《遺傳學》教學應用探索農學論文范文

本站小編為你精心準備了《遺傳學》教學應用探索農學論文參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：為培養學生的創新能力、激發學習興趣，利用重演實驗過程的視頻教學方法，制作總時長為24分13秒的實驗視頻，詳細介紹了植物基因組DNA提取；目的DNA的分離、純化；DNA體外重組和陽性克隆檢測及測序分析。通過課堂討論與實驗結果分析，引入最新研究技術，幫助學生理解和掌握遺傳學中基因的概念和基因工程章節的基本理論，豐富學生的知識，拓展學生的思維，培養學生解決科學問題的研究技能，探索實驗視頻在農學類專業遺傳學教學中的應用。

關鍵詞：《遺傳學》；實驗視頻；基因工程

建立研究型大學如今已經成為國內綜合性大學的辦學目標，這集中體現了高等教育中科研與教學相互依賴、相互促進的關系[1]。眾所周知，培養研究型創新人才是研究型大學的教學目標之一，但對于《遺傳學》這類教學內容復雜，專業性和實踐性強的學科如何進行教學與科研的互動，并進一步培養學生的創新能力還處于探索階段[1-6]。《遺傳學》是實踐性、應用性很強的學科，絕大部分知識點都是通過實驗獲得。同時，遺傳學與生物化學、微生物學、細胞生物學、數學及計算機科學等學科相互交叉滲透，但可供理論教學的課時數有限，涉及概念多且相對抽象，缺乏感性認識，難以理解。近年來，隨著生命科學研究領域的飛速發展，現代遺傳學的教學重點已從經典遺傳學逐漸轉到基因的分子結構與功能分析以及基因組學[7]。因此，在將遺傳學理論教學向教學科研結合轉變的實踐中，為了進一步啟發學生的思維，提高學生對科學研究的興趣，培養學生的實踐動手能力，課程組結合教師的科研工作，因地制宜，以《遺傳學》[8]課程中涉及《分子生物學》和《基因工程》的相關內容為出發點，制作了總時長為24分13秒的實驗視頻。視頻涵蓋了植物基因組DNA提取→目的DNA（基因）的分離、純化→目的DNA和載體的連接及轉化→陽性克隆檢測及測序分析→質粒DNA提取和酶切→擬南芥遺傳轉化，共6個內容上相互關聯但又相對獨立的教學內容，視頻引導學生在真實的情景中感受、體驗對遺傳物質及基因所做的相關研究，通過獲取直接經驗來加深對基本概念的認識和所學知識的理解與消化。結合學生實際觀看視頻的心得體會，文章對該教學視頻的主要內容、特點及在教學實踐中對學生的引導、啟發進行了概述和總結，并通過視頻播放的效果評價，探討了重演實驗過程的視頻教學方法在農學專業《遺傳學》及相關課程中的應用問題。

一、視頻主要內容與特點簡介

1.植物基因組DNA提取和檢測。視頻采用植物基因組DNA大量提取法，通過文字獨白和實驗展示的形式介紹了植物基因組DNA大量提取的過程和原理。在DNA提取中以近距離展示了50ml離心管中DNA在-20℃100%乙醇中析出時團起的場景，并將白色絮狀的DNA用移液器槍頭勾出，清晰地將遺傳物質——DNA展示給學生。基因組總DNA的檢測和濃度測定結果由瓊脂糖凝膠電泳法和微量核酸蛋白測定儀共同完成。

2.目的DN段的獲得和純化。獲得目的DNA是基因工程的第一步，常用的方法有聚合酶鏈式反應（Polymerasechainreaction，PCR）法、化學合成法、cD-NA文庫法等。其中PCR法是DNA擴增技術的主要手段之一。擴增的目的DNA通過電泳分離后，可以進行片段回收和純化。該視頻以特異引物PCR為主，詳細介紹了目的DN段獲得的各個操作環節，將PCR技術的全過程展示給了學生。在目的DN段純化中，對紫外燈照射下可以觀察到的橘紅色條帶給予特寫鏡頭，并將DNA純化結果用瓊脂糖凝膠電泳圖片顯示出來，使學生能身臨其境地感受目的DNA條帶的切割和后續使用試劑盒對切割條帶進行純化的全過程。

3.目的DNA和載體的連接及大腸桿菌的轉化實驗。純化后的目的DN段，需要選擇適當的克隆質粒載體，進行DN段與載體間的體外連接，獲得重組DNA分子。經轉化的重組DNA可以進入到相應的宿主菌中，用于對目的基因的擴增和表達，還可用于基因的序列分析和轉基因等相關研究。視頻對重組DNA分子的感受態細胞轉化進行了重點拍攝。內容包括超凈工作臺的使用，固體LB培養基上菌液涂布實驗及藍白斑篩選。播放內容一氣呵成，全面展示了重組DNA分子遺傳轉化的基本實驗過程和相關細節，具有重要的演示和示范作用，通過實驗過程的細致講解及演示，幫助學生理解實際的基因操作技術和基因工程的核心理論。

4.重組DNA分子的篩選和測序。重組DNA分子可以在蛋白質水平和基因水平進行鑒定，蛋白質水平鑒定有插入失活雙抗生素對照篩選和插入失活LacZ基因的藍白斑篩選等；基因水平的鑒定有PCR鑒定、酶切鑒定、核酸雜交和基因序列分析等。視頻四是在視頻三藍白斑篩選的基礎上進行陽性克隆的PCR檢測和基因序列分析，并將轉化子的瓊脂糖凝膠電泳檢測和陽性克隆測序結果展示為圖1。圖中具體顯示了轉化子陽性克隆和假陽性的瓊脂糖凝膠電泳檢測結果，結合陽性克隆菌液的DNA測序結果，可進一步分析重組DNA分子的基因序列。視頻四中介紹了目前基因及基因組學研究的前沿技術———DNA測序技術。該技術長期以來一直是基因分析相關研究中最常用的技術手段之一。測序技術在人類基因組計劃、微生物基因組測序、轉錄組分析、單核苷酸多態性分析及基因組學中的廣泛應用，不但使該技術自身得到了快速、深入的發展，也最大限度地促進了其他生物學領域的研究和發展。

5.質粒DNA提取和酶切。堿裂解法是常用地從大腸桿菌細胞中高效提取質粒DNA的方法。視頻為了體現質粒DNA提取和酶切實驗的有效性，選用試劑盒提取質粒DNA，并將提取的質粒DNA瓊脂糖凝膠電泳檢測結果顯示為圖2。同時，添加質粒及質粒載體結構和特點的講解內容，使學生能夠了解它們在基因工程中所起的重要作用。分離獲得的重組質粒DNA經限制性內切酶酶切，并經瓊脂糖凝膠電泳檢測能夠確定酶切片段的準確性（圖2）。

6.農桿菌介導的擬南芥遺傳轉化。植物遺傳轉化又稱轉基因或植物基因工程，研究的關鍵是利用重組DNA、細胞組織培養等技術，將外源目的基因導入植物細胞或組織，使之定向重組遺傳物質、改良植物性狀、培育新品種。其中，農桿菌介導的遺傳轉化系統是外源基因進入植物細胞最成功和應用最廣泛的方法。該視頻主要介紹了農桿菌介導的擬南芥遺傳轉化的過程。其中，表達載體與目的基因連接和帶有目的基因的重組DNA轉化農桿菌的操作具體可以參照視頻三，因此，在視頻中僅對農桿菌侵染擬南芥植株進行了拍攝。

二、課堂討論

重演實驗過程最重要的優點是老師和同學們可以參照實驗視頻，深入發掘其中的內涵、外延知識。這種教學方法的最終目的是通過實驗視頻展示及結果分析，啟發學生對比不同的技術操作原理，引導學生提出問題，并開展相關問題的討論分析，從而激發學生對科學研究的興趣，培養學生解決科學問題的研究技能。因此，課程組在授課過程中除了對視頻內容進行整體播放外，還可以對每部分視頻內容進行單獨播放，引導學生對每個實驗內容進行深入理解。同時，針對不同的實驗內容安排不同的課題討論，并由此引入遺傳學及基因工程中最新的研究進展，豐富和拓寬學生的知識面。

1.植物基因組DNA提取和檢測視頻中，可以引導學生對比SDS法、CTAB法及這兩種方法結合在實際操作中的應用，以及瓊脂糖凝膠電泳法和微量核酸蛋白測定法在DNA濃度檢測中的優缺點。讓學生了解離心操作的重要性和基本的安全操作知識。

2.視頻二所展示的核心內容是PCR技術，該技術自20世紀80年代誕生以來，由于其操作簡便、技術可靠，并在體外短時間內可獲得數百萬個特定DNA序列拷貝，目前已被世界各國廣泛應用于農業、醫學、古生物學等各個領域的基因研究和分析，對遺傳學、分子生物學及分子遺傳學的發展產生了革命性的影響。針對PCR技術的基礎性和重要性，可以引導學生深入了解PCR技術的發展和應用。

3.DNA重組技術是轉基因技術的關鍵技術之一，該技術建立于1972年，是在體外重新組合DNA分子，并使其在細胞中增殖和表達的遺傳操作技術。最新研究表明，遺傳轉化或遺傳修飾技術已經進入了基因編輯的時代。傳統的轉基因技術，如農桿菌介導T-DNA插入法、基因槍法、花粉管通道法等，是將目的片段隨機插入到基因組中，因而存在對受體基因組的信息的隨機破壞和無法控制的缺點。靶向基因編輯技術能精準修飾受體基因組位點信息，盡可能小地降低對受體基因組背景的影響，從而受到廣大生物學家的青睞。那么，對于這種新的遺傳修飾技術有哪些重要的應用？目前正在研究和利用的CRISPR/Cas系統有哪些基本特征？機理是什么？等等問題可以引發學生對前沿科學知識的興趣，并進行跟蹤學習。

4.DNA測序技術已經發展到了第三代測序技術。第一代測序技術以Sanger等發明的雙脫氧鏈終止法為代表[9]；第二代測序又稱下一代測序（Next-generationsequencing，NGS）技術，是真正意義上實現了高通量的劃時代測序技術[10]。第三代測序技術是基于單分子讀取技術，不要PCR擴增，具有可進行甲基化識別，高分辨率檢測單核苷酸多態性等特點，在遺傳學基因定位和復雜基因組測序中具有廣泛的應用前景[11，12]。

5.針對不同的目的基因，如何構建適合的超表達載體以及如何構建高效的遺傳轉化體系都是要深入探討和研究的問題。除此以外，還可以對農桿菌介導的遺傳轉化與其他遺傳轉化方法的對比分析進行課堂討論。由于遺傳學課程的總課時數在很多高校中都一再縮減，所以授課教師可以依據自己的研究方向以及學生的接收程度，在課堂討論中對個別問題或2—3個相關問題進行深入探討。

三、學生意見反饋及對視頻播放的效果評價

1.經過遺傳物質的分子基礎和基因工程理論課講解后，課題組對學生觀看視頻后的意見進行了收集和分析，發現大部分學生對視頻的制作和內容安排都非常滿意，并表示觀看后對自己很有幫助，尤其對基因的概念和基因工程的基本操作步驟有了清晰的認識。

2.整體而言，通過遺傳學理論課的系統講解，視頻播放的效果顯著，對學生影響較大。其中，通過DNA重組技術和DNA測序技術及測序結果的演示和講解，將前沿科學技術引入日常教學，不但豐富了教學內容，拓展了學生的知識面，還能最大限度地激發學生的學習積極性，鼓勵學生主動參與科學研究，實踐各項科學技術，為后續學習和進一步的深造奠定基礎。

四、結語

針對分子遺傳學發展迅速的現狀，結合科研工作和實驗室的工作條件，因地制宜，將教學內容中涉及“分子生物學”和“基因工程”的部分實驗環節錄制成視頻，在教學過程中邊講解邊放映，引導學生在真實的情景中感受、體驗對遺傳物質及基因所做的相關研究，通過獲取直接經驗來加深對基本概念的認識和所學知識的理解與消化。用短小、精練的6個小視頻將重點知識單元串聯成為一個完整的體系，為學生全面了解遺傳物質———基因和分子生物學及分子遺傳學所進行的基因操作奠定了基礎。視頻充分應用現代多媒體技術和設施，采用重演實驗過程的教學方法，完整地再現了遺傳學誕生以來，生命科學中利用的重要技術發明如：DNA重組技術，DNA測序技術及聚合酶鏈式反應技術。該教學過程的實踐，既能引領學生了解遺傳學的前沿知識，讓學生對遺傳學的重要概念有深入的認識，又能發展學生的個性，培養其探究能力和創新意識。此外，相關視頻已在《生物技術概論》課程的基因工程章節中進行了播放，同學們反響強烈，經前期系統的理論介紹后，再通過實驗視頻的回復播放，將前沿科學技術引入日常教學，不但豐富了教學內容，使教學內容更加生動形象，還拓寬了學生的視野，彌補了實驗條件的不足。因此，該視頻不僅可以在《遺傳學》相關章節中使用，也可以在生物技術相關課程中進行使用，同時為遺傳學微課和翻轉課堂的建設提供了支撐。最終，該實驗教學視頻將教師實踐的科學研究引進并應用于教學，使研究為教學所用，彌補理論教學和實踐教學的不足，促進教學與科研的互動，為實驗視頻在農學類專業遺傳學教學中的實踐和應用提供了參考。

參考文獻：

[1]邢萬金,莫日根,蘇慧敏.生物學教學中研究型教學方法與內容的探索[J].遺傳,2014,36(7):732-738.

[2]林海,李虹,袁建關,何勇.大學研究型教學的理論與實踐探索[J].北京科技大學學報(社會科學版),2013,29(1):94-99.

[3]何風華,朱碧巖,高峰,李韶山,李娘輝.孟德爾豌豆基因克隆的研究進展及其在遺傳學教學中的應用[J].遺傳,2013,35(7):931-938.

[4]邢萬金,扈庭茂.本科基因工程大實驗教學改革的實踐和體會[J].生物學通報,2007,42(2):48-50.

[5]劉冰,陳厚,倪文莉.以科學本質為基礎的研究型教學新思路[J].高等理科教育,2011,(3):74-78.

[6]張安富.改革教學方法探索研究型教學[J].中國大學教學,2012,(1):65-67.

[7]邢萬金,莫日根,阿拉坦高勒,蘇慧敏.以遺傳信息為主線的遺傳學教學架構及與其他課程的銜接[J].遺傳,2011,33(6):661-664.

[8]劉慶昌.遺傳學[M].第二版[11]陸才瑞,鄒長松,宋國立.高通量測序技術結合正向遺傳學手段在基因定位研究中的應用[J].遺傳,2015,(37):76-77.

[12]劉振,徐建紅.高通量測序技術在轉座子研究中的應用[J].遺傳,2015,(37):885-898.

作者：劉鳳樓 劉萍 單位：寧夏大學農學院