張遠(yuǎn)莉， 龐延軍

(南京大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 南京 210093)

在遺傳學(xué)常規(guī)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以實(shí)驗(yàn)操作為核心，并且由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，為了確保學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功，教師和實(shí)驗(yàn)員往往在課前會(huì)做好所有的準(zhǔn)備工作，比如材料的采集和處理、試劑的配制、儀器的調(diào)試、實(shí)驗(yàn)條件的選擇。等到實(shí)驗(yàn)課教學(xué)時(shí)，老師詳細(xì)講述實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)中必須注意的問題，把所有可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的要點(diǎn)都教給學(xué)生。然后，學(xué)生按老師的要求按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就可以了。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法雖然可以讓絕大多數(shù)同學(xué)實(shí)驗(yàn)成功，但卻不容易調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于提高學(xué)生的主動(dòng)性及創(chuàng)造性[1-2]。

為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，應(yīng)該改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，從“以傳授為主”轉(zhuǎn)向“以引導(dǎo)為主”，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和能力培養(yǎng)[3-7]。為此,我們結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和本校的實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了一些改革,引入了比較教學(xué)法、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，開設(shè)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和開放遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室，并建立數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體互動(dòng)系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，來提高遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，經(jīng)過多年的教學(xué)觀察，該方法取得了一定實(shí)際教學(xué)效果。

1 比較教學(xué)法

以植物細(xì)胞有絲分裂的觀察實(shí)驗(yàn)為例，介紹比較教學(xué)法。在植物細(xì)胞有絲分裂的觀察實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)要求是通過洋蔥根尖的制片，了解細(xì)胞有絲分裂的整個(gè)過程以及染色體在各個(gè)時(shí)期的變化。有絲分裂過程，大致可以分成前后連續(xù)的5個(gè)時(shí)期，間期、前期、中期、后期和末期[8]。教材中提到，洋蔥根尖細(xì)胞有絲分裂的時(shí)間是有規(guī)律的。通常在每天10：00至14：00分裂活躍，可在這時(shí)取材。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中一般選擇12：00至13：00之間進(jìn)行取材，為了使學(xué)生更清楚地了解這個(gè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際操作中我們通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案調(diào)整轉(zhuǎn)化為探索性實(shí)驗(yàn)，這種教學(xué)方法，我們稱之為比較教學(xué)法。

在實(shí)驗(yàn)中，我們選擇了早上8：00、12：00、16：00、20：00分別取材，進(jìn)行有絲分裂的觀察。實(shí)驗(yàn)時(shí)，一個(gè)年級(jí)3個(gè)班共100人都分別取材進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過自己的實(shí)際觀察，找到最適合的取材時(shí)間。采用這種探索性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的基本方法，同時(shí)也可以使學(xué)生更加深刻地了解實(shí)驗(yàn)的原理，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。

我們分別統(tǒng)計(jì)了在一次課(2 h)內(nèi)觀察到各分裂期細(xì)胞的學(xué)生數(shù)量，其結(jié)果如表1。從表1可以發(fā)現(xiàn)在12：00左右取材，觀察到分裂期細(xì)胞的學(xué)生數(shù)比例最高。在8：00和20：00取樣，觀察到分裂期細(xì)胞的學(xué)生數(shù)量比較少，在16：00取樣，觀察到分裂期細(xì)胞的學(xué)生其次多。

表1 不同時(shí)間取樣觀察到的分裂期細(xì)胞的人數(shù)比例

2 翻轉(zhuǎn)課堂引入遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

翻轉(zhuǎn)課堂是近年來新興的一種教學(xué)模式，是由教師創(chuàng)建教學(xué)視頻和其他資源，學(xué)生在課外學(xué)習(xí)，再回到課堂上師生面對(duì)面交流、答疑解惑、引導(dǎo)討論和輔導(dǎo)作業(yè)的一種教學(xué)形式[9-10]。近年來，隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，遺傳學(xué)的研究成果及新技術(shù)突飛猛進(jìn)。但是，由于受傳統(tǒng)教學(xué)時(shí)間和教學(xué)體制的影響，課堂講解受限，遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)很難跟上現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展速度。因此，我們?cè)谶z傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中，開展了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)探索和實(shí)踐，獲得了較好的應(yīng)用效果。

首先，我們將遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合為4個(gè)教學(xué)模塊，并錄制了一些遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)微視頻(表2)，讓學(xué)生在課外時(shí)間進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，完成實(shí)驗(yàn)課前的預(yù)習(xí)工作。通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，我們將課堂時(shí)間空余出來開展討論和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。其次，在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式中，我們還可以根據(jù)現(xiàn)代遺傳學(xué)的發(fā)展方向，將現(xiàn)有遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容部分緊跟學(xué)科發(fā)展前沿的新技術(shù)、新方法，豐富了現(xiàn)有遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)內(nèi)容，明顯地提高了學(xué)生對(duì)遺傳學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，并提升了學(xué)生對(duì)學(xué)科發(fā)展前沿內(nèi)容的了解和掌握，對(duì)提高學(xué)生的上課質(zhì)量和效率起到了很大的促進(jìn)作用。

表2 實(shí)驗(yàn)中錄制的一些教學(xué)視頻

3 開設(shè)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)

學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)是學(xué)生對(duì)遺傳學(xué)方面某個(gè)科學(xué)問題產(chǎn)生興趣, 希望通過自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)方案首先由學(xué)生自主確定，然后老師進(jìn)行指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間由學(xué)生自己選擇，在遺傳學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。目前，在南京大學(xué)學(xué)習(xí)普通遺傳學(xué)和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的主要為生命科學(xué)學(xué)院二年級(jí)本科生，他們已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些生物學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)，具有一定的選擇和設(shè)計(jì)自主實(shí)驗(yàn)的能力。與傳統(tǒng)的內(nèi)容和時(shí)間固定的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)更能發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，更有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，還能培養(yǎng)學(xué)生的自主研究和創(chuàng)新能力，為以后的學(xué)習(xí)和科研打下基礎(chǔ)。為配合學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，學(xué)院特別開放了遺傳學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室。自2014年開放學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)以來，每年都有10～20項(xiàng)由學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成的實(shí)驗(yàn)(部分如表3)，對(duì)提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力起到了很大的幫助。

表3 學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成的部分實(shí)驗(yàn)

在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中,由于實(shí)驗(yàn)材料和課時(shí)都存在局限性,大都選擇學(xué)生操作比較方便，并且容易得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的材料。而學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以選擇自己感興趣的材料進(jìn)行研究。豐富的實(shí)驗(yàn)材料,不僅可以完成教學(xué)任務(wù)，而且能拓寬學(xué)生視野,培養(yǎng)學(xué)生從學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

4 開放遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室

開設(shè)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和創(chuàng)新意識(shí)，根據(jù)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的需要，我們開放了遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)開放程序：學(xué)生首先查閱資料,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,然后教師進(jìn)行適當(dāng)指導(dǎo)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室主任批準(zhǔn)后可進(jìn)入開放性實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)中，自己獨(dú)立選擇實(shí)驗(yàn)材料,進(jìn)行試劑配制,自主完成操作，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

在遺傳學(xué)的一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，如有絲分裂、減數(shù)分裂、果蠅雜交和唾腺染色體的制備等復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng),大部分由教師完成實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備工作,學(xué)生只是進(jìn)行部分操作，完成結(jié)論的驗(yàn)證，很難完成完整的實(shí)驗(yàn)過程。有了開放實(shí)驗(yàn)室和開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣全部完成一系列操作過程，在正常課時(shí)不能完成的實(shí)驗(yàn)都可以在開放實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。

5 數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體互動(dòng)系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)

數(shù)碼顯微互動(dòng)技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一種新技術(shù)。數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)由數(shù)碼顯微鏡、局域網(wǎng)、投影儀實(shí)物展示平臺(tái)等組成,可以展示每個(gè)學(xué)生顯微鏡下觀察到的內(nèi)容,并進(jìn)行及時(shí)的顯微攝影,記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們?cè)诖嘶A(chǔ)上研發(fā)出了數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體互動(dòng)系統(tǒng)用于遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[11-13]。如圖1是一套學(xué)生使用的數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體鏡，包含了電腦、顯微鏡、體視鏡，顯微鏡和體視鏡下觀察的結(jié)果可以隨時(shí)切換在屏幕上顯示，極大地方便了學(xué)生操作，同時(shí)還可以將實(shí)驗(yàn)效果好的結(jié)果展示在投影屏幕上,讓全體同學(xué)都能觀察到，大大提高了實(shí)驗(yàn)的成功率和學(xué)生積極性。

圖1 數(shù)碼顯微鏡-體視鏡一體鏡

學(xué)生利用數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)可以對(duì)圖像進(jìn)行靜態(tài)捕捉和動(dòng)態(tài)錄像捕捉，學(xué)生可以通過拍照, 將典型的實(shí)驗(yàn)圖像或?qū)嶒?yàn)結(jié)果記錄下來, 便于長(zhǎng)久保存和隨時(shí)查看。記錄的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 也便于課后進(jìn)一步分析或研究。如在收集果蠅處女蠅的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生觀察到了果蠅從蛹孵化成果蠅的這一過程，并把它錄制下來，這在以前的傳統(tǒng)儀器中是很難做到和實(shí)現(xiàn)的，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)的積極性。

在近幾年的教學(xué)過程中，通過上述教學(xué)方法的改進(jìn)和授課老師的努力，學(xué)院也在實(shí)驗(yàn)室硬件方面的改進(jìn)給予了大力支持，學(xué)生對(duì)該課程給予了越來越高的評(píng)價(jià)。教學(xué)總是在不斷地摸索中前進(jìn)，我們會(huì)繼續(xù)對(duì)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和硬件方面進(jìn)行合理調(diào)整和優(yōu)化，提高遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新能力，為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供平臺(tái)。