分子遗传学研究方法
分子遗传学研究方法范文第1篇
【关键词】实验教学思考；研究生；分子遗传学
1.综合性实验在高等医学研究生分子遗传学实验中的作用及意义
目前，随着新的课程教学改革的日渐改进，以造就动手能力为目标的素质教育成为新的教学思维模式和教育改革方向。分子生物学和分子遗传学等学科的迅速发展，使分子遗传学的内容不断得到拓展和深化，因此在分子遗传学实验教学过程中，必须紧密结合本学科国内外最新的科研发展动态与科技研究成果，并及时对分子遗传学实验教学内容进行修改与整理更新，以使分子遗传学实验课程在研究领域和研究的方法及手段上与时俱进，紧跟学科的发展趋势，使研究生及时接收和懂得学科发展的前沿知识，不断推进和深入学科的改革与发展。所以，我们认为必须要有一定比例的综合性实验或实验课程设计，才能把理论与实践巧妙的结合起来，提高研究生分析问题和解决问题的能力。
2.传统的分子遗传实验
传统的分子遗传学实验方法，每一次的实验课，实验内容就一个，而且做实验之前老师要先讲解实验原理、操作步骤以及实验过程中的注意事项，然后全班研究生才可以进行实验。这种实验方法的特点：一是全班研究生做一个实验内容，而且由于实验室面积、实验仪器的限制，往往需要好几个研究生为一组做一个实验，在实验过程中，很难让每个研究生都能参与到实验的全过程，没有机会对实验现象进行仔认真地观察；二是实验在老师统一指导之下进行，研究生对课前实验预习不够重视，在实验中遇到问题很难独自解决，大多数都是按照实验指导教材上的步骤按部就班地进行操作。三是实验内容单一、具体的验证性实验多，具有整体性强、可塑性强、有创造性的实验少；四是课堂规划课时内进行的实验多，课外研究生自主实验的少。五是由于实验要求在有限的时间内完成，实验程流程由老师规定下来，研究生不必设计实验方案。在整个实验过程中研究生只是跟着看和模仿着做的配角，较为被动。这样既不利于激发研究生的探索精神和提高兴趣，又不利于研究生的创造性思维的培养和发挥[1]。针对上述问题，我们提出了综合性实验的分子遗传学实验方法。综合性实验是让研究生综合运用所学知识解决实际问题的具体实践。实验须由研究生自己动手查阅相关文献资料再拟定具体实验方案或对关键的实验步骤、实验因素（酶的温度、PH）等对实验结果可能会产生显著影响的因素进行分析讨论，督促研究生培养多思考多提问题的习惯。提倡研究生仔细观察实验现象，在实验结束后对实验步骤和原理提出自己独到的见解。
3.分子遗传学综合实验教学过程的设计
分子遗传学综合实验的实验过程如下：分子遗传学实验小组自行设计所做实验的步骤和整理实验要点，在教师的指引下列出实验过程中所需要的仪器和试剂，完成所做实验的设计，同时归纳出实验过程中应注意的事项。各小组的实验设计方案交与实验指导教师，由老师查看并提出建议，各小组集中汇报研讨后，才可开展实验。
4.综合性实验过程的操作流程和管理方式
4.1为了方便研究生进行分子遗传学实验，学校可以指定《实验室开放管理制度》，并要求研究生严格遵守各项规定。开放的遗传学实验室一天12小时开放，研究生需要提前跟实验室管理老师预约，就可以在预约的时间内安排实验。对于实验不理想的研究生，可以再次进行重复实验。方便研究生找出实验失败的原因，并且对失败原因进行分析讨论，提高研究生自主发现问题并解决问题的能力[2]。为日后进行科研打下扎实的基础。
4.2实验指导老师和实验室管理人员在实验教学期间实行轮班制。可以在实验室中观察学生的实验技能操作是否规范，并解答学生在实验过程中遇到棘手的问题。也可以跟老师交流实验心得。将自己的想法告诉老师寻求解答也是一个师生共同进步的一个过程。
4.3综合性实验大多以先进的仪器设备做为支撑，在分子遗传学实验这一模块更是如此，我们所使用的仪器有PCR扩增仪、高速冷冻离心机、琼脂糖凝胶电泳装置、超级恒温水浴、醋酸纤维膜电泳等。研究生在实验过程中通过使用这些仪器能够帮助他们掌握这些先进的仪器的使用方法和注意的事项[3]。同时，各研究生在进行小组汇报时有利于促进同学之间的思想碰撞有益于分享实验经验。
4.4综合性实验教学所采用的考核方式不再是传统的仅仅考察实验出勤率和实验报告。综合性实验所采用的考核方式是以研究生自主设计的实验方案内容占30%、实验过程（考勤、实验安全、实验态度、技能操作规范、实验室清洁卫生等）占30%、小组汇报和小论文占40%的形式进行考核[4]。
分子遗传学研究方法范文第2篇
关键词：分子生物学；技术；昆虫生态学
分子生态学是应用分子进化和群体遗传学的理论、分子生物学的技术手段、系统发生学和数学的分析方法及其他学科的知识（如地理学、古气候学等）去研究种群、进化、生态、行为、分类、生物地理演化、生物保护等学科领域的各种问题。它主要通过大量使用分子生物学先进的技术和方法，在分子水平上研究生态现象，阐明生态现象的分子机制。昆虫分子生态学就是以昆虫作为研究对象，应用分子生态学的原理与方法研究昆虫进化和适应机制的一门科学。它主要通过分子生物学的方法检查昆虫种群或个体的遗传变异，分析和解释遗传变异的特点与规律，揭示遗传变异所反应的规律性的东西，从而进一步阐明昆虫之间一级昆虫与环境之间的相互作用关系。其研究的最典型特色是运用分子遗传标记来检测研究对象的遗传变异特征，揭示昆虫的演化规律。在昆虫分子生态学研究中应用较多的分子生物学标记技术有：同工酶（蛋白质电泳）方法、限制性片段长度多态性（RFLP）方法、随机扩增DNA多态性（RAPD）方法、扩增片段长度多态性（AFLP）及微卫星标记方法（SSR）及单核苷酸多态性(SNP)。其中，目前应用最多，最简便的是SSR和SNP技术。下面我们主要介绍在昆虫生态学研究中几种常用分子标记方法。
1.同工酶方法的应用
同工酶是指具有相同或相似催化功能而分子结构不同的一类酶。自从Hunter和Markert创立同工酶酶谱技术后，同工酶谱的变化即可作为鉴定物种、研究分类与进化、遗传与变异的重要指标。在昆虫分子生态学发展之初，同工酶被广泛应用与昆虫的分类、种群间抗性的遗传变异等方面，随着分子生物学技术的广泛应用，同工酶技术已慢慢被淘汰。
2.RFLP技术的应用
RFLP又叫作RestrictionFragmentLengthPolymorphism.即我们所说的限制性内切酶片段长度多态性，而且他作为第一代的生物分子类标记技术，这种技术是指通过已经发现的限制性内切酶来处理不同生物个体的DNA，通过利用限制性内切酶的多种特异性来达到获得不同的DN段的目的，这种技术一般是被应用于分子杂交，放射性同位素的显微技术中，而且也只是主要用于研究生物遗传的研究中，自问世以来已广泛运用于多门生物学科研究中。在昆虫生态学研究中可以用于昆虫遗传谱图的分析、遗传连锁图的构建及数量遗传性状等方面的研究。
3.RAPD技术的应用
RAPD，俗名是随机扩增多态性DNA技术，它是由两位美国科学家Wiliams和Welsh在1990年提出的，而且他们并不是研究的合作者，而是分开研究的，这种技术又被称作任意引物PCR。对于RAPD来说，它所使用的物质是十分不相同的，但是对于现存的所有引发物来说，他对于在DNA序列碱基序列上的特定结合位点来说，一旦这些特异性DNA位点达到了基因组分布的扩增条件，他就会根据DNA碱基对的配位原则，完成DNA另一条链的合成。
4.AFLP技术的应用
植物基因组的AFLP中的酶切，连接和pcr问题，只要酶切出来能看到些许弥散，pcr就应该能看出结果才对，AFLP技术的关键就是把握体系的问题，每一个实验室应该有自己的一套体系，照着做一般没有问题，分子标记，就是纯体力劳动，做得很多一般就会有结果的，这是量变到质变的过程。做AFLP需要用到试剂盒，但试剂盒不如自己做省事，也没必要。除非你做的量少。但是分子标记要的就是大量重复性的劳动。因此，试剂盒不如自己做省事，也没必要，并且试剂盒中很重要的酶往往量不够用，比如T4连接酶和内切酶EcoRI，除非你做的量很少，且不需要摸索体系。酶切出来能看到些许弥散，pcr就应该能看出结果，也不一定。接头制作和连接体系也很重要，连接时间一般影响不是很大。
5.微卫星标记技术在昆虫生态学研究中的应用
微卫星标记ms是一类由几个（多为1-5个）碱基组成的基序串联重复而成的DNA序列,其长度一般较短,广泛分布于基因组的不同位置,如（CA）n、（AT）n、（GGC）n等重复。自1981年Spritz首先在珠蛋白中发现微卫星序列到今天微卫星序列在生物学中的广泛应用,微卫星标记技术走过了近30多年的发展变化。其中，20世纪80、90年代是微卫星技术从开始到逐渐成熟的关键阶段。1982年Hamada等在研究真核生物基因组中Z-DNA形成时发现了一种新的重复因素——选择性的嘌呤-嘧啶聚合物。Jeffreys等通过对小卫星(minisatellite)的DNA指纹图谱鉴定证明了串联重复的DNA具有很高的长度差异性。与此同时，Tautz等的研究表明，这种“神秘而简单冶的DNA序列是遗传变异的重要来源。1989年Tautz首次应用了基于PCR的微卫星分型技术。随着微卫星分子标记的广泛使用，科研工作者对其进化、功能及在基因组中的分布等研究的了解迅速增加。近年来，微卫星分子标记也被广泛应用于昆虫学研究的各个领域。截至2012年6月，共有16396个昆虫上微卫星位点在NCBI中记录，其中双翅目、鳞翅目和膜翅目昆虫的微卫星登录数量最多，占75%。这些微卫星被广泛应用于昆虫遗传作图、种群遗传学研究、个体亲缘关系鉴定等方面。
6.SNP在昆虫分子生态学中的应用
SNP(SingleNucleotidePolymorphism)即单核苷酸多态性标记，又称单核苷酸多态性，指DNA序列中单个碱基的差别，碱基对由于排列方式不同，结合不同脱氧核苷酸对，这些核苷酸对构成密码子，密码子则以不同的排列顺序编码蛋白质，从而形成自然界多种多样的生命。SNP在基因组可以划分为两种形式：一是基因编码区的功能性突变，主要分布在基因编码区，故又称为cSNP，这类SNP较少，其变异率仅占周围序列的1/5，但因其在遗传疾病研究中具有重要意义而备受关注；二是遍布于基因组的大量碱基变异。就现在来说，SNP技术已经开始广泛用于昆虫分子生态学，包括昆虫种间鉴定，遗传图谱的分析、入侵害虫种群间亲缘关系的区分等研究。生态学的发展，SNP技术的萌芽是古人生态意识的总和，在古时，古人并不了解整个自然界，但是他们通过长期的打鱼，农牧以及狩猎积累了大量的朴素的生态学知识，比如说农作物的生长与季候的关系、常见的动物有哪些习性等等，在公园前四世纪时，希腊学者亚里士多德就曾经粗略的描述了动物有种不同的栖息地，还根据动物生活栖息地的特点将其分为了水栖和路栖，根据它的食性分成肉食和草食，还有杂食动物等等。随着人类社会的发展，人们对于生态的认识不再仅仅局限于以往的知识积累，人们通过自己的主动探究从而能够获得有关于自然界的种种知识，最后能够形成一个全面的生态学理念极其生态学系统的认知应用。本文通过描述几种技术在昆虫生态系统的运用从而得到现在科技在生态系统中的应用等等相关关系，这种应用不仅使各种技术得到提高，还对我们生态系统的探索起着极大的作用。
参考文献
[1]郭晓霞，郑哲民，于广志.同工酶在昆虫分类和进化研究中的意义[J].昆虫知识，2000，37（6）：371-374.
分子遗传学研究方法范文第3篇
关键词： 遗传算法；并行遗传算法；并行模型
中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）10-2347-04
Abstract： Parallel Genetic Algorithm（PGA） combines High-speed parallel computer and natural parallelism of parallel genetic， which greatly promotes the research and application in genetic algorithm. The recent research developments in PGA models， performance analysis， algorithm improvement， and implementation platform are summarized and reviewed， and the development trends and application perspectives of PGA in the future is also discussed.
Key words： genetic algorithm； parallel genetic algorithm； parallel model
并行遗传算法（PGA）作为GA的一个重要分支，得到了越来越多专家们的重视。PGA正成为GA中的一个重要研究方向。近年来，对于PGA的理论和应用研究，许多计算机科学家做了大量的工作并取得了一定的成果。并行遗传算法将并行计算机的高速并行性和遗传算法的天然并行性相结合，不仅提高了求解速度，而且由于种群规模的扩大和各子种群的隔离，减少了未成熟收敛的可能性，提高了求解质量。
1 传统并行遗传算法模型
实现PGA，需要对传统GA进行修改：一是要把串行GA的单一种群分成多个子种群，分而治之；二是要控制、管理子种群之间的信息交换，不同的分治方法产生不同的PGA结构[1]。传统并行遗传算法模型[2][3]包括：主从式模型、细粒度模型、粗粒度模型、混合模型。
1.1 主从式模型
主从式模型是遗传算法的直接并行化方案，不改变遗传算法的基本结构特点。在主从式模型中，遗传算子包括选择算子、交叉算子、变异算子以及其它高级算子都并行应用于单一种群，所有的并行处理都在单一种群内部进行。主从式模型易于实现，保留了简单遗传算法的搜索行为，可以直接应用于简单的遗传算法中。
1.1.1 选择算子
在遗传算法中，选择算子[4]的核心思想就是优胜劣态，适应度高的个体进入下一代种群的概率大；适应度低的个体进入下一代种群的概率小。根据各个个体的适应度，按照一定的规则或方法进行实际的选择，用来确定重组或交叉个体，以及被选个体将产生多少个体代个体。计算适应度可以采用按比例或基于排序的适应度计算，进行实际的选择可采用轮盘赌选择法、随机遍历抽样法、局部选择法和锦标赛选择法等。
1.1.2 交叉算子
在遗传算法中，交叉算子[5]就像人类社会的婚姻过程，交叉又称为基因重组，是结合来自父代种群中的信息产生新的个体，对每一对个体.以某个概率（称为交叉概率）交换它们之间的部分染色体。依据编码表示方法的不同，有实值交叉和二进制交叉操作。
1.1.3 变异算子
变异算子[6]是对群体中的每一个个体，以某一概率（称为变异概率）改变某一个或某一些基因座上的基因值为其他的等位基因。针对不同的编码方案，常用的编译操作有实值变异和二进制变异。
1.2 细粒度模型
当并行计算机系统的规模很大，处理器多到可以与染色体一一对应，即每一处理器上驻扎一个染色体时，可以采用细粒度模型的并行遗传算法。由于对处理器数量的要求很高，所以细粒度模型的应用范围不广，一般只运行于大规模的并行计算机。
1.3 粗粒度模型
粗粒度并行遗传算法被称作分布式模型或孤岛模型。在粗粒度模型中，各个子群体在不同的处理器上相互独立的执行进化操作，每经过一定的进化代，各子群体间会交换若干的个体以引入其它子群体的优秀基因。粗粒度模型的通信开销较小，可获得接近线性的加速比，适合运行在通信带宽较低的集群系统上。在粗粒度模型的研究中，要解决的重要问题是参数选择，包括迁移拓扑、迁移率、迁移周期等。
1.4 混合模型
混合PGA又称为多层并行PGA模型，它把三种基本模型混合形成层次结构，主要有粗粒度-细粒度、粗粒度-粗粒度、粗粒度-主从式。实际中应用较多是粗粒度-主从式模型。首先，按上层的并行模型将全局种群划分成若干种群，然后，各种群按照下层的并行模型将其分成若干子种群。在下模型中每个子种群按下层模型进行进化，而在上层模型中，种群之间按上层模型协调运行[7]。
对于不同的应用问题，基本GA的参数难于设定，但混合PGA允许GA参数随染色体进化而进化，因此，结点的结构是动态变化的，这样减少了遗传算法因具体求解任务而受影响的程度，所以混合PGA是自适应算法，然而该算法最为复杂，实现代价高[8]。
2 并行遗传算法的性能分析
在上世纪90年代中期以前，虽然并行遗传算法被广泛应用于各种领域，但主要限于实践，为得到好的优化效果，研究者要进行大量的实验，试用各种策略和参数。
文献[9]给出了两条定性评价并行遗传算法的指标：（1）确定一个适应度指标，利用串行遗传算法最短的搜索时间（找到一个个体适应度高于适应度指标）除以并行遗传算法的搜索时间，作为并行遗传算法的加速比指标。（2）给定一段时间，利用并行遗传算法进行优化，能够得到的最高适应度比利用串行遗传算法搜索到的最高适应度高出多少。
3 并行遗传算法的改进
经典遗传算法存在着局部搜索性能较差的缺陷，对于某些分布变化缓慢的问题，需要进行大量的计算，并且由于进化初期的超常个体使得种群过早收敛到局部最小值。而改进的并行遗传算法通过编码表示及参数设定的思想，在系统中建立一个存放精华个体的主机，来控制系统的通信以及精华种群的传播，使系统中通信量减少，有利于提高算法的时间性能。
3.1 改进的主从式并行遗传算法
遗传算法的内在并行性不仅仅体现在适应度计算阶段，选择、交叉和变异三个阶段均可并行执行。之所以传统的主从模式没有将这三个阶段并行执行， 是因为传统的主从模型针对并行集群设计，必须考虑结点间的通信延迟和负载平衡，因此不适宜对计算量相对较小的选择、交叉和变异三个阶段采用并行执行。而改进的主从式并行遗传算法[10]将选择、交叉和编译三个阶段也采用并行执行，在多核计算环境下通过多线程的方式实现程序的并行执行，进程间通信通过共享内存完成， 通信延迟不再影响并行程序的性能。
3.2 改进的粗粒度并行遗传算法
为了解决在分布式系统中，需要使每个处理器了解整个系统信息，需要花费大量时间，实现起来也比较复杂。传统粗粒度并行遗传算法存在容易早熟并且收敛速度较慢的不足。基于此，采用改进的并行遗传算法可以保证算法的时间开销，有效的增加种群的多样性，抑制早熟现象，提高最优解的质量[11]。文献[12]首先初始化种群，遗传代数归零；网络中的各个从机接受主机的启动信号后，开始进行串行遗传计算，对种群的大小、染色体的长度、交叉率、变异率、最大进化代等遗传参数进行设置；然后进行选择、交叉和变异操作后，分别计算个体的适应度；如果满足迁移条件，将当前从机中最优个体传送给主机的优秀基因库，之后接收主机发送的优秀基因，淘汰从机中适应度最差的个体。
3.3 基于自适应迁移策略的并行遗传算法（AMPGA）
基于传统并行遗传算法存在迁移固定不变，盲目性等缺点[13]，提出了一种基于自适应迁移策略的并行遗传算法（AMPGA） [14]，其算法包括精英策略，编码方式，选择算子，交叉淘汰算子，迁移算子，接受算子等组成部分。在AMPGA中，各个子种群中执行个体的迁移时，改变了传统并行遗传算法迁移固定不变的缺点，根据当前的演化状态动态、有条件地迁移，并解决了盲目性与局限性等缺点。
综上所述，基于传统并行遗传算法在收敛速度，时间性能，求解精度及并行效率等方面存在局限性，提出的多种改进的并行遗传算法高效率的解决了一系列问题。
4 并行遗传算法程序的实现平台
4.1 工作站机群（COW）
工作站机群COW [15]是实现并行计算的一种新的主流技术，是属于分布式存储的MIMD并行计算机结构，由工作站和互连网络两部分组成。充分利用各工作站资源，统一调度、协调处理，大大提高了求解的质量。
在工作站机群上构造并行遗传算法，需要考虑的问题有：
1）子群体划分方式。可采用将整个群体M均匀分配到p个处理机的方式。
2） 信息交换方式。在并行遗传算法运行过程中，各处理机间要互相交换一些信息，信息交换方式通过参加信息交换的对象、交换信息的内容、交换时间、交换信息量这四个部分组成。
4.2 集群系统
从PC或工作站集群到SMP集群的可扩展计算机集群[16]正很快成为高性能计算的标准平台。这种系统建立在容易购买且价格低廉的商品化硬件、快速局域网和标准软件组件之上，他们根据预算和计算能力的要求做出调整，能够有效地运行高要求的并行和串行程序。借助高性能计算机（集群系统）[17]，在高性能并行软件环境的支持下，设计并实现一种并行遗传算法，使该算法具有可行性和有效性。
4.3 多核微机
随着技术的成熟与价格的下降，多核CPU逐渐普及，而用高性能多核PC组建的集群系统具有投资风险小、结构灵活、可扩展性强、易于实现的特点，有很高的性价比，可以容易地利用较低的成本获得传统并行机的高计算性能。构建以多核PC为单计算节点的集群系统已成为并行计算机体系结构的一个发展趋势，也是一种有效适用的并行计算机系统的实现方法[18]。
4.4 Internet
目前，遗传算法以粗粒度并行遗传算法最为流行，它只需在串行遗传算法中增加迁移子例程，在并行计算机的节点上各自运行一个副本，并定期交换几个个体即可，此算法非常适合在Internet平台下实现。其稳定性好，优化速度明显得到改善，优化质量得到显著提高，能较快地找到问题的最优解或次优解。但在实际应用中，还需考虑计算机之间的协同工作能力、网络通讯量、网络是否安全和用户是否愿意参与等问题。
5 并行遗传算法的应用
并行遗传算法[19]是模拟自然界生物进化过程与机制求解问题的一类自组织与自适应的人工智能技术，已经广泛应用于计算机科学、人工智能、信息技术及工程实践等多个领域中。
1）列车控制
列车控制[20]问题是研究如何控制列车运行以使得能耗最小，采用主从式控制网络PGA能够有效解列车控制问题，PGA的加速比比较满意。GA与其它优化算法相结合能显示出强大的搜索优势，并且算法易实现。
2） 组合优化
随着问题规模的增大，组合优化问题的搜索空间也急剧扩大，有时在目前的计算机上用枚举法很难或甚至不可能求出其精确最优解。对这类问题，遗传算法是寻求这种满意解的最佳工具之一。实践证明，遗传算法对于组合优化中的NP完全问题非常有效。例如，遗传算法已经在求解旅行商问题、背包问题、装箱问题、图形划分问题等方面得到成功的应用[21]。
3） 带约束并行多机调度
在实际工程应用中，经常遇到的并行多机调度问题带有约束条件，最小化完工时间的带约束并行多机调度问题的并行遗传算法可解决这一问题。计算时间短，适应性强，鲁棒性高，适用于大规模问题。例如在单件生产车间调度、流水线生产车间调度、生产规则、任务分配等方面并行遗传算法都得到了有效的应用[22]。
4）函数优化
函数优化[23]是遗传算法的经典应用领域，也是对遗传算法进行性能评价的常用算例，很多人构造出了各种各样的复杂形式的测试函数。用几何特性各具特色的函数来评价遗传算法的性能，更能反映算法的本质效果。而对于一些非线性、多模型、多目标的函数优化问题，用其他优化方法较难求解，而并行遗传算法却可以方便地得到较好的结果。
5） 机器人智能控制
机器人是一类复杂的难以精确建模的人工系统，而遗传算法的起源来自于对人工自适应系统的研究，所以机器人智能控制理所当然地成为遗传算法的一个重要应用领域。例如，遗传算法已经在移动机器人路径规划、关节机器人运动规划、机器人逆运动学求解、细胞机器人的结构优化和行动协调等方面得到研究和应用[24]。
6） 自动控制
在自动控制领域中许多与优化相关的问题需要求解，因而并行遗传算法的应用日益增加，并显示了良好的效果[25]。
7）图像处理和模式识别
图像处理和模式识别是计算机视觉中的一个重要研究领域。在图像处理过程中，如扫描、特征提取、图像分割等不可避免地会产生一些误差，这些误差会影响到图像处理和识别的效果。如何使这些误差最小是使计算机视觉达到实用化的重要要求。并行遗传算法在图像处理中的优化计算方面是完全胜任的。目前，已在图像分割、图像恢复、图像边缘特征提取、几何形状识别等方面得到了应用[26]。
8） 机器学习
学习能力是高级自适应系统所应具备的能力之一。基于并行遗传算法的机器学习，特别是分类器系统，在许多领域得到了应用。
9） 人工生命
人工生命是用计算机等人工媒体模拟或构造出具有自然生物系统特有行为的人造系统。自组织能力和自学习能力是人工生命的两大主要特征。人工生命与遗传算法有着密切的关系，基于并行遗传算法的进化模型是研究人工生命现象的重要理论基础。
6 小结
并行遗传算法的研究归纳起来分为理论与技术研究、应用研究两个方面。理论与技术研究主要从遗传操作、群体大小、参数控制、适应度评价以及并行实现技术等方面来提高算法的性能。开发并行遗传算法的商业软件、开拓更广泛的并行遗传算法应用领域是今后应用研究的主要任务。
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分子遗传学研究方法范文第4篇
迈克尔・路特（Michael Rutter，1933-）是英国著名的发展变态心理学家，被称为“儿童精神病学之父”。1933年出生于黎巴嫩首都贝鲁特城，1936年随父母回到英国，1940至1944年被父母寄养在美国。1944年后在英国接受了正规的学校教育。
路特1955年毕业于伯明翰大学医学院。在获得神经病学、儿科和心脏病学的硕士学位后，1958年在伦敦莫兹利医院（Maudsley Hospital）接受了精神病学的训练，1961年获得资格认证，然后去纽约爱因斯坦医学院进行了为期一年的研究。1962年回国后，他加入了医学研究委员会的社会精神病研究所，1965年应聘到伦敦大学精神病研究所，1966年在伦敦被指定为精神病学会的高级讲师。1973年，他成为儿童精神病学教授、儿童和青少年精神病学系系主任。
1984年，路特创立了医学研究委员会（Medical Research Council）儿童精神病学分会，于1984年至1987年担任该会的荣誉主席；1994年，他又创立了精神病学会下的社会、遗传和发展精神病学研究中心（Social，Genetic and Developmental Psychiatry Research Centre），在1994年至1998年间担任该中心的名誉主席。他在1987年当选为英国皇家学会院士，1992年被授予爵士爵位，是欧洲科学院（Academia Europaea）和医学科学研究院（Academy of Medical Sciences）的创始人之一。他还拥有莱顿大学、伯明翰大学、爱丁堡大学、芝加哥大学、明尼苏达大学、沃里克大学等院校的名誉博士学位。现在，他担任伦敦皇家学院精神病学院发展精神病学教授和伦敦莫兹利医院的精神病顾问。
迄今为止，路特出版了38本专著，并发表了400多篇论文。最有影响力的著作是《母爱剥夺再评估》（Maternal Deprivation Reassessed，1972），被New Society评价为“儿童保育领域的经典”。路特被公认，为儿童精神病学在医学和生物心理学领域打下了坚实基础，并做出了卓越贡献。1995年他获美国心理学会颁发的杰出科学贡献奖。在20世纪最著名的100名心理学家中，他排名第68位。
一、对母爱缺失与剥夺的研究
路特的研究思路主要是诠释自然和教养之间的关系，研究论题围绕母爱剥夺对儿童心理社会发展的影响展开。这个论题涉及依恋关系的缺失与剥夺、依恋关系的丧失等。
依恋关系的缺失与剥夺。母爱剥夺的相关研究，是路特研究的重要领域，形成了他关于儿童成长的心理环境的重要研究范式和观点。路特认为，儿童依恋理论的提出者鲍尔比对母爱剥夺的概念过于简单化。鲍尔比认为，母爱剥夺是指儿童与一个依恋的人分离，失去了依恋对象且没有发展出对他人的依恋。路特认为，这些依恋的性质，每种都有不同的效应。为此他在缺失（privation）和剥夺（deprivation）之间作了区分。如果儿童根本未能形成依恋关系，这是依恋的缺失；而剥夺是指依恋关系的失去或受损害，即曾经拥有过以后的失去。依恋的缺失有两种原因，一是儿童有许多不同的养育者，二是家庭不和阻碍了儿童和成人建立依恋关系。路特发现一个有趣的结果，对于儿童精神问题的风险因素而言，父母离婚和父母去世显然具有相同的效应，然而，事实是父母离婚对儿童造成的负面影响远远大于父母去世。他认为，儿童期依恋关系的缺失可能导致了最初的粘滞、依赖行为，寻求注意和不加选择地建立友谊等行为。然后，随着儿童逐渐成长，表现出无法遵守规则，建立持久的人际关系或者有负罪感。路特还发现了行为的证据，情感障碍，以及语言、智力和体格发育的紊乱。出现上述问题，并非如鲍尔比所声称是缺失与母亲的依恋关系所致，而是由于缺少依恋关系通常所能提供的智力刺激和社会经验所致。
1989年，路特领导了英国和罗马尼亚被收养者研究小组，跟踪研究了许多十几岁时被送到西方家庭中收养的孤儿，对于影响儿童发展的早期剥夺进行了一系列的研究，包括依恋及新关系的发展，得到了乐观的结果。尤其在实验方法上他采用了更科学的方法，他将大量的时间投身于与儿童的接触，采用自然实验的方式发现可以得出因果推论的方法。作为一个临床工作者对儿童的了解，与对细节或例外结果的关注，路特在弥补鲍尔比提出的依恋关系基础之上，往前更迈进了一大步。
依恋关系的丧失――应对、心理弹性、遗传因素和保护因素。路特着力考察了当面临依恋关系丧失时，儿童的心理行为反应以及相应的机制。
第一，儿童需要考虑应对。即要么有身体上的应对，要么有心理上的应对。路特认为，儿童的应对行为包括问题解决和情绪调整两种，这两种方法中有许多属于偏差行为或不良适应行为。
第二，儿童需要避免压力和逆境，或者用某种方式减少压力所带来的影响。路特认为，在挑战与压力面前，儿童必须学会应对，一种方法是通过暴露，使儿童处于真实的危险中，只不过这种危险控制在儿童可以处理和应对的范围内。这方面的思想和研究使心理弹性成为到目前为止产出颇丰的一个研究领域。
第三，涉及到遗传因素。已有研究发现，遗传因素在环境对人影响的易感性方面起着重要作用。因此，需要寻找涉及到压力应对时的遗传路径，要么是增加风险，要么是增加保护性。
除以上所提到的三种面对压力时可能的机制，路特也是较早关注到部分不利处境儿童发展依然较好的研究者。他特别关注儿童成长中的保护性因素，即那些使儿童免于受到伤害、减低伤害或者修通所受伤害的因素。包括儿童面对应激的性质、儿童生活境况改变、儿童自身的因素、家庭内因素以及诸如学校、家庭外因素五个方面。这些保护性因素的提出，对于早期剥夺儿童后期的治疗工作提供了理论上的指导，尤其对研究处境不利儿童具有重要的现实意义。不过，路特同时也强调，为了了解与加强心理弹性与保护机制，人们必须考虑到家庭与政治、经济、社会、以及种族情境的互动，以及个人与家庭因而出现的衰败或兴盛。
二、孤独症的研究和思想
路特医学和神经病学的特殊背景，使他关注到了其他研究者可能较少关注的社会行为遗传因素，并且尝试对其机制进行研究，这一点尤其反映在他对孤独症儿童的研究中。
孤独症的发病机理：遗传因素的作用。20世纪60年代，人们普遍认为，孤独症是一种情感性的而非躯体，原因是不良的父母抚养方式和其他心理因素导致了该疾病的发生。1977年路特等的研究使人们开始认识到孤独症遗传因素的重要性。该研究对象是21对英国双生子，其中10对是异卵双生子（基因相似性与普通兄弟姐妹一样），并用严格诊断标准每对双生子至少有一个是孤独症。结果发现，没有一对异卵双生子是同时发病的，也就是说，异卵双生同时发病机率是0。这可能也是人们对孤独症的遗传因素未给予重视的原因。这篇论文公开发表后，路特开始质疑自己的观点，5%的概率是相当低，但是真正的核心不应该关注很低的绝对概率，而是相对于当时普通人群万分之四的发病率非常高的相对概率，显然，遗传因素非常重要。关于这一点，路特从研究中找到了支持证据，即1977年研究中的11对是同卵双生（基因100%相似），他们中有4对，即36%被同时诊断为孤独症。尽管该双生子研究的样本很小，但是两类双生子发病概率统计学上是具有显著意义的。另外，他的研究设计非常精细，因此，该实验对孤独症领域的研究具有里程碑式的意义。另外，基于路特与其同事的研究工作以及后来的验证性研究，孤独症从作为一个环境影响的心理问题逐渐被理解为重要的遗传性精神疾病之一，其结果大大促进了20世纪80年代的分子遗传学研究，而孤独症则是研究者们首先关注的几个重点领域之一。
孤独症的诊断。路特1977年的双生子研究是另一个重要发现，涉及到孤独症的诊断，他提出了孤独症谱系障碍（Autism Spectrum Disorders，ASD）的概念，其征状是社交及沟通上的广泛性异常、异常局限性的兴趣、高度重复性的行为。事实上，路特及其同事对参加实验的42名儿童进行了细致的评估，包括社会、情绪、认知以及语言功能。最令人振奋的发现是，遗传因素对孤独症谱系障碍的影响效应比对孤独症的影响效应更大：同卵双生子的相似性竟高达82%，异卵双生子的相似性仅有10%。
因此，路特与其同事认为，孤独症是与遗传因素相关联的广泛性认知障碍。这些发现也在后续的追踪研究中得到证实，即孤独症谱系的广泛性诊断，以及同卵双生子82%、异卵双生10%的症状相似性。路特及其同事的研究工作表明：孤独症的行为如果被认为是从出生到童年早期的发育障碍所致更为合情合理，孤独症是一种躯体性的、与父母抚育方式无更多关联的发育障碍。由于路特等的研究工作，到20 世纪70～80年代，人们基本上摒弃了孤独症所谓“父母抚养方式不当”的病因假说。无论是孤独症生物学病因探讨，还是临床实体的识别与描述；无论是相关症状群的分型，还是研究与其他精神障碍的联系，均提示了对孤独症研究的一个全新时代即将到来，即明确了孤独症与精神分裂症的区别。
三、遗传和环境的交互作用
路特在2006年出版的《基因和行为：自然-教养的交互说明》（Genes and Behavior：Nature - Nurture Interplay Explained）一书中，系统阐述了遗传与环境交互作用的观点。他主要阐释了基因是怎样影响行为的，以及在理解各种行为特点和精神障碍的因果路径中的重要性。他对行为遗传学、精神病遗传学以及环境对风险的调节效应研究等许多领域，进行了清晰而又通俗易懂的描述，尤其是对基本假设、方法的优点和不足之处的细致考虑，以及对研究结果的谨慎解释。同时，路特也指出了纯粹遗传解释的局限，其核心是基因和环境永远不可能完全分开。路特认为，几乎没有例外，人的特点和障碍、体格和精神都是基因和环境多因素影响的结果，一方面，这意味着对所有的行为而言，遗传因素尽管可能不一定是占支配地位的，却是普遍的。这一点不仅对于障碍，而且对于普通人的心理特性，包括气质和认知特点，甚至犯罪或离婚这样的行为也同样适用。另一方面，许多遗传影响效应的例子也通过与环境的各种交互而发挥作用。因此，一些遗传行为会在某种程度上暴露于环境的风险因素之下，即所谓的遗传-环境相关。例如，父母有遗传因素的行为，可能破坏家庭功能，反过来，它又把孩子置于形成行为的风险环境中。换言之，父母的基因通过环境的影响机制来增加孩子发展所面临的风险。
路特认为，这种遗传-环境的交互作用非常普遍，人们必须在研究中予以考虑。基因不是决定性的，他们不会以任何直接的方式，导致诸如孤独症和精神分裂症等或者精神障碍的产生。基因作用于行为的效应是间接的，很大程度上通过环境的调节而产生。基因和环境相互接触的主要途径是通过所谓的遗传-环境的交互作用，这说明了基因为什么影响一个人对环境风险的易感性。因此，遗传学者和心理学研究者，不仅仅是说着相同的语言，还要共同工作。路特因其丰富的跨学科研究背景，以及强有力的分析方法历史性地承担起了这项工作。
三、小结与展望
路特的研究领域和研究跨度非常广阔，包含了早期的流行病学研究、学校效能调查、社会心理学的风险调节测验、访谈技术的研究，以及后期的定量研究和分子遗传学，涉及到DNA研究、神经影像学、家庭及学校的影响、基因、阅读障碍、生物和社会因素之间的交互作用、压力等方面。他的临床心理学研究的重心包含了孤独症、神经精神障碍、抑郁、行为、阅读困难、剥夺综合症，以及多动症等。这种跨学科研究思路和研究实践，为后续相关研究奠定了坚实基础，并给心理健康研究提供了一个新的研究视角，大大拓展了心理健康研究的内容和范畴。
路特提出的儿童面对依恋关系丧失时可能的应对机制，以及保护性因素的提出，不仅具有重要的理论意义，也对儿童发展和学校教育具有现实指导意义。更为重要的是，他给面对不利处境的儿童工作者带来了力量和希望。因为儿童所经历的这些苦难，或许可以看成儿童生长所经历的磨难，而不只是悲惨的不幸与无力的怜惜，这种信念可能同样会传递给处境不利儿童，从而提升其自身的心理弹性。同时，也为早期剥夺儿童的后期治疗工作提供了理论上的指导，尤其对研究处境不利儿童具有重要的现实意义。这一点对于我国经济快速发展过程中所带来的儿童青少年社会问题尤其重要，大量的留守儿童显然处在一个相对不完整的家庭中，父母不在身边，养育者的变更把留守儿童置于处境不利地位，而在客观现实无法改变的条件下，考察和研究其成长中的保护因素并应用于实际，对于留守儿童的教育发展更现实和可行。此外，路特对孤独症的研究，不但扭转了人们对孤独症的看法，尤其是对孤独症儿童父母的看法，而且使孤独症儿童的父母尤其是母亲，减轻了养育的心理压力，从而使他们在对自己的养育能力方面减少挫折感，恢复养育孩子的信心。
路特关于遗传与环境交互作用的理论观点，在理解个体差异的来源方面迈出了重要的一步，与此同时也推动了行为遗传学研究方法的发展。
一是研究范式呈现多样化。一方面加强了收养研究的力度，使收养研究与双生子研究在行为遗传学中拥有同样重要的地位；另一方面使这两类研究成为确定遗传与环境交互作用的重要研究范式。
二是由于统计技术的发展与完善，研究方法开始由双生子研究、收养研究拓展到更为复杂的谱系研究，谱系研究可以为遗传与环境的相互作用过程提供更为完备的信息。从发展心理学的角度来看，未来或许可以关注两个方面的发展问题：一是在发展过程中，遗传与环境的作用是否会发生变化。比如，就认知能力来说，随着个体发育发展，遗传的作用不断加强；共同的家庭环境对童年期的个体是非常重要的，但到青春期以后它的影响可能逐渐变小。一是在个体发展的过程中，遗传与环境的作用在每个年龄阶段是如何持续与变迁的。例如，研究已发现在认知发展方面，从童年期到成人期的，存在令人吃惊的发展连续性。对这些问题的关注，不仅对发展心理学，而且对儿童精神病学都具有重要的理论意义和实际价值。
无论如何，撇开路特对儿童工作的热忱和天才的思想，单凭他对待科学研究善于质疑的态度，不盲从权威的科学精神，其“儿童精神病学之父”称号，实属名至实归，名符其实。
分子遗传学研究方法范文第5篇
由于遗传学在生命科学中具有不可替代的重要作用，其教学方法、教学模式的探索和研究近些年倍受关注。近年来,研究性教学在各高等院校不断地被提出，黑龙江八一农垦大学生命科学学院也把研究性教学改革不断地深入到各学科教学中去。作为遗传学教师,笔者在教学过程中不断地进行着研究性教学的实践和思考。
研究性教学是在‘‘发现学习模式”和瑞士皮亚杰的“认知发展学说”的理论基础上发展起来的，其认为学生学习的过程与科学家研究的过程在本质上是一致的，强调将教学与研究结合作为大学教学的基本思想，注重提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，对培养创新型人才非常重要。研究性教学模式的核心理念是以实践中的真实问题为基础,将学生置于真实的情境中学习，培养学生的学习能力、创新能力和实践中的动手能力，增强学生对工作的适应能力，使教学与研究相统一m。研究性教学是以学生为主体,以问题为核心（PBL)去获取知识和应用知识的教学模式。研究性教学的内涵主要包括:教师把研究的思想、方法和取得的新进展引入教学活动；教师以研究的形式组织教学活动,打破原有的完整的学科逻辑和机械的顺序；学生积极参与研究之中，在研究中学习、成长，养成独立思考的气质和批判。
笔者根据研究性教学的规律及遗传学学科的特点,在教学过程中对以下几方面的问题进行了探索和实践。
1发挥学生的主动性和创造性，培养学生的思辨能力和独立思考能力
党的十八大指出，科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑,必须摆在国家发展全局的核心位置。要坚持走中国特色的自主创新道路,以全球视野谋划和推动创新，提高原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新的能力，更加注重协同创新。这一论述充分体现了科技创新在经济和社会发展中的重要地位,也为高等教育提出了未来人才培养的方向。大学作为本科生培养基地，肩负着培养有创新精神和实践能力的高素质人才的重大历史使命。高校毕业生的质量直接关系到一个国家科技人才的整体实力和水平,高校教师如何改革现有的教学方法和模式,培养具有学习能力、自我创新能力的大学生，是目前教育教学过程中亟待解决的问题。
研究性教学模式具有极强的实践性。研究性教学模式特别注重教学与研究相结合，理论与实际相统一。研究性教学模式不只强调背诵、理解复述和模拟,而是注重培养学生的科学思维、自主意识、团队协作精神和工作责任心,强调培养学生获取与归纳整理信息的能力、分析解决问题的能力、展示成果与表述观点的能力。创新能力的培养不可能仅依靠获得知识,很大程度上还依赖于学生的直接经验的积累，因此切实加强研究性实践教学,对提高学生的实践能力是至关重要的。创新型人才的培养目标要求学生既要学会动手又要学会动脑；因此，教师在教学过程中要树立研究性教学为主的教学观,运用正确的教学法,积极探讨、推动教学研究和改革,培养学生主动探求知识的主体精神,动手、动脑的能力和创造性思维及创造精神。研究性教学过程从讨论问题开始,需要涉猎大量的资料,课程学习本身不仅在于学习知识，还在于掌握学习知识的方法。研究性教学以学生为主体的教学模式强调了学生在学习过程中的核心地位,教师只起引导、示范、鼓励、辅导和监控的作用，这种模式可以最大限度地调动学生学习的主动性和积极性,培养学生自主学习及独立分析和解决问题的能力。在遗传学的教学过程中可以采用问题式、讨论式、互动式课堂教学,从而达到更好的教学效果，在客观上具有一定的可行性。以学生为主体的教学模式关键在于课前的认真准备和教师在课堂上的灵活调控。
2专业知识教学和实验技术教学相结合
遗传学是一门在实验基础上发展起来的学科,尤其是现代遗传学技术的突飞猛进发展和遗传学知识的大量增加,都给学生的学习带来了一定的难度。因此,遗传学采用什么样的授课方法才能使学生掌握基本知识,提高学生的创新能力一直倍受教育工作者的关注。一些遗传学教师的教学经验表明，在遗传学授课过程中，适当地讲授遗传学研究的基本实验技术和遗传学研究材料的获得方法对帮助学生理解遗传学知识是非常重要的。例如，在介绍分子标记选择辅助育种的研究进展时,对分子标记的定义、类型、发展和每种标记的用途进行讲解,对遗传学研究材料如重组自交系和近等基因系群体的构建方法及其在基因定位和育种研究中的应用等知识进行回顾,大大增强了学生对专业知识的理解。在实验技术的教学方面,应不断地给学生介绍最新技术在遗传学研究中的作用以及不同技术在某一研究领域的时效性3。在内容上,尽量安排生动丰富且易于操作的实验项目，增加一些设计性和综合性的实验项目，尤其是近期，随着表观遗传学研究的日渐深入,适当地增加该方面的实验课程对帮助学生理解基于非基因序列改变所致基因表达水平变化,如DNA甲基化和染色质构象变化等表观遗传学对生物性状的改变所起的作用，可以开展表观遗传抑制剂对细胞周期调控的分析及RNA干扰基因沉默的遗传分析等实验。
3为学生提供具有时效性、权威性和新颖性的阅读材料
随着遗传学科的快速发展,研究领域不断拓宽,新技术、新成果不断涌现,任何一部教材都难以跟上遗传学快速发展的步伐，因此必须借助网络等媒体实现知识的不断更新。在教学过程中，教师可适当地借鉴〈(Science〉〉、《Nature》以及分子细胞生物学领域的一些国际权威杂志上的综述性文章作为教学中的补充内容,使学生在学习经典遗传学理论的同时，对分子遗传学和现代遗传学的发展有更深入的理解。如在研究癌症的遗传学基础时发现,一半以上癌症的发生过程中伴有p53突变。p53在正常细胞中寿命短、含量低，与细胞周期控制、DNA修复、衰老、血管生成和细胞凋亡密切相关。当p53发生突变时,细胞逃脱正常细胞生长的限制,使突变从一代细胞传到下一代细胞,这为癌症的发育创造了条件。在给学生授课的过程中，跟踪遗传学的最新研究动态，如引入p53等遗传学研究进展，可大大激发学生学习的积极性?。表观遗传学目前也是遗传学重要的补充,如乙酰化酶家族和染色体易位、转录调控、基因沉默、细胞周期、细胞分化与增殖以及细胞凋亡相关,从而对生物体的性状产生了影响。而非编码RNA不仅能对整个染色体进行活性调节,也可对单个基因活性进行调节，它们对基因组的稳定性、细胞分裂、个体发育都有重要的作用。在教学过程中，适量增加表观遗传学的知识,可以极大地丰富学生的知识量及对科技前沿知识的认识,为提高学生的科技创新能力奠定基础。
4案例式和情境式教学相结合，激发学生内在的学习动力
案例教学法（Casemedthodteaching,CMT)是根据教学目标和培养目标的要求,在学生掌握了有关的基础知识和基本理论的基础上,教师在教学过程中选择典型案例并以恰当的形式给学生展示,把学生带入一个特定情境中，在教师的指引下由学生自己依靠其知识结构和背景,在这种案例情境中发现、分析和解决问题，培养学生运用理论知识并形成技能技巧的一种教学方法5。案例教学法最大的特点就是模拟实践经验,增强学生实践的能力。遗传学教师在注重理论知识讲授的同时,要穿插与实际生活密切相关的大量案例,培养学生分析问题和动手实践等能力。
在遗传学教学过程中，注重教学内容与人类生活及人类疾病相结合,加强学生对教学内容的认识和遗传知识的深化。在讲授单基因遗传病、多基因遗传病和染色体病时,可与临床中真实的遗传病相联系,如常见的单基因遗传性疾病一白化病、苯丙酮尿症、黑尿症、先天性聋哑、高度近视，多基因遗传性疾病一原发性高血压、支气管哮喘、冠心病、青少年型糖尿病、类风湿性关节炎、精神分裂症、癫痫、先天性心脏病，染色体遗传性疾病一“21三体”综合征、猫叫综合征等。针对这些疾病，巧妙设计引导式问题,囊括大纲要求的知识点，突出遗传学的课程特色。在该模式下的教学过程中，学生不是被动地学、记忆和理解教师所教授的知识,而是在教师的指导下,将学生置于可以从不同角度看待事物的环境，问题情境便能够吸引并维持他们的兴趣，使他们积 极寻找解决问题的方法，创造性地得出结论,从而激发学生学习的内在动力。
5加强遗传学教师师资队伍建设，为研究性教学提供人才保障
过去,很多高校过于注重结果性评价而忽视过程评价,无法对教师的研究性教学能力和学生的实践能力作出公正而又科学的评价H。目前，黑龙江八一农垦大学已经非常重视研究性教学的实施,并为此做出很多努力和尝试。遗传学作为生命科学的重要课程,其教师队伍的整体水平是制约教学效果的一个重要因素。没有一支高水平的教师队伍一切将成为空谈。为了提高研究性教学水平,学校组织教师到优秀研究性教学能手的课堂上听课,通过学习其他课程的课堂教学方法、教学模式，为遗传学更好地进行研究性教学提供了教学案例。此外,学校年轻的遗传学教师可以通过培训、进修等形式提高专业水平。最后，如果想成功地进行研究性教学，授课教师必须进行学科专业的科学研究。授课教师要随时关注遗传学领域的最新发展动向，将权威杂志中介绍这门学科研究的新概念、新发现、新思路和新方法的文献综述引入课堂。这些参考文献学术水平高、内容新、难度适中，开阔了学生的视野，对他们很有吸引力。教师只有通过科研,才能真正理解本学科教材的内在联系，把握住本学科的发展趋势,及时吸纳学科内最新科研学术成果,适时地把学生引入本学科知识和科研的前沿,引导学生在科研实践中增长才智、得到锻炼，激发学生的创造欲望，通过科研、实验等手段培养学生的创新能力。
分子遗传学研究方法范文第6篇
自从1957年Waddington提出表观遗传学的概念后，表观遗传学和表观基因组学有了相当大的发展。表观基因组学是在全基因组水平上研究表观遗传学标志及其与基因表达的相互关系。这一新兴领域已对毒理学研究与实践产生重大的影响。国内，表观遗传学在毒理学研究已较深入地开展了一些研究，并发表了综述。
1外源化学物的表观遗传毒性
基因表达的表观遗传调控是通过DNA甲基化，组蛋白编码和相关的非编码RNA(如miRNA)来完成的。3种机制各自的贡献取决于特定基因及其环境，如物种，细胞类型，机体的发育阶段和年龄，此外，每个因素可能受到其他因素的影响。因此，表观基因组的调控是一个强大的和动态的综合过程，在发育和维持分化状态中起关键作用。虽然表观基因组不是所有的改变预期都是有害的，但有些可能产生有害结果(如发育异常，增加疾病易感性等)。在体外，动物和人类的研究已经确定了几类环境化学物，可以修饰表观遗传标志，包括金属、过氧化物酶体增殖剂、空气污染物、毒物和内分泌干扰物/生殖毒物。目前环境化学物表观遗传标志的研究大多数集中在DNA甲基化，只有少数研究涉及组蛋白修饰和miRNA(表1～3)。外源化学物引起表观遗传学改变可影响细胞应激，并是潜在可逆的;也可能是可遗传的。表观遗传毒性(epigenotoxicity)是指脱离外源化学物暴露后，可遗传的有害改变。广义的表观遗传毒性也可以包括外源化学物引起非遗传的表观遗传学改变中介的外源化学物毒效应。可遗传的表观遗传毒性和表观遗传改变中介的毒效应是有区别的。表观遗传毒性可以被分为有丝分裂的，减数分裂的或跨代遗传的3类。表观遗传毒性这一新兴研究领域对毒理学产生了重大的影响。下文主要讨论目前表观遗传毒性测试的主要发现及国际生命科学研究所(ILSI)“评估表观遗传变化”的研讨会的意见。
2表观遗传毒性的主要发现
2.1化学致癌近年来在多种肿瘤细胞观察到表观遗传事件。表观遗传事件可能引起基因表达的变化通过DNA甲基化，组蛋白修饰和/或染色质重构。并估计，在肿瘤细胞中检测到甲基化变化的数目远远多于遗传改变的数目。研究发现表观遗传事件参与环境与职业因子诱发癌变进程的引发和进展。DNA甲基化异常对肿瘤发生有因果关系作用，甲基胞嘧啶增加突变可能性，增加致癌物结合，肿瘤抑制基因沉默，DNA修复基因沉默，癌的DNA低甲基化和遗传学改变。组蛋白修饰可能通过影响DNA修复和细胞周期关卡，引起遗传学改变。传统的致癌性试验可确定表观遗传修饰诱导肿瘤的可能性。许多不同的啮齿类致肝癌物已被确定，而研究发现这些化合物的作用模式并无遗传毒性，与人类也无关联性。例如过氧化物酶体增殖物激活受体-α(PPAR-A)介导的和构成性雄甾烷受体(CAR)介导的啮齿类动物癌变。肝肿瘤促长剂苯巴比妥(PB)，其与CAR的激活和随后的效果相关。PB诱导的啮齿类表观遗传学改变包括甲基化改变的区域，基因表达的特殊改变和外源性及内源性化合物的代谢。持续的核受体介导的肝脏致癌物的分子分析，将更加明确地表征每个受试化合物的作用模式。表观基因组正常变异性的表征和与处理相关的表观遗传学影响的理解，将是研究致癌作用模式的巨大挑战。
2.2遗传毒理学评价化学物引起遗传损伤的能力是风险评定的重要内容。表观遗传学影响基因表达的可遗传的变化可能构成遗传毒性。表观遗传导致基因改变的机制包括:错配修复基因表观遗传缺陷，增加DNA修复基因表观遗传缺陷与癌症特定突变谱相关，参与双链断裂修复的基因的表观遗传失活，有丝分裂关卡基因表观遗传缺陷，致癌物解毒基因与甲基胞嘧啶突变可能性增加，DNA全面低甲基化和染色体不稳定等。已经确定表观遗传学改变在肿瘤形成中具有一定的作用。在肿瘤发展过程中DNA甲基化模式的改变往往是最早观察到的分子事件。甲基胞嘧啶(5meC)已知是C∶G至T∶A转换突变的热点，起因于胞嘧啶自发性水解和酶脱氨基率的增加和DNA修复降低。增加的5meC脱氨基率和T碱基修复受限可解释在CpG位点突变频率的增加。人类肿瘤p53基因突变的1/4和肿瘤抑制基因p16的C-T转换的1/3已知会发生在CpG位点上。突变的增加也可能来自于饮食中甲基供体的不足。已证明叶酸补充剂能减少溃疡性结肠炎患者发生结肠癌的风险和和预防结肠癌细胞p53突变。参与叶酸代谢的酶遗传多态性影响表观遗传标志，改变SAM水平，并能调节结肠癌的风险。也已提出DNA氧化性损伤在癌症的发生、心血管疾病和衰老中所起的作用。8-羟基鸟嘌呤(8oxoG)改变了CpG二核苷酸相邻的C的甲基转移酶活性，可能改变DNA甲基化。在CpG内C5-位的损伤影响DNA甲基化。在体外，5meC和5-氯C因启动子甲基化引起次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶(Hgprt)基因的沉默。此外，CpG内的8oxoG和HmC或显著减少结合于DNA的MeCP2，并直接导致染色质结构改变。光二聚物，烷基化碱基，脱碱基位点，以及链断裂也会诱导DNA的甲基化变化。对性细胞的致突变性将于下文讨论。体外哺乳动物细胞基因突变试验能够筛选表观遗传学介导的危害。例如，在不同啮齿类细胞系经5-氮胞苷处理TK基因可恢复活性。此外，DNA合成抑制剂3-叠氮基-3-脱氧胸苷(AZT)可引起TK位点超甲基化。应进一步开发筛选试验以确定表观遗传学中介的遗传毒性。
2.3发育与生殖的表观遗传毒理学完全分化的体细胞，在正常情况下，将有相对稳定的表观基因组传递到子代细胞。但在哺乳动物的发育过程中，早期胚胎发育过程(着床前)，以及在子宫内原始生殖细胞的发育过程中，有两个表观遗传学的重编程阶段，重新设置DNA的甲基化模式。这两个发育的表观遗传重编程事件有可能是破坏表观遗传编程的敏感窗口。发育和生殖毒理学家特别感兴趣的是毒物暴露是否可以直接改变发育的表观基因组，有害的表型是否可跨代遗传，及因此存在的潜在危害。表观遗传编程紊乱可能有助于对表型的跨代遗传。使用Avy小鼠(黄色刺小鼠)模型，饮食暴露双酚A，使Avy和CabpIAP亚稳外延等位基因低甲基化。甲基供体膳食补充剂或染料木素可抵消此低甲基化效应。这些结果与造成表观遗传影响的其他内分泌干扰物报告一致。在环境相关水平低浓度的双酚A(1.2和2.4μg/kg体重)对大鼠可诱导跨代遗传表型异常。暴露于双酚A围生期雄性后代的计数和活力降低，并在F3代持续这些表型。甲氧滴滴涕和乙烯菌核利在子宫中暴露也会导致跨代生殖遗传表型异常。虽然甲氧氯和乙烯菌核利在高于人类接触的剂量观察到病理学改变，但此研究提供了一个模型来研究表观遗传跨代的机制。已证明，乙烯菌核利暴露后破坏了多达3代的小鼠一些印迹基因甲基化模式，这表明跨代遗传异常的表型也有表观遗传的基础。
2.4免疫毒理学已发现，表观遗传调控多能幼稚辅T细胞(Th)分化的启动和其效应亚群的成熟。启动后不久，幼稚T细胞同时转录低水平的Th1(CD4)和Th2(CD8)细胞因子，包括IL-2。在选择性转录成为Ifng(Th1细胞因子标记)或Th2细胞因子基因(IL-4和IL-5，IL-13)之前需要几次复制。在体外用5-aza诱导T细胞，导致由早先不产生这些细胞因子的T细胞系产生IL-2和IFN-g。在用组蛋白去乙酰酶抑制剂处理的CD4T细胞研究证实干扰素IFN-G和Th2型细胞因子的表达增强。上述研究结果表明，表观遗传机制是Th细胞分化和功能的关键因素。尽管与小鼠相比，人类IFNG基因缺乏脱甲基化，分化的人类Th细胞CpG甲基化分析显示出与小鼠类似的结果。将化学物诱导的小鼠T细胞分化的表观遗传学改变数据外推到人应要谨慎。
2.5其他终点从鼠类模型或单一基因的表观遗传学的某些成果已被外推于人类疾病原因。表观遗传学基础的表型被认为是人类疾病的起源有待进一步的研究，特别是确定表观遗传的正常变异和评价表观遗传影响需要适当的实验设计和对照。已经提出，内分泌干扰物的表观遗传毒性可能导致暴露人群的许多发育，代谢和行为障碍。对其他靶器官或终点的表观遗传毒性还有待研究。
2.6检测流程和模型Szyf2007年对检测表观遗传毒性提出的研究思路为:①在生命一个时间点的环境暴露可能会改变表观遗传编程，导致稳定改变表型和反应性，②毒物暴露可能导致表观遗传重编程，导致生命后期表型的变异。Reamon-Buettner和Borlak提出使用动物模型(如鼠类)环境暴露后分析表观遗传机制的研究方案，见图1。已推荐了检测表观遗传毒性的动物模型，特别是Avy小鼠和Axin1融合(Axin1Fu)小鼠能用于研究表观遗传学和发育畸形之间的联系，因为在特定的DNA甲基化模式的改变可以与小鼠遗传疾病广泛链接。
3ILSI的“评估表观遗传变化”研讨会
2009年10月ILSI的健康与环境科学研究所(IL-SI/HESI)主办“评估表观遗传变化”研讨会，评估和提高表观遗传学方面的科学知识基础及其在疾病中的作用，包括跨代的表观遗传变化的影响，还讨论了将表观遗传纳入安全性评价的几个问题。
3.1可能用于评价化学物产生表观遗传毒性的模型系统大鼠和/或兔可能是评价外源化学物产生表观遗传变化影响F1和/或F2和F3代的适当的模型。小鼠可能是更易于处理的模型，因为小鼠基因组有更多的数据，并已有用于检测表观遗传变化的工具。已建议Avy小鼠模型作为潜在的筛查工具，其毛色受亚稳Avy等位基因IAP隐蔽启动子附近CpGs甲基化状态的影响。然而，Avy小鼠模型用于筛选可能过于敏感。其他可能的模型包括斑马鱼和秀丽隐杆线虫，以及蜜蜂和果蝇。体外模型是使用哺乳动物细胞或利用干细胞。干细胞包括其他物种不存在的印迹基因。印迹基因有可能作为确定表观遗传改变的感应器。以上讨论的模型有可能用于潜在危害识别，并提供机制基础。然而，将很难直接解释这些数据对整体动物和人类的意义。在表观遗传模型转化为管理决策测试之前，需要进行大量的基础工作和验证研究。
3.2可能评价的终点/靶对于表观遗传变化的指标，应确定适应反应还是有害反应。确定表观遗传修饰与可能提示特定有害影响的疾病相关基因表达改变之间的因果关系或强的关联需要表型锚定。在发现受影响的表观遗传效应的基因与某种疾病相关的基础上，应建立由表观遗传机制调控的基因数据库。表观遗传效应很可能有物种，组织，暴露和时间特异性。目前，在研究中实验对照组是化合物反应表观遗传变化的最适当的参照，建立表观遗传印迹的参考对照范围可能是有意义的，因为这些区域甲基化模式可能更趋于稳定和遗传。
3.3可能应用的技术关于DNA甲基化和miRNA，以阵列为基础的平台，针对人类和小鼠样品已优化。针对大鼠可用的工具有限，但可用根据大鼠基因组序列基于阵列的高通量方法。虽然硫酸氢盐为基础的测序评价DNA甲基化方法可用于所有物种，但需要发展高通量测序方法。区分异常信号和背景信号并不容易，最大的挑战将是数据分析和解释，应发展信息学。
3.4管理机构的观点为了将表观遗传毒性纳入风险评定，有很多的考虑。必须明确的问题，理解环境、营养和/或药物暴露对个人，群体及跨代水平的公共健康的潜在长期影响，界定希望解决的问题，确定模型系统。这就需要努力使与有害结局和基线改变相联系的研究设计、方法和模型标准化。以适当的参考化合物、途径和剂量验证该模型。模型试验检测的任何变化必须以合理的方式链接到表型或临床结局。对于法规测试，方法必须标准化，具有重复性和重现性。为了将表观遗传数据有效地纳入人类风险评定，最好与管理机构共同努力，确定一个正常基线范围，并与有害结局关联，界定公共卫生关注的适当水平。管理机构将需要开发分析工具，以对公共健康方面的数据进行解释，并将此类数据应用于风险评定模式和慢性健康结局。
分子遗传学研究方法范文第7篇
关键词：学科教学知识（PCK）；孟德尔遗传定律；遗传因子的发现
中图分类号：G633.91 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2013）02-0069-04
一、问题提出
斯坦福大学教授舒尔曼（LeeS.Schulman）在1985年的美国教育研究委员会例会上提交的一份研究报告，首次提出了PCK（pedagogical content knowledge）的概念。该报告于次年在美国教育研究协会会刊《教育研究者》上正式发表。此后，国外一些学者对该概念的内涵与意义进行了跟进和探讨，论述较多，但歧见犹存。
PCK在国内被翻译为“学科教学知识”或“学科内容教学化知识”。我国教育界近些年对这一概念给予了关注和重视，文献检索发现：PCK出现的频率正在逐年攀升，已经由早期的一般性评介转为学科化应用。但生物教育研究文献鲜有涉及，有关中学生物学科PCK的文献检索结果为零。
早在1972年，学者Aspy和Silverman在一项研究中发现，教师的课堂教学行为与教师拥有的教育学、心理学知识之间没有明显的相关性。此后的1974年，另两位学者Dunkin和 Biddle则对教师的学科知识与学生成绩之间的关系进行了研究，结果表明，教师的学科知识与学生成绩不存在统计学上的相关性[1] 。也就是说，对生物教师而言，教师对生物科学专业知识掌握的多少也与学生学习成绩之间没有直接关系。
学科教学知识的基本内涵或核心价值就在于“基于学生立场，实现知识转化”。具体到生物学科，那就是教师要善于将生物科学的学科逻辑转化为学生学习的心理逻辑。生物教师的PCK不是单一的生物科学专业知识，也不是跨越学科的一般教学法知识，而是二者的有机融合。可以说，生物教师的PCK是生物教师独有的和使教学最有效的知识，也是区别生物教学专家与生物学科专家、专家教师与新手教师的知识。因此，从PCK的角度来研究生物教师和生物教学，对促进教师专业发展和提升教学的有效性具有重要的现实意义。
二、研究方法
采用文献分析法，并辅以访谈法。主要运用一定的分析框架对生物教师及其教学设计文本、PPT课件和视频课录像进行质的研究。同时，对其中一些资料不全者追加访谈。
（一）文献来源
采用专家教师案例。这些案例来自于一些专家型教师有关“孟德尔遗传定律”话题的文字或视频资料。这些专家教师都具有高中生物学科的中学高级教师职称，教龄超过15年，均为地市级以上学科带头人或骨干教师。
本研究所采信的案例具体包括：①北京柳老师的《高中生物“遗传的基本规律”教学研究》，载于“广东省2011年普通高中教师职务培训”培训平台；②广州市朱教师、佛山市李教师和江门市刘老师的《遗传因子的发现》的说课稿、教学设计或课堂教学现场。
（二）分析框架
舒尔曼理论的继承者格罗斯曼（P.L.Grossman）在1990年对PCK的内涵进行了操作性解释，认为教师的PCK由4部分组成：①关于一门学科的统领性观点（关于学科性质的知识和最有学习价值的知识）；②关于学生对某一课题理解和误解的知识；③关于课程和教材的知识（特定学习内容在横向和纵向上的组织和结构的知识）；④特定主题教学策略和表征的知识[2]。同时，William R.Veal和James G.Makinster将PCK划分为普通、学科和话题3种基本类型，并对话题PCK的内涵进行了进一步阐释。
综合前人的内涵分析，本研究将孟德尔遗传定律话题PCK内涵确定为五个维度：①本话题的教育价值；②本话题的核心内容及其联系；③本话题的任务和目标；④本话题的前概念和学习困难；⑤本话题的教学策略。
本研究就是借鉴上述分类框架，结合文献和案例研究，对人教版高中生物课程中的“孟德尔遗传定律”话题进行PCK内涵分析。
三、研究结果
本话题在人教版教科书中的课题名称为《遗传因子的发现》，属于必修二《遗传与进化》的第1章（开篇章节），为4～5课时。这里从上述五个维度，对孟德尔遗传定律话题呈示PCK分析结果。
（一）孟德尔遗传定律话题的教育价值
首先，本话题包含较多专业名词术语，可以为后续学习奠定知识基础。
本话题涉及一些重要的遗传学基本概念，包括遗传因子、性状、相对性状、显性性状、隐性性状、性状分离、自由组合、杂交、自交、测交、正交、反交、纯合子、杂合子、基因型、表现型、完全显性、不完全显性等，还包括遗传图谱和遗传实验分析图解等。所以，本话题建立的概念体系能够为后面学习摩尔根实验和伴性遗传提供知识基础和认知支架。
其二，本话题包含重要的科学探究方法，有助于培养学生的科学思维。
孟德尔运用“假说-演绎法”，发现了生物遗传的基本规律。孟德尔所采取的是一种完全不同于达尔文博物学模式的“实验生物科学模式”，从科学假设出发，用科学实验来检验假设，用数学方法来显示、分析和预测实验结果。
孟德尔在观察和分析基础上提出问题，再通过推理和想像提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论。如果实验结果与预期结论相符，就证明假说是正确的，反之，则说明假说是错误的。这就是“假说-演绎法”。
此外，本话题还涉及到单因子实验（一对相对性状的杂交实验）和多因子实验（两对相对性状的杂交实验）等科学实验方法，特别是用自由组合定律的研究来渗透多因子实验的思想，在高中生物课程中具有重要价值。
其三，本话题包含重要的科学史料，有助于对学生进行科学品质的培养。
《遗传与进化》模块教科书是以人类对基因的本质、功能及其现代应用的研究历程为主线展开的。孟德尔的工作属于开创性的，了解孟德尔所处的年代以及当时的研究背景，能够更深刻地体会孟德尔遗传定律的重要价值。
教科书基本按照人类认识发展的历史进程来安排，从孟德尔到摩尔根再到沃森和克里克等。这样既展示科学的过程与方法，又体现个体水平、细胞水平、分子水平的遗传学知识的内在逻辑联系；既能引导学生不断提出问题，分析和解决问题，尝试像科学家那样进行解释和推理，又能从众多科学家表现出的科学精神、科学态度等优秀品质中获得感悟。
4位教师的内涵分析均涉及上述3个方面的内容，但清晰程度有所不同，其中1位教师的分析具体而全面。
（二）孟德尔遗传定律话题的内容及其联系
一是关于本话题的内容及其内部结构。
本话题以孟德尔发现遗传因子为主线。孟德尔遗传定律包括基因的分离定律和自由组合定律，前者研究的对象是一对相对性状的遗传规律，是后者的基础；后者是研究两对及多对相对性状的基因在不同对的同源染色体上的遗传规律，是前者的延伸和发展。其内容和结构图解如下：
图1 本话题的内容及其联系（柳忠烈，2011）
二是关于本话题与前后话题的外部联系。
前面学习过的细胞结构和有丝分裂等内容是本话题的细胞学基础。同时，本话题有关遗传因子在亲子代之间传递规律，有助于学生按照人类认知发展过程，来进一步从细胞水平和分子水平学习遗传规律，即教科书的第2章《基因和染色体的关系》和第3章《基因的本质》。基因的分离规律是学习自由组合规律、摩尔根实验和伴性遗传的重要基础，自由组合规律则是学习生物变异和遗传育种的重要基础。
本话题的内容是学习后续话题的基础，后续话题的内容则是对本话题的拓展和深化。教科书对《遗传与进化》模块内容的定位，是力求让学生从基因水平来理解生物的遗传和进化。随着人们对遗传和进化的认识深入到基因水平，遗传从本质上说是基因的代代相传，可遗传的变异从本质上说是生物体基因组成的变化，进化过程中物种的形成从本质上说是种群基因频率在自然选择作用下的定向改变。
4位教师的内涵分析均涉及上述2个方面，其中2位教师对第二部分的分析略显不够全面和具体。
（三）孟德尔遗传定律话题的任务和目标
课标在本话题的具体内容标准包括“分析孟德尔遗传实验的科学方法”和“阐明基因的分离规律和自由组合规律”，活动建议为“模拟植物或动物性状分离的杂交实验”。 结合教材内容和学生实际，我们可以将上述课程目标转化和细化为如下教学目标：
知识目标：简述豌豆作为遗传实验材料的特点；简述孟德尔一对和两对相对性状的豌豆杂交实验过程；简述孟德尔的科学假设及演绎推理，演绎结果的验证过程及结论的获得过程；阐明分离定律和自由组合定律的基本要点；运用分离定律和自由组合定律解释一些遗传现象。
能力目标：模仿母本去雄、套袋隔离和人工辅助授粉等杂交操作过程；学会用概率学知识分析实验结果及对未知结果进行预测；学会用假说-演绎法进行生物学问题的研究；能够运用测交原理设计实验验证显性个体的基因组成；学会用规范的遗传图解对遗传现象进行合理的解释；学会用孟德尔定律解决遗传育种和医学实践中的一些问题；学会利用孟德尔定律设计遗传学实验方案。
情感态度价值观目标：通过孟德尔等科学家的生平事迹，认同科学家严谨、创新、质疑等科学品质；感悟孟德尔成功的原因及杰出的贡献；体验实验材料选择、数据分析对生物学研究的重要意义。
在上述目标中，教学重点应放在以下几个方面：孟德尔实验现象的分析、假说的提出、假说的演绎、假说的验证及结论的获得；学会用孟德尔定律解决遗传育种和医学实践中的一些问题，设计遗传学实验方案。
4位教师对知识目标的设计和重点目标的确认基本相同，但对能力目标和情感态度价值观目标的设计则表现出明显的差异。同时，有3位教师对教学目标的表述存在明显缺陷，包括3个维度的区分、目标层次的把握和行为动词的使用都有不足。
（四）孟德尔遗传定律话题的前概念及学习困难
学生已具有的基础：日常积累的有关生物性状和性状分离现象等生活经验，初中生物所学有关分离规律等初步的遗传学知识，高中生物所学有关细胞结构和细胞分裂等细胞学知识。
学生学习难点主要包括：孟德尔实验现象的分析、假说的提出和演绎、假说的验证及结论的推导；用概率学知识分析实验结果及对未知结果进行预测；用假说-演绎法进行生物学问题的研究。
下面是关于学习中存在的常见问题及其教学建议：
一是概念繁杂导致难以准确把握，进而影响对遗传定律的理解和应用。
概念多，且是第一次接触，容易混淆。建议将这些概念的学习放在孟德尔实验过程的学习中进行，同时注意进行比较，通过对比帮助学生理清概念之间的区别与联系。
二是不善于用概率的思想指导实验分析和问题解决。
孟德尔定律是统计学的定律，是概率的定律。因而概率思想必须渗透到教学中，帮助学生用概率的思想去理解和应用孟德尔定律。抛硬币及其相关概率的计算是学习的必要基础，同时应注意反复渗透和讲练结合，要不断地在实验分析和问题解决的过程中强化概率思想。
三是遗传学知识的综合应用能力欠佳，常常影响对新情境问题的解决。
对于缺乏遗传学背景知识的学生来讲，遗传学始终是比较抽象的内容，遗传学知识的应用始终是教学中的难点。分析和解释某些遗传学现象是孟德尔定律学习的拓展和延伸，认识和解决问题的基础就在于孟德尔定律的教学。一方面，教师应注意带领学生沿着科学家思维的轨迹来分析和思考问题；另一方面，学生缺少遗传育种方面的感性经验，教学可以逐步由简单到复杂渗透遗传学实验设计和遗传育种方面的应用。
四是思维训练的缺失，导致对“假设-演绎法”的理解和应用难以深入。
学生不善于运用“假设-演绎”的思想来演绎孟德尔实验的研究过程和指导实验的设计。为解释植物杂交试验现象，孟德尔提出了一系列天才般的假说。而这些假说又很好地解释了3∶l和9∶3∶3∶1的实验结果。测交后代的表现型及其比例真实地反映出子一代产生的配子种类及其比例，根据子一代的配子型必然地可以推导其遗传组成，揭示这个奥秘对演绎推理的论证过程起到画龙点睛的作用。孟德尔的这一系列假说现在已被科学实验证明是完全正确的。
五是对孟德尔定律的理解深度不够，面对某些遗传特例时常常不知所措。
高考中越来越重视利用一些遗传特例来考察对基因分离定律和自由组合定律的理解。这些遗传特例往往会产生一些经典孟德尔比例的变形比例，如3∶1变形为2∶1，9∶3∶3∶1变形为9∶6∶1等。教师可以利用复习课对此进行说明和例析。
4位教师对学生学习困难的相同认识集中在前两项，后面三项则表现出明显的个性化差异，不同教师的看法不尽相同。
（五）孟德尔遗传定律话题的基本教学策略
上面针对学生的学习困难呈示了相应的教学策略，下面是一些关于本话题的整体教学策略：
一是采用问题导学，通过引导学生质疑和推理来组织本话题的教学。
二是遵循“学习实践创新”的基本思路，注意适当介绍孟德尔发现遗传规律的过程，让学生领悟到孟德尔的成功离不开坚实的知识基础、持之以恒的实验探索和勇于创新的科学精神。
三是要重视实验的演绎推理，用科学方法教育来统领教学的全过程，渗透“发现问题提出假设验证假设 总结规律”的科学思维方法。
四是采用“原型模型原型”的思路组织模拟实验的教学，并将模拟实验与孟德尔的豌豆杂交实验结合起来以突破教学难点。
4位教师对上述整体教学策略有相同或相似的看法，但具体操作和实施细节上又明显地呈现出各自的教学特色和偏好（限于篇幅，不一一列举）。
四、小结
PCK内涵分析不失为一种有效的教研活动方式，既为传统的教学研究注入了新的元素，也为教师专业发展找到了新的增长点，更为打造高效课堂提供了重要的支撑力。
本研究认为，专家教师的话题PCK内涵十分丰富，且具有个性化特点。一方面，这些教师对孟德尔遗传定律话题教育价值的理解、对教材内容及其前后联系的把握、对教学任务的界定和教学目标的设计，具有诸多相似的看法，表现出较为明显的趋同性。另一方面，这些教师对学生学习困难的把握、对教学策略的运用，又具有个性化的特点，表现出一定的差异性。总体而言，研究显示，这些专家教师均具备良好的学科基础、经验积累和教学智慧，能够较好地将本话题的生物学知识与教学原理结合起来，在一定程度上实现了学科内容的教学化和心理化。
同时，这些专家教师的话题PCK也存在一些不足，主要是对有关三维教学目标设计的把握不够准确和到位，在将生物学知识转化为学生容易理解的知识方面还有进一步提升的空间。
需要说明的是，本研究是一个新的尝试，仍有待于进一步深化。建议继续对中学生物教师的PCK进行系统和持续的观察和研究，比如通过面对面访谈了解生物教师PCK的个体性差异，通过问卷调查对专家教师与新手教师的PCK特质进行对比分析，通过文献分析和课堂观察对优秀教师的PCK进行提炼和总结，或者通过教师校本行动研究对某些重要话题进行PCK内涵分析。
参考文献
分子遗传学研究方法范文第8篇
关键词：遗传学；教学模式；教学策略；科学前沿
中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）22-0136-03
Abstract：Genetic is an important course of biology subject in university，which is meaningful for students to accumulate basic knowledge and helpful for the future scientific research of them. Though better teaching strategies were advanced recently，there is still some teaching methods could be improved. Being based on the deficiencies during teaching practices，the paper suggests some methods to improve the teaching model and strategies as follows：integrating scientific frontier into the teaching materials，adding hotspots of social attention in genetics subject to the teaching practice，coordinating experimental lessons with theoretical lessons，focusing on training summarizing ability of students. By improving teaching model and strategy，we could enhance the study interest of students，improve the knowledge expansion ability and scientific thinking ability in their future scientific research.
Key words：Genetics；Teaching model；Teaching strategy；Scientific frontier
遗传学是大学生物学及相关专业的一门重要理论课程和实验课程，是生物学分支下的一个重要二级学科，包含了微生物、动物、植物等领域的全部遗传进化相关的研究成果及研究内容，与生物学领域其它学科的知识交叉渗透并相辅相承。因此，大学遗传学是生物学相关专业本科生的一门重要理论课程。尽管近年来大学教学水平不断提高，遗传学教学方法和教学技巧在不断丰富，但在教学模式及教学策略方面仍有巨大的提升空间。本文基于在遗传学教学过程中发现的不足及积累的教学经验，通过分析学生学习特点及对知识吸收和需求等方面提出若干遗传学教学内容及策略方面的改进意见，可提高学生学习兴趣，有助于学生更好地掌握遗传学领域的知识。
1 教材内容与科学前沿动态的整合
随着科技的进步和发展，科学研究在不同领域也发生着日新月异的进步，新技术和新成果如雨后春笋般的涌现，遗传学研究的发展同样突飞猛进。能被遗传学教科书收录的知识都是不同阶段遗传学研究中的精华，同时有价值的遗传学相关研究成果也不断被写入教科书。因此，对于大学遗传学的教学要做到两个方面：使学生对遗传学研究历史中的重大发现如数家珍；使学生对遗传学领域现今的科学前沿及发展动态了如指掌。为达到以上两个方面的教学效果，教师需要在教学内容上进行优化，加强遗传W研究历史的讲解并将“CNS”的重要成果及诺贝尔奖的介绍引入课堂。
遗传学的发展是一个承前启后的过程，针对同一问题介绍其前因后果，追踪发展动态有助于学生对知识整体脉络的掌握。如对《遗传学》教材第四章“孟德尔遗传”知识的讲解可以加入其研究历史和后续的发展动态，使学生对该部分内容的掌握更加深刻[1]。根据教学大纲的要求，学生在这个章节需要掌握孟德尔以豌豆籽粒形状、子叶颜色、茎的长度等7对相对性状为基础所发现的基因分离和自由组合规律的相关知识。如果在讲课过程中仅介绍基因分离和自由组合的原理及相关计算方法不足以加深学生对科学研究方法的掌握及科学实验设计思维的提升。在该部分内容可适当介绍孟德尔发表该成果的主要论文《植物杂交试验》的相关实验设计及数理统计，以达到使学生了解科学研究的具体过程，培养学生实验设计及结果分析的相关能力。同时，在该部分内容讲解完毕后要追踪该问题的发展动态，介绍后续的进一步研究成果。如该部分内容可增加部分关于孟德尔选取的不同性状背后分子调控机制的研究进展。如对于豌豆籽粒形状的表现型（圆粒豌豆、皱粒豌豆）是由那些分子机制导致的。对于这个问题，后续的研究结果已经清楚证明，皱粒豌豆是受淀粉分支酶I（SEB1）编码基因所调控的，由于淀粉分支酶基因突变使种子中的果糖不能转化为淀粉，随着失水作用而使籽粒形状表现为皱缩[2]。其它几个性状的研究进展同样可以进行简单介绍，如子叶颜色受常绿蛋白（SGR）调控，茎的长度受赤霉素3-氧化酶（GA3ox）调控等[3]。通过围绕遗传学某一部分的内容，对其前因后果及研究动态的讲解有助于学生对知识的整体性把握，加深学生对知识的掌握程度。
诺贝尔奖是科学研究领域的最重要奖项之一，绝大部分获奖成果在科学研究历史上具有里程碑意义或为人类社会的进步和发展作出巨大贡献。在遗传学领域的发展史上不乏许多被授予诺贝尔奖的重要成果，支撑着遗传学的发展和生物学领域的进步。因此，在遗传学课堂上适当引入诺贝尔奖的介绍不仅可以加深学生对知识的理解程度，同时可以激发学生学习热情和科学探索精神。如在讲解遗传学第三章《遗传物质的分子基础》时可以引入1962年沃森（James Watson）、克里克（Francis Crick）、威尔金斯（Maurice Wilkins）由于发现DNA双螺旋模型所获得的诺贝尔生理学或医学奖。在遗传学教学的第五章《连锁遗传和性连锁》的教学过程中，可以围绕摩尔根发现连锁遗传的相关内容引入1933年摩尔根（Thomas Hunt Morgan）由于创立遗传学说所获得的诺贝尔奖以及1946年摩尔根的学生缪勒（Hermann Joseph Muller）由于发现X射线照射可引发基因突变所获得的诺贝尔奖。其它部分章节均可适当向学生介绍由于转座子的发现，聚合酶链式反应体系建立所获得的诺贝尔奖的相关信息等。同时最新的诺贝尔奖获奖内容同样涉及遗传学领域，如2015年诺贝尔化学奖关于DNA修复的细胞机制方面的研究是对遗传学第十章《基因突变》的进一步丰富和发展，2016年关于细胞自噬理论的研究是对第二章《遗传的细胞学基础》中细胞膜功能的深入阐述等。使学生在遗传学的学习过程中能不断了解该领域的最新前沿有助于学生追寻科研领域重大发现者的脚步与时俱进，打下深厚的知识基础。
2 将生产实践中的应用及社会关注热点引入课程教学
教师的教学活动除使学生掌握基本的理论知识外，还应联系实际，使学生在工作和生活中对所学知识运用自如。遗传学的教学同样需要在讲解理论基础知识的同时联系实际，使学生对所学的知识的应用产生切身的体会，这样不但可以提高学生学习兴趣，同时可以增强学生学以致用，提高分析问题和解决问题的能力。在遗传学课程的讲授过程中，可以适当添加一些对日常生活中的社会热点问题、公众普遍存在的争议问题等的讲解，增加以课程的吸引力和实际应用价值。如在讲解遗传学第三章《遗传物质的分子基础》这部分内容时，主要教学目标是通过几个实验证据的介绍证明DNA是主要的遗传物质。该章节可以通过中国古代的迷信思想“滴血认亲”是否具有科学依据来引入，讲授亲子鉴定方法（如DNA指纹技术）应用的理论基础，最后通过总结否定古代迷信的亲自关系鉴定方法，提出新的鉴定方法。在讲授过程中穿插这种与日常生活息息相关的内容更容易激发学生的学习热情，创造良好的课堂气氛。此外，在教学过程中还可以理论联系实际对遗传学领域社会争议的热点问题进行科普及探讨。如目前“转基因是否存在危害”这个问题是公众中存在争议的焦点之一，甚至引发崔永元和方舟子之间的争论大战，而公众对转基因的具体机理及操作知之甚少，甚至存在误读。在遗传学课程第九章《基因工程和基因组学》这部分内容的讲解过程中可以联系教科书中介绍的转基因操作流程在教学过程中做适当的扩展，深入阐述转基因的原理、田间试验的流程、目前中国可食用的转基因产品、目前中国可种植的转基因产品以及转基因真正容易引发的问题和不可能引发的问题等，使学生对类似的社会争议热点问题具有客观的认知，激发他们独立思考问题的能力。通过理论联系实际和将社会热点问题引入遗传学课程教学的方法可增强该课程的趣味性及应用性。
3 实验课程与理论课程的合理搭配
遗传学是生物学领域里一门重要理论课程，同时也是一门重要的实验课程。大学遗传学课程分为理论课和实验课两个部分，实验课的教学需要与理论课的教学配合进行才能达到较好的教学效果。在遗传学的教学安排中，对于同一部分内容的理论课程和实验课程连续进行容易使学生印象深刻。如在讲解“细胞有丝分裂”这部分内容时，把实验课安排在理论课结束一周内进行效果较好。如同学们在课堂上学习了有丝分裂具体过程及细胞分裂各个时期形态特征后一周内进行实验操作，观察显微镜下真实的染色体形态，比较与教科书中的差异可使学生更牢固地掌握所学到的知识。同样，遗传学的实验设计需针对各部分所讲的理论课程内容相配合，在理论课学习完成一周内开展，可以达到良好的教学效果。
4 注重培养学生归纳总结的能力
培养学生独立思考及学会学习的能力同样是大学教学活动的一个重要方面，大学的教学要求学生不仅要被动地接受知识，还要主动地归纳总结进而很好地吸收所学知识。因此，在大学遗传学的教学中同样要注重培养学生归纳总结知识的能力，训练思考问题的逻辑思维能力。在遗传学的教学活动中，教师不仅要教学生具体的理论知识内容，还需要引导学生学会学习，因此要做到以下两点：展示给学生学习的逻辑思维；引导学生归纳总结。引导学生学习的逻辑思维要求教师不仅要展示给学生具体的知识内容，还要求教师展示给学生对问题的理解及学习过程，图示教学法是实现该目标的很好方法。教师在准备教学幻灯片时应尽量以图示的方式展示每一部分的知识内容，备课过程中教师可以阅读书中的每一段主要文字，然后可通过自己的理解将学习到的以文字为主体现的内容转化为以各种图形及流程图为主来表达，在授课过程中结合图示用文字的方式再将知识点传达给学生，这样就可以是学生了解到每一段文字都可以转化为以图形表示的直观内容，引导他们采用类似方法进行知识的学习。如在讲授遗传学中“乳糖操纵子”相关内容时，为表达“乳糖乳糖水解酶基因开启乳糖分解乳糖水解酶基因关闭”这一过程时，可通过制作一个该过程动态变化的幻灯片来进行讲解，展示每一步反应及其原理，引导学生学习的逻辑思维能力。遗传学教学的第二个重要方面是引导学生对问题的归纳总Y能力，通过比较相似及异同达到对不同知识点清晰掌握的效果。如在讲到“非等位基因间的相互作用”这一教学难点时，可引导学生通过归纳总结对其进行区分。在该部分内容中，学生对控制同一生物性状的两对基因间的几类相互作用容易混淆，我们做了如下总结和归纳，采用更通俗易懂的语言揭示控制同一性状两个基因的内在联系，如表1：
通过对不同相关内容的比较分析，可以提高学生归纳和总结问题的能力，找出各部分知识及内容的异同点，可提高学生学习效率。在大学遗传学的教学过程中，教师应针对教材内容与科学前沿动态的整合，将生产实践中的应用及社会关注热点引入课程教学、实验课程与理论课程的合理搭配、注意培养学生归纳总结的能力等几个方面，灵活使用不同的教学模式及教学策略，对学生进行教学引导和兴趣的激发，从而达到良好的教学效果。
参考文献
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