生物信息學課程教學改革與探索

[摘 要]生物信息學是一門理論性和實踐性都很強的課程，理論與實踐的結合十分緊密?；谡n程特點，對生物信息學課程教學進行了改革和探索。采用循序漸進的方式，激發學生的學習興趣，應用雙語多媒體方式教學，在重視基本理論和基本知識講授的基礎上，加強上機實踐操作，充分利用網絡教學資源，有機地將科研成果應用于教學過程中，并對考試方式進行了改進。這些改革措施調動了學生學習的積極性和主動性，提高了學生生物信息學分析的技能和創新能力，取得了良好的教學效果。

[關鍵詞]生物信息學 課程教學改革 創新能力培養

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）16-0061-02

當前生物信息學的研究主要集中于核苷酸和氨基酸序列的存儲、分類、檢索和分析等方面，所以目前生物信息學可以狹義地理解為“將計算機科學和數學應用于生物大分子信息的獲取、加工、存儲、分類、檢索與分析，以達到理解這些生物大分子信息的生物學意義的交叉學科”。生物信息學的發展，對人們分子水平上認識生命活動的規律起著關鍵性的作用。生物信息學是一門理論性和實踐性都很強的課程，理論與實踐的結合十分緊密。生物信息學課程的授課內容分為理論基礎和上機操作部分，主要特點是傳授理論知識和培養實踐能力并舉。在生物信息學的課堂教學中，既要強調基本理論、基本知識的傳授，同時也要加強學生的實踐能力和創新能力的培養，以實際應用為主要側重點，著重培養學生的創新能力。根據生物信息學的課程特點，我們在理論教學、上機實踐操作及考試方式等方面進行了改革和探索，獲得了較好的教學效果。

一、激發學習興趣

生物信息學課程涉及的新技術較多，接觸的因特網也多為英文頁面，多數學生因而存在畏難情緒。對于分子生物學基礎及英文較差的學生，我們采用循序漸進的方式，鼓勵他們由淺入深地學習生物信息學的分析方法，由少到多地瀏覽英文網站，理解并掌握常用的生物信息學英文詞匯，從而增強了學習生物信息學的興趣和信心。學生通過對英文網站的不斷瀏覽，英文閱讀能力得到了很大提高；同時也開闊了視野，拓寬了知識面。隨著學生生物信息學分析能力及專業英語水平的提高，教師在理論課講解過程中，由少到多地逐步加大了英文教學的比例?？傊ㄟ^激發學生的學習興趣，幫助學生逐步建立起學習的興趣和自信心，為學好生物信息學這門課程打下了堅實的基礎。

二、重視雙基訓練

本課程首先結合人類基因組計劃介紹生物信息學的歷史發展和概況，然后順序介紹生物數據庫分類、序列相似性比較、數據庫搜索、分子系統發育樹分析、基因組學與基因預測、蛋白質結構預測等基本知識，以介紹基本理論和基本知識為主，啟發學生拓寬知識面，了解學科前沿和最新進展，培養學生解決生物信息學分析實際問題的能力，從而為今后進行生命科學研究奠定基礎。

生物信息學涉及的算法多數都較為枯燥，在授課過程中側重于分析方法的講解和應用。如在講授雙序列比對動態規劃算法Needleman-Wunsch全局比對和Smith-Waterman局部比對及分子系統發育樹構建UPGMA（Unweighted pair group method with arithmetic mean，非加權算術平均組隊法）等算法時，在多媒體教學的基礎上，結合板書演算實例、互動式“提問”等方法幫助學生理解算法的基本原理及分析方法；同時布置課后計算題作業，要求學生獨立完成后上交，并作為平時成績考核的主要依據之一，從而促進學生鞏固基本理論和基本知識。

三、雙語多媒體教學

為了適應生物信息學知識全球化的特點，使學生能夠更好地接受最新的生物信息學知識，我們制訂了生物信息學課程雙語教學計劃，并在教學過程中分階段逐步實施。在第一階段，以漢語講授為主，英語滲透，中文教材為主，相關英文文獻為輔；在此基礎上，逐步向第二階段過渡，即漢英整合，不分主次，PPT課件和Flash動畫采用英文版本；最終的目標是第3階段，即選用英文教材，制作英文版本的PPT教學課件，采用全英文授課方式。整個過程循序漸進，逐步淘汰傳統的中文教學。

在講解數據庫查詢和BLAST（Basic local alignment search tools）分析、Bankit在線序列提交和Sequin離線序列提交及DNASTAR、DNAMAN、MEGA等軟件包使用方法時，改變以往靜態演示的舊有模式，應用屏幕錄像專家軟件制作多媒體動畫文件，將操作步驟和鼠標的移動軌跡、點擊抓取下來，以便讓學生直觀地觀看課件。通過現場操作核酸序列的查詢、蛋白質三維空間結構的顯示、限制性酶切圖譜繪制、PCR引物設計、序列組裝重疊群（contig）構建、分子系統進化樹構建等分析，應用多媒體設備將整個操作過程動態地逐一展示，直至最終完成整個過程，使學生得到了直觀體驗，加深了印象，從而更加容易掌握這些實踐操作。

四、加強上機操作

實踐教學相對于理論教學具有直觀性、驗證性、綜合性、啟發性和創新性的特點。為了提高學生的實踐操作能力，我們安排了多個驗證性、設計性上機實踐操作。《NCBI數據庫的檢索與使用》讓學生熟悉GenBank核酸序列的格式、主要字段的含義、序列下載的方法，并掌握Entrez檢索工具的使用方法；《BLAST數據庫搜索》讓學生掌握BLAST數據庫搜索的分析方法；《核酸和蛋白質序列的進化分析》讓學生掌握MEGA（Molecular evolutionary genetic analysis）和Clastalx等軟件構建分子系統進化樹的方法和步驟；《DNAMAN軟件的使用》讓學生掌握DNA序列的限制性酶切位點分析及PCR引物設計等基本操作方法；最后一次實踐上機課安排《核酸、蛋白序列的綜合分析》設計性實驗，讓同學們隨機組成兩人一組的研究小組，自選感興趣的基因并從GenBank數據庫中下載該基因的20條核酸序列及蛋白序列，分析其中1條核酸序列的堿基組成比例，反向互補序列、編碼的RNA序列及蛋白序列，分析其中1條蛋白序列的氨基酸組成比例、分子量、疏水性、等電點、亞細胞定位等物理、化學特性；同時基于DNA序列和蛋白質序列構建分子系統發育樹。

五、網絡教學資源

生物信息學對于網絡工具高度依賴，由于受學時限制，課堂教學的內容非常有限。為了給學生創造一個良好的自學環境，我們應用屏幕錄像軟件開發了上機實踐操作演示等教學資源；提供了課件供學生在網絡上下載使用，該課件覆蓋了生物信息學課程的全部教學內容，包括相關的動畫演示等信息；另外還提供了DNASTAR、DNAMAN、MEGA、BIOEDIT等軟件安裝程序及使用手冊，相關英文參考文獻等，從而有效地擴大了學生的自學空間。

六、科研教學相長

本課程由具有生物信息學或分子生物學博士學位的教師承擔，每位授課教師的科研課題均涉及生物信息學分析。在生物信息學的教學過程中，授課教師積極融合個人的科研工作經驗和成果，豐富了教學內容。如在講授Bankit在線序列提交及Sequin離線提交序列時，我們以提交至國際核酸序列數據庫GenBank的芒草（Miscanthus sinensis）肉桂醇脫氫酶（JQ598683）、過氧化氫酶（JQ598684）、咖啡酰輔酶A-O-甲基轉移酶（JQ598685）、肉桂酸-4-羥化酶（JQ598686）為例；在講授基因外顯子和內含子結構預測時，以牡丹（Paeonia suffruticosa）ACC氧化酶（FJ855434）和ACC合成酶（FJ769773）為例。通過把科研思路帶入教學中，有效培養了學生的科研能力及創新能力。此外，教學實踐也有利于教師全面了解生物信息學和相關學科的最新進展，不斷為科研提供新思路。

七、考試方式改革

生物信息學課程的目的是提高學生利用信息技術解決生物學問題的能力，因此主要考查學生綜合利用所學知識分析問題和解決問題的能力。在課程考核中結合平時書面作業、遞交上機操作練習和考試三方面情況，綜合評定。平時布置3次思考題目，以書面形式上交，占考核成績的20%；上機實踐操作的習題以電子版發送到教師的E-mail郵箱中，占考核成績的30%；課程結束后給學生1周的時間復習，而后在計算機上答題，包括基礎知識部分和上機操作部分，占考核成績的50%。經過綜合評定，能夠比較客觀地反映一個學生對該課程的實際掌握情況。采用這種考試方式后，一方面，促使學生在學習過程中，不必花大量工夫去死記硬背，而把重點放在了基本理論、基本知識的鞏固及實踐操作技能的提高上，有效地提高了學生的實踐操作能力和創新能力；另一方面，也促使教師在教學過程中，注重從能力培養的角度進行教學課堂設計，提升教學質量和水平。

在教學過程中，通過激發學生的學習興趣，采用雙語多媒體教學方式，在重視基本理論和基本知識講授的同時，加強上機實踐操作，充分利用網絡教學資源，將科研成果結合于教學過程中，結合考試方式改革與探索，大大提高了“生物信息學”課程的教學質量水平及教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

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[3] 林世強，寧正元.生物信息學及其在農業科學中的應用[J].亞熱帶農業研究，2007，（5）：145-148.

[責任編輯：碧 瑤]