謝劍波 張德強

(北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

遺傳學(xué)主要研究生物的遺傳與變異，是21世紀最有活力的學(xué)科之一。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展和生物大數(shù)據(jù)的釋放，遺傳學(xué)各研究方向得到了飛速發(fā)展，研究領(lǐng)域從個體擴展到群體。由單基因研究拓寬至多基因互作研究，由基因的單時間點轉(zhuǎn)錄、表達研究上升到基因的時間序列研究，由基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控拓寬至表達調(diào)控、翻譯調(diào)控、表觀遺傳調(diào)控等多層次研究，形成了大數(shù)據(jù)時代遺傳學(xué)特有的分支與學(xué)科體系?；谶z傳學(xué)建立起來的基因工程、群體基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、表觀遺傳學(xué)、大數(shù)據(jù)組學(xué)等新理論和新技術(shù)已成為生命科學(xué)發(fā)展的前沿，研究成果極大推動了相關(guān)行業(yè)的飛速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)、生態(tài)、醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

此外，互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展沖擊了高等院校傳統(tǒng)的教學(xué)模式，互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)思維下的教學(xué)改革迫在眉睫。因此，開展“遺傳學(xué)”課程教學(xué)改革，不僅要保持學(xué)科課程體系的完整性，還要關(guān)注學(xué)科前沿領(lǐng)域的進展，逐漸優(yōu)化“遺傳學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生掌握完整的“遺傳學(xué)”課程前沿理論知識與技術(shù)，并將大數(shù)據(jù)分析思維引入到傳統(tǒng)的“遺傳學(xué)”課堂，為該課程課堂教學(xué)提供新的改革思路。

一、“遺傳學(xué)”課程教學(xué)存在的問題

多年來，“遺傳學(xué)”課程授課教師在知識體系和授課方式等方面進行了大量的改革與探索[1-3]，取得了不錯的教學(xué)效果。然而，現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)推動了遺傳學(xué)前沿理論及分支學(xué)科的飛速發(fā)展，相比于遺傳學(xué)前沿理論知識與技術(shù)的發(fā)展速度，當(dāng)前高等院?！斑z傳學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法仍存在一定問題，主要表現(xiàn)如下。

(一)教學(xué)方法單一，教學(xué)模式刻板

“遺傳學(xué)”是理論性極強的課程，但脫離實驗講理論、脫離前沿講進展、脫離互動講效果一直是該課程長期以來的弊病。在該課程傳統(tǒng)教學(xué)中教師主導(dǎo)、填鴨式灌輸?shù)饶Ｊ截灤┯谡麄€教學(xué)過程，學(xué)生常處于被動位置，沒有時間思考、消化、吸收所學(xué)知識，導(dǎo)致知識無法得到鞏固。同時，教師授課重點不突出、缺乏典型案例，導(dǎo)致課堂氣氛沉悶、學(xué)生容易產(chǎn)生疲勞。師生互動僅局限于簡單的課堂提問，學(xué)生參與感較差，缺乏師生平等互動探討的新型課堂文化。

(二)教學(xué)內(nèi)容陳舊

“遺傳學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容主要包括孟德爾理論、基因調(diào)控、微生物遺傳、染色體變異、細胞質(zhì)遺傳、基因組學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)等內(nèi)容。其中，基因調(diào)控、基因組學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)等內(nèi)容仍然停留在早期染色體物理圖譜及單個基因的研究水平上。隨著“人類基因組計劃”的完成，帶動了生物行業(yè)的革命，使高通量測序技術(shù)得到快速發(fā)展、生物學(xué)研究獲得強大的數(shù)據(jù)產(chǎn)出，包括基因組學(xué)、基因調(diào)控、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等生物學(xué)數(shù)據(jù)?；蛘{(diào)控研究已從單個基因提升到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；基因組學(xué)已從分子標記的篩選提升到功能基因組學(xué)；遺傳學(xué)中的簡單重復(fù)數(shù)據(jù)已逐漸大數(shù)據(jù)化。而“遺傳學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容與互聯(lián)網(wǎng)時代的生物大數(shù)據(jù)完全脫節(jié)，現(xiàn)有教學(xué)體系與生物大數(shù)據(jù)操作平臺沒有充分整合，致使學(xué)生無法獲取研究領(lǐng)域的前沿知識以及當(dāng)代遺傳學(xué)數(shù)據(jù)的分析工具及手段，使該課程教學(xué)內(nèi)容陳舊。

(三)教師的知識體系更新慢，跟不上遺傳學(xué)學(xué)科的發(fā)展速度

遺傳學(xué)前沿技術(shù)發(fā)展越來越快，核心技術(shù)手段、核心理念也在不斷更新。但“遺傳學(xué)”課程授課教師如果不能與時俱進，其知識體系在短時間內(nèi)跟不上遺傳學(xué)學(xué)科的發(fā)展速度，使得該課程課件的更新速度難以適應(yīng)知識的更新速度，課堂教學(xué)與前沿技術(shù)存在脫節(jié)，現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容無法適應(yīng)遺傳學(xué)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展變化。上述問題給高等院?！斑z傳學(xué)”課程教學(xué)改革提出了新的方向和要求。

二、大數(shù)據(jù)時代背景下“遺傳學(xué)”課程教學(xué)改革的舉措

“遺傳學(xué)”課程是一門綜合性極強的課程。針對“遺傳學(xué)”課程教學(xué)存在的問題，授課教師團隊積極優(yōu)化“遺傳學(xué)”課程教學(xué)方法，轉(zhuǎn)變教學(xué)思維，及時、全面地將國際前沿理論知識和技術(shù)轉(zhuǎn)化為教學(xué)素材，搭建了生物大數(shù)據(jù)分析平臺，并結(jié)合海量數(shù)據(jù)及校外生物云平臺，推動了“遺傳學(xué)”課程教學(xué)的信息化，具體做法如下。

(一)充分融合大數(shù)據(jù)思維，提高“遺傳學(xué)”課程教學(xué)的信息化水平

隨著遺傳學(xué)的發(fā)展，生物數(shù)據(jù)傾向于大數(shù)據(jù)化、平臺化、信息化，使傳統(tǒng)遺傳學(xué)的研究模式逐漸向云端化、智能化、平臺化發(fā)展。如目前的BMKCloud生物云計算平臺、聯(lián)川生物云平臺、美吉生物云、NovelBrain云平臺、Cancer Cell云平臺都可以遠端智能化對遺傳學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。作為“遺傳學(xué)”課程的核心章節(jié)，基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組調(diào)控、群體遺傳學(xué)與進化等內(nèi)容在“遺傳學(xué)”中占有重要的地位。因此，在“遺傳學(xué)”課程授課過程中筆者對核心章節(jié)采用了如下改革策略。

首先，筆者在講述“遺傳學(xué)”課程部分內(nèi)容時，一方面開展了“雙語”教學(xué)活動，對緊密關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)知識進行了歸納總結(jié)，重要之處進行重點解讀，以加強學(xué)生對于專業(yè)詞匯的印象，提高學(xué)生外文文獻的閱讀能力，為云平臺的學(xué)習(xí)奠定了專業(yè)詞匯儲備庫；另一方面利用實驗室購買的曙光高性能大型服務(wù)器搭建了生物大數(shù)據(jù)分析平臺，如Pseudogene Pipeline、Genome-analyzer、Gene Expression Analyzer等，課上在“遺傳學(xué)”課程相應(yīng)章節(jié)穿插進行視頻講解以及現(xiàn)場操作，讓學(xué)生理解什么是生物大數(shù)據(jù)云平臺、了解生物大數(shù)據(jù)的類型(核酸、蛋白、序列)以及如何利用分析工具分析遺傳學(xué)大數(shù)據(jù)。除此之外，筆者在“遺傳學(xué)”課程教學(xué)中還增加了實操內(nèi)容，通過在科研服務(wù)器上增加可操作性賬戶的方法，讓所有學(xué)生體驗大型服務(wù)器對遺傳學(xué)分析方法的改變過程。

其次，筆者在“遺傳學(xué)”課堂上介紹了國內(nèi)外的公共數(shù)據(jù)庫，如美國國立生物技術(shù)信息中心(NCBI)數(shù)據(jù)庫、中國國家基因組科學(xué)數(shù)據(jù)中心(National Genomics Data Center)，并對兩者進行了比較。同時，著重介紹了各種信息資源庫，比如基因組變異與表型關(guān)聯(lián)知識庫、全基因組變異信息數(shù)據(jù)庫(GWAS Atlas)、表觀關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)庫(EWAS Atlas)、原核生物防御系統(tǒng)基因數(shù)據(jù)庫(Prokaryotic Antiviral Defense System，PADS)、生物進化與多組學(xué)綜合分析軟件云平臺(eGPSCloud)，讓學(xué)生理解生物學(xué)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，掌握重要數(shù)據(jù)庫的使用技巧。這不僅使“遺傳學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容緊跟時代前沿，而且還幫助學(xué)生理解遺傳學(xué)的理論知識所帶來的重要社會價值，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

(二)建立遺傳學(xué)典型教學(xué)案例數(shù)據(jù)庫

為了提高學(xué)生對“遺傳學(xué)”課程學(xué)習(xí)的興趣，了解遺傳學(xué)前沿理論知識，掌握遺傳變異、進化遺傳學(xué)、群體遺傳學(xué)、基因組學(xué)、微生物學(xué)等概念和研究方法，筆者對“遺傳學(xué)”課程教學(xué)案例進行了歸納整理，將遺傳學(xué)理論知識融入到典型案例中，建立了“遺傳學(xué)”課程典型遺傳學(xué)案例數(shù)據(jù)庫。該案例數(shù)據(jù)庫分為35個課前案例、86個教學(xué)案例、27個前沿技術(shù)案例，授課教師在不同授課階段使用不同類型的案例。

1.課前教學(xué)案例

“遺傳學(xué)”是一門理論極強的基礎(chǔ)課程。因此，在該課程前期為了增加學(xué)生對于遺傳與變異的基本知識的認識，筆者根據(jù)選課學(xué)生知識背景抽取一定數(shù)量課前案例進行講解，使得“遺傳學(xué)”課程概念具體化，目的是讓學(xué)生體會遺傳學(xué)的基本原理與人類活動的密切關(guān)系。比如，“雜交優(yōu)勢在玉米育種中的應(yīng)用”“產(chǎn)前診斷原理及對于優(yōu)生優(yōu)育的重要性”“人類健康遺傳診斷技術(shù)原理”“公安部物證鑒定技術(shù)”“人類起源及遺傳進化史”“柑橘科植物馴化史”“澳大利亞農(nóng)場羊群的個體突變現(xiàn)象”等。筆者在“遺傳學(xué)”課程教學(xué)前期以圖片和短視頻的形式將課前案例融入到該課程教學(xué)中，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強了課程的實用性。

2.課堂教學(xué)案例

在“遺傳學(xué)”課程每個章節(jié)中，筆者融入了大量的教學(xué)案例，使得遺傳學(xué)理論知識變得簡單、易學(xué)。一般每個章節(jié)平均使用8個案例，將遺傳學(xué)發(fā)展史等重要理論假說的提出、驗證、發(fā)展與認可的漫長歷程融入到重要人物的故事中，從孟德爾到摩爾根、從達爾文到袁隆平、從沃森到張鋒、從居里夫人到屠呦呦，引導(dǎo)學(xué)生認知科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律和崇高的科研創(chuàng)新意識與探索精神。

3.前沿技術(shù)教學(xué)案例

在“遺傳學(xué)”課程后期教學(xué)中，筆者增加了前沿技術(shù)案例的講授，以提升課堂教學(xué)層次、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。比如，對CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)專利技術(shù)之爭、精準醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展趨勢、基因組單堿基編輯器、水稻高產(chǎn)和氮高效基因OsNR2、植物抗病小體與抗病機制、陸生植物祖先適應(yīng)陸地環(huán)境的策略等前沿技術(shù)案例的講解，讓學(xué)生感受到“遺傳學(xué)”課程前沿科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展速度與趨勢。

(三)凝聚優(yōu)勢學(xué)科科研力量，開設(shè)前沿專題講座

“遺傳學(xué)”課程某些章節(jié)中涉及到一些較為抽象、難以理解的內(nèi)容，筆者依托北京市高精尖創(chuàng)新中心、遺傳學(xué)科、林木遺傳育種學(xué)科等學(xué)科群，開展了群體遺傳學(xué)的“連鎖不平衡作圖與分子育種”“層級聚類調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建”等熱點專題講座，具體做法如下。

首先，筆者邀請優(yōu)勢學(xué)科的知名教授講授專業(yè)知識和技術(shù)，讓學(xué)生接觸最前沿的理論知識與技術(shù)，提前熟悉數(shù)量遺傳學(xué)的知識框架，使較為抽象難懂的理論知識分塊、分階段消化。通過開展這種以學(xué)生為主體的教學(xué)活動，提高了學(xué)生參與的積極性，增進了學(xué)生對于“遺傳學(xué)”課程學(xué)習(xí)的興趣，為學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的提高創(chuàng)造了必要條件。

其次，筆者聘請該領(lǐng)域內(nèi)知名學(xué)者入校開展講座，如“關(guān)聯(lián)作圖法尋找水稻雄性不育位點”“基因組學(xué)原理與應(yīng)用”等的講座。這些學(xué)者都是該領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)秀科學(xué)家，以這種前沿講座的形式輔助相應(yīng)章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

最后，筆者通過師生交流群分享知名專家的視頻講座，內(nèi)容包括該領(lǐng)域內(nèi)的最新研究成果，如北京市農(nóng)林科學(xué)院的西瓜群體遺傳學(xué)研究成果。該研究明確了西瓜果實瓤色關(guān)鍵基因LCYB的選擇馴化模式，還利用最新的基因編輯技術(shù)首次證實了參與光合產(chǎn)物卸載的α-半乳糖苷酶基因在西瓜果實糖分積累中的關(guān)鍵作用，揭示了西瓜“甜蜜基因”馴化的秘密。同時，他們還獲得了決定西瓜含糖量與瓤色協(xié)同進化的候選基因位點，這些關(guān)鍵性狀基因?qū)ξ覀兾磥砼嘤用牢犊煽诘奈鞴暇哂蟹浅Ｖ匾膬r值。這些研究源于生活、高于生活，不僅讓學(xué)生了解了學(xué)科前沿研究進展，而且還體會了科研與生活結(jié)合的樂趣。

(四)引入翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法，組織教學(xué)活動

基于前期教學(xué)改革的基礎(chǔ)，筆者對“遺傳學(xué)”課程教學(xué)模式進行了改革，改變以往填鴨式教學(xué)方法，采用了翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法，讓學(xué)生擔(dān)當(dāng)教師角色進行講授，教師做最后的點評。例如，在“群體遺傳學(xué)”章節(jié)中，筆者先提出重要科學(xué)問題——如何利用群體遺傳學(xué)手段進行生態(tài)系統(tǒng)中的植物種群保護；隨后讓學(xué)生自由分組開展英文文獻研讀，整理科研思路，進行課堂展示。通過這種翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法，學(xué)生不僅深刻地了解了染色體變異的前沿理論知識和技術(shù)，而且提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，有利于高素質(zhì)專業(yè)人才的培養(yǎng)。

三、“遺傳學(xué)”課程教學(xué)改革的效果

(一)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性明顯提高

通過對“遺傳學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識得到加強。學(xué)生“遺傳學(xué)”課程考試平均成績從2015年之前的85.6分提高到2019年的89.1分；學(xué)生自主回答問題的頻率有所增加，從平均每堂課2～3人次提高到每堂課5～6人次。在筆者建立的該課程溝通微信群中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性明顯提高，學(xué)生與授課教師在專業(yè)知識、科研問題、考研去向等方面討論的次數(shù)逐漸增多，每天互動達200條以上。

(二)學(xué)生的學(xué)習(xí)更有方向感，參與科研實驗的數(shù)量不斷增多

學(xué)生通過申請國家、北京市、學(xué)校、學(xué)院的科研課題，在校期間就主持或參與了科研項目。據(jù)統(tǒng)計，依托筆者研究團隊開展科研實驗的學(xué)生人數(shù)從2015年的1人次，增加到2019年的9人次；累計申請到3項北京市大學(xué)生創(chuàng)新課題以及2項校級大學(xué)生創(chuàng)新課題；2個學(xué)生團隊參加了生物競賽；有11名學(xué)生在國際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了SCI論文。學(xué)生學(xué)習(xí)更有方向感，人才培養(yǎng)質(zhì)量得到明顯提高。

(三)學(xué)生的科研水平和競爭力得到提升，進一步深造的人數(shù)增加

通過對”遺傳學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)術(shù)視野得到擴展、專業(yè)學(xué)習(xí)能力得到了增強。學(xué)生深造、出國留學(xué)的人數(shù)不斷提高，從2015年的13人次提升到2019年的18人次，已有20余名畢業(yè)生赴英國劍橋大學(xué)、美國賓西法尼亞大學(xué)等世界一流大學(xué)深造。同時，通過對“遺傳學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的考研專業(yè)方向感也較往年得到了極大提高，學(xué)生在考研復(fù)試中的競爭力得以加強，面試教師反饋，北京林業(yè)大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生的遺傳學(xué)知識面寬廣、實驗操作與科研素養(yǎng)較高。

另外，學(xué)生被清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等國內(nèi)知名研究團隊錄取率從2015年的76.6%提高到2019年的81.0%，許多學(xué)生已經(jīng)跨專業(yè)考到自己喜歡和了解的其他專業(yè)，如醫(yī)學(xué)、生物信息學(xué)、動物遺傳學(xué)等領(lǐng)域，學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量不斷提高。

資助項目：北京林業(yè)大學(xué)2019年教育教學(xué)研究一般項目——“互聯(lián)網(wǎng)+”思維在“遺傳學(xué)”課程中的應(yīng)用，項目編號BJFU2019JY049。