師范院校生物信息學(xué)本科教學(xué)改革與實(shí)踐

陳煉

摘要：生物信息學(xué)是一門融合了數(shù)學(xué)、生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)信息科學(xué)和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的新興交叉學(xué)科，其越來(lái)越深入影響生命科學(xué)發(fā)展，并成為生命科學(xué)發(fā)展不可或缺的重要工具。本文針對(duì)生物信息學(xué)本科教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合師范院校學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，開(kāi)展了生物信息學(xué)課程的教學(xué)改革，提出了相應(yīng)對(duì)策，以期為提高生物信息學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué);教學(xué)改革;師范院校

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2016）36-0134-02

生物信息學(xué)（Bioinformatics）的發(fā)展與上世紀(jì)90年代人類基因組計(jì)劃的啟動(dòng)密切相關(guān)，它綜合運(yùn)用生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)等多方面知識(shí)與方法來(lái)闡明和理解大量生物數(shù)據(jù)所包含的生物學(xué)意義。生物信息學(xué)已成為當(dāng)今生命科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之一，是生命科學(xué)研究中重要的、不可或缺的研究工具。

我校生物信息學(xué)課程開(kāi)設(shè)較晚，所以課程教學(xué)仍處于探索階段，尚未形成成熟的課程體系。本文針對(duì)本校學(xué)生的需求、課堂教學(xué)反饋等情況對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等多方面開(kāi)展了改革與實(shí)踐，以期提高教學(xué)的質(zhì)量和效果，培養(yǎng)全面發(fā)展的人才。

一、生物信息學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

（一）教材較多，因此難以選擇一本適合的教材

生物信息學(xué)教材很多，有些教材側(cè)重于生物信息學(xué)理論和算法，如許忠能主編的《生物信息學(xué)》對(duì)生物信息學(xué)的理論和算法講解詳細(xì)，但是對(duì)于師范院校生物科學(xué)專業(yè)的本科生而言較為深?yuàn)W，不易理解;有些教材側(cè)重于生物信息學(xué)軟件使用，學(xué)生對(duì)于軟件分析所需要的背景知識(shí)掌握不夠，即使能夠運(yùn)用軟件，卻不能正確分析和理解所得到的分析結(jié)果;由于生物信息學(xué)發(fā)展較快，教材更新速度相對(duì)較慢，一些新的生物信息學(xué)知識(shí)未能及時(shí)納入到已出版的教材中，而且有些書(shū)中所講的數(shù)據(jù)庫(kù)資源早已停用，有些軟件及其應(yīng)用也早已更新版本。

（二）學(xué)生理論基礎(chǔ)薄弱，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠

雖然這門課程在我校是專業(yè)選修課程，考核方式以考查為主，但是選修這門課程的學(xué)生都對(duì)生物信息學(xué)有濃厚的興趣。這門課程開(kāi)設(shè)在大三下學(xué)期，很多同學(xué)尚未開(kāi)展或即將畢業(yè)課題設(shè)計(jì)，希望通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)對(duì)畢業(yè)論文或?qū)?lái)考研深造有所幫助。然而在學(xué)習(xí)過(guò)程中，由于對(duì)分子生物學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)等理論知識(shí)掌握不扎實(shí)，并且對(duì)學(xué)科前沿進(jìn)展關(guān)注不夠，很少閱讀實(shí)驗(yàn)性論文，在學(xué)習(xí)生物信息學(xué)相關(guān)理論知識(shí)時(shí)理解困難，而且對(duì)于如何將生物信息學(xué)應(yīng)用于實(shí)際的課題研究也感到困惑。

（三）學(xué)生英語(yǔ)基礎(chǔ)不同，學(xué)習(xí)過(guò)程中容易產(chǎn)生消極情緒

要學(xué)好生物信息學(xué)，離不開(kāi)大量專業(yè)文獻(xiàn)的閱讀，尤其是外文文獻(xiàn)，追蹤學(xué)科前沿研究進(jìn)展，這就需要具備一定的專業(yè)英語(yǔ)基礎(chǔ)。此外，很多生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)以及應(yīng)用軟件都是全英文的，涉及專業(yè)英語(yǔ)詞匯較多。由于學(xué)生的英語(yǔ)基礎(chǔ)不同，在學(xué)習(xí)過(guò)程中有些學(xué)生感覺(jué)專業(yè)英語(yǔ)閱讀和理解方面較吃力，容易產(chǎn)生畏難情緒。

二、教學(xué)改革與實(shí)踐

（一）修改教學(xué)大綱，理論與實(shí)踐結(jié)合

生物信息學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，僅僅靠教師單一的講解理論和軟件的使用方法學(xué)生是很難理解和掌握的，因此在教學(xué)過(guò)程中要理論和上機(jī)實(shí)踐結(jié)合。教學(xué)大綱中原36學(xué)時(shí)為理論24學(xué)時(shí)、上機(jī)實(shí)踐12學(xué)時(shí)。考慮到我校學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的實(shí)際需求，強(qiáng)化實(shí)踐運(yùn)用，將理論和上機(jī)實(shí)踐課時(shí)均調(diào)整為18學(xué)時(shí)，學(xué)生在實(shí)踐的過(guò)程中帶著問(wèn)題主動(dòng)去思考，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，更好地去理解生物信息學(xué)的理論知識(shí)。原教學(xué)大綱中理論課學(xué)習(xí)結(jié)束后再進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐，但是教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)理論課信息量大，有些知識(shí)學(xué)生初次接觸沒(méi)有較好地理解，或者當(dāng)時(shí)能夠理解，但過(guò)了一段時(shí)間后再進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐時(shí)又要重新學(xué)習(xí)。在課程安排方面，調(diào)整為一個(gè)章節(jié)的理論課學(xué)習(xí)結(jié)束后開(kāi)設(shè)相應(yīng)的上機(jī)實(shí)踐，通過(guò)實(shí)際操作練習(xí)有利于鞏固所學(xué)理論知識(shí)，學(xué)生也比較喜歡這樣的教學(xué)方式。

（二）調(diào)整教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

生物信息學(xué)內(nèi)涵廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域廣，但是生物信息學(xué)在不同研究領(lǐng)域中的研究?jī)?nèi)容和應(yīng)用程度有所不同。選修本課程的學(xué)生都是生物學(xué)背景，主要希望運(yùn)用生物信息學(xué)知識(shí)去解釋課題研究中的生物學(xué)問(wèn)題。考慮到本科生理論知識(shí)基礎(chǔ)相對(duì)較弱，很多學(xué)生尚未開(kāi)展課題研究，因此應(yīng)該在有限的學(xué)時(shí)里讓學(xué)生掌握與專業(yè)需求相關(guān)的生物信息學(xué)知識(shí)和實(shí)用技術(shù)，教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)要根據(jù)本校學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化、精簡(jiǎn)。例如多序列比對(duì)算法、馬爾科夫模型等涉及數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)知識(shí)，可以簡(jiǎn)要介紹，但不做深入的講解。理論和上機(jī)實(shí)踐部分主要介紹生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)資源、序列比對(duì)、核酸序列分析、系統(tǒng)進(jìn)化分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與預(yù)測(cè)，同時(shí)理論部分還包括生物芯片、高通量測(cè)序技術(shù)、介紹生物信息學(xué)的前沿進(jìn)展。此外，還結(jié)合學(xué)生的需求在上機(jī)實(shí)踐課中增加了引物設(shè)計(jì)內(nèi)容。

課堂教學(xué)內(nèi)容并不拘泥于一套教材，而是根據(jù)講授的章節(jié)選擇該章節(jié)適合的2～3套教材綜合講解，最終形成適合我校學(xué)生學(xué)習(xí)的講義。例如在講系統(tǒng)進(jìn)化發(fā)育時(shí)，理論講解選擇由Masatoshi Nei和Sudhir Kumar編寫的高等教育出版社出版的《分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育》和蔡祿編寫的《生物信息學(xué)教程》，上機(jī)實(shí)踐選擇吳祖建等編寫的《生物信息學(xué)分析實(shí)踐》。

（三）教學(xué)與科研相結(jié)合，學(xué)以致用

生物信息學(xué)有很多分析軟件，應(yīng)用很廣，即使是分章節(jié)按照序列比對(duì)、核酸序列分析、系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建等給學(xué)生逐一講解相關(guān)的算法和實(shí)際的應(yīng)用，學(xué)生仍然感覺(jué)知識(shí)零散，信息量太大難以掌握，容易產(chǎn)生畏難情緒而導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高。有些應(yīng)用軟件學(xué)生即使有所了解，卻又不知道在科研中如何運(yùn)用。所以在教學(xué)過(guò)程中，我們以課題研究為例，再結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)來(lái)進(jìn)行講解。例如選擇DNA條形碼開(kāi)展物種鑒定為例，讓學(xué)生去查閱相關(guān)文獻(xiàn)，如DNA條形碼在中藥材混偽品鑒定中的應(yīng)用、DNA條形碼在肉制品摻假中的鑒定等。這個(gè)課題應(yīng)用性強(qiáng)，對(duì)本科生而言閱讀專業(yè)文獻(xiàn)的難度相對(duì)較小，僅涉及DNA提取、PCR擴(kuò)增等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在學(xué)生理解課題背景知識(shí)的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生重點(diǎn)看文獻(xiàn)中涉及的生物信息學(xué)相關(guān)知識(shí)，要求學(xué)生下載文獻(xiàn)中涉及的基因序列，根據(jù)下載的序列用MEGA軟件進(jìn)行序列比對(duì)，計(jì)算遺傳距離，同時(shí)利用MEGA軟件構(gòu)建NJ樹(shù)。這個(gè)過(guò)程就把生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)、序列比對(duì)、系統(tǒng)發(fā)育分析等幾個(gè)章節(jié)的教學(xué)知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，學(xué)生就知道為什么要下載序列、做序列比對(duì)，更好地理解系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建的原理及意義。同時(shí)，也促進(jìn)了學(xué)生閱讀專業(yè)文獻(xiàn)，尤其是外文文獻(xiàn)，增加專業(yè)英語(yǔ)詞匯量，主動(dòng)關(guān)注學(xué)科前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，更好的利用生物信息開(kāi)展課題研究，做到學(xué)以致用。

（四）改革教學(xué)手段和教學(xué)方法

生物信息學(xué)理論教學(xué)中往往是教師主講、學(xué)生聽(tīng)，學(xué)生被動(dòng)接受，這種“灌輸式”的學(xué)習(xí)讓學(xué)生感覺(jué)枯燥乏味，教學(xué)效果較差。教學(xué)時(shí)應(yīng)突出學(xué)生的主體地位，教師起主導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，參與課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。例如講解生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)資源時(shí)，可以布置課后作業(yè)，要求學(xué)生搜索國(guó)外生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)資源，并將查閱的資料制作成PPT，下一次上課時(shí)讓學(xué)生利用PPT講解搜索情況，分享經(jīng)驗(yàn)。教師在學(xué)生講完后點(diǎn)評(píng)，鼓勵(lì)學(xué)生關(guān)注生物信息學(xué)的前沿進(jìn)展，在學(xué)習(xí)生物信息學(xué)的同時(shí)提高專業(yè)英語(yǔ)的水平。在講解生物芯片與高通量測(cè)序技術(shù)時(shí)，布置課前預(yù)習(xí)作業(yè)，針對(duì)高通量測(cè)序技術(shù)原理、應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析等教學(xué)內(nèi)容設(shè)置幾個(gè)選題，讓學(xué)生分小組，每個(gè)小組選擇一個(gè)選題，通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，以PPT形式在課堂上講解。學(xué)生根據(jù)講解內(nèi)容提問(wèn)，交流討論。教師根據(jù)學(xué)生的匯報(bào)內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，進(jìn)行有針對(duì)性的講解、補(bǔ)充。這樣的形式使學(xué)生主動(dòng)去探究問(wèn)題，而不是被動(dòng)地接受教師傳遞的信息，對(duì)知識(shí)的理解更加深入，學(xué)生也反饋這種教學(xué)活動(dòng)提高了學(xué)習(xí)的積極性，并留下深刻的印象。

三、結(jié)語(yǔ)

生物信息學(xué)作為一門新興學(xué)科，仍然在不斷的發(fā)展中，知識(shí)更新速度快，因此生物信息學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式應(yīng)緊跟學(xué)科前沿發(fā)展，立足學(xué)校專業(yè)特點(diǎn)及培養(yǎng)特色，不斷摸索教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)模式上深入研究，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐運(yùn)用綜合能力的教學(xué)目標(biāo)。

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