遺傳學探究性實驗教學的思考及實踐的論文
遺傳學既是一門歷史悠久的學科，又是一門發展迅速、實踐性很強的學科，研究范圍正在不斷拓寬和深化，新技術、新方法不斷涌現。根據這一特點，在世紀之初我們對遺傳學實驗內容、實驗項目和實驗教程進行了及時的調整，取得了一定的效果。目前，著重于培養學生分析問題、解決問題的能力，提高學生創新意識的實驗教學改革正在進一步深化，對遺傳學實驗教學提出了更高的要求。因此，如何在有限的課時中既讓學生掌握遺傳學實驗的基本理論和基本方法，又能了解掌握遺傳學學科發展中產生的新技術、新方法，提高學生的創新能力，是擺在遺傳學實驗教學工作者面前的重要課題。這需要我們加深對新形勢下實驗教學理念的理解，并對實驗教學方法做出新的改革嘗試。
1遺傳學實驗教學理念的發展
遺傳學實驗教學在我國已有半個多世紀的歷史。不過在20世紀90年代以前，遺傳學實驗教學的理念基本上是定位在"驗證遺傳學基礎理論，練習遺傳學實驗技術和分析遺傳學實驗結果，從而加深理解和掌握遺傳學的內容",導致開設的實驗主要以驗證性內容為主。在實驗教材上的反映就是從實驗課題、實驗目的、實驗原理、注意事項，到儀器、器材和操作步驟等，都一一羅列得清清楚楚，連記錄表格以及實驗報告的格式也都準備得非常齊全,實驗目的非常單_。學生做起實驗來只需依樣畫葫蘆，就可以掌握該實驗的基本技術和方法。這樣的驗證性實驗雖能在一定程度上培養學生的有限"動手能力”但其創新內容少，客觀上壓抑了學生對實驗課程的興趣，束縛了學生的想象力和創造力，無法激發學生的創新潛能，直接影響了學生創新能力的培養。
當我國提出要進入創新型國家的行列后，高等教育教學理念有了很大的發展，具體表現在對學生的綜合素質和創新能力有了更高的要求。因此必須把提高教學質量放在更加突出的位置，更好更快地培養大批拔尖創新人才。而要培養具有創新意識的高素質人才，就需要改革過去傳統的實驗教學體系和教學方法，使學生在實驗過程中變被動學習為主動學習，逐漸提高發現、分析和解決問題的能力，增強對困難和失敗的承受力和培養團隊精神和協作能力。這種新理念導致的直接結果就是在實驗教學中倡導開設綜合性和設計性實驗，教育部已經將綜合性、設計性實驗設為實踐教學部分的主要觀測點，并且規定實驗教學評估成績達到"優秀"的標準是"有綜合性、設計性實驗的課程占有實驗課程總數的比例>80%,效果好"，直接推動了各高校把開設綜合性、設計性實驗作為課堂實驗教學改革的重中之重。
但是，由于實驗課時和實驗室條件的限制，開設大量的綜合性、設計性實驗存在著較大的難度。為了更好地協調兩者之間的矛盾，我們的選擇是改進實驗教學方法，在實驗中積極引入科學探究的成分,將原來的驗證性實驗改造成微型的綜合性實驗或設計性實驗，或者統一稱為微型探究性實驗(以下簡稱探究性實驗)。
2探究性實驗的內涵和意義
綜合性實驗和設計性實驗具有良好的相容性，綜合性實驗中可以有設計性的特點，設計性實驗也可以帶有同一類實驗的綜合成分。區別于以"驗證"為主的驗證性實驗，綜合性實驗或設計性實驗的本質是"科學探究"，學生在探究過程中可以培養創新意識和創新能力。因此，將綜合性實驗和設計性實驗合稱為探究性實驗，具有重要的實際意義。在探究性實驗的實施過程中要以問題為核心，讓學生在實驗過程中思考問題、解決問題，提高創新實踐能力。在實驗的教學方法上，教師不能通過一種線形和單一的教學過程把不容置疑的實驗知識和結論直截了當地灌輸給學生；而是應當先發現和提出問題，通過一定的探究過程讓學生自己得到問題的正確答案。在實驗過程中，所設計的遺傳學實驗不僅要使學生能夠更深入地理解所獲得的知識和結論,而且要有利于激發學生的求知欲、培養他們的創新思維習慣和能力。通過教師的引導和巧妙安排，大多技能訓練型實驗或驗證性實驗都可以轉化為探究型實驗。比如，在遺傳學實驗中，觀察植物細胞的有絲分裂時首先要軟化和分解細胞壁，通常的做法是將細胞材料放入1mol/L鹽酸在60°C水浴中處理10min,學生只要照著做就一定能得到較好的實驗結果，似乎整個實驗過程中不存在什么問題；但實際上仍可以提出許多問題：如用0.5mol/L鹽酸在60°C水浴中處理20min是不是可以獲得同樣的實驗結果？用2mol/L鹽酸在60°C水浴中處理5min效果會不會更好？等等。圍繞這些問題，學生可以分組進行對比試驗，最終得出正確的答案。而這些對比試驗完全可以在正常實驗課時內完成。這樣就可以把一個原來純粹的驗證性實驗通過教學方法的改變而轉變成一個微型且具有多重設計的探究性實驗。
3遺傳學實驗探究性教學的實踐
當然，遺傳學實驗的探究性教學不能僅憑某一環節的問題式教學，而要將探究性貫徹到實驗過程的各個環節，包括實驗背景的講解(0.5~1節課)、實驗過程的設計和實施(2~3節課)、實驗結果的總結(0.5~1節課)、實驗理論的考核(期末2h)等，將實驗課轉變成全方位培養學生創新意識和創新能力的舞臺。浙江大學大農類專業的植物類遺傳學實驗教學有著悠久的歷史，通過近年來遺傳學國家精品課程的建設以及多輪實驗教學改革，已經積累了較為豐富的探究性實驗教學經驗并取得了較好的教學效果。
3.1啟發式、問題式的實驗講解
背景知識對學生深入理解與掌握一個實驗是必要的。學生有了較多的相關背景知識，在實驗中才會有深入觀察的要求、判斷推理的基礎、準確解釋結果的可能。因此，我們在每一個實驗開始前都會安排10min左右的開卷測驗和20min左右的背景知識講解。這樣做的好處主要是可以為下面的實驗講解做一個鋪墊，引起學生對講解內容的興趣。測驗時多選用一些書本中沒有、對理解實驗原理很有幫助的簡單題目，學生在做測驗題時多數會有挫折感，因而會產生希望得到真正結果的期望。背景知識的講解就圍繞測驗中的問題采用啟發式講解方式展開,必要時可以以邏輯關系依次對學生進行提問，讓學生的思維跟著解決問題的思路走，以最大限度地啟迪學生的創新思維。下面列舉這方面的`兩個例子。
在做"植物細胞有絲分裂觀察"實驗時，會讓學生在測驗中說說為什么根尖要用秋水仙素處理，而且處理的時間一般都定在常溫下4h。對前一個問題，學生一般能籠統地回答；但對后一個問題，學生就只能用"實驗結果證明這是最佳時間"來回答，而幾乎沒有學生能從細胞周期的角度去分析。因此，教師在實驗背景知識講解中就用多媒體著重講解細胞周期的概念，并收集大量植物的細胞周期資料來給學生分析，引導學生自己總結出多數植物的細胞周期在十幾至幾十小時之間，而G2期和分裂前期維持的時間一般在數小時左右，用秋水仙堿處理4h,理論上可讓G2期和分裂前期的細胞都進入中期并停留在中期，從而達到增加中期分裂相之目的；并建議學生進一步嘗試在秋水仙堿的處理時間更多的情況下，有絲分裂的中期細胞相數目是否還會有所增加？因為從理論上講，G1和S期的細胞也可能進入中期并停留在中期而使中期細胞數量進一步增加。通過講解，學生對實驗原理有了更深刻的了解，對許多實驗現象都能從本質上進行解釋，達到"知其然知其所以然"之目的。比如，有的學生總是質疑為什么在染色體壓片中中期分裂相總是那么少呢？通過本實驗的操作和進行結果分析，他們就知道了原來多數植物細胞的分裂中期持續時間僅占整個分裂期的1/10左右，而整個分裂期的持續時間僅占整個細胞周期的1/10左右，因而壓片中中期相細胞數目就只占全部細胞數目的1/100左右，要在壓片中找到正中期的、分散良好的細胞相本來就不是一件容易的事，實驗和研究均需要付出辛勤的勞動。
在做"果蠅的伴性遺傳和三點測驗"綜合實驗時，會先給學生們介紹染色體遺傳學說建立過程的傳奇故事1%以培養學生的科學精神，增強學習遺傳學的興趣，提高學生的智力水平。通常都認為連鎖交換規律是摩爾根(Morgan)發現的，但真正的實驗背景學生了解得并不多。實際上，摩爾根的學生斯特蒂文特(Sturtevant)在連鎖交換規律的發現過程中發揮了重要作用。斯特蒂文特當年還是一名哥倫比亞大學的大學生，接受摩爾根的指導。1911年末在同摩爾根的一次交談中，他突然認識到，已被摩爾根歸因于基因空間間隔差異的連鎖緊密程度的不同，提供了在染色體上確定基因線性順序的可能性。他回家后用了大半夜的時間(不做他的大學生家庭作業)制造出第一張染色體圖。他在1913年的一篇論文中第一次提出了"雙交換"的概念，并用三重雜合子與三隱性突變體回交，證明了"雙交換"的存在，這就是有名的"三點測驗"。把這樣一個本科生創造發明的背景故事放到實驗前的講解中，學生會有耳目一新的感覺，它會使學生認識到只要在實驗中肯動腦筋、盡情發揮自己的主觀能動性，即使是一個處于學習階段的學生，也可以有所發現、有所發明，從而促進學生實驗的自覺性和主動性。
3.2探究性實驗的設計和實施
探究性實驗需以問題為核心。課程實驗設計就是要學生通過一系列的置疑、判斷、比較、選擇以及相應的分析、綜合、概括等多樣化的過程，由發散到收斂，由求異到求同;通過自主設計實驗、自主完成實驗、自主管理實驗，激發學生創新思維和創新意識，讓學生逐漸掌握思考問題、解決問題的方法、提高其創新實踐能力。因此，探究性實驗的目標并不是讓學生在實驗中去攀登科技高峰、產出具有高水平應用價值的實驗成果，而是讓學生通過主動學習去掌握科學研究的方法、培養創新的意識和提高創新能力。這也就決定了課程實驗并不需要設計高深的實驗項目，而只需要在教學設計和實施方法上適當做一些改進和創造。
例如，"植物細胞有絲分裂觀察"是一個典型的驗證性實驗。過去一般用洋蔥根尖為材料，一個球莖放在盛水的燒杯上幾天后就可得到幾十條根尖,操作簡單；固定和解離的方法和時間都是預先設定好的，結果很容易得到。但通常細胞壁沒有解離，學生只能區分有絲分裂各個時期的細胞相，但很難看到正中期染色體的完整結構，做核型分析則更難。近年來我們對該實驗進行了改進，采用不同的材料(田間植株獲取的根尖和種子發芽獲取的根尖等),針對關鍵環節由學生自己設計和試驗得出最佳的處理方法。主要做法是抓住"解離時間"這一關鍵問題，讓學生自行分組使用不同解離處理的時間。如試驗分為6個小組，解離時間可分別設為5min、10min、15min、20min、25min、30min等。實驗結束后小組間比較實驗結果，得出不同材料的最佳處理時間。這樣做的好處是：①讓學生分組設計，各個組必須協調一致才能得出最佳的結果，有利于培養學生的主動性、積極性和創造性，并增進協調能力和團隊精神；②學生通過探究可以得出不同材料所需的實驗條件大不相同的結果，有利于促進學生科研素質的提高；③所用材料可使學生看到正中期染色體的完整結構，增加學生的實驗興趣。
又如，"植物染色體的加倍技術"是一個經典的遺傳學實驗。過去一般挑選做起來比較方便的材料(如洋蔥根尖)，由教師做好所有前期實驗準備，學生只要上課時看一下形態、做一下根尖細胞學鑒定就可以了，實驗一般能在3個學時內完成。而在我們目前的教學中，則以學生感興趣的西瓜為實驗材料，具體做法是：以5人為一個實驗小組，每小組發20粒二倍體西瓜種子，去殼后在適當溫度下生根發芽，2d后移栽到裝有營養土的一次性紙杯中，經過48h再用秋水仙堿溶液進行染色體加倍試驗，各小組可嘗試不同的加倍方法；等長出3片以上真葉(約過20d)時移栽到大田，在開花前(約過40d)取植株頂端幼嫩葉片用細胞流線儀鑒定植株染色體倍數;各小組比較實驗方法和結果，評選出最佳實驗結果,最后上交完整的實驗報告。
這種實驗設計方法有著許多優點：①實驗綜合性強：實驗將種子學(發芽技術和播種)、遺傳學(染色體加倍、減數分裂觀察)、育種學(移栽)等有關知識串成了一線，大部分操作需在課外進行，時間跨度大，從3月份開始一直持續到6月底；②學生自主探究：每個小組的秋水仙堿加倍方法都可以不同，如有的小組直接將西瓜種子放在不同濃度的秋水仙堿溶液中發芽；大多數小組采用在莖尖處滴加秋水仙堿溶液的方法，但采用的處理濃度和處理時間的組合不同，甚至滴加的方法都不同，如有的組嘗試用掛鹽水的方法給莖尖加液，使莖尖始終保持在秋水仙堿溶液的作用之下，取得了很好的加倍效果；③鑒定技術性強：除了可用植株外觀、葉片氣孔大小結合染色體壓片技術鑒定西瓜的染色體倍數之外，本試驗主要采用細胞流線儀進行倍性鑒定,結果既快又好，可讓學生體驗尖端儀器和技術的魅力，增進創新意識的培養；④知識與產品雙豐收:實驗結束時可收獲不少西瓜，學生參與實驗的積極性很高。
3.3舉一反三的實驗總結和討論
實驗結果存在多重性：有的是符合預期目標的,有的是部分符合預期目標的，有的是與預期相差較遠的。但探究性實驗在形成關于某一問題的結論后,學生還需要與他人進行相互交流、總結和討論，以達到求同之目的。通過交流、討論和總結，學生可以獲得多種可能的解釋，有助于將實驗證據、科學知識和結果解釋這三者更緊密地聯系起來，最終找到實驗結果差異的原因，并獲得同一的科學結論,取得畫龍點睛、舉一反三的效果。
實踐中需要非常重視實驗后的總結和討論，這是訓練學生創新思維的重要一環，學生也很感興趣。如上述提到的"植物細胞有絲分裂觀察"實驗,分組實驗的結果很不一樣，解離時間少于5min或多于10min的，細胞染色較淺或不染色，而解離時間在7~10min的，細胞染色的效果就很好。為什么會出現這種情況呢？我們就引導學生進行深入的分析。首先，解離的目的是什么？是軟化和分解細胞壁。其次，解離時間的長短為什么會產生完全不同的結果？原來是因為時間短了，軟化和分解不徹底,細胞的分散性就不好，染色劑就不能進入細胞核中與染色體結合，染色效果就不好；但如果時間太長,鹽酸就會破壞染色體的結構，使染色體不能與染色劑的基團結合，使染色體不能著色。通過分析和討論，學生既明白了產生所有實驗現象的原因，又掌握了染色劑的染色機理，還對細胞、染色體和染色劑的化學結構有了一定的了解。
更典型的是"果蠅的伴性遺傳和三點測驗"綜合實驗。要測定果蠅上三個連鎖基因間的距離，需要用三隱性母本與野生雄蠅做一次雜交，雌蠅再與三隱性雄蠅做一次測交，然后統計測交后代8種表現型的數量。由于每個小組的測交群體不可能很大，難免有的小組中8種表現型的分布不符合理論分布，或者各個小組的實驗結果出現較大的偏差。因此，這類實驗的總結就顯得尤為重要。我們現在的做法是將每組的實驗結果匯總在黑板上，然后將每組的數據相加后得出一個三點測驗的結果,并把這個結果與歷年的實驗結果相比較。這樣全班學生就可以看到小群體(小組)與大群體(全班)的實驗結果差異，對統計分析的本質有一個直觀的了解。另外，在每次實驗后還需要學生討論一個問題:每本實驗指導書上都寫著要用三隱性母本與野生雄蠅雜交來做三點測驗，如果我們倒一倒，用野生母本與三隱性雄蠅來做組合行不行？對這個問題，開始時課堂上幾乎所有學生都不置可否。這時我們就讓學生到黑板上來演示實驗過程，在教師的引導下漸漸明白原來用野生母本與三隱性雄蠅來做組合也是可以的，但在F:必須取處女蠅用于測交；而用三隱性母本與野生雄蠅雜交來做三點測驗就不用在F:取處女蠅了，可以節省大量的實驗工作量，所以一般的實驗指導書中都提倡用三隱性果蠅做母本。通過這樣的分析、演示和討論，學生經歷了一次較全面的遺傳分析的洗禮，對遺傳學的基本原理有了更深刻的理解，同時學生的創新思維也得到了一次很好的訓練，獲益匪淺。
3.4全面靈活的實驗理論考核
單獨的實驗理論考核是近年來我們在遺傳學實驗教學上的一項重要舉措。因為任何一項實驗技術及其原理都有其產生和發展的過程，學生只有在了解技術及其原理的發展過程的基礎上,才有可能在今后的研究中對技術進行改進和完善。因此，我們在實驗背景講解中一般都要闡述實驗技術及其原理發展的脈絡。但單純的實驗操作和實驗報告并不能完全反映學生掌握實驗技術和原理的全貌及探究能力的好壞，而通過閉卷考試可以有效地探知這方面的教學效果。
閉卷考試主要考核學生已做實驗所涉及的原理、基本概念和技術方法，以及學生分析問題、解決問題的能力，在實驗總成績中占有30%的份額。考試題型主要有是非題、簡答題和分析設計題，其分值比重分別為20%:50%:30%。為了防止學生死記硬背而不求甚解，考題一般都出得比較靈活，主要是要求學生根據自己掌握的實驗原理去分析實驗中遇到的一些現象和得到的實驗結果，在教材或實驗指導書中一般都找不到現成的答案。如在簡答題中,有一題是關于10幅有關減數分裂、有絲分裂和分子電泳的圖片，在沒有任何提示的情況下，要求寫出這些圖片所包含的遺傳學信息，學生如果光死記原理而不注意在實驗課上進行仔細的觀察和思考，寫出正確的答案就有一定難度。這樣的考試無形中增加了學生的學習壓力,學生在實驗課時的提問量明顯增多，對于培養學生分析問題解決問題的能力、提高實驗教學質量起到了較大的推動作用。
3.5綜合完善的實驗成績評價
一個好的實驗教學評價體系是激勵學生進行探究性學習的重要保證。近年來本著"客觀反映學生的實驗態度、客觀評價學生掌握實驗技能的程度和實驗素質、客觀反映學生的認知能力和創新能力”的指導思想,我們建立了遺傳學實驗成績綜合考評體系,考核內容包括：預習、實驗設計、實驗過程、實驗報告以及平時和期末的每一個環節，形式多樣,面試、筆試和實驗操作等相結合。其最大的亮點是從平時的小測驗、提問、實驗的設計、實驗過程中的動手能力、實驗報告等各種實驗活動中去發現學生的創新意識，并及時記錄，在最終評價中予以體現。如在下列情況下，實驗成績都可以給予不同程度的加分：學生做測驗時，答案正確，而且能夠進行詳細的遺傳分析；實驗設計時能夠別出心裁，提出不同于教材但基本合理的實驗方法；實驗獲得特別好的結果，其結果可以作為教學的標本或素材;討論時能提出獨到見解或對實驗問題能做出精辟分析等。在這些激勵措施引導下，學生做實驗的積極性和主動性有很大提高，許多學生能在課前鉆研實驗原理和方法，通過各種途徑認真査尋資料，做出自己獨樹一幟的實驗設計。我們目前在課堂上采用的許多實驗方法，如永久制片的二步脫水法、西瓜染色體加倍的"吊針"法等，都是前幾屆學生創新的結晶。
4結語
當然，探究性實驗的形式是多種多樣的，針對不同實驗，人們所經歷的探究過程、采取的探究方式都有所不同，不會存在一種絕對的、固定化的模式或統一化的模式。探究性實驗的宗旨是讓學生更好地發揮學習自主性，通過探究的過程，掌握科學研究的方法并培養他們創新思維的習慣和能力。隨著實驗教學改革的進一步深入，一定會涌現出更多更新更好的探究性實驗教學方法，進一步促進遺傳學實驗教學效果的提高。
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