農學專業生物信息學課程建設研究

秦笙 王學揚 孫霞 李木旺

摘要?隨著現代生物技術在農業中的廣泛應用，生物信息學在相關研究中變得更加重要。作為一門新興學科，生物信息學的教學模式還未成熟，尤其在農學專業的教學中存在一些特有的問題，例如：作為選修課程教學學時較短，教學內容在不同人才層次培養過程中及不同學科間存在部分重疊，同時具備農學和生物信息學知識背景的師資力量不足，針對農學專業的教材嚴重匱乏，培養的人才解決實際問題的能力不足等諸多問題，這些問題迫切需要改進。針對這些問題提出了相應的改革方案，通過重新規劃教學內容的安排提高教學方案的合理性;通過加快教材建設，及時更新課件來應對本學科知識更迭較快的特點;通過引進人才，加強教師培養的手段解決人才匱乏的問題;通過增加綜合訓練的方法提高學生解決實際問題的能力。這些方案旨在提升教學水平，培養能夠適應現代生物農業的合格人才。

關鍵詞?農學專業;生物信息學;教學改革

中圖分類號?S-01文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）22-0269-03

Abstract?With the wide application of modern biotechnology in agriculture，bioinformatics has become more important in related research.As a newly developing subject，the teaching mode of bioinformatics is not yet mature，especially in the teaching of agronomy.There are some special problems in the teaching of agronomy.For example，the teaching time is shorter as an elective course.The content of course has overlap between cultivating different talent levels and difference disciplines.There are also insufficient teachers with a background in agronomy and bioinformatics and lacking of professional teaching materials for agronomy majors.The students lack the ability to solve practical problems.These problems urgently need improvement.In this paper，we propose corresponding reform plans for these problems.To improve the rationality of the teaching plan，the content of courses is replanning.To respond the faster knowledge change in the subject，the teaching materials are accelerated to construct and the courseware update in time.To solve the problem of lack of talent，we need to strengthen the teacher ability and introduction of talents.We also improve the ability of students to solve practical problems by increasing the comprehensive training method.These programs aim to improve the level of teaching and develop qualified personnel who can adapt to modern bioagriculture.

Key words?Agronomy specialty;Bioinformatics;Educational reform

生物信息學（Bioinformatics）是一門涵蓋生物學、數學、計算機科學和信息學等多學科交叉的新興學科。伴隨基因組、轉錄組、蛋白質組等各類組學的興起和高通量實驗技術的發展，生物信息學的理論和方法得到了極大的豐富，成為與分子實驗技術，尤其是與高通量實驗技術不可分割的研究手段[1-2]。農學作為生命科學的重要組成部分，與國家經濟發展、食品安全等諸多方面密切相關，需要通過現代的、科學的方法來對農業作物的性狀進行改良，生物信息學在這一過程中發揮著越來越重要的作用。因此，提高農學專業學生的生物信息學素養將有助于豐富學生在未來工作時的研究手段，提高學生的科研創新能力。對農學專業的生物信息學培養目標主要定位在讓學生能夠正確運用生物信息學方法來輔助研究農作物改良和育種，尤其是對農學中分子生物學實驗的設計和分析。目前，農學專業在課程的開設過程中面臨一些共性的困難和問題迫切需要解決。筆者就該課程教學中存在的問題開展分析，為提高生物信息學教學質量提供建議和方法。

1?農學專業生物信息學課程教學現狀

1.1?教學學時限制

生物信息學的課程涉及內容廣，包含的信息量大，涉及生命科學的各個分支。目前，農學專業開設生物信息學課程一般多為選修課，時長在40課時以內[3]。而生物信息學豐富的課程內容在有限的課時內難以得到展開和細化，因此，有限的課時與覆蓋全部教學內容之間構成了一個突出的矛盾。尤其生物信息學需要通過實踐操作來掌握數據庫檢索、軟件應用及數據分析等內容，需要劃分一定的課時用于上機實驗，這讓原本就有限的課時顯得更為捉襟見肘。對于農學專業的學生來說，較短的課時和較高的知識密度使得學習這門課程的難度大大增加。

1.2?教學內容重疊

生物信息學內容重疊在各個院校是廣泛存在的現象，主要分兩個維度的重疊。從橫向維度上來說，生物信息學同分子生物學、生物化學、基因組學等課程的教學內容存在部分重疊，這部分重疊內容占據了原本就不充裕的課時，浪費了教學資源。橫向維度上的矛盾可以通過調整課程的重疊內容來化解，而解決縱向維度上的矛盾則更為困難。目前，農學專業本科、碩士乃至博士的生物信息學教學內容也存在較大的重疊，一方面是由于不同院校課程設置的不同，部分學生在本科、碩士研究生期間尚未學習過生物信息學，因此，教學內容中需要設置分子生物學實驗所涉及的基本內容，諸如數據庫的檢索，常規實驗設計分析工具的使用等。另一方面是由于目前的教材大部分是入門級的教材，并沒有針對碩士或博士教育而優化的教材，這使得在碩士和博士培養中很多仍是采用與本科教學相同的教材。這2個因素導致本、碩、博3個層次的教學內容存在較多重疊，而提供給新知識、新內容的課時就更為有限。綜合兩方面的因素，農學專業生物信息學內容的重疊為有效開展教學造成了阻礙。

1.3?專業教材匱乏?生物信息學仍處于高速發展時期，一方面，研究內容伴隨著實驗技術的發展不斷更新換代，而教材的更新速度往往跟不上技術的發展[4]。另一方面，農學專業研究方向的多樣化給生物信息學教材的編寫帶來了困難，難以針對特定的小專業設置專門的生物信息學教材。先前的一些經典教材中的教學內容主要針對低通量分子生物學實驗設計和分析。隨著組學研究的興起和高通量技術的發展，誕生了很多新的分析方法、分析流程。這部分內容復雜度高，涉及內容廣，需要更高的計算機水平，目前僅有少量教材部分涵蓋了高通量實驗的研究內容，而針對農學專業內容的生物信息學教材更是鳳毛麟角[5]。目前，主流教材中介紹的生物信息學數據庫都以國際上最常用的NCBI、EMBL、Uniprot等大型公共數據庫為示例，而農業涉及的經濟作物或農業害蟲等物種相關的數據庫則沒有教材進行相關介紹。在農業育種中應用到的遺傳圖譜和基因圖譜的構建，BSA定位技術和GWAS分析等內容也還幾乎沒有教材涉及。這些內容代表了現代農業育種的前沿方向，要培養相應的人才迫切需要有對應的農業生物信息學教材。

1.4?教學人才匱乏

目前，生物信息學仍然處在快速發展階段，由于多學科交叉的特點，培養一名合格的生物信息學人才需要大量的時間，在生物學人才中僅占小部分，能夠勝任生物信息學教學任務的人才就更少，而具備農學研究背景和經驗的教師尤為匱乏。多數農學專業生物信息學只有1～2個教師，無法形成教學團隊，有限的教師數量與人才培養的需求間存在著強烈矛盾[6]。

1.5?綜合能力薄弱

學習知識不是目的，能夠將所學知識靈活用于解決實際問題才是目的，生物信息學這門學科要求學生在解決實際問題的過程中能夠在復雜的信息條件下選擇合適的資源和方法來對數據進行正確處理，并總結出一定的生物學規律[7]。按部就班地完成各個章節的教學內容僅能讓學生達到知曉的水平，與綜合運用還有很大一段距離。由于解決實際問題時，考慮的情況更為復雜，需要靈活運用多種手段，綜合多方面的信息才能對問題做出準確判斷，學生需要進行實際項目的訓練才能培養出解決實際問題的思維。

2?農學專業生物信息學課程改革思路

2.1?改進大綱結構，改善教學方式

教學應服務于人才培養，人才培養應明確培養目標。因此，針對不同層次的人才生物信息學素質的培養側重點也不同。在本科階段，學生未來發展有就業需求和進一步深造的需求。因此，培養目標以基礎操作為重點，側重教學內容的通用性。在教學過程中通過激發學生學習興趣，結合自學的方法加深學生對本課程的認知。通過優化與其他學科教學內容間的重疊程度，改善課時不足的情況，提高教學效率。在碩士研究生階段，對于進入科研領域的學生，培養目標以培養基本科學素養和掌握專業相關的基本信息資源為主。考慮到不同生源的生物信息學教育背景不同，課程保留了部分本科的核心內容，削減了部分普及性教學內容，添加了文獻檢索、文獻管理等內容，對教學中的實例更多調整為專業相關的內容。而針對博士研究生階段，考慮到學生在碩士研究生階段已經具備基本的生物信息學素養，因此對基礎內容進一步壓縮，而增加了組學和高通量實驗技術方面的內容。通過解讀專業文獻實例，模擬實驗設計來培養學生對前沿技術的了解和如何在科研工作中運用這些新的技術。

2.2?加快教材建設，及時更新課件

在農學專業的生物信息學教學過程中，除基本的生物信息學資源外，對專業特色的生物信息學資源的講授更為重要，是直接運用在本專業后續實際工作中的。針對專業教材缺乏的情況，迫切需要具有實際科研工作經驗的生物信息學教師來參與專業教材的編寫工作，將真實的工作經驗滲透進教材的內容中去。例如，江蘇科技大學生物技術學院開設了蠶學專業，在數據庫方面需要重點介紹蠶桑方面的專業數據庫SilkDB、SilkBase、KAIKObase和MorusDB等，以提高學生對本專業相關信息的獲取能力。

生物信息學數據庫、軟件發展快，更新快，很多資源1～2年內就會有較大的變化或版本更新，為適應學科的快速發展，教學課件至少每2年進行一次補充和更新。在筆者任教的3年間對教學課件進行了2次大版本更新，在此期間，Ensembl數據庫補充了大量新物種的基因組數據，家蠶基于三代測序技術的最新基因組已經在SilkBase公布，SignalP信號肽預測工具從3.1升級至5.0等。如果不緊跟時代的發展，傳授給學生的就只能是滯后的知識，很多知識一旦滯后就成為過時的知識，乃至錯誤的知識，作為一門以信息學為特色的課程這種滯后是萬萬不可的。

2.3?加強師資力量，提高教師能力

生物信息學涉及的知識范圍廣，對教師的能力需求高，而教師的能力直接對教學效果造成影響。要解決教師匱乏的問題，一方面要注重人才的引進，包括引進具備不同學科背景的生物信息學人才同農學專業相融合;另一方面加強原有教師的能力培養，通過出國進修、參加培訓、同行交流、參與科研項目等方法提高教師的生物信息學素養。尤其生物學背景的教師還要注重數學、計算機、信息學方面的能力培養。此外，作為教學為主的教師也應適當的參加國內外的生物信息學會議，了解生物信息學在農業研究中的發展趨勢和熱點方向，將科研生產中的實際應用帶回課堂，這有利于拓展學生的專業視野，激發學生的學習興趣。

2.4?模擬實際問題，加強綜合實踐

生物信息學有很強的理論性和實踐性，對于未參與過實際科研工作的學生來說較為抽象，不理解學習的目的，也不清楚如何運用所學的知識。通過具體的實際案例，能夠激發學生的學習興趣，找到運用知識的切入點。尤其通過貼近本專業的實例開展學習能讓學生產生親切感，降低學生的畏難心理。

筆者在教學過程中設置了4個課時的教學時長，通過自身科研中遇到的實際問題來訓練學生思考問題、解決問題的能力。例如：從需要研究的目的基因出發，通過數據庫檢索，獲取基因的基因結構信息、注釋信息、序列信息;通過序列比對找到近緣物種中的同源基因，并綜合近緣物種中的研究結果對目的基因進行功能分析;根據實驗的目的不同來完成引物設計，分析構建載體所需的酶切位點等實踐內容，讓學生通過生物信息學的實踐練習，同分子生物學、基因工程等實驗內容相貫通，對自己的專業研究內容建立更為系統全面的理解。

3?結語

伴隨著現代生物技術在農業中的廣泛應用，生物信息學正受到越來越多的重視。針對農學專業培養對應的生物信息學人才已經迫在眉睫。農學專業生物信息學課程建設在各兄弟院校間存在一些共性與特有的問題，諸如課時短、師資力量匱乏、教材匱乏等共性問題已經成為制約農學專業生物信息學發展的主要瓶頸，這些問題需要同行的共同努力才能夠得以解決[8-10]。除此之外，在培養不同層次人才過程中遇到的問題正逐漸凸顯，各層次人才間的需求不同，學生受教育的差異等因素，給教學內容的安排帶來了更多的挑戰。盡管該研究對農學專業生物信息學建設中面臨的問題提出了初步的解決方案，但仍有一些問題尚待解決。例如：隨著技術的發展，生物信息學教學對計算機和數學基礎的要求越來越高，除了本學科的教學努力外，還需要加強相關學科的溝通與合作[11]。此外，生物信息學的實踐內容與分子生物學、基因工程等實驗是互相契合、互相交叉的，合理協調多門課程間的教學內容已經超出單門課程的教學設計范疇，需要多學科互相協作。只有積極解決這些教學中所面臨的問題，根據培養不同層次人才的需求合理設計教學方案，才能培養具有獨立思考能力、能適應信息化時代的農業人才。

參考文獻

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