生物统计学原理融入动物遗传学实验课的探索与实践

生物统计学原理融入动物遗传学实验课的探索与实践

摘 要：动物遗传学实验课是加强学生理解遗传学基本理论和掌握实验技术的主要途径，是提高动物遗传学教学效果的重要环节。课程组对动物遗传学实验课内容进行优化，在实验项目中注重生物试验设计思想，让学生参与实验设计，旨在提高学生参与实验课的主观能动性，增加参与实验课的积极性，提高他们分析问题和解决问题的能力。

关键词：动物遗传学;生物统计学;实验教学;教学改革

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）07-0184-03

动物遗传学课程是高等农业院校动物科学相关专业的专业基础课，而动物遗传学实验课是该课程教学中的重要环节，学生通过实验课加强对动物遗传学抽象概念的理解，也是理解掌握遗传学理论和实验技术的主要途径。但传统的动物遗传学实验课多数为验证性实验，授课方式为教师先做预实验，学生临摹，这种实验课教学模式已经不能满足现有动物遗传学教学的需求，为此，很多高校动物遗传学课程组对实验课教学进行研究和探索。例如，刘满清等[1]提出以学生为主体的学研改革模式，苗永旺[2]等围绕完善课程的理论和实验教学方法和教学手段及完善考核评价制度等方面进行改革，官员等[3]探讨思维导图在动物遗传学实验教学中的应用，石建周等[4]对实验课教学模式和考核方式进行探讨，李碧春[5]等对在线开放课程教学模式进行探讨，课程组前期在遗传学实验课的教学进行了初步探索[6]。任何一个实验采用合适的试验设计对结果的影响都至关重要，而采用合理的统计分析方法分析实验数据以及对结果的解释均需要统计学思想。为提高学生开展实验课的成功率，增加学生参与实验课的积极性，本研究实验教学改革是在课程组前期的研究基础上，把生物统计学思想融入动物遗传学实验课的教学中，通过学生参与实验课的设计，提升教学质量，提高学生分析问题和解决问题的能力。

1 动物遗传学实验课的实验内容

河南农业大学动物遗传学课程于2006年被评为河南省精品课程，2018年被评为河南省精品在线开放课程，2021年被评为河南省线上线下一流本科课程。该课程56学时，其中理论36学时，实验课20学时。为保证实验课的知识系统性和连贯性，实验课除常规实验外，打通4个综合大实验，分别为：染色体制备和细胞周期观察，果蝇综合大实验、血型遗传率和群体遗传结构分析，分子生物学大实验等。为增加学生上课的主动性、参与感，每个综合实验实验材料的准备阶段均让学生提前参加讨论，分组设计不同方案，并讨论可能出现的结果以及解决问题的方法等。

2 生物统计学原理融入遗传学实验项目设计

2.1 染色体制备和细胞周期观察试验采用双因素实验设计 双因素完全实验设计的原理，是研究2个不同的处理因素对1个或多个自变量是否产生影响。在动物遗传学实验课中，细胞周期观察、染色体核型分析和果蝇唾液腺染色体观察均需要对收集材料进行处理，首先使用1N盐酸在室温条件下解离3～8min，漂洗后用改良苯酚品红染色3～7min;由于取材部位和大小存在差异，以及解离和染色时间的不同，试验结果差异较大。如果解离时间短，材料的细胞不能完全分开，后面染色难度加大;但解离时间过长，导致取材组织浸泡时间过长，无法寻找生长点或者细胞过于分散。如果解离时间合适，但染色时间太少、无法着色，效果同样差，很难看出细胞内部的形B;但染色时间过长，载玻片中细胞背景颜色过深，也很难观察清楚处于分裂期的细胞形态。因此，在该实验课开展之前，与学生一起讨论要想取得理想的实验结果，在操作的过程中需要注意哪些问题，以及如何进行合理的实验设计解决这些问题。通过因势利导，把解离时间和染色时间作为双因素对样品进行处理。通过近两年的实施，有丝分裂染色体形态观察和果蝇唾液腺染色体观察制片成功率提高40%，同时增加了学生参与实验课的主动性，也增加了实验结果的准确性和科学性。另外，还可以让学生讨论与探究是否有其他因素影响实验结果，如细胞分裂最活跃的时间段是上午10时，即使是合适的解离和染色时间，由于根尖的取样时间不同，观察到的细胞分裂相情况也可能不同。

2.2 在果蝇生活史观察中引入局部控制的思想 统计学实验设计三大原理，随机、重复和局部控制。为让学生理解局部控制在实验设计中的重要性，对实验结果可能产生显著影响，在动物遗传实验课中，通过对果蝇生活周期的观察，让学生进一步了解什么是局部控制，局部环境对实验结果可能产生的影响。因此，在果蝇生活史观察实验项目开展时，采用任课老师把果蝇接种于50mL的已铺好培养基的果蝇瓶中，每个果蝇瓶中雌雄各半的3～5对果蝇，然后分发给学生，每2位学生1个果蝇瓶，让其拿回宿舍自己观察果蝇生活史，并记录果蝇每天的形态特征和温湿度等天气情况，14d以后，以班级为单位总结果蝇生长情况。

2021年春季实验课发给学生48支果蝇瓶，学生随机把果蝇瓶分别放在南侧阳台、宿舍床下、北侧阳台，楼道等不同环境中，在不同环境中果蝇的生长状态相差很大（表1），果蝇瓶放在床下的果蝇正常生长，繁殖较多，果蝇瓶置窗台上爆穑培养基出现干裂，果蝇死亡等情况。通过该实验让学生切身体验到局部控制对实验结果的影响，同时延伸到畜牧生产中，由于环境的不同，如场季效应、笼层效应、通风口等对动物的生长发育均可能产生显著的影响。

2.3 目的基因检测引入设置试验对照组 开展科研试验的目的是研究处理因素对试验对象的影响，也就是研究处理因素是否存在效应以及效应的大小。因此，在具体试验过程中，要求除了研究的处理因素是变化的，其他因素尽可能保持一致。但有些因素无法全部控制。因此，合理设计对照能够最大限度地减少非处理因素对试验结果的影响。对照的形式有多种，可根据实验目的及内容选用不同的对照，常用的对照包括阳性对照、阴性对照、空白对照等。

在动物遗传学实验课中，分子生物学综合大实验包括基因组DNA提取，基因的PCR扩增和琼脂糖凝胶电泳等3个环节。基因组DNA提取和琼脂糖电泳相对容易掌握，PCR扩增主要包括PCR反应体系和扩增体系，其中PCR扩增的反应体系成分较多，包含Taq酶、目的基因的引物、基因组DNA、buffer或水;在加样的过程中，Taq酶、引物和基因组DNA等任何成分出现问题，均有可能导致PCR扩增失败，实验课时因大部分同学是第一次使用基因枪，由于是未来加入样品，所以每次开展该试验，成功扩增出产物的实验小组不到30%，严重挫伤了学生开展该试验的积极性。

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