生物類專業生物信息學課程教學探索
——華南農業大學生物類專業生物信息學課程的教改實踐與思考

易繼財

(華南農業大學生命科學學院，廣東廣州 510642)

由于新一代高通量測序技術的迅速發展，測序的成本急劇降低。迄今為止，地球上幾乎所有重要物種的基因組測序都已啟動或基本完成，各類組學(omics)的數據(包括轉錄組、蛋白質組、宏基因組、代謝組)和重測序(re-sequencing)的數據迅猛增長，于是管理、注釋和應用這些海量生物學數據成為亟待解決的問題，從而導致生物信息學(bioinformatics)的誕生和迅速發展[1-2]。

生物信息學是一門由生物學、數學、信息科學和計算機科學交叉的新興前沿學科，具有數據量龐大、與計算機技術和信息技術緊密結合、多學科交叉、內容豐富等特點[3]，其研究內容主要包括收集和管理海量數據、分析數據、挖掘生物學奧秘等。在生命科學領域，生物信息學從基因克隆、序列分析到重要性狀基因的挖掘、分子標記、發育與進化等方面，為現代分子生物學研究提供先進手段和分析方法。因此，掌握生物信息學的相關理論和技術，已成為當今生物類專業學生的必備素質，也是生物科技公司對當代畢業生的基本要求。

自2002年起，國內大多數高等院校都已開設了生物信息學課程[4]。華南農業大學生命科學學院也自2009年起，為全校生物類本科生開設生物信息學選修課，并針對計算機算法與理論知識不足，對生物信息學知識和技能又有迫切需求的農業院校生物類專業學生的教學進行了改革，取得了良好的效果。從近幾年調查結果來看，學生滿意度在90%以上。

1 以“激發興趣、立足實踐應用”為核心，實施教學改革

針對如何培養新世紀生物信息學人才，近十多年來各校教師積極實踐，進行了許多有益的探索和思考[5-8]。但是，各校關于生物信息學人才培養目標、教學內容和教學方法各有不同，教學模式也各有差異，尚無成熟模式可供參考。從2009年起，圍繞“激發興趣、立足實踐應用”的核心，摸索既適合生物信息學的學科特點，又適合全校生物類專業學生的教學模式。

生物信息學的發展日新月異，教師需時刻緊跟學科發展動態，讓學生隨時了解其現狀和應用前景，首先激發他們的學習興趣。在該課程教學中，通過邀請校外生物信息學相關公司的從業人員，如廣州瑞科基因科技有限公司的總經理陳杰湖先生、北京博奧生物有限公司的廣州部經理莫墩洲先生和北京百邁客生物科技有限公司的廣州部經理周曉偉先生等，來到課堂講座，為學生介紹DNA重測序、宏基因組測序、基因芯片、RNA-seq等技術的理論知識以及相關的數據分析方法，旨在幫助學生準確了解生物信息學行業的動態和發展趨勢，了解企業對生物信息學技術人才的要求，對此學生們反響熱烈。通過邀請學校知名專家、同課題組的優秀教師走進課堂，為學生講解生物信息學在生命科學領域研究中的具體應用和實際意義，以此激發學生學習該課程的興趣。

與計算機專業不同，生物類專業的教師和學生雖然具有深厚的生物化學、分子生物學、遺傳學和基因組學等方面的背景，但是在數學和計算機知識方面較為薄弱，導致在算法、模型和數據庫構建等方面，無論是教師“教”還是學生“學”都不夠透徹，教學效果不好。針對這一特點，該課程教學不強求生物類專業的學生掌握復雜的算法和模型原理，而側重于注重網站資源和軟件的使用以及如何利用生物信息學軟件和工具進行信息的有效提取和分析，揭示蘊藏的生物學意義。在教學中，增加課堂實踐的比重，鼓勵學生將本科畢業論文的項目帶到課堂中來討論，讓學生能在自己的科研中真正學以致用，解決實際問題。筆者還設計了生物信息學課程網站(ITB，http：//202.116.160.98：8000/course/swxxxdl/index.html)，將生物信息學常用的數據庫和軟件工具鏈接到該網站中，方便學生自學時和科研中使用，同時還將生物信息學相關的研究進展、學習方法以及該課程的教學內容、參考序列、PPT課件和實際應用案例等資料全部公布給學生，方便學生課后操練。此外，通過建立課程互助微信群，隨時回答學生提問，指導學生操作實踐，還可即時把握學生學習的動態，評估教學效果，調整教學方案，從而提高學生學習的興趣。

2 圍繞生物類專業的特點，編選教材和優化教學內容

目前國內大多數生物信息學教材偏重于算法原理和數據模型等內容，對計算機專業知識要求較高，而少數的通用性教材又過于簡單，因此現階段尚無適合生物類專業的統一教材。根據華南農業大學生物類專業建設的需要和學生特點，縮減算法原理、數據模型等計算機專業較強的內容，編選適合生物類專業的實用教材。通過教改實踐，該課程的教材內容主要由以下部分組成：生物信息學概述、基因組學基礎、生物學資源與生物數據庫、序列獲取與數據庫文件格式、序列比對原理與Blast搜索、核酸序列分析、蛋白質序列與結構分析、基因功能注釋、系統發生樹構建。同時，通過查閱生命科學領域文獻，吸收兄弟院校經驗，結合教師的科研工作，精選常用的生物信息學網站(NCBI、EBI、ExPASy、SoftBerry、ABC和RGP等)以及常用的生物信息學分析軟件(DNAstar、BLAST、ClustalX、PdbViewer和MEGA等)，作為該課程教材的重點內容。

實踐性強是生物信息學課程的主要特點，對生物類專業學生而言，應用能力尤為重要。通過該課程的學習，學生不僅要掌握基本理論知識，而且要熟練運用生物信息學網站資源和軟件工具以及進行“網上實驗”的技能。因此，在該課程的教學內容設置上，忽略算法和編程細節，以“實用、高效”為原則，將重點放在生物信息學分析軟件的“會用”和“用好”上。采取的教改措施包括：一是突出專業特點，加大該課程在華南農業大學生命科學領域，特別是功能基因組學、分子生物學研究中的實踐應用篇幅。二是增加實踐教學比重、充實實踐內容。華南農業大學生物信息學課程為24學時(1.5學分)，全部改為電腦上機實踐教學，一人一機。將生命科學領域，特別是與華南農業大學教師科研活動密切相關的內容和最新進展，包括組學數據分析、宏基因組測序分析、基因編輯技術分析等，融入到實踐教學中，使其更符合學生未來發展和科研的需要。三是將教學內容模塊化。依據一個模塊解決一個大類問題的原則，該課程內容分為四大模塊，即生物信息學原理模塊、生物信息學資源模塊、序列分析模塊和基因功能注釋模塊。在每個大類模塊中，又再細分為更小的模塊，來解決一些小問題。譬如，生物信息學原理模塊包含概述和基因組學基礎模塊，生物信息學資源模塊包括生物學網站、軟件工具和生物數據庫模塊，序列分析模塊包括序列比對、查詢與搜索、核酸序列分析、蛋白質序列分析模塊，基因功能注釋模塊則包括基因預測、蛋白質結構預測、GO分析、KEGG分析、PATHWAY分析和系統進化分析模塊。

3 探索多形式運用的綜合教學模式

理論與實踐的教學聯系不夠緊密，即以教師、課堂和教材為中心，重視理論知識的傳授和計劃的完成，輕視實踐，是我國高等教育傳統教學模式中長期存在的通病。在該課程教學的初期，也存在這種現象。學生經常反映生物信息學的概念抽象難懂，容易遺忘。造成此現象的最主要原因，就是在教師“教”和學生“學”的過程中缺乏理論與實踐教學的有機整合，從而導致學生的理論知識把握不牢、應用能力嚴重不足。對生物類專業學生而言，實際應用能力的培養是生物信息學教學的首要目標。根據生物信息學實踐教學的要求，該課程采取問題(任務)式教學與啟發性教學相結合、“講、學、練”融為一體、以能力測試為中心的考核等多種教學形式。

參考當前流行的先進教學模式，無論問題式教學(problem-based learning，PBL)[9-10]還是任務式教學(task-based learning，TBL)[11-12]，都強調以學生為中心，因此在該課程教學中以學生為實踐的主體，而教師只擔任“導演”角色，負責設置科學問題(任務)，啟發和引導學生討論與思考，然后由學生獨立探索問題、完成任務。問題或任務的設置應符合生物類專業的特點，可以圍繞學生自己本科論文選題的目的基因，或者生命科學領域中令人感興趣的基因，或者教師指定的基因來設置問題或任務。每個學生選定好目標基因后，整個學期的操作實踐，都圍繞各自的目標基因進行，完成文獻查找、序列比對、蛋白質結構預測、功能注釋、分子進化、引物設計、載體構建等一系列“任務”，讓學生在實踐中切實感受到生物信息學知識是如何幫助解決生物科研問題的。由此，教師發揮在“教”中的主導作用，同時充分調動學生在“學”中的能動性，學生的獨立思維能力和動手能力都得到極大提高。

“講、學、練”融為一體，即將教學與科研實際和學生訓練緊密結合。在課堂中，大多采用實際應用案例教學，這些案例主要來自教師自身的科研工作，或者生命科學領域的最新研究，或者本校專家教師的研究成果。筆者曾將自身科研中克隆到的水稻卷葉基因OsFMO(t)、華南農業大學生命科學學院洪梅教授課題組研究的人類有機陰離子轉運多肽基因OATP1A2以及生命科學領域中感興趣的基因(如人類編碼血紅蛋白亞基的基因HBA1)帶到課堂中來，提供給學生練習，取得了良好的效果。教師在“教”的同時對學生進行操作訓練，采取“邊講授理論、邊操作演示、邊讓學生上網實踐”的一體化教學，避免理論講授與學生實踐脫節，使學生的理論知識、動手能力和思考能力同步協調發展。圍繞選定的實際應用案例，從項目立題、文獻查閱、候選基因確定到核酸序列的查找和比對、引物設計、載體構建、結構預測、調控元件預測、系統進化樹構建、功能注釋等一系列與生物信息學分析相關的流程，啟發和引導學生獨立操作完成。在此過程中，學生的“練”得到很好落實，能真正掌握解決問題的思路，從而應用到今后科研實踐中。

以能力測試為中心進行考核，重點考查學生運用所學知識解決科研問題的實際能力。學生只有注重平時的表現和訓練，才能獲得理想成績，從而避免期末“臨時抱佛腳”“一紙定終身”的弊端。該課程總評綜合考慮學生在考勤、課堂表現(包括提問、小測、上機操作)、期末PPT交流和期末考試中的表現來進行考核。各部分所占的比例如下：考勤10%、課堂表現20%、期末PPT交流20%、期末考試50%。課堂表現從回答教師提問、隨堂小測驗(5次)和平時上機操練的表現來綜合評定。期末的PPT交流，要求以小組為單位完成，每個小組由3～5名學生自愿組合。在學期初第一課將任務布置下去，然后由學生自己選題，在生物信息學課程平時的學習中“邊學、邊練、邊做”。最后，在學期末由各個小組以PPT形式向全班演講，匯報各自的成果和心得，教師則對各個小組的表現進行評分。期末考試的形式，采取開卷和上機操作的方式?？荚嚨膬热菀酝瓿缮镄畔⒎治鋈蝿諡橹?，重點考核學生的操作技能和闡釋結果的能力。上機考試時，學生通過電腦上網操作，將分析流程中的每個關鍵步驟都截圖保存，建成一份WORD文檔作為期末考試的答卷，最后當場提交給教師評分。

4 課程教改實踐的效果與思考

自從實行生物信息學課程教改以來，每年都對華南農業大學生物類專業選修的學生進行問卷調查，搜集教改中暴露的問題以及學生的心得和建議，不斷完善課程教學。調查顯示，絕大部分學生都非常喜歡和認可該課程所采用的教學模式。通過改革，學生的學習興趣和學習成績明顯提高，杜絕了不及格現象，85%以上學生的綜合成績都能達到優良。

PPT的設計和交流環節質量逐年上升。在選題時，學生們“八仙過海、各顯神通”，涉及課題和涵蓋范圍非常廣泛。從近幾年的實踐情況來看，有的小組結合本科論文項目選題，如“水稻抽穗調控基因RFT-1的分析”“蘆薈GDP-D-甘露糖焦磷酸轉移酶基因GMPase的分析”“擬南芥自噬蛋白ATG8A的分析”等，有的選擇當前生命科學領域中的熱點問題，如“藥物轉運蛋白ABCG2的分析”“人類白細胞介素基因IL-4的分析”“腫瘤抑制蛋白TP53的分析”“生物鐘核心基因LHY的分析”等，還有的則從公眾關注度較高的話題中選擇PPT交流設計的課題，如“乳糖不耐癥基因Lactase的分析”“冰桶挑戰的源頭基因SOD1的研究”“偷情相關的多巴胺合成關鍵基因DRD4的分析”“無夢基因Nalcn的分析”“基因組打靶關鍵基因Crispr/Cas9的分析”等。每個小組圍繞各自選定的課題，各個成員分工合作，很好地完成了文獻查閱、Reference序列獲取、同源基因搜索、序列比對、分子進化樹構建、蛋白質結構預測、基因功能注釋等內容的PPT制作和匯報。通過這種形式，學生們不僅理論知識得到鞏固，而且實際動手能力得到提高，團隊協作精神也受到培養，將對今后的工作和學習有很好的幫助。對于這種教學安排，學生們的積極性和參與程度得到極大提高。每年的反饋意見都顯示，大部分學生都很喜歡這種形式，認為“通過PPT設計和交流才真正學到了技能”“通過匯報和交流還擴大了知識面”“形式非常好、希望教師繼續保留”，還有學生反映“PPT設計完成后很有成就感”，甚至有學生建議“PPT設計最好由每個學生各自獨立完成”。

總的來說，該課程教學改革取得了較理想的效果，有利于進一步指導今后的生物信息學課程教學實踐。在新的措施下，對教師的知識面和科研素質也提出了更高的要求。因此，筆者在課余時間積極參加進修，近些年分別參加了由深圳華大基因研究院舉辦的“生物信息學前沿技術專題培訓班”、浙江大學舉辦的“基因組科學”研習班、北京市計算中心舉辦的“實用生物信息技術及應用”講習班以及自身科研相關的重要學術會議“全國植物基因組學大會”等，及時追蹤最新技術和進展。同時，根據學生的反饋意見和最新進展，每年更新一次教學內容，開拓學生視野，為培養跨生命科學、信息科學領域的復合型創新性人才服務。