马凯恒 杨桂燕

(西北农林科技大学林学院，陕西杨凌 712100)

“遗传学”是研究生物的遗传与变异规律的科学，也是一门紧密联系生产实际的基础课程，该课程在各高等农林院校的生命科学相关专业广泛开设[1]。实验技术和方法是“遗传学”课程建立和发展的基础，随着分子生物学和高通量测序技术的快速发展，“遗传学”实验的范畴和内容不断拓宽和深化，研究方向也从个体水平向组织、细胞、染色体和基因层次纵深发展[2-3]。为满足基因组学和生物信息学等生命科学发展前沿对具备遗传学创新能力研究人才的渴求，提高学生分析和解决遗传学问题能力，激发创新思维、培养科研素养，“遗传学”课程实验教学改革势在必行。

随着《教育信息化2.0行动计划》提出开展智慧教育创新发展行动，信息化教育资源得到蓬勃发展，且已成为教育教学创新和变革的驱动力[4]。信息技术与教育发展的紧密结合，使教育理念、教学方法和学习方式逐渐发生改变，由原来的以教师为教学中心、学生被动接受知识的教学组织形式向以学生为教学活动主体、教师引导教学的模式转变[5]。海量的信息化教学资源也让学生随时随地学习实验新技术和新方法，使虚拟仿真实验教学被越来越多地被应用，并取得良好的教学效果。因此，如何将智慧教育环境下的信息化实验教学资源和前沿实验技术合理地引入到实验教学中，是实践教学改革面临的一个新思路和新挑战。

西北农林科技大学林学院“遗传学”课程组根据一流专业课程体系建设中对实验教学的总体要求，深度剖析当前“遗传学”课程实验教学存在的问题，全面探索了智慧教育环境下该课程实验教学的改革，构建了适合学校林学等相关专业人才培养目标的实验教学新思路和新举措。

一、“遗传学”课程实验教学面临的问题

(一)实验教学内容陈旧，思政元素融入不够

“遗传学”课程实验教学内容多以验证性实验为主，缺乏设计性和探索性实验内容，不能紧跟发展中的遗传学步伐，导致部分教学内容、实验方法落后于实际发展，与生产实践和科学研究前沿脱节，不利于学生实验创新、科研素养及知识应用等能力的培养。部分实验项目受到时空制约，学生很难对知识点进行逻辑贯通，使实践技能缺乏连贯性和系统性。实验教学思政案例挖掘不足或思政元素切入点生硬，不利于实验教学育人功能的实现，严重影响学生社会责任感和服务意识的培养。

(二)实验教学手段单一，教学方法落后

传统“遗传学”课程实验教学只注重对实验指导书单个实验项目内容和方法的讲解，忽略了智慧教育环境下网络教学资源的融会贯通及合理应用，使教学缺少互动性、课堂氛围沉闷、学生实验参与积极性差，不利于“遗传学”课程实验教学广度和深度的拓展。同时，该课程实验教学方法流程化、按部就班、简单验证，无法迎合当前“信息化、无纸化、创新化、多维化”的学习方式，易忽视学生学习的主体地位，制约学生主观能动性的发挥，无法实现“教师乐教”“学生乐学”，严重影响该课程实验教学的效果。

(三)课程考核元素覆盖面窄，考核方式简单、认可度低

在“遗传学”课程实验教学的考核中，“遗传学”课程实验报告成绩占比高，课前预习、课堂表现、实验过程安全操作、表达能力及创新能力等考核元素未能合理、全面的纳入考核评价体系中，导致考核不能客观、准确、全面地反映学生对知识的掌握程度。这在一定程度上阻碍了实验设计、创新思维、实践动手等能力的培养，影响了课程实验教学设置的初衷[6-7]。

(四)实验教学安排不合理，教学效果难以保证

随着高等教育改革的不断推进，“遗传学”课程实验学时在不断压缩，部分学生无法在课堂规定时间内完成实验操作，导致实验内容的深度难以拓展，学生学到的实验技术相对零散、缺乏连贯性。同时，学生的课余时间和实验室管理人员的上班时间不一致，使学生不能很好的利用实验室空闲时间，导致关联性较强的设计性实验很难从时间和地点上统筹安排，致使实验教学效果无法得到保障。

二、“遗传学”课程实验教学改革的措施

(一)完善实验教学体系

针对“遗传学”课程实验理论性强、技术发展更新快等特点，“遗传学”课程组教师在保留经典实验内容的基础上及时添加紧跟学科前沿的新内容，并针对学生在申请大学生创新创业项目和学科竞赛中感兴趣的遗传学范畴的热点知识，如荧光原位杂交、转基因技术、基因克隆技术等，开设了综合性、设计性实验项目，优化了实验教学内容。

1.构建模块化实验内容，优化教学内容

根据新版专业培养方案及课程体系建设安排，“遗传学”课程组优化了实验教学内容，将其划分为4大模块，见图1。课前，明确了实验教学目标及项目间的区别与关联，并将“分子生物学”“细胞生物学”课程的相关内容进行融合，优化了“遗传学”课程实验教学内容，培养了学生融会贯通的能力。

图1 “遗传学”课程实验教学内容的架构体系

2.充分利用虚拟仿真技术手段，提升教学效果

虚拟仿真实验教学摆脱了实验条件和实验学时对实验课程开展的限制，更好地延伸和扩展了实验教学手段，是对传统教学手段的必要补充[8]。课程组教师将虚拟仿真手段引入到“遗传学”课程实验教学中，构建了“遗传学”课程实验教学“信息化实验教学资源+虚拟仿真实验教学+课堂实验”的新教学体系，取得了较好的实验教学效果。如“果蝇性状识别及孟德尔遗传分析”实验，要求5个学时掌握果蝇的雌雄识别和性状遗传分析方法，这样的技能要求和目标只是让学生浅显地了解实验内容，无法让学生完成对遗传学模式动物的系统解读。为此，通过教学平台、学习群等媒介，课程组教师分享了果蝇雌雄识别和生活史的教学视频，让学生利用课余时间参与果蝇的培养，不仅提高了预习效果，而且使实验项目虚拟仿真花，具体做法如下。实验环节，先安排2学时对4个品种果蝇进行雌雄识别、突变性状观察和杂交实验，让学生掌握形态变异特征；再安排3学时在西北农林科技大学虚拟仿真教学平台(http：//210.27.84.69：8080/edu-platform/front)进行果蝇性状观察，完成唾腺染色体观察、麻醉与性别鉴定、三点测交与遗传连锁图绘制等内容的学习，并通过VGLII软件进行杂交实验，以熟悉遗传规律。课后，要求学生完成果蝇“求偶-交配-产卵-发育”各阶段观察，加深对遗传定律的认知，做到实验项目的虚实结合，以完善实验教学内容。

3.融入思政元素，助力优良教风和学风的形成

“遗传学”课程组教师在课程教学过程中，始终将思想政治教育贯穿于教学全过程，并结合课程知识点合理切入，激发学生的求知欲[9]。比如，在“染色体观察及其核型分析”实验中，将“西北杨树王”樊军锋老师35年如一日致力于林木遗传育种工作的事迹有机融入该课程实验教学中，让学生感受身边平凡英雄的事迹、树立正确的人生观和价值观，成长为具有坚定理想信念的高素质人才；在“分子标记在林木遗传育种中的应用”实验中，向学生介绍遗传育种领域产生的社会价值，并让学生结合家乡发展实际开展“遗传学”与乡村振兴关系的讨论，以提高学生对“遗传学”课程的实践认知，体会学校“产学研用”办学目标的意义，增强学生“知农、爱农，知林、爱林，服务三农，振兴乡村”的意识，树立正确的社会服务观，以形成优良的教风和学风。

(二)升级实验教学手段，变革实验教学方法

随着大数据、互联网的飞速发展，网络教学平台等信息化手段在教育教学全过程中广泛应用，使传统课堂实验教学方法不能完全满足学生对课程前沿知识和技术的需求，需借助慕课、微课等现代化教学技术手段完成实验教学任务，这也成为引导实验教学资源改革的关键环节。通过将这些触手可及、易于理解并能激发学生学习兴趣的信息化课程资源“可学习、能考核、可评价”应用到“遗传学”课程实验教学环节，创新该课程实验教学形态，提升学生的主体意识和学习决定权，加强师生之间的互动，学生对实验教学的满意度提升。

1.加强实验教学资源信息化，拓宽学生知识获取途径

“遗传学”课程组任课教师通过授课班级的学习群，将国家优质慕课资源平台(中国大学MOOC)、公开课等智慧环境媒介及“遗传学”课程实验教学相关章节的教学大纲、多媒体课件、实验操作示范微视频、实验案例数据库、文献资料、大型仪器操作方法、遗传学前沿热点知识等信息化课程资源转化为实验教学素材分享给学生，学生根据自身时间学习相关知识点。这不仅补充、完善、拓宽了学生遗传学知识的获取途径，而且还使学生及时了解“遗传学”课程在农林产业发展的现状，让学生有的放矢进行思维锻炼，强化了科研逻辑，培养了创新意识。比如，5学时的“植物DNA分析技术”实验项目，要求学生掌握DNA提取、电泳及检测技术，熟悉DNA谱带解读方法。笔者在教学中，通常以杨树为材料提取DNA，利用分子标记检测其多样性。虽然DNA提取技术已经成熟且相对简单，但对本科生来说，因接触类似实验较少，且难及时应用或参与相关科研项目加以巩固，学生在要求的课时内掌握该技术有难度。为了让学生切实掌握DNA提取与分析技术，“遗传学”课程组结合各类教学资源平台、各教师科研项目，录制了不同实操视频提取不同植物的DNA，如核桃叶的CTAB法提取RNA、构树根的SDS法提取DNA等。

通过信息化途径(教学平台、学习群等)，不仅让学生了解了不同方法的异同点、巩固了知识，而且还使学生能在实验前做到心中有数，拓宽了学生知识获取途径。经教学分析发现，这种方法不仅使学生实验兴趣加大、自信心增强，而且还提高了课程教学效果。

2.采取多样化实验教学方法，提升教学质量

(1)探究式教学方法

在“遗传学”课程实验教学过程中，课程组教师根据实验类型的不同，采用了不同的实验教学方法。对于设计性实验项目，通常采用探究式教学方法，让学生变为教学活动的主体，以激发学生的学习热情与潜力，比如“植物基因组DNA提取技术及电泳分析”实验项目。

在实验预习阶段，课程组教师让学生自主学习信息化实验教学资源，掌握不同植物材料提取基因组DNA、电泳分析的原理和方法，探究思考哪些试剂、方法和步骤是提取的关键，之后由2人组成实验小组，选择校园内植物材料设计DNA提取的实验方案，方案经教师批阅、小组成员修改完善后方可进行实验操作。

在实验教学示范过程中，教师以杨树幼嫩组织为材料，指导学生掌握CTAB提取法中液氮冷冻、样品研磨、水浴、微量加样、琼脂糖凝胶制备、电泳上样、凝胶分析等实验操作步骤，之后学生根据预习方案进行自选材料的探究性操作。由于实验过程未知，允许试错，给学生发挥的机会大胆探究。

在实验结束后，课程组教师要求学生认真、全面总结分析实验设计、操作及结果各个环节，选取优秀项目进行PPT汇报，以互相借鉴、总结经验，同时也鼓励学生参与科创项目或有读研想法的学生对该实验进行进一步探究和拓展，尝试写作并发表科研论文。由于该项目耗时长、操作失误几率高、通常安排在周末开展，因此要求教师和实验技术人员全程跟课、及时解答学生实验过程中遇到的问题，以便使学生真正掌握该课程要求的实验内容，提高资料查阅、实验设计、实践动手能力。

(2)认知导向型教学方法

针对部分存在验证内容的综合性实验项目，如“花粉母细胞减数分裂观察及植物染色体组型分析”，课程组教师采用认知导向型教学方法开展实验教学，以提高学生的创新实验能力，具体做法如下。

在实验预习阶段，教师告知学生需要掌握的相关知识点，让学生自主查阅相关资料，了解常见动、植物的染色体基本知识，熟悉减数分裂过程特征研究和染色体组型分析在遗传学研究中的重要作用。

在实验过程中，教师通过认知教学，让学生了解卡诺固定液、醋酸洋红染液的配置方法及注意事项。通过玉米、黑麦等实验材料，让学生掌握显微镜的操作方法，观察减数分裂过程中染色体的动态变化，并对比两种实验材料染色体数目、结构的不同，熟练掌握核型分析方法。之后，再通过导向型教学，让学生将植物材料染色体实验设计理念和分析方法与其他模式生物材料染色体研究进行对比，从本质上理解遗传学实验在研究中的共性和特性思路，更好地了解该实验在林木育种和细胞遗传学研究中的“可用”方向，在激发学生探索欲望的同时，提高学生解决实际问题的能力。

实验结束后，课程组教师要求学生认真完成实验报告的撰写工作，并对实验过程中出现的问题进行分析和讨论，以便让学生快速理解和掌握遗传学研究中的基本原理和分析方法，激发学生创新思维，更好地实现教学目的。

(三)实施多元化课程考核，实现科学评价

合理有效的考核评价是检验学生实验操作技能的有效手段，考核方式多元化既能激发学生学习的积极性和主动性，又能有效督促任课教师提高教学质量。改革后“遗传学”课程实验采用以能力为导向的“多方位、多角度、精细化”多元化考核，将探究式、认知导向型教学模式下的自主学习和个性化学习效果纳入实验考核指标中，激励学生积极学习国家优质慕课、虚拟仿真实验平台的在线实验项目。改革后，“遗传学”课程实验教学成绩由实验预习(30%)、实验操作(40%)和实验报告(30%)3部分组成，每一部分均有精细化的考核指标，见表1。

多元化实验教学考核对任课教师的责任心提出了一定的要求：对于综合性、设计性实验报告，任课教师需指导学生按照科研论文的格式进行撰写，在提高学生重视度的同时培养学生逻辑思维和科研论文的写作能力；对学生实验预习报告中存在的能力差异进行分析，对预习报告及实验报告进行逐条批改并备注，向学生传递严谨认真的实验态度，将“西农精神”体现在教学的点滴细节中；鼓励具有科研思维、创新意识的学生进入教师的科研团队学习或参加大学生学科竞赛、创新创业项目等活动。

表1 “遗传学”课程实验教学考核评价体系%

(四)加强实验教学条件建设，实现实验室开放共享

高等院校实验室承担着开展实验教学、科学研究和服务社会的重要职能，一流大学离不开一流实验室的建设[10]。自2017年以来，在中央高校改善基本办学条件专项资金项目的支持下，西北农林科技大学林学专业教学实验室、显微互动实验室及国家级森林生物学虚拟仿真教学中心的软硬件设施均得到了升级，建立了全天候预约开放的实验教学平台，实现了实验室的开放共享，具体做法如下。①补充了染色体核型分析、体视显微镜成像、高速冷冻离心机、荧光显微镜等新型仪器设备，为学生进行实验提供了硬件设备的保障；②实验教学中心专业实验室对本科生实行24小时预约开放，鼓励学生进入实验室开展设计性实验、大学生创新创业项目及学科竞赛实验，解决了实验课时压缩导致的实验拖欠问题和学生自主实验项目开展受限的问题，提升了学习的自信心和方向感。

三、“遗传学”课程实验教学改革的成效

经过上述改革探索，“遗传学”课程实验教学在丰富教学资源、提高学生实践技能等方面成效显著。

(一)实现课程实验教学的信息化

“遗传学”课程实验教学的全方位信息化改革便捷了学生实验知识获取的路径，丰富了课程知识内容的广度和深度，拓展了课程实验的交叉融合，且在新冠肺炎疫情期间发挥了重要作用。受新冠肺炎疫情影响，部分学生无法进行现场实验，课堂视频教学及网络学习群等媒介很好地解决了这一问题，为师生提供了不受时空限制的交流讨论渠道，“遗传学”课程组教师完成了新冠肺炎疫情期间实验课程不延教、不延学、不延期的实验教学任务。

优质的信息化“遗传学”实验教学资源，拓宽了学生的视野，顺应了数字教育资源开放共享的智慧教育环境，所有学生在实验课程信息化改革中受益匪浅。大量的信息化教学资源促使学生在实验前积极准备、实验过程中深入思考、实验完成后全面总结，提高了学生的知识容量，激发了学生的学习兴趣，学生对“遗传学”课程实验教学的满意度从85%提升至90%以上，学生撰写的实验报告质量也逐年提升，85分以上的实验报告成绩明显增加。

(二)提高学生的科研素养和创新思维能力

经过3年多的实践探索，“遗传学”课程实验教学改革提升了学生的实验主动性、学习方向感及实验操作技能，强化了学生文献查阅、实验设计、数据分析、论文写作、团队协作等科研技能，塑造了正确的学术态度，形成了严谨的科研思维，同时也提高了学生参与学科竞赛、创新创业项目的自信心。学生在2019、2020、2021年度全国大学生生命科学创新创业项目中获得一、二等奖5项。

资助项目：陕西省教育科学规划课题“新农科背景下林学专业认知体系优化研究”，项目编号SGH20Q205；教育部产学合作协同育人项目“产教融合背景下农林高校实践平台建设”，项目编号202102126090；教育部产学合作协同育人项目“认知导向的林学专业虚拟仿真实验教学设计”，项目编号202101292026。