基于创新能力培养的综合性实验设计与实践
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作者:肖娟 陈华波 陈雪娇 姚劲松 翟立红
[摘 要]培养大学生的创新能力是高校素质教育的重要任务之一，而实验教学中综合性、设计性实验的开设对培养学生创新能力和建构系统化知识体系具有重要作用。“科研反哺教学”是打破陈旧的实验教学内容，设计综合性实验的重要手段。将开设两年的课外实践创新项目中的创新性实验“人类苦味受体TAS2R38基因多态性分析”引入到临床医学专业本科生的医学遗传学实验教学中，作为综合性实验项目，从人类PTC尝味的表型鉴定到单倍型分析，使学生深入理解基因型和表型之间的联系，丰富了实验教学的项目类型，激发了学生对实验课程的学习兴趣，初步培养了学生的创新实践能力。
[关键词]创新能力;综合性实验;改革
[基金项目]2019年湖北文理学院创新创业教育教学研究专项“基于创新能力培养的科研项目引入本科生实验教学的探索与实践”（2019018）;2017年湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目“中枢神经系统的发病机制和诊治方法研究”（T201915）;2017年湖北文理学院教学建设与改革项目“临床医学特色专业建设”（JS2017）
[作者简介]肖 娟（1983—），女，湖北襄阳人，博士，副教授，主要从事神经免疫学研究;翟立红（通信作者）（1983—），女，河北邢台人，博士，副教授，主要从事分子生物学和遗传学研究。
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）46-0-03 [收稿日期] 2020-09-28
医学遗传学是生命科学领域重要的基础学科，是遗传学与医学相结合的边缘科学[1]，是本科临床医学专业的一门专业基础课。实验在医学遗传学教学中具有重要作用，经典的医学遗传学实验教学项目有正常人染色体核型分析、减数分裂标本制备与观察、人类正常性状和PTC尝味能力的遗传分析等[2]，教学项目类型单一、实验内容陈旧。实验教学除了掌握基本操作和实验技能外，更应该注重实验内容的研究性和前沿性。相对于目前单一的验证性实验，综合性实验不仅能检验学生对基础理论的掌握程度，也能培养学生的综合创新能力[3]。“科研反哺教学”是改善实验教学现状的有效措施。本文将开设两年的课外实践创新项目中的创新性实验“人类苦味受体TAS2R38基因多态性分析”引入临床医学专业本科生的医学遗传学实验教学中，作为综合性实验项目，力争将实验教学与大学生创新能力培养结合起来。现就该实验的教学思路、设计和实施方案、教学效果等进行探讨。
一、教学思路
科研和教学是高校教师的基本职责，而大部分青年教师面临着如何处理科研和教学关系的问题。如何将科研与教学有机结合、相辅相成，实现科研与教学的统一发展是本研究的基本思路。长期以来，实验教学的实验项目类型单一，项目之间知识点独立，难以让学生形成系统的知识架构，更谈不上创新性思维。本次改革的教学思路就是从实验教学入手，更新经典的验证性实验，将科研的思路融入其中，综合不同课程的知识点，设计成综合性实验，以期培养学生的实践创新能力。笔者在调研上海交通大学医学院的课程整合实施方案时，发现该校将医学遗传学、细胞生物学、分子生物学和组织胚胎学的部分内容有效整合在一门课程中。实践证明，整合课程是教学内容改革的必然趋势，促进相关内容的纵向整合和横向整合，以帮助学生正确理解遗传现象的本质[4]。与整合课程相对应的实验教学，也急需整合各课程的知识点，更新目前的实验项目，开展综合性实验。
二、实验设计及实施方案
本文设计的综合性实验的授课对象为临床医学专业学生，实施时间为大三上学期，采用一人一组的教学方式，设置12学时。该实验基于医学遗传学实验教学中传统的PTC尝味能力的遗传分析实验，属于群体遗传学的知识点。传统的实验学习目标包括掌握不完全显性的概念，学习基因型频率和基因频率的计算;加深理解群体遗传平衡定律，并掌握卡方检验的方法;初步培养群体调查能力。实验步骤主要包括配置不同浓度的PTC溶液，学生自測或者互测尝到PTC苦味的浓度编号，判断自己的基因型（TT，Tt或tt），之后统计全班的基因型，进行遗传学分析，包括计算基因型和基因频率，卡方检验群体是否处于平衡等内容。传统的实验内容基本上包括了遗传学和统计学的知识，但是，在目前医学教育改革提倡课程整合的大趋势下，该实验显得教学内容陈旧、涉及学科较少、渗不透遗传现象的本质等问题。在高中学习阶段，同学们对T和t这一对等位基因的理解比较深刻，但是，从DNA层面来理解T和t的区别是大学阶段的学习重点。
笔者在改革实验之前，进行了为期两年的论证和实践，带领课程团队成功开设了4期基因克隆与功能研究课外实践创新课程。该课程涉及了NCBI数据库的介绍和使用、基因序列的查找和分析以及常用分子生物学技术等内容，分为理论和实践教学，得到了学生的一致好评[5]。我们将课外实践创新课程上的科研小项目“人类苦味受体TAS2R38基因多态性分析”引入到医学遗传学课程的实验教学中，改变该实验的弊端，即学生无法从分子角度理解T和t这对等位基因的区别，更加无法理解单倍型的概念。改革后的综合性实验项目结合了医学遗传学、分子生物学、医学统计学和生物信息学等知识，其中生物信息学及其相关软件的使用更是学生平时上课接触不到的知识，丰富了实验教学内容的同时，开拓了学生的科研视野，对培养学生的创新意识具有较大的作用。
具体的实施方案是将传统的PTC尝味能力的遗传学分析作为前期实验内容，后期联合人类苦味受体 TAS2R38基因多态性分析形成一个综合性实验。实验目的包括掌握DNA提取的原理和步骤，掌握PCR反应的基本原理，熟悉PTC尝味能力决定基因TAS2R38的结构和功能，熟悉基因决定性状、单倍型等概念。实验前期准备工作包括学生在老师的辅导下从NCBI网站下载人类TAS2R38基因的序列和设计扩增基因序列的引物。
实验步骤包括使用DNA提取试剂盒提取学生自身的唾液DNA、PCR扩增TAS2R38基因序列、琼脂糖电泳检测PCR产物、PCR产物进行3730测序、测序结果的分析等。实验结果包括画出TAS2R38基因的结构图、基因CDS和肽链序列长度及引物所在位置、PCR扩增结果图并标明片段大小、全班测序序列的比对结果、分析T和t等位基因的差异位点、单倍型的类型并计算单倍型频率等（图1）。 通過以上综合性实验流程，学生将深入理解人类基因的结构和序列，并深刻体会遗传现象的本质和基因决定性状的基本概念，有利于学生对科学研究有系统、综合的认识，激发学生的创新性和科研积极性。
三、教学效果总结
为了解学生对本次综合性实验开设的满意度，在课程结束后，我们通过问卷调查的方式进行教学效果评价。同一班级的学生（2018级临床医学专业151名学生）分别对开设综合性实验的医学遗传学和未开设综合性实验的生物化学的实验教学进行满意度测试。结果显示，90%的学生对医学遗传学实验教学较满意，94%的学生对医学遗传学实验课程中开设综合性实验较满意。而未开设综合性实验的生物化学课程，仅有78%的学生对实验教学较满意，15%的学生对实验教学一般满意，7%的学生对实验教学不太满意（图2、图3）。
之后通过教师与学生面对面的交流，学生提出具体的意见和建议。①每个人提取自己的DNA并利用自己设计的引物进行PCR扩增和测序，给学生实验操作的机会，避免了多人小组实验中部分学生不参与实验的缺点，实验技能显著提高，也增进了学生和教师的交流。②医学遗传学综合性实验设计多门专业基础课程的实验内容，学生对知识的掌握更加系统化。③教师对综合性实验的设计中包含了教师引导学生独立思考，学生参与到实验前期准备中，激发了学生对实验课程的热情。④接触到了课堂以外的科研实验内容，初步培养了学生对科研的兴趣。
综上所述，将“人类苦味受体TAS2R38基因多态性分析”引入到医学遗传学课程的实验教学中，综合了多学科的基础知识和实验手段，让学生系统地学习和领会了遗传现象的本质，模拟了科学研究的基本流程，培养了学生实践技能、科研思维与创新能力。
参考文献
[1]单长民，武玉永，杨军厚，等.医学遗传学课程的优化整合与实践[J].中国优生与遗传杂志，2015，23（6）：133-134.
[2]王修海，单长民，杨康鹏.医学遗传学实验指导（第3版）[M].北京：科学出版社，2012.
[3]梁可，徐英辉，余巧，等.基于学科交叉的药学实验教学模式的改革与实践[J].食品与药品，2017，19（1）：14-15.
[4]顾明敏，陆振虞，黄雷，等.医学遗传学课程建设的探索与实践[A].中国遗传学会，首都师范大学，安徽师范大学.高等院校遗传学教学改革探索[C].中国遗传学会，首都师范大学，安徽师范大学：中国遗传学会，2010：5.
[5]翟立红，郑康鹏，任家鑫，等.本科课外实践创新课程的教学与体会—以《基因克隆与功能研究》为例[J].中国卫生产业， 2019，16（13）：117-118.
Abstract： Cultivating the innovative ability of college students is one of the important tasks of quality education in colleges and universities， and the opening of comprehensive and design experiments in experimental teaching plays an important role in cultivating students' innovative ability and constructing systematic knowledge system. Support teaching with scientific research is an important means to break the old experimental teaching content and design comprehensive experiments. The author introduced the innovative experiment "human bitter receptor TAS2R38 gene polymorphism analysis" into the teaching of Medical Genetics Experiment for undergraduates majoring in clinical medicine. From human PTC taste phenotypic identification to haplotype analysis， students can deeply understand the relationship between genotype and phenotype. This attempt enriches the project types of experimental teaching， arouses students' interest in experimental courses， and cultivates students' innovative practical ability.
Key words： innovation ability; comprehensive experiment; reform
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