農(nóng)業(yè)類高校生物信息學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀與改革探究

李春季 喻國輝

摘要 生物信息學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域的一門新興交叉熱門學(xué)科，是開展生物學(xué)相關(guān)研究的工具和載體，也是農(nóng)業(yè)類高校的專業(yè)基礎(chǔ)必修課之一。隨著該學(xué)科的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)中的問題不斷凸顯，及時調(diào)整教學(xué)策略是改善教學(xué)質(zhì)量的重要手段之一。在前期教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)了農(nóng)業(yè)類高校生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的主要問題，并從師資隊伍、課程內(nèi)容、軟硬件設(shè)施和基礎(chǔ)課程建設(shè)等方面有針對性地提出了相應(yīng)的改革建議，以期為該課程的教學(xué)創(chuàng)新和課程改革提供參考。

關(guān)鍵詞 生物信息學(xué);農(nóng)業(yè)類高校;教學(xué)策略;課程改革

中圖分類號 S-01? 文獻標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）07-0269-02

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.07.066

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Research on the Teaching Status and Reform of Bioinformatics Course in Agricultural Universities

LI Chun-ji， YU Guo-hui

（College of Agriculture and Biology， Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou， Guangdong 510225）

Abstract Bioinformatics is a new cross hot subject in the field of life science.It is an important tool and carrier for carrying out related biological researches，and it is also a professional basic compulsory course in agricultural universities.With the rapid development of this subject，the problems in the traditional teaching are emerging.Thus， the adjustment of teaching strategies on bioinformatics course is one of important means to improve the teaching quality.Based on our previous experiences， this paper summarized main existing problems in the teaching of bioinformatics course in agricultural universities，and put forward corresponding reform suggestions from the aspects of teaching staff， curriculum content， software and hardware， so as to provide references for the teaching innovation and curriculum reform of bioinformatics course in agricultural universities.

Key words Bioinformatics;Agricultural universities;Teaching strategies;Curriculum reform

生物信息學(xué)是生命科學(xué)、計算機科學(xué)及統(tǒng)計學(xué)等學(xué)科交叉融合形成的一門前沿基礎(chǔ)學(xué)科，旨在利用先進的測序技術(shù)和計算機科學(xué)技術(shù)解析生命現(xiàn)象背后潛在的深層次科學(xué)問題[1]。隨著高通量測序技術(shù)的飛速發(fā)展和測序成本的大幅度降低，各物種全基因組測序等工作陸續(xù)開展，生命科學(xué)研究已逐步進入后基因組時代。通過多組學(xué)聯(lián)合分析技術(shù)，獲取、處理、發(fā)掘和解析關(guān)鍵基因、調(diào)控因子、蛋白質(zhì)及代謝物間的相互作用機制，將為生命科學(xué)研究提供重要線索和方向[2]。因此，熟練掌握和應(yīng)用生物信息學(xué)分析技術(shù)是生物技術(shù)等生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一項基本素養(yǎng)[3]。近年來，我國各大農(nóng)業(yè)類高校陸續(xù)開設(shè)生物信息學(xué)課程，并取得了一定的成效，學(xué)生的大數(shù)據(jù)解讀與深入挖掘能力獲得了明顯提升[4]。筆者根據(jù)農(nóng)業(yè)類本科高校生物信息學(xué)教學(xué)實踐過程中存在的問題，提出了針對性的改革建議，以期為教學(xué)質(zhì)量的提升提供一定的借鑒和參考。

1 課程教學(xué)中存在的問題

1.1 師資力量匱乏

生物信息學(xué)作為一門新興的交叉學(xué)科，要求教師必須熟練掌握生物學(xué)、計算機科學(xué)和統(tǒng)計學(xué)等多個學(xué)科體系的內(nèi)容，并做到融會貫通[5]。然而，目前國內(nèi)大多數(shù)高校生命科學(xué)領(lǐng)域的研究人員在統(tǒng)計學(xué)和計算機科學(xué)領(lǐng)域的研究較少，基礎(chǔ)相對薄弱[6]。與此同時，受市場經(jīng)濟和區(qū)位優(yōu)勢狀況等因素的影響，大量具有生物信息學(xué)專業(yè)背景及較強生物信息學(xué)分析能力的博士畢業(yè)生流向一線城市的生物科技公司，進一步加劇了國內(nèi)高校相關(guān)人才短缺的問題。此外，在過去很長一段時間內(nèi)，農(nóng)學(xué)、動物學(xué)、作物學(xué)和食品科學(xué)等非生物信息學(xué)專業(yè)通常將該課程設(shè)置為選修課，在學(xué)科建設(shè)和師資力量儲備計劃中的重視程度不夠，導(dǎo)致匱乏的師資力量與人才培養(yǎng)目標(biāo)之間的矛盾進一步加劇[7]。

1.2 教學(xué)內(nèi)容和方式陳舊

生物信息學(xué)的發(fā)展日新月異，各種公共數(shù)據(jù)庫和分析軟件的更新頻率較高，因此研究內(nèi)容和方向也將隨之不斷改變。然而，國內(nèi)相關(guān)教材及教學(xué)軟件的更新速度相對緩慢，課程內(nèi)容的知識點相對滯后，并未涵蓋最新的數(shù)據(jù)庫及軟件的功能和使用方法，這對于學(xué)生開展生物信息學(xué)分析、實踐學(xué)習(xí)及就業(yè)極為不利[8]。當(dāng)前生物信息學(xué)教材大多重點介紹高通量測序技術(shù)的基本原理、學(xué)科的發(fā)展歷程、基本算法、常用軟件和數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容，而對于該學(xué)科在農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等領(lǐng)域的最新應(yīng)用進展僅做了簡單介紹，教學(xué)內(nèi)容過分強調(diào)理論，而忽略了應(yīng)用價值，略顯枯燥，不能很好地激發(fā)學(xué)生的求知欲。加上教學(xué)內(nèi)容過于寬泛、學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)積極性差和學(xué)時限制（通常理論課24學(xué)時，上機操作8學(xué)時），導(dǎo)致大部分知識點授課深度不夠，大多數(shù)學(xué)生只能走馬觀花式學(xué)習(xí)，實際上機操作機會較少，因此很難掌握和鞏固所學(xué)的分析技能。此外，當(dāng)前該課程的考核評價方式仍以卷面考試為主，占比為70%～80%，因此無法調(diào)動學(xué)生上機實操的主觀能動性，也不能很好地評估學(xué)生的實際分析能力和動手能力[9]。

1.3 教學(xué)軟硬件建設(shè)滯后

生物信息學(xué)分析的開展依托于配備高性能服務(wù)器的多媒體教室。由于“雙非”農(nóng)業(yè)類高校建設(shè)經(jīng)費不足等問題，生物信息學(xué)分析平臺的建設(shè)相對落后，導(dǎo)致該課程教學(xué)只能沿用以理論教學(xué)為主、以簡單的上機操作為輔的傳統(tǒng)模式。然而，傳統(tǒng)的多媒體教室與配備生物信息學(xué)分析平臺實驗室無法相比，學(xué)生們只能操作一些幾乎無硬件要求的分析軟件，而缺乏Shell、Perl、Python和R等編程語言的使用經(jīng)驗[10]。加上常用的生物信息學(xué)分析軟件版本更新速度快且大多為收費軟件（比如DNAMAN、Primer Premier和Cluster W等），無法實現(xiàn)及時更新。隨著課程的不斷深入，雖然學(xué)生掌握了一些免費的公共數(shù)據(jù)庫（NCBI、Ensembl和KEGG等）、在線分析工具（SWISS-MODEL、BLAST和SignalP等）和傳統(tǒng)軟件的使用方法，但他們對更高水準(zhǔn)的生物信息學(xué)分析缺乏具體認(rèn)識和實操經(jīng)驗，因此并未實現(xiàn)前期制訂的人才培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生的專業(yè)水平也與用人單位需求不匹配[11]。

1.4 相關(guān)基礎(chǔ)課程設(shè)置不合理

生物信息學(xué)作為一門交叉學(xué)科，在學(xué)習(xí)前熟悉或掌握相關(guān)的基礎(chǔ)理論課程顯得尤為重要。目前國內(nèi)多所“雙一流”農(nóng)業(yè)類高校均已開設(shè)了生物信息學(xué)課程，雖然設(shè)置的基礎(chǔ)課程各具特色，但其培養(yǎng)計劃都在生物學(xué)、計算機科學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和專業(yè)英語等課程設(shè)置了較完備的基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)計劃，這為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)生物信息學(xué)課程奠定了扎實的理論基礎(chǔ)。部分“雙非”農(nóng)業(yè)類高校在其培養(yǎng)計劃中并未設(shè)置完備的基礎(chǔ)課程，“跟風(fēng)式”開設(shè)生物信息學(xué)課程，讓學(xué)生感覺課程晦澀難懂、枯燥乏味，從而導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效率下降，甚至失去學(xué)習(xí)興趣[12]。

2 課程改革與創(chuàng)新探討

2.1 組建多元師資隊伍，提升教師的專業(yè)能力

教師的專業(yè)素養(yǎng)直接影響該課程的教學(xué)質(zhì)量。生物信息學(xué)教師必須熟練掌握生命科學(xué)、計算機科學(xué)和統(tǒng)計學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)課程，并及時了解該領(lǐng)域的最新研究進展。若要達到以上要求，首先要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的人才引進觀念，將生物信息學(xué)專業(yè)列為人才緊缺專業(yè)，同時秉承“以人為本”和“廣納賢良”的理念，依據(jù)崗位需求，從國內(nèi)外高校和企業(yè)引進具有較強生物信息學(xué)分析能力和豐富分析經(jīng)驗的博士畢業(yè)生和社會從業(yè)人員[13]。其次，鼓勵并支持任課教師前往國內(nèi)外擁有生物信息學(xué)王牌專業(yè)的知名高校訪問或進修，學(xué)習(xí)最新的科研成果、先進的教學(xué)經(jīng)驗和專業(yè)技能，并與他們在教學(xué)和科研方面展開深層次交流合作。再次，鼓勵并支持任課教師積極參加國內(nèi)外舉辦的生物信息學(xué)相關(guān)會議，及時了解并掌握國際上該學(xué)科的研究熱點和方向，并融入課程教學(xué)內(nèi)容。最后，鼓勵并支持任課教師個人或所在高校與國內(nèi)外知名生物信息學(xué)相關(guān)科技公司（如華大基因等）展開合作與交流。在教學(xué)方面，科技公司可以通過舉辦“生信培訓(xùn)班”等方式分享生物信息學(xué)分析的技巧和經(jīng)驗，提高任課教師的專業(yè)性;在科研方面，通過項目合作，科技公司技術(shù)人員與任課教師可以在問題交流與討論過程中逐漸提升任課教師生物信息學(xué)分析的能力，并將項目分析案例分享給學(xué)生，以達到理論與實踐相結(jié)合的目的。

2.2 強化課程內(nèi)容建設(shè)，豐富教學(xué)資源

教材是教學(xué)內(nèi)容的重要組成部分和主要的教學(xué)資源。因此，強化課程內(nèi)容建設(shè)的首要任務(wù)就是完善和豐富教材內(nèi)容，對陳舊的教學(xué)內(nèi)容要適當(dāng)取舍，從而將有限的學(xué)時盡可能分配到最新的技術(shù)、理論和方法講授部分。生物信息學(xué)現(xiàn)今已成為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中的一門必備工具學(xué)科，在農(nóng)業(yè)類高校非生物信息學(xué)專業(yè)的課程內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)該重點突出其實用性，應(yīng)適當(dāng)增加其分析工具的應(yīng)用范疇、實踐方法及上機實操授課內(nèi)容所占的比例，適當(dāng)減少測序原理、運算原理和模型等內(nèi)容所占的比例。同時，也可以適當(dāng)增加網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容，例如慕課（MOOC）等，可作為學(xué)生課后的預(yù)習(xí)、自學(xué)和復(fù)習(xí)的輔助學(xué)習(xí)平臺。在課程內(nèi)容中還應(yīng)該重點設(shè)置生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)中應(yīng)用的成功案例，包括但不限于動物、植物和微生物的進化分析、分子育種與品質(zhì)改良等方面。此外，近年來國內(nèi)外涌現(xiàn)出一批生物信息學(xué)分析能力雄厚的生物科技公司，其制作的生物信息學(xué)分析教學(xué)視頻和培訓(xùn)資料也可作為教學(xué)資源的重要補充。國內(nèi)外生物信息學(xué)相關(guān)的權(quán)威期刊（例如Bioinformatics）中刊登的一些最近研究成果也可作為前沿教學(xué)資源來使用。因此，通過教材、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、企業(yè)培訓(xùn)資料和專業(yè)期刊的緊密結(jié)合可以很好地實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。最后，應(yīng)調(diào)整課時至32學(xué)時以上，并增加上機實操部分課時比例至50%，為學(xué)生提供更多的實踐分析機會，鞏固理論知識，同時提高期末考試總分?jǐn)?shù)中上機實操的比例至50%，引導(dǎo)學(xué)生重視實踐分析，并合理分配學(xué)習(xí)內(nèi)容和時間。

2.3 加快軟硬件建設(shè)，提升分析能力

高性能服務(wù)器等硬件是實現(xiàn)生物信息學(xué)分析和熟練掌握生物信息學(xué)課程內(nèi)容的必備基礎(chǔ)條件。鑒于生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中的重要地位，農(nóng)業(yè)類高校應(yīng)加大資金投入力度，簡化招投標(biāo)流程，并將生物信息學(xué)分析平臺建設(shè)列為優(yōu)先保障的剛性需求項目。如果用于平臺建設(shè)的資金不能一次性到位，可分批分階段進行建設(shè)和改造升級，逐步滿足廣大師生的實踐分析需求。配備高性能服務(wù)器的生物信息學(xué)平臺通常具有遠(yuǎn)程訪問使用的特性，因此在高校自身生物信息學(xué)分析平臺成功搭建前，也可以通過向其他“雙一流”高校、科研院所租借等方式，暫時解決無教學(xué)平臺可用的問題。另外，近年來國內(nèi)一些頗具實力的生物科技公司已經(jīng)成功搭建了一些開放式生物信息學(xué)分析云平臺（BGI Online、Omicshare和BMK Cloud等），并提供了較為廣泛的生物信息學(xué)分析工具，可作為開展實踐教學(xué)的一種補充手段[14]。

2.4 合理設(shè)置課程，夯實專業(yè)基礎(chǔ)

生物信息學(xué)作為一門快速發(fā)展的交叉學(xué)科，其知識理論體系建立在生物學(xué)、計算機科學(xué)和統(tǒng)計學(xué)等相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)之上。為了更好地學(xué)習(xí)與掌握生物信息學(xué)課程，在開始學(xué)習(xí)前應(yīng)熟練掌握與之相關(guān)的基礎(chǔ)課程。鑒于農(nóng)業(yè)類高校學(xué)生的生物學(xué)基礎(chǔ)相對扎實、計算機和統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱的現(xiàn)狀，基礎(chǔ)課程的設(shè)置應(yīng)在原有教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上選擇增設(shè)功能基因組學(xué)、計算系統(tǒng)生物學(xué)、生物計算編程語言、生物信息學(xué)算法原理、數(shù)據(jù)庫原理和生物統(tǒng)計方法等計算機及統(tǒng)計學(xué)類課程。與此同時，由于當(dāng)前國內(nèi)外常用的生物信息學(xué)分析軟件及數(shù)據(jù)庫大多為英文界面，其中含有大量的專業(yè)英文詞匯，英語水平低或?qū)I(yè)

詞匯量少的學(xué)生操作起來會倍感吃力[15]。針對這種情況，可在專業(yè)英語課程的教學(xué)大綱中增加生物信息學(xué)專業(yè)詞匯內(nèi)容。同時，在生物信息學(xué)課程教學(xué)過程中應(yīng)重點介紹相關(guān)英文概念，讓學(xué)生熟練掌握后再進行上機實操，從而提高實踐教學(xué)效果。

3 結(jié)語

隨著高通量測序等多組學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生命科學(xué)研究已進入后基因組時代，人類和各種生物的核酸序列、蛋白質(zhì)序列和代謝物分子信息儲量呈爆發(fā)式增長。生物信息學(xué)作為一門重要的工具學(xué)科，在組學(xué)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、傳播、分析和解釋等生命科學(xué)研究中發(fā)揮著不可或缺的作用。因此，熟練掌握生物信息學(xué)課程已成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)類高校對學(xué)生的必然要求。筆者對農(nóng)業(yè)類高校生物信息學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀進行了分析，并從師資隊伍、課程內(nèi)容、軟硬件設(shè)施和基礎(chǔ)課程建設(shè)等方面提出了相應(yīng)的改革建議，以期進一步提高生物信息學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量與效果。

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