生物統計學原理融入動物遺傳學實驗課的探索與實踐

王春秀　李文婷　孫桂榮　王克君　李春麗

摘 要：動物遺傳學實驗課是加強學生理解遺傳學基本理論和掌握實驗技術的主要途徑，是提高動物遺傳學教學效果的重要環節。課程組對動物遺傳學實驗課內容進行優化，在實驗項目中注重生物試驗設計思想，讓學生參與實驗設計，旨在提高學生參與實驗課的主觀能動性，增加參與實驗課的積極性，提高他們分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：動物遺傳學;生物統計學;實驗教學;教學改革

中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）07-0184-03

動物遺傳學課程是高等農業院校動物科學相關專業的專業基礎課，而動物遺傳學實驗課是該課程教學中的重要環節，學生通過實驗課加強對動物遺傳學抽象概念的理解，也是理解掌握遺傳學理論和實驗技術的主要途徑。但傳統的動物遺傳學實驗課多數為驗證性實驗，授課方式為教師先做預實驗，學生臨摹，這種實驗課教學模式已經不能滿足現有動物遺傳學教學的需求，為此，很多高校動物遺傳學課程組對實驗課教學進行研究和探索。例如，劉滿清等[1]提出以學生為主體的學研改革模式，苗永旺[2]等圍繞完善課程的理論和實驗教學方法和教學手段及完善考核評價制度等方面進行改革，官員等[3]探討思維導圖在動物遺傳學實驗教學中的應用，石建周等[4]對實驗課教學模式和考核方式進行探討，李碧春[5]等對在線開放課程教學模式進行探討，課程組前期在遺傳學實驗課的教學進行了初步探索[6]。任何一個實驗采用合適的試驗設計對結果的影響都至關重要，而采用合理的統計分析方法分析實驗數據以及對結果的解釋均需要統計學思想。為提高學生開展實驗課的成功率，增加學生參與實驗課的積極性，本研究實驗教學改革是在課程組前期的研究基礎上，把生物統計學思想融入動物遺傳學實驗課的教學中，通過學生參與實驗課的設計，提升教學質量，提高學生分析問題和解決問題的能力。

1 動物遺傳學實驗課的實驗內容

河南農業大學動物遺傳學課程于2006年被評為河南省精品課程，2018年被評為河南省精品在線開放課程，2021年被評為河南省線上線下一流本科課程。該課程56學時，其中理論36學時，實驗課20學時。為保證實驗課的知識系統性和連貫性，實驗課除常規實驗外，打通4個綜合大實驗，分別為：染色體制備和細胞周期觀察，果蠅綜合大實驗、血型遺傳率和群體遺傳結構分析，分子生物學大實驗等。為增加學生上課的主動性、參與感，每個綜合實驗實驗材料的準備階段均讓學生提前參加討論，分組設計不同方案，并討論可能出現的結果以及解決問題的方法等。

2 生物統計學原理融入遺傳學實驗項目設計

2.1 染色體制備和細胞周期觀察試驗采用雙因素實驗設計 雙因素完全實驗設計的原理，是研究2個不同的處理因素對1個或多個自變量是否產生影響。在動物遺傳學實驗課中，細胞周期觀察、染色體核型分析和果蠅唾液腺染色體觀察均需要對收集材料進行處理，首先使用1N鹽酸在室溫條件下解離3～8min，漂洗后用改良苯酚品紅染色3～7min;由于取材部位和大小存在差異，以及解離和染色時間的不同，試驗結果差異較大。如果解離時間短，材料的細胞不能完全分開，后面染色難度加大;但解離時間過長，導致取材組織浸泡時間過長，無法尋找生長點或者細胞過于分散。如果解離時間合適，但染色時間太少、無法著色，效果同樣差，很難看出細胞內部的形態;但染色時間過長，載玻片中細胞背景顏色過深，也很難觀察清楚處于分裂期的細胞形態。因此，在該實驗課開展之前，與學生一起討論要想取得理想的實驗結果，在操作的過程中需要注意哪些問題，以及如何進行合理的實驗設計解決這些問題。通過因勢利導，把解離時間和染色時間作為雙因素對樣品進行處理。通過近兩年的實施，有絲分裂染色體形態觀察和果蠅唾液腺染色體觀察制片成功率提高40%，同時增加了學生參與實驗課的主動性，也增加了實驗結果的準確性和科學性。另外，還可以讓學生討論與探究是否有其他因素影響實驗結果，如細胞分裂最活躍的時間段是上午10時，即使是合適的解離和染色時間，由于根尖的取樣時間不同，觀察到的細胞分裂相情況也可能不同。

2.2 在果蠅生活史觀察中引入局部控制的思想 統計學實驗設計三大原理，隨機、重復和局部控制。為讓學生理解局部控制在實驗設計中的重要性，對實驗結果可能產生顯著影響，在動物遺傳實驗課中，通過對果蠅生活周期的觀察，讓學生進一步了解什么是局部控制，局部環境對實驗結果可能產生的影響。因此，在果蠅生活史觀察實驗項目開展時，采用任課老師把果蠅接種于50mL的已鋪好培養基的果蠅瓶中，每個果蠅瓶中雌雄各半的3～5對果蠅，然后分發給學生，每2位學生1個果蠅瓶，讓其拿回宿舍自己觀察果蠅生活史，并記錄果蠅每天的形態特征和溫濕度等天氣情況，14d以后，以班級為單位總結果蠅生長情況。

2021年春季實驗課發給學生48支果蠅瓶，學生隨機把果蠅瓶分別放在南側陽臺、宿舍床下、北側陽臺，樓道等不同環境中，在不同環境中果蠅的生長狀態相差很大（表1），果蠅瓶放在床下的果蠅正常生長，繁殖較多，果蠅瓶置窗臺上爆嗮，培養基出現干裂，果蠅死亡等情況。通過該實驗讓學生切身體驗到局部控制對實驗結果的影響，同時延伸到畜牧生產中，由于環境的不同，如場季效應、籠層效應、通風口等對動物的生長發育均可能產生顯著的影響。

2.3 目的基因檢測引入設置試驗對照組 開展科研試驗的目的是研究處理因素對試驗對象的影響，也就是研究處理因素是否存在效應以及效應的大小。因此，在具體試驗過程中，要求除了研究的處理因素是變化的，其他因素盡可能保持一致。但有些因素無法全部控制。因此，合理設計對照能夠最大限度地減少非處理因素對試驗結果的影響。對照的形式有多種，可根據實驗目的及內容選用不同的對照，常用的對照包括陽性對照、陰性對照、空白對照等。

在動物遺傳學實驗課中，分子生物學綜合大實驗包括基因組DNA提取，基因的PCR擴增和瓊脂糖凝膠電泳等3個環節?；蚪MDNA提取和瓊脂糖電泳相對容易掌握，PCR擴增主要包括PCR反應體系和擴增體系，其中PCR擴增的反應體系成分較多，包含Taq酶、目的基因的引物、基因組DNA、buffer或水;在加樣的過程中，Taq酶、引物和基因組DNA等任何成分出現問題，均有可能導致PCR擴增失敗，實驗課時因大部分同學是第一次使用基因槍，由于是未來加入樣品，所以每次開展該試驗，成功擴增出產物的實驗小組不到30%，嚴重挫傷了學生開展該試驗的積極性。

為解決PCR過程中哪個環節出現問題，經過幾年的探索，除了按照雙因素試驗設計思想外，通過課前討論，在實驗設計中設置對照及用標準品DNA和內參基因GAPDH分別作為提取DNA和目的基因的對照。

通過采用合理的實驗設計，由于使用標準品DNA和內參基因，大大提高了成功率，幾乎每個實驗小組都可看到PCR擴增成功的結果。對自己提取DNA和設計的引物沒有擴增結果的，也可以分析是基因組DNA還是引物出問題。通過該試驗方案的改革，讓學生明白做實驗過程中實驗設計的重要性，不僅提高了試驗成功的幾率，更提升了學生分析問題和解決問題的能力，增加了科研的主動性。

3 教學改革效果分析

把生物統計課的思想融入動物遺傳學實驗課教學體系，學生參與實驗課的每個教學環節，增加了學生參與實驗課的主動性，提高了上課的積極性。尤其是最近2年疫情的原因，理論課采用線上講授，實驗課線下集中上課，實驗教學改革效果更彰顯其優勢。

3.1 學生參與實驗前期工作，提高了學生參與實驗課的主動性和主導作用 根據實驗課的教學目的，把動物遺傳學原來10個試驗，整合為4個綜合大試驗。每個綜合實驗均為設計性實驗，學生根據實驗內容和要求，參與實施方案的制定，明確具體的實驗方法、實驗設計、技術要點及注意事項。改變以往教學方式，整個實驗課由教師主導教學，介紹實驗課目的、原理、內容和操作步驟后，接著做示范教學，學生觀摩和再做實驗的被動狀態，學生由被動強迫式學習變為自己主動要學，提高了參與實驗課的主動性和主導作用。

3.2 增加了學生動手能力和試驗成功的幾率 傳統實驗課課時為2個學時，由于受到時間的限制，教師講授基本實驗原理和操作注意事項等時間也很短，學生就是按照流程做一遍實驗，大部分實驗未能達到有理想結果，從而挫傷了學生參加實驗課的積極性，在理論學習和動手操作能力均受到限制;改革后的實驗課時間一般在4h以上，學生有充足的時間進行思考和實驗操作，增加他們的動手能力。由于學生理解了實驗操作原理，掌握了實驗操作方法，加上時間充足，很大程度地增加了實驗成功的幾率。

3.3 增加了學生科研興趣，培養了學生科研分析能力 通過改革后的實驗課教學，由于學生自己參與實驗課的設計，每次實驗課結束，無論是實驗結果成功還是失敗，學生對結果分析更有針對性，尤其是實驗失敗，他們能主動查閱資料，進行分析，尋求可采用解決的辦法。也增加了學生學習的積極性，無論是課前還是課后，積極向老師咨詢問題，不僅增加了師生互動，也提高了學生獨立思考問題、分析問題和解決問題的能力，使學生能用遺傳學的視角深入思考問題，用這些原理來闡釋生命過程，特別是動植物生命過程中的種種規律和現象。

4 問題與體會

動物遺傳學試驗課的教學改革，通過把生物統計的思想融入實驗課中，增加學生的主動性，真正發揮了實驗課輔助教學的作用，但是也存在一些問題。

4.1 實驗課上課時間協調難度增大 傳統實驗課課時為2個學時，學校的教務系統課時安排也是按照2h一次課。因此，由于時間和實驗室等問題，改革后的實驗課安排多數只能在周末，或者理論部分講授結束后，集中上實驗課。而周末上課，不僅增加了實驗課老師的工作，也出現部分學生因為參加周末社團活動而逃課現象;如果理論課結束，集中上實驗課，不能起到與理論課同步，未能及時通過實驗課理解理論課的內容，影響對知識的掌握。

4.2 試驗結果差異大，挫傷部分學生的積極性 實驗課充分體現學生自主思考和動手能力，盡管每位學生都認真自我操作，但是每位學生的動手操作有差異，實驗結果相差很大，尤其是一些學生很認真準備，但是結果是失敗的，挫傷他們上實驗課的積極性。

4.3 實驗課經費增加 在改革后實驗課教學過程中，由于讓學生自主設計方案的實施，相關的處理條件，但是處理水平等不同，如在細胞分裂試驗中，解離和染色時間，有些學生分別設計2個時間點，有些學生設計3個時間點等，分子生物學試驗，購買標準品DNA等，增加了實驗材料和相關試劑的費用。

5 結語

動物遺傳學實驗課是動物遺傳學教學中的重要環節，不同學校都在進行教學改革，但是實驗課教學改革問題仍然存在。本課程組針對河南農業大學動物遺傳學實驗課的特點，為保證實驗課的知識系統性和連貫性，實驗課除常規實驗外，打通4個綜合大實驗，把統計學思想融入動物遺傳學實驗課的教學改革中，盡管存在一些不足，如增加教學經費，協調上課時間等問題，但實踐證明，生物統計學原理融入動物遺傳學實驗課教學改革中，更好地促進了教學質量，提高了學生參與實驗課的主觀能動性和積極性，提高了學生分析問題和解決問題的能力，達到了教學改革的目標。

參考文獻

[1]劉滿清，聶慶華，張細權，等.“動物遺傳學”課程實驗教學改革與探索[J].中國多媒體與網絡教學學報：上旬刊.2019（12）：194-196.

[2]苗永旺，王配，滕曉紅，等.動物遺傳學課程教學改革探索[J].安徽農業科學，2020（6）：276-279.

[3]官員，潘英樹，陳建，等.思維導圖在動物遺傳學實驗教學中的應用與探索[J].黑龍江畜牧獸醫，2019（9）：169-171.

[4]石建州，高宛莉，王冰，等.提高動物遺傳學實驗課程教學效果的探索[J].畜牧與飼料科學，2019（6）：81-84.

[5]李碧春，徐琪，張亞妮，等.在線開放課程教學研究與實踐的一點體會[J].家畜生態學報，2019（10）：91-93.

[6]孫桂榮，王春秀，李春麗，等.地方高等農林高校動物遺傳學實驗教學的思考[J].課程教育研究，2017（44）：242.

（責編：張宏民）

Exploration and Application of Biostatistics in the Experimental Teaching of Animal Genetics

WANG Chunxiu? ?LI Wenting? ?SUN Guirong? WANG Kejun? ?LI Chunli

（College of Animal Science and Technology， Henan Agricultural University， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： Experiment course of animal genetics is the main way for students to understand the basic theory of genetics， further to master the experimental techniques of animal genetics. It plays an important role to improve the teaching effect of theory lessons. We optimized the course contents and introduced the core idea of experimental design they had learned in biostatistics. The aim was to improve the subjective initiative of students and increase the individualize learning activities to participating in experimental course. The ability to analyze and solve problem was finally developed.

Key words： Animal genetics; Biostatistics; Experimental teaching; Teaching reform

基金項目：河南高等教育教學改革研究與實踐項目（2019SJGLX052）;河南省2021年線上線下混合一流本科課程《動物遺傳學》（教高【2021】174號）。

作者簡介：王春秀（1973—），女，河南信陽人，碩士，實驗師，研究方向：動物遺傳育種。 通訊作者：孫桂榮（1976—），女，河南沈丘人，博士，教授，研究方向：家禽遺傳育種。? 收稿日期：2021-11-29