生物技術(shù)專業(yè)生物信息學(xué)課程的教學(xué)研究

王康宇 李曉玲 王志英

摘要：生物信息學(xué)是隨著基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)發(fā)展起來的一門重要的新興交叉學(xué)科，也是很多高校中生物學(xué)專業(yè)的專業(yè)核心課程之一。吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院已將生物信息學(xué)課程納入生物技術(shù)專業(yè)本科生人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)，基本建成了完善的以教師授課為基礎(chǔ)、實驗操作為核心、學(xué)生自主操作與練習(xí)為過程、教學(xué)效果為目的的教學(xué)體系。

關(guān)鍵詞：生物技術(shù) 生物信息學(xué) 教學(xué)研究 本科生 虛擬仿真

中圖分類號：Q811 4-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-5349（2019）08-0173-02

生物信息學(xué)（Bioinformatics）是隨基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)興起而發(fā)展產(chǎn)生的一門交叉學(xué)科，它是當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)的前沿領(lǐng)域之一，也是21世紀(jì)自然科學(xué)的核心領(lǐng)域，具有前沿性新、交叉性廣、實踐性強(qiáng)等特點。[1]吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院針對生物技術(shù)專業(yè)開設(shè)了生物信息學(xué)課程，授課對象為本科生。通過生物信息學(xué)課程的特點，建立適合農(nóng)業(yè)高校生物技術(shù)專業(yè)本科生的教學(xué)方法，是促進(jìn)該專業(yè)學(xué)生掌握所學(xué)基礎(chǔ)理論知識和應(yīng)用專業(yè)知識的重要方式。

一、生物技術(shù)專業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)體系架構(gòu)特點

生物信息學(xué)主要講授基因組學(xué)（Genomics）和蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics）兩方面，具體說就是從核酸和蛋白質(zhì)序列出發(fā)，分析序列中表達(dá)的結(jié)構(gòu)功能的生物信息。該課程內(nèi)容包括：生物數(shù)據(jù)庫類型與檢索、序列比對與分析、分子進(jìn)化樹的構(gòu)建、功能基因組學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)、非編碼區(qū)的信息分析、生物大分子可視化與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測等內(nèi)容。我校生物技術(shù)專業(yè)的生物信息學(xué)課程為必修專業(yè)核心課，理論教學(xué)20學(xué)時，實驗教學(xué)20學(xué)時。并具有以下的教學(xué)體系架構(gòu)特點。

（1）基礎(chǔ)學(xué)科知識。我校生物技術(shù)專業(yè)開設(shè)的生物信息學(xué)是植物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)等學(xué)科相結(jié)合的交叉點，該課程涉及領(lǐng)域廣、內(nèi)容縱橫交錯、高度綜合。在學(xué)習(xí)生物信息學(xué)課程時，應(yīng)該掌握和完成基礎(chǔ)課和相關(guān)專業(yè)課的基本理論知識，因此我校生物技術(shù)專業(yè)將該課程安排在第6學(xué)期開設(shè)。

（2）生物數(shù)據(jù)庫和序列資源。生物信息學(xué)課程涉及的生物數(shù)據(jù)庫和序列資源存在多種類型，包括綜合數(shù)據(jù)庫（如NCBI、EMBL庫、KEGG數(shù)據(jù)庫）、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和分類數(shù)據(jù)庫、基因突變數(shù)據(jù)庫、代謝途徑和細(xì)胞調(diào)控數(shù)據(jù)庫等。不同的數(shù)據(jù)庫所收集的數(shù)據(jù)類型和研究內(nèi)容存在較大的差異，但是也有一些不同的數(shù)據(jù)庫之間存在著數(shù)據(jù)共享和相互連通的關(guān)系。因此，在教學(xué)中，應(yīng)該重點教會學(xué)生在科學(xué)研究中選擇合適的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索、下載數(shù)據(jù)、分析和匹配使用。

（3）基本原理和操作流程。生物信息學(xué)涉及眾多繁雜的基本原理和操作流程，而基本原理和操作流程是每一章基本內(nèi)容的重要組成。基因組學(xué)序列比對章節(jié)中，序列比對概念、序列比對基本原理、數(shù)據(jù)庫選擇和檢索、比對軟件參數(shù)設(shè)定等基本原理和技術(shù)體系出現(xiàn)，構(gòu)成了生物信息學(xué)分析數(shù)據(jù)庫的建立和優(yōu)化內(nèi)容。因此，通過扎實地掌握生物信息學(xué)課程中出現(xiàn)的基本原理和操作流程，是幫助學(xué)生系統(tǒng)掌握這門課程研究的關(guān)鍵。

二、生物技術(shù)專業(yè)開設(shè)生物信息學(xué)課程的基本要求和條件

（1）理論課程中教材、參考書和參考文獻(xiàn)選擇。農(nóng)業(yè)高校生物技術(shù)專業(yè)開設(shè)生物信息學(xué)課程應(yīng)該根據(jù)專業(yè)需要，選擇適合教學(xué)的教材、參考書和參考文獻(xiàn)。經(jīng)過八年的教學(xué)經(jīng)驗積累，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)了解到生物信息學(xué)課程特點，選用了由李霞主編、人民衛(wèi)生出版社出版的《生物信息學(xué)》（第2版）和吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)自編教材《生物信息學(xué)實驗》，為我校生物技術(shù)專業(yè)生物信息學(xué)課程的本科生教材。同時，檢索每年Nature、Science、Cell等國際著名雜志發(fā)表的生物信息學(xué)相關(guān)參考文獻(xiàn)，補(bǔ)充到理論課的經(jīng)典實例和最新前沿實例中，讓學(xué)生充分學(xué)習(xí)生物信息學(xué)研究基本理論、技術(shù)體系和最新發(fā)展方向。

（2）實驗課程內(nèi)容的設(shè)置。根據(jù)我校生物技術(shù)專業(yè)開設(shè)的生物信息學(xué)課程的基本理論、實驗操作流程和實驗條件，開設(shè)了生物數(shù)據(jù)庫查詢與檢索、核酸序列分析與功能注釋、引物設(shè)計與酶切位點分析、多序列比對與系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建以及蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)分析五個專題性實驗。利用實驗課程階段，使學(xué)生通過實驗操作熟悉實驗內(nèi)容流程，理解和掌握所學(xué)的理論課程知識充分。

（3）實驗課程教學(xué)課件制備與教學(xué)素材收集。收集和制備符合我校生物技術(shù)專業(yè)的生物信息學(xué)教學(xué)課件和教學(xué)素材，并科學(xué)合理地將收集的素材與自編教材相結(jié)合，制備適合的教學(xué)課件，是講好生物系信息課程的必要要求和重要環(huán)節(jié)。

（4）生物信息學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建立。吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院已經(jīng)建立省級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，并將生物信息學(xué)所用到的相關(guān)軟件全部集成到實驗教學(xué)平臺，方便生物信息學(xué)實驗課程的教師授課和學(xué)生操作。通過生物信息學(xué)仿真實驗教學(xué)平臺，實現(xiàn)了“教”與“學(xué)”的有效溝通，不僅可以和學(xué)生直接交流，更可以從根本上了解或收集教學(xué)過程中存在的問題和修改的建議。

三、優(yōu)化生物信息學(xué)教學(xué)方法和手段

（1）案例式教學(xué)法為教學(xué)主線。案例式教學(xué)法是一種通過經(jīng)典案例或者代表案例的啟發(fā)式教學(xué)方法，非常適合具有較強(qiáng)實踐性的生物信息學(xué)課程的教學(xué)方法。[2]通過選擇高層次雜志上發(fā)表的經(jīng)典案例作為切入點，講述基因組學(xué)的研究進(jìn)展、數(shù)據(jù)庫的選擇、多序列比對等方面的實驗操作重點和要點，不僅能使學(xué)生學(xué)習(xí)并熟練掌握理論知識和實驗操作技能，更可以讓學(xué)生明白生物信息學(xué)所要研究的內(nèi)容和意義，更可以形成對生物信息學(xué)課程的興趣。

（2）課堂和課后作業(yè)。課堂作業(yè)是將復(fù)習(xí)理論知識和基本操作為內(nèi)容，幫助學(xué)生熟練掌握重點和難點問題。而課后作業(yè)可以通過建立生物信息學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺發(fā)送給學(xué)生，與學(xué)生建立密切的聯(lián)系，通過收集和整理學(xué)生對生物信息學(xué)課程的評價、建議和意見，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、方法和進(jìn)度等。

（3）設(shè)定科學(xué)的考核方式。生物信息學(xué)課程與其他課程相比，實驗課程實踐操作能力要多于其他課程，需要設(shè)定符合突顯實踐性特點的考核方案。將期末考試的考核評定方式設(shè)置為理論內(nèi)容占50%、實驗內(nèi)容占50%。一方面降低了基本原理和分析流程的枯燥性，另一方面增強(qiáng)了學(xué)生實踐能力和科學(xué)思路的強(qiáng)化。以我校2014級生物技術(shù)專業(yè)的學(xué)生為例，91.2%以上的學(xué)生掌握了生物信息學(xué)課程的基本理論，并熟練掌握了操作流程，已經(jīng)初步建立了一定的科學(xué)研究的思維能力和創(chuàng)新能力。

四、教學(xué)效果

吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院從2010年的人才培養(yǎng)方案中已將生物信息學(xué)課程作為生物技術(shù)專業(yè)必修課程開設(shè)。經(jīng)過八年多的生物信息學(xué)教學(xué)經(jīng)驗、方法和方式的積累，已經(jīng)具備了實戰(zhàn)、教學(xué)經(jīng)驗豐富的師資團(tuán)隊和不斷提升的教學(xué)條件，已經(jīng)將生物信息學(xué)課程打造為我校生物技術(shù)專業(yè)的專業(yè)核心課。

五、結(jié)語

生物信息學(xué)貫穿了生命科學(xué)領(lǐng)域，是生物技術(shù)專業(yè)本科生人才培養(yǎng)方案中的重要環(huán)節(jié)。及時豐富、完善教學(xué)內(nèi)容，堅持以學(xué)生為主體，以案例式教學(xué)為手段，與時俱進(jìn)地優(yōu)化教學(xué)模式，最終獲得適用于農(nóng)業(yè)高校生物技術(shù)專業(yè)本科生生物信息學(xué)課程的教學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]易圖永，李蘭芝，周瑋.農(nóng)業(yè)院校開展生物信息學(xué)本科教育的實踐與體會——基于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的實踐[J].教育教學(xué)論壇，2018（13）：238-239.

[2]張振旺，李夢茜.生物技術(shù)專業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)的改革與實踐研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（11）：3453-3454.

責(zé)任編輯：楊國棟