组间的实验进程不太一致,对于一些实验操作细节,指导教师需要先后讲解好多遍。建议教师可在正式实验项目开始之前,每组挑选1 2名学生进行预实验的操作,使其提前熟悉实验过程,以便在课堂中协助老师进行实验管理和监督,同时也能锻炼和培养该学生的统筹协调能力。学生的主观能动性及知识总结能力尚有待培养和提高。实验中学生对于动手操作的需求很强烈,能够完成实验操作过程并获取实验结果,但每一步实验都需要指导老师提前提醒,主观能动性较差,且缺乏勇于自主探索的学习精神。另外,在撰写实验报告方面,不能对自己所做过的实验过程进行回顾、归纳及总结,大多数学生的实验报告存在照搬实验指导或相互抄袭的现象。针对这一问题,教师在实验讲解环节,可通过反复向学生强调那些与理论知识点相关的重点内容,来有意识地培养学生的归纳总结及逻辑思维能力,但关键还是要通过鼓励学生动手操作及不怕试错的方式,来培养学生的学习自信心。4 结论在“动物遗传学”实验课程的教学项目设置及实施中,采用看到、拿到和用到的实验设计思路,开展多层次性的实验教学,从宏观、微观及技术应用层次使学生全面系统地掌握遗传学中抽象且复杂的理论知识,锻炼了学生的实践动手能力、并培养了学生的思维创新和知识总结验证等方面的综合素质,该教学模式符合地方本科应用型人才培养目标的需求。参考文献:1 蒋钦杨,郭亚芬,兰干球.动物遗传学课程教学的改革探索与分析J.教育观察,2 0 1 3,2(1):4 6-4 8.2 姜平,周光现,张丽等.基于A B L E模式的“动物遗传学”教学与畜牧学复合型人才培养J.当代畜牧,2 0 2 0(1 0):5 1-5 3.3 蓝贤勇,黄永震,党瑞华,等.农林高校“动物遗传学”课程教学的改革与探索J.中国牛业科学,2 0 1 9,4 5(2):9 8-1 0 0.4 张亚妮,左其生,孙红艳,等.“动物遗传学”实验课程分层次教学模式探究 以鸡的性别鉴定为例J.中国家禽,2 0 2 2,4 4(9):1 2 2-1 2 4.5 韩飞,吴苏芳,赵志冬,等.应用“多层次-开放式-自主型”模式探讨药剂学实验教学改革J.药学研究,2 0 1 5,3 4(1):5 1-5 2.T h e R e f o r m a n d P r a c t i c a l E x p l o r a t i o n o f M u l t i-l e v e l E x p e r i m e n t a l T e a c h i n g i n A n i m a l G e n e t i c s C o u r s eZ HA N G R u i n a,YU D a o l u n,HUA N G L i n,HUA N G R e n s h u,S H E D e y o n g,C H E N N a i f u(S c h o o l o f B i o l o g i c a l a n d P h a r m a c e u t i c a l E n g i n e e r i n g,W e s t A n h u i U n i v e r s i t y,L u a n 2 3 7 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:A n i m a l G e n e t i c s i s o n e o f t h e i m p o r t a n t b a s i c c o u r s e s f o r a n i m a l s c i e n c e m a j o r s.T h e c o n t e n t o f c o u r s e c o v e r s t h e a b s t r a c t a n d s y s t e m a t i c b a s i c t h e o r i e s o f p o p u l a t i o n,c e l l a n d m o l e c u l a r g e n e t i c s f r o m t h e m a c r o t o t h e m i c r o l e v e l.I n o r d e r t o e n a b l e s t u d e n t s t o f u l l y u n d e r s t a n d a n d c o n s o l i d a t e t h e c o m p l e x a n d a b s t r a c t t h e o r e t i c a l k n o w l e d g e i n A n i m a l G e n e t i c s,t h e e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g r e f o r m o f t h i s c o u r s e i s b a s e d o n t h e i d e a o f“s e e i n g,g e t t i n g a n d u s i n g t h e g e n e t i c m a t e r i a l i n a n i m a l c e l l s”a s t h e d e s i g n i d e a.T h r o u g h t h e t e a c h i n g i m p l e m e n t a t i o n m o d e o f e x p l a i n i n g w h i l e o p e r a t i n g,t h e p r o c e s s a s s e s s m e n t m e t h o 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