生物技術專業生物信息學課程的教學研究

王康宇 李曉玲 王志英

摘要：生物信息學是隨著基因組學和系統生物學發展起來的一門重要的新興交叉學科，也是很多高校中生物學專業的專業核心課程之一。吉林農業大學生命科學學院已將生物信息學課程納入生物技術專業本科生人才培養環節，基本建成了完善的以教師授課為基礎、實驗操作為核心、學生自主操作與練習為過程、教學效果為目的的教學體系。

關鍵詞：生物技術 生物信息學 教學研究 本科生 虛擬仿真

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

生物信息學（Bioinformatics）是隨基因組學、系統生物學興起而發展產生的一門交叉學科，它是當今生命科學和自然科學的前沿領域之一，也是21世紀自然科學的核心領域，具有前沿性新、交叉性廣、實踐性強等特點。[1]吉林農業大學生命科學學院針對生物技術專業開設了生物信息學課程，授課對象為本科生。通過生物信息學課程的特點，建立適合農業高校生物技術專業本科生的教學方法，是促進該專業學生掌握所學基礎理論知識和應用專業知識的重要方式。

一、生物技術專業生物信息學課程教學體系架構特點

生物信息學主要講授基因組學（Genomics）和蛋白質組學（Proteomics）兩方面，具體說就是從核酸和蛋白質序列出發，分析序列中表達的結構功能的生物信息。該課程內容包括：生物數據庫類型與檢索、序列比對與分析、分子進化樹的構建、功能基因組學與系統生物學、非編碼區的信息分析、生物大分子可視化與蛋白質結構預測等內容。我校生物技術專業的生物信息學課程為必修專業核心課，理論教學20學時，實驗教學20學時。并具有以下的教學體系架構特點。

（1）基礎學科知識。我校生物技術專業開設的生物信息學是植物學、遺傳學、細胞生物學、微生物學等學科相結合的交叉點，該課程涉及領域廣、內容縱橫交錯、高度綜合。在學習生物信息學課程時，應該掌握和完成基礎課和相關專業課的基本理論知識，因此我校生物技術專業將該課程安排在第6學期開設。

（2）生物數據庫和序列資源。生物信息學課程涉及的生物數據庫和序列資源存在多種類型，包括綜合數據庫（如NCBI、EMBL庫、KEGG數據庫）、蛋白質結構和分類數據庫、基因突變數據庫、代謝途徑和細胞調控數據庫等。不同的數據庫所收集的數據類型和研究內容存在較大的差異，但是也有一些不同的數據庫之間存在著數據共享和相互連通的關系。因此，在教學中，應該重點教會學生在科學研究中選擇合適的數據庫進行檢索、下載數據、分析和匹配使用。

（3）基本原理和操作流程。生物信息學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容的重要組成?；蚪M學序列比對章節中，序列比對概念、序列比對基本原理、數據庫選擇和檢索、比對軟件參數設定等基本原理和技術體系出現，構成了生物信息學分析數據庫的建立和優化內容。因此，通過扎實地掌握生物信息學課程中出現的基本原理和操作流程，是幫助學生系統掌握這門課程研究的關鍵。

二、生物技術專業開設生物信息學課程的基本要求和條件

（1）理論課程中教材、參考書和參考文獻選擇。農業高校生物技術專業開設生物信息學課程應該根據專業需要，選擇適合教學的教材、參考書和參考文獻。經過八年的教學經驗積累，吉林農業大學了解到生物信息學課程特點，選用了由李霞主編、人民衛生出版社出版的《生物信息學》（第2版）和吉林農業大學自編教材《生物信息學實驗》，為我校生物技術專業生物信息學課程的本科生教材。同時，檢索每年Nature、Science、Cell等國際著名雜志發表的生物信息學相關參考文獻，補充到理論課的經典實例和最新前沿實例中，讓學生充分學習生物信息學研究基本理論、技術體系和最新發展方向。

（2）實驗課程內容的設置。根據我校生物技術專業開設的生物信息學課程的基本理論、實驗操作流程和實驗條件，開設了生物數據庫查詢與檢索、核酸序列分析與功能注釋、引物設計與酶切位點分析、多序列比對與系統進化樹構建以及蛋白質序列和結構分析五個專題性實驗。利用實驗課程階段，使學生通過實驗操作熟悉實驗內容流程，理解和掌握所學的理論課程知識充分。

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

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

三、優化生物信息學教學方法和手段

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

（2）課堂和課后作業。課堂作業是將復習理論知識和基本操作為內容，幫助學生熟練掌握重點和難點問題。而課后作業可以通過建立生物信息學虛擬仿真實驗教學平臺發送給學生，與學生建立密切的聯系，通過收集和整理學生對生物信息學課程的評價、建議和意見，及時調整教學內容、方法和進度等。

（3）設定科學的考核方式。生物信息學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置為理論內容占50%、實驗內容占50%。一方面降低了基本原理和分析流程的枯燥性，另一方面增強了學生實踐能力和科學思路的強化。以我校2014級生物技術專業的學生為例，91.2%以上的學生掌握了生物信息學課程的基本理論，并熟練掌握了操作流程，已經初步建立了一定的科學研究的思維能力和創新能力。

四、教學效果

吉林農業大學生命科學學院從2010年的人才培養方案中已將生物信息學課程作為生物技術專業必修課程開設。經過八年多的生物信息學教學經驗、方法和方式的積累，已經具備了實戰、教學經驗豐富的師資團隊和不斷提升的教學條件，已經將生物信息學課程打造為我校生物技術專業的專業核心課。

五、結語

生物信息學貫穿了生命科學領域，是生物技術專業本科生人才培養方案中的重要環節。及時豐富、完善教學內容，堅持以學生為主體，以案例式教學為手段，與時俱進地優化教學模式，最終獲得適用于農業高校生物技術專業本科生生物信息學課程的教學方法。

參考文獻：

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

[2]張振旺，李夢茜.生物技術專業生物信息學課程教學的改革與實踐研究[J].安徽農業科學，2014（11）：3453-3454.

責任編輯：楊國棟