生物信息學學生創新能力培養體系的探索與實踐

高亞梅 韓毅強 劉金文

摘 要：生物信息學在高校生物相關專業往往作為必修或選修課開設，對學生的創新能力的培養具有重要意義。在生物信息學課堂教學、實驗教學、課外大學生創新訓練項目、畢業設計等環節開展教學實踐，構建學生創新能力培養體系，有助于提高教學質量。

關鍵詞：生物信息學；創新能力；高校

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）06-0078-02

隨著生命科學在21世紀的不斷發展，新的學科不斷涌現。生物信息學作為交叉學科之一，與生物技術的各個領域具有密切關系，并對醫藥、衛生、農業等產業發展具有重要影響[1]。鑒于生物信息學對相應的基礎學科發展和產業應用的重要作用，“生物信息學”課程首先在高校的研究生教學中開設，后逐步納入到本科專業教學中。黑龍江八一農墾大學生物技術專業自2003年設立就開設了“生物信息學”課程，目前在黑龍江八一農墾大學的多個本科專業和生命相關研究生專業中開設此課程。近幾年，浙江大學、武漢大學、華中科技大學、哈爾濱醫科大學等十幾所高校已經增設了生物信息學本科專業[2]。由此形成了完整的本科、研究生生物信息學人才培養體系，為社會培養了大量生物信息學人才，推動了生物相關高新技術產業的不斷發展。

“生物信息學”在高校生物相關專業往往作為必修或選修課開設，主要講授與生物相關的各類生物信息的收集、儲存、獲得與分析方法。課程體系和教學方法經過十幾年的教學探索[3-6]，逐漸完善。但是由于生物信息學學科本身的迅速發展，對課程內容、教學方法等不斷提出新的挑戰。同時也是高校教學質量提升的內在要求，仍需大量的教學改革實踐與探索。筆者在“生物信息學”教學過程中，結合自己多年的教學實踐[7-8]，進一步提出多環節的“生物信息學”課程創新培養體系，包括在課堂教學、實驗教學、課外大學生創新訓練項目、畢業設計等不同的教學環節開展“生物信息學”的教學實踐，提高“生物信息學”的教學質量，提升學生科研創新能力和實踐應用能力。

一、豐富生態課堂教學實踐，更新教學內容

課堂教學是培養學生創新能力的重要教學環節。生物信息學與現代的網絡和信息技術密不可分，因此，實現信息技術與課程教學的有效整合是教學成功與否的關鍵所在。在教學過程中，以現代的教育生態觀為指導開展課堂教學活動，構建了以多媒體網絡同步教學系統為基礎的生態課堂。在生態課堂教學實踐中，教師更多的是為學生提供信息化的學習環境和資源，更注重與學生的實時交流。信息化學習環境中包括相關資源、各類網絡中交流工具。教師在信息化的學習環境中除了課堂傳授知識、監控管理以外，主要是通過查看學生的學習狀況，指導學生的實踐操作，解答學生的疑問以及師生討論交流為學生提供建議和指導，促進學生自我的知識建構。目前網絡開放課程已經成為新興的教育資源，在教學中鼓勵學生充分利用這些優質資源進一步開闊視野，例如北京大學的網絡開放課程“生物信息學”、中科院的生物信息學網絡課程資源以及國外的生物信息學教學培訓網絡資源。

課堂實訓作為課堂教學的重要教學方法，可以充分鍛煉學生的實踐創新能力，讓學生在實踐訓練中開展知識建構。有些學生甚至可以在完成教學基本要求的基礎上，獨立的開展深入的學習，掌握更多的生物信息學分析方法和軟件。課堂實訓均以生物相關專業的問題設計，例如微生物分類學中的16S rDNA分子鑒定分析中的系統進化分析，酶工程里面的酶結構模擬，基因工程中的基因預測、引物設計、酶切位點分析等。這些內容將多學科內容融為一體，有助于培養學生的創新思維，引導其發現和思考科學問題。

在課堂教學過程中，注重對生命科學進展的追蹤。將最新生命科學內容引入到教學中來，不斷完善“生物信息學”的教學內容。例如第二代測序技術產生的海量數據的處理方法，非編碼RNA的介紹與生物信息分析，宏基因組測序數據的獲得與分析等。

二、以問題為導向開展實驗教學

為培養學生科學思維和創新意識，“生物信息學”的實驗教學內容以問題為導向，培養學生綜合運用生物信息學知識和方法，解決其它生物學相關學科中實際問題的能力。通過優化實驗教學內容，系統的、全面的訓練學生進行生物信息分析的基本操作和基本技能。實驗教學以綜合性、設計性實驗為主。在實驗過程中，學生需要根據自己的興趣自由選擇實驗分析的序列或分析的對象，并自行設計實驗方案。學生具有自主性，易于調動其積極性。黑龍江八一農墾大學的生物技術專業依托于省級重點專業，以農業微生物及技術作為重要的研究方向。在綜合設計性實驗中緊密結合專業方向，針對生物技術專業所涉及的科學問題設立“生物信息學”的實驗內容。例如，“土壤微生物擴增子高通量測序數據的獲得與分析”實驗結合環境生物技術專業課程的土壤微生物生態研究，要求學生挑選自己感興趣的土壤類型，在數據庫中查找并獲得其16S rDNA擴增子高通量測序數據。然后利用生物信息學軟件分析，獲得各種土壤類型的微生物類群特征。最后要求學生制作幻燈片并在課堂上報告自己的結果，相互比較分析。設計性實驗開設了“微生物重要功能基因的生物信息學分析”實驗，學生自主查找文獻資料選題，自行設計生物信息學分析方案，充分發揮學生的學習主動性，并要求學生提交相應的論文作為實驗報告。以多種形式提交實驗結果，改變了以往標準實驗報告的單一形式，同時在實驗成績考核中計入其課堂表現綜合評價。實驗教學中以教育生態觀為指導，構建以多媒體網絡同步教學系統為基礎的生態實驗課堂，從而實現了與信息技術整合，全面提升實驗教學的教學管理與教學效果。

三、強化課外大學生創新訓練項目研究

大學生創新訓練項目是大學生參與科學研究、社會實踐，檢驗理論和實踐的一個重要環節，可以激發學生學習的主動性、積極性和創造性，提高大學生的科學素質和文化素養，培養大學生的創新精神、創業精神和實踐能力。在“生物信息學”的教學過程中，除利用課堂教學和實驗教學培養學生創新能力，還積極支持和指導學生基于生物信息學申報和開展課外的大學生創新訓練項目，構建多層次的學生創新能力培養體系。首先教師積極鼓勵對生物信息學研究具有濃厚興趣的學生自愿組合形成項目小組，指導其根據研究興趣查閱相應文獻，發現科學問題，由小組成員親自設計實驗方案，制定技術路線。項目申請、項目實施、中期檢查到結題的各項工作主要由學生來完成，教師給予相應的意見和建議。學生通過大學生創新訓練項目經歷了基本科研工作的全部過程，并積極發揮他們的聰明才智，將課程的理論學習與科學實踐有機的結合起來，切實提高了學生的創新能力，對其今后的發展帶來重要影響。自大學生創新訓練項目啟動以來，已有十多名學生參與到以生物信息學為主題的項目中來，使該項目成為了生物信息學課外培養大學生創新能力的重要平臺。

四、開展生物信息學相關畢業設計訓練

畢業設計過程不僅可以提高本科生的科研實踐能力，激發他們的創新思想，而且對提高學生未來工作環境的適應能力均具有重大意義。生物技術專業的學生經過“生物信息學”課程的系統訓練后，具有了開展生物信息學研究的基本素質，有更多的學生愿意在畢業設計環節開展相應的研究工作。自學院生物技術專業開設以來，每年均有10%—20%的學生能夠以生物信息學課題作為他們的畢業論文內容。生物信息學數據涉及生命科學研究的不同領域，為具有不同科研興趣愛好的學生提供了廣泛的分析數據。對于具有自己想法的學生，首先要求學生根據自己感興趣的方面查找文獻資料，提出科學問題。教師和學生共同討論實驗方案，指導其獲得所需數據用于后續生物信息分析。然后學生獨立按照方案開展生物信息分析，獲得實驗結果。最后，教師與學生就生物信息分析結果展開討論，歸納總結結論。學生根據要求撰寫畢業論文和進行論文答辯。例如，有的學生對病毒感興趣，便指導其分析不同地區分離獲得病毒的差異，對其開展系統發育關系分析；有的學生對植物的可變剪接方式感興趣，便指導其對作物的轉錄因子的可變剪接開展研究；有的學生對大豆感興趣，便指導其對大豆的抗病或農業性狀相關的功能基因開展生物信息學分析。對于那些沒有自己想法的學生，則可根據教師自己的研究方向或者學生的專業選擇畢業實習的內容。發達的校園網為學生開展生物信息學畢業設計提供了基本條件。學生在實驗室集中開展生物信息分析工作。師生間、學生間研究討論，相互促進提高。所有畢業生在半年或更短的時間內均可順利完成畢業實習。這些畢業論文涉及廣泛，成績均在良好以上。另外，每年的本科畢業生中均有對生物信息學抱有濃厚興趣，考取生物信息學專業或相關專業研究生的學生很多。

綜述所述，在“生物信息學”多年的教學實踐中，已經逐步建立起了課堂教學、實驗教學、課外大學生創新訓練項目、畢業設計等多環節的學生創新能力培養體系，是以課程為基礎的大學生創新能力培養的重要探索，該體系仍需進一步完善。

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