面向學生創新實踐能力培養的生物信息學教學改革初探①②③

海新+趙健+鄧芳博+張力+楊琪+邱進云+劉宏生

摘 要：生物信息學是近些年迅速發展的交叉學科，已是當今生命科學和自然科學的重大前沿領域之一，生物信息學課程已成為高等院校生命科學相關專業的主要課程之一。生物信息學是一門實踐性非常強的學科，其教學與其他學科顯示出明顯的不同，教學改革的內容應該著重于提高學生的創新實踐能力。該文結合在生物信息學教學改革中的教學實踐和總結的經驗，從教學理念、教學方法、教學內容和考試改革等方面討論了如何培養學生的創新實踐能力。

關鍵詞：生物信息學 ?創新實踐能力 ?教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0143-02

2013年三位美國科學家以“為復雜化學體系設計了多尺度模型”而獲得了諾貝爾化學獎，從此生物信息學（Bioinformatics）真正走到了自然科學的前臺，成為未來發展的重要方向和熱點。生物信息學是以生物學為核心和靈魂，以數學和計算機為基本工具的一門交叉學科，綜合運用數學、計算機科學和生物學的各種工具，獲取、處理、存儲、分發、分析和解釋生物信息，進而揭示大量數據所蘊含的生物學意義。生物信息學已經成為生物醫學、農學、遺傳學、細胞生物學、分子生物學等學科發展的強大推動力量，目前已經成為高等院校生命科學相關專業學生必須掌握的主要專業課程。要實現中華民族偉大復興的中國夢，離不開科學技術的創新驅動，創新人才的培養自然成為高等院校的主要責任，高等院校教師需要根據培養學生創新實踐能力的要求不斷的開展教學改革。鑒于生物信息學的重要作用，最近幾年各高等院校都相繼開設了生物信息學課程，但是由于生物信息學是一門廣泛的交叉學科，需要學生具有較扎實的多學科基礎知識，且生物信息學自身發展迅速，新概念、新算法、新數據庫等層出不窮，需要教師不斷跟進，因此生物信息學的教學與其他學科顯示出明顯的不同，舊的教學方法不能適應生物信息學課程的發展。生物信息學教學改革的內容應該著重于提高學生的創新實踐能力。該文將生物信息學教學改革中總結的經驗，從教學理念、教學方法、教學內容和考試改革等方面，對在生物信息學課程的教學中如何培養學生創新實踐能力進行了討論。

1 教學理念上強調學生的實踐能力和自主創新思維的培養

生物信息學是一門實踐性非常強的學科，同時具有多學科交叉的特點。對于非生物信息學專業的生命科學相關專業學生，主要課堂目標是熟練應用各種軟件、數據庫解決實際的生物學問題，而不是研究新算法、開發新程序。非生物信息學專業的學生一般具有較好的生物學基礎，對于核酸、蛋白質等相關知識已經較為熟悉，在教學中不必過多重復，而對于生物信息學中的數學模型，程序原理等內容具有較大的學習障礙，經過我們的教學發現，學生對于這些內容的不理解并不會顯著影響其應用軟件的實踐能力。因此，對于非生物信息學專業的生物信息學本科課程，應當簡化復雜難懂的理論知識，注重培養學生的實踐能力，使學生可以應用生物信息學工具對生物數據進行分析，解決實際問題，在使用生物信息學工具解決實際問題的時候對生物信息學產生興趣，增強創新實踐能力。

2 采用啟蒙式、研討式、運用式等生動形象的教學方法

為了強調學生的實踐動手能力，采用啟蒙式、研討式、運用式等生動形象的教學方法。（1）將授課地點定在計算機網絡教室，接駁互聯網的計算機安裝有課堂管理系統，實時演示教師的操作。教師在授課過程中結合具體實例邊講解邊示范操作，學生邊聽課邊練習。（2）對課件增加圖片、視頻、音頻等多媒體素材，使抽象的、靜態的生物信息學知識以具體的、動態的形式演示，提高學生的學習興趣，加深學生對知識的掌握程度。例如在講解蛋白質三維結構相關知識時，教師需準備好各種蛋白質的三維結構素材，并使用（同時教會學生使用）專業蛋白質三維結構看圖軟件進行演示操作，這樣可以顯著提高學生的實際操作興趣。（3）進行課程錄像，記錄課堂上老師的講課現場和計算機操作屏幕的錄像，將視頻放到網絡教學平臺上，供學生課后觀看，降低生物信息學學習難度。（4）進行隨堂在線操作練習，以教師和學生分別自設題目的方式開展創新實踐練習，促進學生創新性思維方式，注重提高理論用于實踐的綜合能力，同時更有效地提高學生計算機應用能力。（5）采用雙語授課，提高學生專業英語能力。生物信息學的實際操作離不開數據庫和軟件，而目前國際上通用的生物信息學在線數據庫和常用軟件的界面都是英文，因此學生必須能看懂生物信息學相關概念的英文說法。我們采用雙語授課，對課程中的關鍵信息再使用中文重點講解一遍。教學中發現大多數學生對英文授課及英文軟件有懼怕和惰性心理，對此我們采用循序漸進多次重復的方式幫助學生克服最初的懼怕建立信心，在英語授課前一周，教師將多媒體課件通過網絡教學平臺發送給學生，并列出來關鍵名詞，供學生提前預習，減少課堂上直接聽英文的難度，在數據庫和軟件中，安排學生多次使用同一個軟件，同一個數據庫，對常用的詞語進行重點說明，從而減小學習壓力，增強學習信心。本方法增強了學生主動學習生物信息學自主能力，同時提高了學生英文聽、說、讀、寫等能力。（6）發揮網絡教學的優勢，教師可根據教學內容從網上下載教學輔助資料，充分利用網絡的現有資源，并通過網絡教學平臺為學生提供教學資源，將制作的教學課件、教學大綱、教學錄像、參考文獻、思考題、自測題等上傳到教學平臺上，使學生隨時隨地在教學平臺里面進行下載教學課件、回答問題、提出問題，老師或者同學可以對所提問題進行網上解答、探討。教師還可以通過網上論壇、聊天室、QQ、E-mail等對學生學習和生活進行指導和關心，可以及時了解掌握學生的學習情況，有利于教師不斷調整教學方案，達到更好的教學效果。

3 教學內容上增強課程應用性

生物信息學的課程內容很多，具有很強的跨專業性，由于課時和學生專業的限制，我們應選擇性地進行授課，教學內容主要強調課程實踐應用性。（1）要在課程的第一節課明確生物信息學在生物學中的作用，講解幾個有趣而又簡單的生物信息學應用，提高學生的學習興趣。（2）對于理論知識只講解其中最為基礎而不可缺少的，并結合實際操作使學生形象化、具體化。授課中穿插講解有趣而簡單的生物信息學應用實例，提高學生的學習興趣。（3）增加實驗課學時，增強學生動手操作實踐能力。生物信息學主要是通過計算機軟件完成對生物數據的分析，分析過程中易出現各種錯誤，需要在多次操作實踐中不斷總結經驗才能熟悉。因此增加實驗課學時會明顯增加學生的實踐能力。我們每一節課分為兩部分，理論講解和實驗操作，在理論講解完成后，馬上開展實驗操作，這樣可以讓學生理解軟件中應用的原理，不會出現在實驗課時理論與實驗脫節的現象。（4）生物信息學發展迅速，需不斷把握國際最新進展，更新知識庫，使學生學到最新的技術，更好的應用到實踐中。因此我們密切關注學科發展動態，掌握最新研究成果，每學期的教學隨時進行知識更新，及時將國內外及教師的新知識、新成果作為教學內容的一部分傳遞給學生。同時我們使用雙語授課，并保證授課內容緊跟生物信息學的前沿，保證學生學到的都是最新的知識，刺激學生探索與實踐的欲望。endprint

4 考試改革上促進學生實踐能力和創新思維

考試改革的目的是強化實踐教學，注重創新能力的培養;發揮教學中的積極性、主動性、創新性;在加強素質教育的基礎上擴寬專業教育;培養“寬厚型、復合型、創新型、外向型”人才。考試可分為期末考試、平時練習和上機考試等三部分。期末考試使用傳統的考試方式。平時練習為教學中的課堂練習題的評分。對于上機考試，我們引入無紙化考核，通過上機實踐操作，重點考核學生在互聯網環境下的隨堂在線操作，隨堂在線測試的內容主要是使用各種軟件和數據庫分析生物數據的操作實踐，增強學生理論應用實踐的綜合能力。例如給出一個蛋白質的名稱，讓學生查詢此蛋白質的序列、理化性質、翻譯后修飾等信息，預測蛋白質二級結構，三維結構等操作。學生使用計算機在線完成指定的生物信息學分析內容，考查學生掌握實踐操作的程度，促進學生注重提高理論用于實踐的綜合能力，同時更有效地提高學生計算機應用能力。這種考試模式可以顯著的提高學生實踐的積極性。

5 結語

總之，生物信息學教學需要培養學生自主創新學習的能力和在實踐中自主創新獲取知識的技能，使學生知識、能力、素質協調發展。為了提高學生創新性思維和實踐操作能力，生物信息學教學改革應從以下幾方面進行：在教學理念上，強調學生的實踐動手能力、創新思維的培養;在教學方法上，采用啟蒙式、研討式、運用式等生動形象的教學方法;在教學內容上，增加實驗學時，增強課程應用性，理論為實踐服務;在考試改革上，采用多種考查考核方式促進學生實踐能力、創新思維。在今后的教學工作中，我們將繼續探索行之有效的教學方法、教學手段和教學模式，啟發學生的創新實踐意識，培養學生的創新思維和實踐能力，以滿足現代社會對創新型人才的需求。

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