生物信息學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)踐

舒坤賢，袁 帥

(重慶郵電大學(xué) 生物信息學(xué)院，重慶 400065)

生物信息學(xué)(bioinformatics)是生物學(xué)與數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉所形成的一門(mén)新興學(xué)科，根據(jù)美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health, NIH)的定義生物信息學(xué)是“研究、開(kāi)發(fā)或者應(yīng)用計(jì)算工具和方法來(lái)擴(kuò)展對(duì)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、行為科學(xué)和衛(wèi)生數(shù)據(jù)的使用，包括獲取、存儲(chǔ)、組織、分析和可視化這些數(shù)據(jù)”[1]。它隨著1990年人類(lèi)基因組計(jì)劃(Human Genome Project, HGP)的實(shí)施和信息技術(shù)的發(fā)展而誕生，現(xiàn)已迅速發(fā)展成為當(dāng)今生命科學(xué)最具吸引力和重大的前沿領(lǐng)域，為生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)等專(zhuān)業(yè)的高素質(zhì)人才提供了更廣闊的發(fā)展天地。目前，美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、哈佛大學(xué)等世界知名大學(xué)，我國(guó)也包括上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等21所高等院校開(kāi)辦了生物信息學(xué)本科專(zhuān)業(yè)[2-5]，更多的高校開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)課程[6]，但是目前還沒(méi)有成熟的、完善的教學(xué)模式。如何在高校中進(jìn)行生物信息學(xué)教學(xué)，尤其是實(shí)踐教學(xué)，亟需探索。

重慶郵電大學(xué)作為一所以信息科學(xué)技術(shù)為特色和優(yōu)勢(shì)的高校，是我國(guó)數(shù)字通信的發(fā)源地。2000年成立生物信息學(xué)院，2006年開(kāi)始招收生物信息學(xué)本科專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)對(duì)我們?cè)谏镄畔W(xué)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建方面的工作進(jìn)行總結(jié)，提出幾點(diǎn)見(jiàn)解，期盼能“拋磚引玉”，引起同行專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注和探討，由此推動(dòng)生物信息學(xué)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提高。

一 明確實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)

建設(shè)一流的生物信息實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，形成“產(chǎn)學(xué)研用”為導(dǎo)向的層次型模塊化的實(shí)踐教學(xué)人才培養(yǎng)體系。

二 生物信息學(xué)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

學(xué)校專(zhuān)門(mén)成立了生物信息實(shí)驗(yàn)中心，所涉及到的生物信息包括三個(gè)層次：一是分子細(xì)胞水平的DNA、RNA及蛋白質(zhì)等分子信息，二是個(gè)體水平的生理、病理信息，三是整體水平的生命之樹(shù)信息。基本上涵蓋了目前生物信息的所有內(nèi)容。

以“生物”為基礎(chǔ)，以“信息”為主線。先后設(shè)立三個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖1)：生物信息采集平臺(tái)、生物信息分析處理平臺(tái)和生物信息應(yīng)用平臺(tái)。

圖1 生物信息實(shí)驗(yàn)中心的三個(gè)平臺(tái)

三 建立層次型、模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

生物信息學(xué)時(shí)實(shí)踐性很強(qiáng)的科學(xué)，我們?cè)趪@“為什么培養(yǎng)人才，培養(yǎng)什么樣的人才，如何培養(yǎng)人才，人才培養(yǎng)效果如何體現(xiàn)”開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在培養(yǎng)模式中導(dǎo)入“產(chǎn)學(xué)研用”的層次型、模塊化的實(shí)踐教學(xué)體系(圖2)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系具有“厚基礎(chǔ)、多實(shí)踐、強(qiáng)創(chuàng)新、開(kāi)放式”的特征，實(shí)現(xiàn)了以實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)項(xiàng)目為載體，通過(guò)啟發(fā)式、互動(dòng)式、研究式的實(shí)踐教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展自己的興趣與特長(zhǎng)，綜合培養(yǎng)學(xué)生的“專(zhuān)業(yè)思維、動(dòng)手能力和創(chuàng)新素質(zhì)”。

圖2 生物信息層次型、模塊化實(shí)踐教學(xué)體系

(一)層次型教學(xué)體系

層次型體現(xiàn)在人才培養(yǎng)過(guò)程的不同階段和生物信息學(xué)的認(rèn)知規(guī)律，包括基礎(chǔ)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)和創(chuàng)新性科實(shí)踐教學(xué)。不同層次的實(shí)踐教學(xué)側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生不同的素質(zhì)和能力。基礎(chǔ)類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，逐步增加綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比例，培養(yǎng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)興趣和基礎(chǔ)知識(shí)體系；綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)以綜合性為特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能和綜合能力；創(chuàng)新性科研實(shí)踐訓(xùn)練以創(chuàng)新性為特點(diǎn)，重點(diǎn)培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。當(dāng)然，三個(gè)層次不可割裂，專(zhuān)業(yè)知識(shí)驗(yàn)證和專(zhuān)業(yè)思維培養(yǎng)以及創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)與提高始終是貫穿在整個(gè)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中的。

(二)模塊化課程體系

模塊化體現(xiàn)在生物信息采集、生物信息處理和生物信息應(yīng)用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)既有各自特殊的規(guī)律，又有共同的學(xué)科基礎(chǔ)。以生物為對(duì)象，以信息為主線，形成了3個(gè)模塊，即生物信息采集類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程、生物信息處理類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程和生物信息應(yīng)用類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程。每個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)課程包含基礎(chǔ)類(lèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)和共享的科研實(shí)踐訓(xùn)練，具有系統(tǒng)的學(xué)科知識(shí)體系和實(shí)踐體系，各模塊實(shí)驗(yàn)之間又具有很好的有機(jī)聯(lián)系。通過(guò)這樣的課程體系設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)模塊之間的互通和連接，促進(jìn)學(xué)科的交叉融合，從而使學(xué)生真正達(dá)到“厚基礎(chǔ)、寬口徑”，并使學(xué)生從實(shí)踐教學(xué)層次認(rèn)識(shí)學(xué)科交叉的重要性。

四 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的管理

健全的管理機(jī)構(gòu)、規(guī)范的管理制度和優(yōu)質(zhì)的軟硬件教學(xué)條件是實(shí)踐教學(xué)體系順利實(shí)施的重要保障，是影響實(shí)踐教學(xué)的重要因素。

(一)層次型的管理機(jī)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中心接受校、院二級(jí)管理，學(xué)校設(shè)主管教學(xué)副校長(zhǎng)，教務(wù)處是全校實(shí)驗(yàn)管理工作的行政職能部門(mén)，專(zhuān)門(mén)設(shè)立實(shí)踐教學(xué)管理機(jī)構(gòu)，行使學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)室協(xié)調(diào)、管理職能。生物信息學(xué)院配備一名副院長(zhǎng)參與實(shí)驗(yàn)中心日常教學(xué)管理工作。

實(shí)驗(yàn)中心推行學(xué)術(shù)委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下的主任負(fù)責(zé)制，中心主任、副主任由學(xué)校聘任。歷任主任、副主任均由熱愛(ài)教學(xué)了解國(guó)內(nèi)外生物信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，教學(xué)理念先進(jìn)，學(xué)術(shù)水平高的老師擔(dān)任；中青年骨干教師擔(dān)任實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員，由中心統(tǒng)一管理。中心實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員在行政上是獨(dú)立的行政單位，同時(shí)由經(jīng)驗(yàn)豐富的教授、博士教師和企業(yè)技術(shù)骨干擔(dān)任實(shí)驗(yàn)教學(xué)兼職人員，建立了一套科學(xué)聘任辦法，規(guī)范管理制度，激勵(lì)廣大實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員，積極向上，保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利進(jìn)行。

(二)信息化、網(wǎng)絡(luò)化管理

建立實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)主要包括開(kāi)放實(shí)驗(yàn)網(wǎng)上預(yù)約管理系統(tǒng)、中心網(wǎng)站和學(xué)院網(wǎng)站。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為一個(gè)有機(jī)整體，已與學(xué)校其他實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、信息等資源共享，達(dá)到了以下功能和效果：

1)建立了較為完善的網(wǎng)上選課系統(tǒng)，作為學(xué)校選課系統(tǒng)的補(bǔ)充，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了很好的作用。

2)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，如發(fā)布教學(xué)安排、教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置、實(shí)驗(yàn)技術(shù)交流、教學(xué)管理制度等；物資管理，如顯示儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室分布、操作規(guī)程、儀器設(shè)備管理制度等；下載實(shí)驗(yàn)電子教案、課件等，便于學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。

3)為學(xué)生提供了越來(lái)越豐富的網(wǎng)上教學(xué)資源。學(xué)生可以在中心網(wǎng)站上察看實(shí)驗(yàn)課程，中心配微機(jī)室，方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M、數(shù)據(jù)處理、撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，充分保證了信息平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用。

(三)開(kāi)放運(yùn)行

以學(xué)生為本，重視實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放在人才培養(yǎng)中的作用，采用一系列切實(shí)有效的措施，保證試試效果。實(shí)驗(yàn)中心實(shí)行全天候開(kāi)放(上午8:00—12:00；下午2:00—6:00；晚上7:00—10:00)；其余時(shí)間，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)上或電話預(yù)約等方式進(jìn)行預(yù)約。在實(shí)際操作中，注意了學(xué)生課堂內(nèi)、外的學(xué)習(xí)與實(shí)踐活動(dòng)的合理安排。建立了第一課堂和第二課堂互動(dòng)和并重的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。課程體系尊重學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與求知愿望，體現(xiàn)學(xué)生的“主體地位”，充分展示了以學(xué)生為主體。

開(kāi)放空間主要包括分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、生物信息學(xué)實(shí)驗(yàn)室、高性能計(jì)算中心、數(shù)字醫(yī)療儀器開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室等；開(kāi)放對(duì)象包括本科生、研究生、教師、合作單位及社會(huì)各界人士；開(kāi)放內(nèi)容包括課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)、大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、校內(nèi)外科研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)等。中心在高效利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和項(xiàng)目資源的基礎(chǔ)上，提高了師生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)中心實(shí)行導(dǎo)師制，優(yōu)秀學(xué)生在導(dǎo)師指導(dǎo)下從低年級(jí)起，就在課余時(shí)間進(jìn)入開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展科研工作，使學(xué)生得到全方位的科研訓(xùn)練，學(xué)到了科學(xué)研究的思維方式和科研方法。

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