大數據時代下的生物信息學教學探究

陳宇杰，吳江鴻，麗 春，胡斯樂，陳 銘

（1.內蒙古民族大學 生命科學與食品學院，內蒙古 通遼 028043；2.浙江大學 生命科學學院，浙江 杭州 310058；3.內蒙古民族大學 動物科技學院，內蒙古 通遼 028043）

近些年，伴隨生物大數據及人工智能的迅速發展，生物信息數據庫建設日趨完善，生物信息學研究已取得長足進步［1］.20世紀80年代，內蒙古大學理論物理學家羅遼復先生首先由理論物理轉向生命科學研究，開始探索嶄新的生物信息學方向，在生物分子手性起源、構象電子場理論和構象動力學、遺傳密碼、核酸和氨基酸序列與結構功能的關系等課題研究中取得巨大成就［2-3］.生物信息學是一門融合生物學、數學與計算機科學的新興前沿學科，具有交叉性和創新性等特點.生命科學已進入大數據時代，社會亟需生物信息學專業素養的人才.目前，全國多數院校已普遍開設生物信息學專業或在本科生專業課程中設置生物信息學課程.生物信息學課程要求學生具有扎實的數學、計算機科學和生物學基礎，筆者根據多年的生物信息學教學實踐發現，學生普遍存在學習興趣不高、學習難度大等問題.強國之本在教育，高等教育已步入以質量提升為核心的內涵式發展新階段.筆者探索生物信息學課程教學過程中出現的問題，并提出切實可行的改進措施，期望為生物信息學的本科教學提供參考.

1 生物信息學教學中存在的問題

在生物大數據時代，生命科學正在經歷從試驗分析、數據積累到數據分析及其指導下的試驗驗證的轉變.生物信息學作為一門新興的交叉學科，與迅猛發展的高通量組學技術有機結合，已成為科研工作者存儲、加工并解析數據的強有力工具［4-5］.各高校生物相關專業均已開設生物信息學課程，幫助學生從序列分析、基因結構、進化分析、大數據層面了解基因與表型的關系、解析生長發育機理、了解疾病的發病機制、診斷治療、藥物開發等多方面提供技術支持及理論依據，在科學研究和生產實踐中取得了巨大的研究成果［6-8］.由于生物信息學屬于新興學科，涉及多學科交叉，因此，在教學過程中，師資隊伍、教材資源、教學模式等方面還存在不足，有待完善.

生物信息學作為一門發展迅猛的生物學、數學與計算機科學的交叉學科，要求生物信息學教師具有較強的數學、生物學和計算機等專業知識.目前，多數地方高校的生物信息學教師并非生物信息學專業科班出身，多數來自于與生物信息學專業交叉的農學、醫學等相關領域的青年教師.教師在知識的系統性、專業性等方面有所欠缺，在課堂教學中對專業性較強的問題很難進行游刃有余地講授，影響教學效果［9-10］.在一些地方高校或偏遠地區高校，教師隊伍匱乏現象比較嚴重，不利于生物信息學教學.生物信息學的快速發展，對師資隊伍要求較高.因此，高校需要充實高質量生物信息學專業師資.

目前，生物信息課程面向農學、醫學、理學、工學不同學科背景的本科生開設.現有生物信息學教材多偏向于綜合性教材，沒有顧及學生專業.不同專業背景的學生對不同的生物學問題的認知存在顯著差異.因此，單一、綜合性地面向所有專業的生物信息學教材很難滿足教學和學生學習所需，亟待有專業性更強的教材以供使用.其次，現存教材多以介紹生物信息學基本理論知識為主.由于生物信息學知識內容繁雜，對于沒有生物信息學基礎的學生來說，在學習上有較大難度.一般來說，生物信息學屬于專業選修課程，學時設置較少，大部頭、綜合性、偏理論的教材對學生而言，具有很大的挑戰性，導致部分學生知難而退.因此，生物信息學課程亟需簡明扼要、專業針對性強、易操作上手的教材.

目前，多數生物信息學課堂沿用傳統的教學模式：以教師為中心、以課堂為中心、以教材為中心.這種教學觀念忽略了生物信息學課程是一門工具學科，重理論而輕實踐，影響了對學生實踐技能和創新思維的培養，不利于學生系統掌握生物信息學的知識與技能，不能有效利用生物信息學方法解決生物學相關的實際問題，無法將所學與所需相聯系，背離了生物信息學課程的教學目標.生物信息學教學對軟硬件環境有較高要求，如高性能服務器、計算機、網絡環境、計算機語言基礎等都是進行生物信息學教學所必需的軟硬件條件.目前，部分高校的生物信息學基礎建設還不完善，實踐教學很難順利有效展開，這也是導致生物信息學發展相對滯后的原因之一.

2 對策

2.1 加強課程建設，推進“四個回歸”根據不同專業的課程開設方式，合理設置生物信息學課程的開設學期，滿足其對前置課程的需求和對后續課程的幫助，完成課程體系的有機整合，使教學效果達到最優.針對不同專業的課程目標需求，教師應平衡前沿研究與基礎知識的比例，選擇難易度適合的教學內容，仔細撰寫教學大綱，安排教學活動.其次，教材改革在原有教材的基礎上進行改版，或編寫精簡版的生物信息學教材，或編寫專業性更強的醫學版、農學版等，或編寫以案例分析為主的教材.第三，育人之責在教師，通過引育并舉等方式，持續進行生物信息學教學團隊培養改革.各院校的生物信息學教師應建立課程組，完善師資隊伍建設長期規劃.按職稱、學歷、年齡、學緣等結構完善團隊建設，逐步形成可持續發展的師資梯隊，推進“老-中-青”傳、幫、帶階梯式培養工作.建立教師成長范式，鼓勵教師到國內外進修訪學或國內互訪，進入北京大學、浙江大學、哈爾濱醫科大學、華中農業大學等具有專業優勢的雙一流高校，接受專業的師資培訓，提升專業素質和教學技能.成立全國或地區間的生物信息學專業教學組織，建立生物信息學教學標準.教師應以課程組為單位，積極開展教研活動，加強教師間交流與團隊協作，凝聚師資力量，打造優秀教學課程團隊，推進教研融合.積極申報各類優秀課程與精品課程，進行生物信息學課程建設.

2.2 實現網絡教學與線下教學有機結合，提高學生學習興趣針對生物信息學課程具有交叉性、前沿性、實踐性等特點，需要大力發展生物信息學線上教育及平臺搭建，打造智慧學習環境，與面對面有溫度的線下教學有機整合，重塑教育教學形態.（1）網絡教學方式的選擇：根據在線授課可分為實時和非實時的特點選擇穩定的網絡教學平臺，如騰訊會議、釘釘、雨課堂等均可進行，配合教案、課件、練習題、相關學習材料的上傳，滿足教師教學開展和學生網上自主學習的需求.（2）教學方案的制定：根據教學內容的難易程度和學生的接受能力，可將教學內容順序適當調整為生物信息學導論、生物信息學資源、基因組信息學、基因芯片數據分析、序列分析與序列比對、系統發生分析、系統生物學.（3）教學效果的評判：通過在線平臺檢查學生考勤、提交筆記、檢查作業等方式進行學習效果評價.

2.3 建立以OBE理念為指導的教學模式，培養學生實踐能力生物信息學課程對于非生物信息學專業本科生而言，是一門工具性課程.在教學過程中，應形成“以學生為中心”的教學理念與教學模式，讓學生成為課堂的“主人”，強調學生對生物信息學知識的主動探索、主動發現和對所學知識意義的主動建構過程.生物信息學授課環節應更加注重實際應用，增強案例分析、口頭匯報、專題討論等多樣化教學方式，充分利用中國慕課、專業性較強的科技前沿文獻等線上資源，開展任務驅動式教學，不斷加強實驗、實訓環節的教學任務，讓學生熟練掌握常用生物信息學相關數據庫、門戶網站、相關軟件的使用方法；設置學生思考環節，激發學生的學習興趣，從實際問題出發，利用生物信息學手段解決相關生物學問題，讓學生的動手能力、思維能力、團隊協作能力得到實質性鍛煉，學生各項技能得到強化，實現理論與實踐相結合，深化學生對原理和基本知識的理解和應用，切實提高學生課程成績.改變原有單一的課程評價體系，以“學生學習預期效果”為導向，不斷完善教學評價體系，降低期末考試成績比例，增加線上學習、課程作業、口頭匯報、小組討論、組內互評、組間助評等多樣化考核方式，嚴格按照課程大綱中制定的合理化評價標準對學生成績進行評定.提升學生理論知識和專業技能，增強學生的自學能力、查閱文獻能力、思維能力.解決學生過于注重理論學習，忽視能力和素質提高等問題.

2.4 培養專業產業化學生，培育生物信息學學科發展方向隨著人類基因組計劃的完成，生物信息學研究已在生物學研究領域發揮越來越重要的作用，極大推動了生物技術、生物醫藥、生殖健康等相關領域的發展.生物信息學已成為一門能夠創造巨大經濟利益和社會效益的產業.目前，生物信息學領域急需創新型、實用型、復合型人才.因此，從產業化視角構建生物信息學人才培養模式，培養頂尖的生物信息學人才是重中之重.教師要明確在產業化需求下，重點培養學生的生物信息學相關能力及培養途徑.學生要加入本科生導師的科研課題，生物信息學實踐課應與學年論文、畢業論文相結合，在課堂上建立實訓體系，解決實際生物學問題，為專業產業化奠定基礎.結合生物信息學競賽、培訓專業化等手段鍛煉學生，是推動生物信息學專業產業化的有效手段，也是生物信息學學科的發展方向之一.生物信息學人才培養的質量和效果將作為檢驗教學工作的根本標準.