实验教学引导的“三阶段八模块两提升”普通遗传学课程改革与实践

田蕾 罗成科 刘萍 刘凤楼 李清峰 张晓岗 杨淑琴

摘 要：为适应新农科人才培养需求，依托宁夏回族自治区农学一流专业建设全农科人才培养和卓越农林人才培养计划，针对植物生产类普通遗传学课程设计和本科教学过程中存在的主要问题，紧跟时代发展和数字化农业需求，基于OBE理念，以提升学生实践能力为目标，开展了普通遗传学课程改革与实践，构建了“三阶段、八模块、两提升”的普通遗传学课程体系，优化课程内容，创新教学方法，构建突出创新实践能力的多元评价方法，为打造专业精品课程和卓越农林人才培养奠定了坚实的理论基础。

关键词：普通遗传学;OBE理念;模块化教学;“互联网+”混合式教学

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）08-0194-04

Teaching Reform and Practice of General Genetics Guided by Experimental “Teaching with Three Stages， Eight Modules and Two Improvements”

TIAN Lei   LUO Chengke   LIU Ping   LIU Fenglou   LI Qingfeng   ZHANG Xiaogang   YANG Shuqin

（College of Agriculture， Ningxia University， Yinchuan 750021， China）

Abstract： In order to meet the needs of new agricultural talents training， the course reform and practice of General genetics was carried out， relying on the construction of first-class agricultural specialty in Ningxia Hui Autonomous Region， the cultivation of talents in agricultural sciences and the outstanding talent cultivation of agriculture and forestry program.In view of the main problems existing in the course design and Genetics learning of plant production major undergraduates， the course reform closely followed the development of the times and the needs of digital agriculture.Based on the concept of OBE and aiming at improving students′ practical ability， we constructed a “three-stages， eight-modules and two-improvements” course system of “General genetics”， with optimized course content， innovated teaching methods and a multiple evaluation method based on the innovative practical ability to create a professional quality course and lay a solid theoretical foundation for the cultivation of outstanding agricultural and forestry talents.

Key words： General genetics; OBE concept; Modular teaching; Internet plus blended teaching

“一粒种子可以改变一个世界，一项技术能够创造一个奇迹[1]。”2021年国家中央一号文件提出要“打好种业翻身仗[2]。”如何让小种子迸发大能量呢？作物育种技术的创新和种业人才的培养对我国种业的发展都是不可或缺的。遗传学是指导育种工作的理论基础[3]，是研究生物遗传和变异规律的一门科学，是生物科学中体系完整、发展迅速的重要基础理论，对于探索生物多样性、生命的本质、起源和进化机制以及整个生命科学的发展都有着巨大的推动作用。该学科能够紧密联系生产实际，对植物、动物、微生物遗传育种和遗传疾病防治具有重要的指导意义。

普通遗传学是高等农业院校植物生产类专业的一门核心课程，旨在培养学生掌握遗传学原理，锻炼分析问题、解决问题的综合知识应用能力，为其独立地运用遗传学原理进行育种研究工作，新品种的选育提供理论支撑，促进我国种业的稳步发展。该课程理论性强、知识范围广、知识点琐碎，且常与数学、统计学、分子生物学、生物信息学等学科交织在一起，是一门逻辑性强、難度很大的课程[4]。在日常的植物生产类本科教学中，主要存在的问题如下：（1）教学内容和理念陈旧，科学性与时代性不足;（2）课堂教学模式和教学方法创新不足;（3）在现行农科人才培养模式下，学生实践能力以及创新意识薄弱，理论与实践融合程度不深;（4）学习效果评价单一，实践测试和前沿知识捕捉能力评价占比不高。加之日常教学中存在教师单方面灌输知识的情况，导致学生学习积极性不高[5]，对课程内容理解困难，教学效果不太理想。为提高本科生学习遗传学的积极性，本课程组紧跟时代发展和数字化农业需求，基于OBE（Outcomes-based Education）理念，以开拓学生科研思维，提升实践能力为目标，开展了课程改革与实践。通过优化课程内容、创新教学方法、完善评价体系，构建了“三阶段、八模块、两提升”的普通遗传学课程体系，旨在推动教学改革，切实提升学生的实践创新能力和综合素质。

1 OBE引导下的遗传学教学理念更新和课程内容优化

本着“三全育人”中“全方位育人”理念，以能力、目标、需求3个导向为基础，在教学过程中始终将“立德树人[6]”“让学生学什么？为什么学？如何学？怎么知道学生已经学会了？”等教学理念融入遗传学教学的全过程。依据遗传学、作物育种学的前沿动态，数字化农业发展需求，凝练遗传学中体现“科技前沿”“数字化和信息化”的知识体系和实践技能。以“基因突变”为理论基础的航天诱变育种为例，如搭载嫦娥五号遨游太空的“航聚香丝苗”水稻，太空玫瑰、太空南瓜、太空辣椒等，是我国航天科技和遗传学有机结合的鲜活事例。在全基因组测序的大背景下，遗传学已进入到后基因组和多组学联合分析时代，“基因工程与基因组”的教学内容除了介绍基本的理论知识之外，要大量引入基因编辑[7]、痕量核酸测序、宏基因组测序、生态组学、演化组学和太空组学等科技前沿内容，拓展学生的分子遗传学知识体系。培养学生将遗传学知识融入育种实践的能力，开拓分子遗传学思维，激发其创造力。

2 构建“三阶段、八模块”的遗传学课程结构

2.1 “八模块”课程结构的规划与组成 “八模块”是指打破教材章节限制，根据各章节内容之间的联系，以基因为主体，形成的“1.基因概念的诞生、发展与应用”“2.基因的细胞遗传学”“3.基因遗传的规律”“4.基因的改变”“5.数量性状的遗传与应用”“6.杂种优势的利用”“7.基因工程与基因组”“8.基因的群体遗传与进化”8个既彼此独立又相互联系的遗传学教学模块（图1）。在“八模块”中，除了模块1是围绕着基因展开的遗传学发展史之外，其余7个模块的内容都直接应用于植物育种实践。如应用群体遗传与进化的选择育种（育种1.0时代）;分别由细胞遗传学和遗传学三大定律、基因的改变、杂种优势与近亲繁殖理论指导的杂交育种、倍性和诱变育种、杂种优势利用育种等均属于常规育种（育种2.0时代）;利用数量遗传学原理和转基因技术的分子育种（育种3.0时代）;应用基因工程、各种组学、基因编辑等生物育种手段和人工智能的设计育种（育种4.0时代）。这些遗传学内容贯穿了全球生物育种技术发展的4个时代[8]。

2.2 “八模块”课程结构在学生“三阶段”学习中的应用 “三阶段”即理论认知、实验实践、综合能力提升。在8个模块构架基础上，以基因为主线贯穿遗传学教学的始终，加深学生对遗传学的理论认知。采用任务驱动教学法，于不同模块教学中抛出日常生活或育种实践中的具体问题来创设情境、设定任务，引导学生主动运用原有的知识和经验，通过各种学习资源的广泛应用，进行自主探索与互动协作相结合的学习。如在模块5的教学中，让学生们在日常生活和作物栽培与育种实践中去发现数量遗传性状，并通过数据的测量和统计分析证明，以翻转课堂的形式按组来分享自己的研究结果。第1组展示了全班同学身高的统计数据，通过绘制频率分布图发现表现为连续分布，是数量性状;但正态分布规律不太明显，当他们把统计数据扩展到全年级时，频率分布接近了正态分布。按照性别分开统计时，也获得了类似结果。第3组测量了1块玉米田的果穗长，呈典型的连续分布，表明是数量性状;进一步通过绘制频率直方图、Q-Q图和Shapiro-Wilk假设检验，均证明这组玉米穗长数据符合正态分布，通过实验实践和互动协作，学生们加深了对数量性状分布特点的理解。学生们在“发现并证明数量性状”任务引导下，充分理解了“数量性状”的定义、特征和分布规律，总结了判断数量性状的方法。总之，通过主动观察、测量、运用统计学理论和软件、组内协作讨论和PPT汇报等，切实提升了学生实验实践，互助协作、数据处理和语言表达等的综合能力。结合“三阶段”学习的不同层次要求，课程组通过各模块知识结构的设计和完善，知识点微课和实验教学视频的制作，优质网络MOOC资源的充分利用等，配合各模块特点分别设计与之相适应的教学活动，完成了每个模块各教学节段的教学设计，进一步完善了整个教学过程。

3 重视实验教学，构建“两提升”的课程体系

3.1 遗传学实验教学视频的录制与应用 作为以实验为基础的一门自然科学，遗传学实验教学不但可以帮助学生掌握基本的实验操作技能（如显微镜的使用、临时装片的制作等），有利于提高动手能力和深入理解遗传学原理;而且激发了学生的科研思维并提升了创新实践等综合素质[9]。课程组根据各模块的内容，分别设计、录制了一些实验教学视频。2015年，刘萍和刘凤楼2位教师利用重演实验过程的教学方法，录制了一部涵盖植物基因组DNA提取，目的基因分离、纯化和体外重组，阳性克隆的分子檢测和测序验证等内容的教学视频[10]，作为课下预习和复习的视频资源，为模块7的教学提供了很大的便利。学生在预习阶段观看视频，了解实验操作的全过程，思考其中蕴含的分子遗传学原理，在实验课上有了更多的操作和讨论时间，有助于锻炼学生的自学能力，发散科研思维。在刘萍教授的带领下，课程组根据模块2～4的教学内容，设计录制了“植物根尖有丝分裂临时装片制作和观察”“花粉母细胞涂抹制片技术”“基因连锁互换的遗传分析”“植物多倍体的鉴定”等实验教学视频，为遗传学的实验教学提供了鲜活的教材。

3.2 遗传学实验教学在“两提升”课程体系中的作用 “两提升”指创新能力和实践能力的提升。在应用实验视频，开展常规观察、验证性实验的基础上，增设综合性、拓展性实验，全天候开放遗传学实验室。这些实验的开展不仅有利于加深学生对遗传学理论知识的理解，也有利于知识应用与创新能力的培养。综合性实验要求学生从遗传学基础理论出发，自行设计实验、准备实验材料、配制试剂、测定实验数据并进行统计分析，提交翔实的实验报告和心得。引导学生在实验中完成问题的提出、分析和解决3个步骤，使学生化身为整个实验教学的设计者、实施者和评价者[11]，切实提高学生的学习兴趣，培养其实践创新能力。如2016级农学专业的谢菲菲小组，基于在模块5学到的数量遗传学知识，自己设计了“西北粳稻种质资源苗期耐盐相关性状的数量遗传学分析”的综合性实验，验证了水稻耐盐相关性状均属于数量性状，明确了不同性状之间的相关关系;通过t检验分析了盐胁迫对水稻苗高、根长、茎粗、干鲜质量等性状的显著影响，明晰了数量性状普遍存在基因型与环境互作的含义。基于此申请获批了1项国家级大学生创新创业训练计划项目，经过连续2年的科研实践，以第一作者发表了1篇北大中文核心期刊论文[12]。在遗传学实验教学基础上，进一步结合植物生产类本科生“科研技能和创新创业训练模块”、卓越农林导师制等措施，着力培养学生综合运用遗传学知识进行研究、创新和指导育种实践能力，取得了一定的成效。

4 构建“互联网+”混合式教学模式

“互联网+教育”集成了教学资源的移动化、数字化和模块化，是线上教学的主要形式[13]。但其学习体验和效果很大程度上依赖于学习环境、网络状况和学生的主动自觉性，必须与线下教学有机结合，才能真正形成“教”為主导，“学”为核心的混合式教学模式。本课程组在“八模块”遗传学课程结构基础上，整合线下教学资源，强化理论知识，重视专业技能培养;提炼核心专题，构建完整知识体系;以核心专题为主线，通过专题拓展和内容划分完善模块化课程体系。通过实验教学对遗传学理论进行深入解析，依托综合性、拓展性实验，给予学生独立思考、应用知识探索科学问题的平台。通过雨课堂[14]、腾讯会议等网络学习交流平台的应用，配合翻转课堂、MOOC学习[15]、线上和线下讨论、学习竞赛等互动教学活动形成“互联网+”混合式教学模式。雨课堂作为混合式教学的重要媒介，贯穿于教学的全过程。课前利用雨课堂发布公告、布置预习和探索任务，课中通过扫码签到、滚动提问、实时线上答题来把握学生的出勤和学习状态，课后利用限时试卷、发起投票和讨论等功能，对学生课堂和课后的学习效果、知识掌握程度作出全面、科学的评价。强化学生学习过程的评价，将线上学习成绩纳入总评成绩中，实现学生学习情况的信息化管理。

5 建立突出实践创新能力评价的学习效果多元评价体系

与教学模式改革相匹配的是评价方式的更新。在混合式教学评价体系中，过程性评价和期末考试评价各占总评成绩的50%。从理论认知、实验实践、综合能力3个角度对学生学习效果进行考核和评价。期末试卷中考核学生综合能力的试题不少于20分，过程性评价中实验成绩占20%（综合性、拓展性实验10%，观察、验证性实验10%），线上MOOC学习、课堂考勤、互动和小测验等占有10%，探索性任务5%，课后练习（思考）题占15%（图2）。该评价体系增加了过程性评价的比例，强化了学生创新实践和综合能力在总评成绩中的作用。

6 课程改革的实践成效

本课程组围绕植物生产类本科生普通遗传学教学中存在的主要问题，从教学理念更新、课程内容和结构优化、教学方法创新以及学习效果评价体系建立等多个方面开展了教学改革与实践[16]。每年将取得的教改成果有效地应用于植物生产类不同专业150余名学生的本课程教学中，实践成效显著，具体表现在：学生的平均满意度达到了87.6%，课程成绩逐年稳步提高，每年申报获批遗传学相关大学生创新创业训练计划项目8～10项，学生的学习习惯从“被动”转变为“积极主动”，充分激发了他们探索遗传学奥秘的兴趣，创新实践和综合素质得到了很大的提升，课堂教学效果明显。

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（责编：张宏民）