生物信息學課程教學模式探索

生物信息學是現代生物制藥技術人員需掌握的新興技術，該技術能科學有效地去管理、處理與分析海量的序列數據與實驗數據，并不斷挖掘出各種可能的生物學關系，在醫藥開發過程中起著重要的作用。因此，生物信息學課程對處于后基因組時代的現代生物制藥技術人才培養顯得越來越重要。由于該門技術涉及諸多學科的交叉內容，迫切需要進行該門課程的教學模式探索，故對該課程的最佳教學模式進行了探索。

生物信息學教學模式探索任務引領生物信息學是用數理和信息科學的觀點、理論和方法研究生命現象、組織和分析呈現指數增長的生物醫學數據的一門學科，它是生物醫學、數學、信息科學以及計算機科學等諸多學科的嶄新交叉學科。生物信息學幾乎是今后所有生物（醫藥）研究開發所必需的工具。

21世紀是生物科學的世紀。近年，我國生物技術公司對生物信息學人員的相關需求也迅速增加，浙江理工大學生命科學學院生物技術專業在進行了行業調研并進行專業課程體系構建研究后，于2006年定位和開設了生物信息學課程。該門課程經過8年多的建設后，對教學團隊的建設、課程目標的設定、教學內容及教學教法的選擇等方面進行了卓有成效的探索，這些探索所形成的結論，可為即將開設或正在進行該課程教學改革的學校提供可借鑒的經驗。

一、生物信息學的課程特點

諾貝爾獎獲得者W.Gilbert1991年提出了這樣一個觀點：傳統生物學解決問題的方式是實驗的，而現在，基于全部基因都將知曉，并以電子可操作的方式駐留在數據庫中，新的生物學研究模式的出發點應是理論的，是一個科學家先從理論推測出發設定研究目標，然后再回到實驗中去追蹤或驗證這些理論假設。而生物信息學研究正是從英特網上源源不斷地采集數據，進行分析、歸類與重組，發現新線索、新現象和新規律，用以指導實驗工作設計，是一條既快又省的研究路線。它對于找尋一個研究項目的突破口是非常重要的，選定合適的研究出發點，可避免許多不必要的重復，最大程度節約研究資源，使研究成果最大化。鑒于該門技術對生物科學的理論、實踐要求以及對信息技術掌握的要求，生物信息學課程與其他課程的教學有很大不同。

1.在課程目標定位中，提高學生對相關網絡資源的使用能力是該門課程的重要目標之一。學生必需使用強大的搜索功能實現數據儲存、檢索和分析，學校在教學資源配置上必需向此傾斜。

2.該門課程學科交叉性強，所涉及的生物及計算機等學科的相關知識更新都很快，導致其理論和實踐內容不斷推陳出新，這使得在教學內容選擇上要緊跟這些更新，不斷進行調整。

3.課程教學實踐性強，同時涉及生物技術專業實踐和計算機應用技術的實踐，這需要教師在授課過程中根據學生的學習規律合理安排實踐項目，發揮好這兩種技術的協同作用。

二、生物信息學課程教學模式探索

1.教學目標與其所培養學生的核心技能

合理的課程目標與定位是決定課程建設成敗和教學效果的基礎，其主要依據是人才培養需求與授課對象的實際情況。經過對該門課程教學對象的研究發現，在生物專業課程體系下培養的本科生，其前導課程主要集中在生物領域，通常沒有系統的學習過計算機、信息技術、編程等知識。對信息檢索、模型建立、軟件的識別及應用的能力相當薄弱。因此，本門課程將提高學生的信息技術能力也作為一個重要的課程目標。學生在本門課程中將學習與生物技術相關的各種數據庫和軟件的使用。當然，對學生信息技術能力的要求也定位在能使用、會使用就行，不需要將學生掌握生物數據庫構建和軟件開發作為課程教學的目標。

在課程目標的設定過程中，應牢記高校對文化的傳承的功能，要使學生了解生物信息學發展的歷程。在生物信息學學科發展過程中所涌現出來的著名學者，眾所周知的震撼人心、啟迪心靈的奇聞秩事，能使學生對這門課程產生濃厚的興趣，甚至更深刻地領會這門課程的含義。

熟練掌握生物數據庫的檢索和使用是生物信息學課程教學的首要目標。到目前為止，生物學數據庫總數已達500個以上，在DNA序列方面有GenBank、EMBL和DDBJ等；在蛋白質一級結構方面有UniProt、SWISS-PROT、PIR和MIPS等；在蛋白質和其他生物大分子的結構方面有PDB等；在蛋白質結構分類方面有SCOP和CATH等。各數據庫均通過Internet提供多種形式的數據檢索服務。例如，NCBI-GenBank數據庫就提供Retrieve（Email），Entrez（Web集成信息檢索）及Query（Email集成檢索）等多種方式的檢索服務。這類檢索服務是生物數據庫所能提供的多種服務中最基本的信息共享和應用服務，也是生物專業學生和科研工作者經常使用的。在教學過程中需通過設計檢索任務來完成對這些數據庫使用方法的學習，如通過生物數據庫檢索家蠶profilin基因的相關信息。

增強學生使用生物信息處理軟件的能力，是生物信息學課程教學的重要目標。在世界各地，科學家每天都要通過序列比對軟件進行成千上萬次的序列比對。學生需要通過課程的學習熟練掌握各種生物信息處理軟件，有時還有必要進行一些簡單程序的設計，進而掌握發現新線索、查找新規律的工具。例如，目前，借助于生物信息手段的蛋白質預測是提供蛋白質結構及功能信息的重要方法，對這種預測方法的學習將使學生更多更快地了解蛋白質的信息，加深對生物技術科學的理解和運用。除了生物數據庫和生物軟件使用學習外，還要著重體現生物學文獻調研和閱讀、論文撰寫等基本能力的訓練，如EndNote文獻管理軟件的使用。

2.教學內容選擇和教學順序的組織

生物信息學的課程教學內容的選擇，要緊隨生物信息學的發展方向，涵蓋最前沿知識和最先進技術領域。與此同時，教學內容的選擇還應充分考慮學生基礎和對該門課程的需求。生物信息學選課學生通常有兩類，一類是具有較為扎實的生物學基礎的學生，他們學習目的非常明確，其學習重點在于提高對生物信息實驗所得結果的分析解釋和驗證能力。另一類是生物學基礎相對較弱的學生，這些學生主要是為了了解生物信息學發展前沿、掌握檢索能力以及初步的分析技能，對分析、處理、預測結果的驗證涉及不多。無論哪種學生，都比較欠缺信息技術方面的知識，因此，這類知識在前面部分介紹。而后面部分則隨學生的類型有所改變，我們根據授課學生的分類選擇不同的授課內容和授課重點，嘗試據此來劃分教學組織的各個階段，在每個教學節點精心設置任務（如表1所示）。

與其他課程的教學一樣，生物信息學課程的教學需遵守學生對知識的掌握規律，其內容的選擇與安排應按照循序漸進的原則。從第一階段到第二階段，教學內容“由易到難”。隨著教學過程的深入，課程內容更側重于對生物信息學某一專業領域的引導，此時授課教師的指導更加重要，這類領域往往與開課院系專業的優勢研究領域和導師研究方向相結合。

3.課程教學方法的改革

生物信息學是一門涉及知識面深刻而廣泛，學生獨立自學的難度很大的交叉科學。依據建構主義教學理論的特點，這類難度大、技術性和實踐性強的課程要特別重視以學生為教學主體的教學方法，應嘗試從任務引領入手，將生物信息學的一些重要學習內容逐步展現出來。

在生物信息學教學中，教學內容側重于任務引領，設定與學生生活相貼近的、接合學科發展前沿的引領任務。例如，可以從高水平雜志（Nature、Science）上根據任務引領的關鍵詞搜索綜述，根據綜述總結出該任務發展脈絡，提煉教學任務，將較為抽象的計算機算法、生物學基礎知識融于任務中，使學生有積極參與的意愿。及時將任務相關工具提供給學生，或是提前引導學生自己查詢工具，使學生有完成任務的基礎。

學生在每個節點都非常清晰地知道下個節點的主題，并在完成教師的任務過程中，構建局部知識框架，形成自己的見解。教師需在課堂上和課堂以外及時掌握學生對各個節點知識的掌握情況，找到學生的最近發展區，針對重點、難點解惑，提高教學效果。這樣可以使選擇的教學任務吸引學生、引領學科前沿，還能在教學過程與學生的互動中有效地實現教學相長。

4.重視切合課程設計的教材編寫

生物信息學不同于其他學科，其很多內容和知識節點更新很快，很多最新成果必須教師根據生物信息學發展前沿及時整理和總結，其教學內容設置著重于保證教學內容的先進性和前沿性。教材的更新和修訂周期較短，幾乎每學期均需要重新修訂。

2001年，教育部在[2001]4號文件中明確要求直屬高校的“本科教育要創造條件使用英語等外語進行公共課和專業課教學”，在信息技術、生物科學、管理、金融、法律等專業力爭在3年內使外語講授的課程達到所開課程的5%～10%，尤其強調了生物科學更要先行一步。現實情況也使英文自編教材的編寫刻不容緩，現在，絕大部分前沿生物數據信息（最主要的核酸和蛋白質）數據庫均為全英文操作界面，操作者只有熟練掌握生物信息學英文術語才能自如地使用該系統，才能更有效的進行生物信息學的學習和研究工作。在英文自編教材編寫時，理論部分的參考書我們精心應選定了具有非常嚴謹理論體系和反應了最前沿生物信息技術的《BIOINFORMATICS：Databases，Tools， and Algorithms》。編寫時需要特別注意應依據教學設計來設定來序化任務，突出不同教學階段的教學重點，使學生學習過程是個循序漸進的過程。我校采用的自編教材根據教學階段共設置五個引領任務：

（1）Pubmed檢索profilin基因研究進展；

（2）家蠶profilin基因結構分析與PCR擴增引物的設計；

（3）家蠶profilin基因同源序列的獲取與進化樹的構建；

（4）家蠶profilin蛋白二級和三級結構的模擬；

（5）家蠶profilin蛋白理化性質和功能位點的分析.

5.合理配置網絡資源和多媒體教學資源

首先，學會利用互聯網、計算機、數據庫和應用軟件進行生物信息分析的基本方法和技能本身就是生物信息學教學重點。以往普通的多媒體教室已難以提供一個交互式的網絡化、信息化的教學環境，如果想上好生物信息學這門課程，網絡資源和多媒體教學資源的應用，將貫穿于整個生物信息學課程（從任務下發及申領、任務控制及執行、任務完成結果檢驗與反饋）的整個教與學的過程。而我們通過極域電子教室和學校4A網絡教學平臺結合，較好的實現了生物信息學交互式的網絡化、信息化的教學環境。

課前，教師通過網絡平臺將任務教學內容、任務序列、工具等傳遞給學生，學生通過登陸互聯網絡，利用網絡資源和軟件嘗試完成預習任務。此處可以設置學情反饋點，教師通過網絡論壇等形式掌握學生預習情況。授課過程中，教師利用教師機客戶端的文件分發系統將任務教學內容、任務序列、工具等發送到學生桌面，再通過廣播教學多媒體技術為學生形象的講解任務內容以及完成方法。每位學生在教師的監督下在互聯網上執行任務。教師在監控學生完成任務過程中，不斷的得到學生任務進程的反饋，對于任務中學生出現共性問題，利用網絡發布、廣播教學或演示等形式及時解決。課下，學生同樣可通過學校4A網絡教學平臺將任務報告、作業、問題和意見等反饋給教師，教師在平臺上批改任務報告后將成績和評語發送給學生，讓學生及時了解自己的學習情況，師生還可以通過平臺中的網絡論壇進行問題討論等。網絡環境下的生物信息學任務引領式教學，不僅能提高學生的學習興趣，還能創造更為有效的師生互動信息教學環境。

三、結束語

經過多年的生物信息學教學實踐發現，如果想建設好生物信息學課程，我們需要設定非常清晰的教學目標，理清課程需要培養學生的核心技能；結合行業發展的技術前沿精心選擇教學內容，合理序化教學順序；要依據建構教學理論，重視以學生為教學主體的教學方法，嘗試從任務引領入手引領學生學習，提高學生的學習興趣；要重視切合課程設計的教材編寫，理論部分引自精選英文參考書，設計教材結構應切合任務引領的教學方法；合理配置網絡資源和多媒體教學資源，加強學生互動，為成功地實現“反轉課堂”提供保障。

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本文系浙江理工大學《生物信息學》重點課程項目（ZDKC1205）資助。