重構生物信息學專業基礎課教學內容培養學生創新能力
——以“數據結構”課程為例

石洪波，張明明，趙文媛

（哈爾濱醫科大學，黑龍江 哈爾濱 150081）

一、引言

隨著基因組、轉錄組、蛋白質組及代謝組等多組學檢測技術的不斷發展，已經產生了海量的生物醫學數據[1]，生物信息學應運而生。生物信息學是一門前沿的交叉學科，它綜合了生物醫學、計算機科學、數學、信息科學等學科的技術和方法[2]，不僅為解決復雜的生物醫學問題提供新的思路和方法，而且為生物醫藥學科及其產業的發展產生巨大的推動作用[3]。2022年5月，國家發展和改革委員會印發的《“十四五”生物經濟發展規劃》中指出，“要培養壯大生物信息產業”[4]。培養富有卓越創新能力的專業人才，是中國高等教育重要任務之一[5]。生物信息學創新人才的培養對于我國占據國際生命科學的制高點至關重要。

課程是人才培養的核心，是影響學生發展的直接因素之一，課程的質量直接決定人才培養的質量。生物信息學專業基礎課，大多具有理論性較強、內容抽象、記憶和理解較困難的特點，影響了教學效果，也影響了學生的學習興趣。學生專業基礎課薄弱對于后續專業課的學習、實踐及就業都極為不利[6]。如何提高學生的學習興趣和創新意識，培養學生的創新能力，進而培養生物信息學創新人才是生物信息學專業基礎課進行教學改革的重要目標。

“數據結構”是生物信息學專業的基礎課，是學生掌握專業知識及技能的重要課程。其主要研究計算機加工的數據結構的特性，以便為生物信息學專業應用所涉及的生物醫學大數據選擇適當的邏輯結構、存儲結構及其相應的操作算法。文章以“數據結構”課程為例，通過重構教學內容、改進教學模式、培養學生的創新人格來培養學生的創新能力。

二、影響學生創新能力培養的主要因素

香港城市大學的岳曉東教授指出，影響學生創新能力培養的主要因素有兩個：一是思維標準化，二是知識無活力化[7]。思維標準化主要指思維、方法、技能的規范化，思維缺少靈活性、獨創性。應試教育是思維標準化的原因之一。據統計，在我國，一個學生從小學入學到高中結束，平均要經歷上千次的測驗與考試，過度追求標準答案，重視“一題一解”，容易導致學生思維的單一化和視角的狹隘。知識無活力化主要體現為“死學知識”，重視知識的理論學習，而忽視了知識在實際中的應用。“死學知識”的危害主要有兩個方面：一方面，學生很少去思考知識之間的內在聯系，使得學生在解決實際問題時很難進行發散思維，將所學知識綜合運用、融會貫通；另一方面，很少有學生對所學知識能夠做到學以致用，因而造成“高分低能”型學生的出現。學習過的知識沒有應用于實踐，知識就沒有活力，學生容易忘記，最終影響學生的創新能力。宋代著名詩人陸游在《冬夜讀書示子聿》中寫到“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。習近平總書記也指出“廣大青年要如饑似渴、孜孜不倦學習，既多讀有字之書，也多讀無字之書，注重學習人生經驗和社會知識”。這些都強調了知識的活力化及知識用于實踐的重要性。

思維標準化和知識無活力化這兩個問題在專業基礎課學習中尤為突出，因此，文章提出了重構生物信息學專業基礎課以培養學生創新能力的策略。對于知識點，引導學生提出問題、分析問題、解決問題，培養學生思維的靈活性。同時增加與知識點對應的應用，讓學生體會到知識源于實踐，又服務于實踐，將有利于學生創新能力的培養。

三、重構專業基礎課教學內容，培養學生創新能力的策略

（一）重構教學內容

重構教學內容是將各知識點穿線，體現不斷創新的過程；同時使知識活力化，對于每個知識點，加入對應的實際應用，尤其注重增加與生物信息學專業及學科前沿緊密相關的應用案例。

以“數據結構”課程為例，對于每個章節，進行深入分析，明晰創新點，重構教學內容，旨在課堂教學過程中針對創新點發散學生的思維。例如，在學習線性表的存儲結構時，先引入常見的順序存儲，再引導學生分析線性表的順序存儲的優缺點，進而引入線性表的鏈式存儲（單鏈表）；進一步探討其優缺點，引入雙向鏈表和循環單鏈表；最后分析二者的優缺點，引入雙向循環鏈表（圖1）。再如，樹的存儲（圖2）。由樹的雙親表示法、孩子表示法、孩子兄弟表示法到雙親孩子表示法。此外，為了使知識活力化，為每個知識加入了對應的實際應用，如線性表的存儲加入了通訊錄的管理、學生信息管理系統、一元多項式的表示與相加，以及約瑟夫死亡游戲及拉丁方陣；樹的存儲內容加入了生物信息學相關的基因本體（Gene Ontology，GO）及疾病本體（Disease Ontology，DO）的存儲。

圖1 重構“線性表的存儲”教學內容

圖2 重構“樹的存儲”教學內容

（二）設計問題鏈，改進教學模式

文章將傳統的講授式教學模式改進為探討式教學模式。設計問題鏈，引導學生分組或獨立思考，師生之間不斷探討，以調動學生思維的靈活性。例如，在學習“線性表的存儲結構”時，設置了問題鏈（圖1）。在學習線性表的順序存儲后，首先通過問題“此種數據結構有何優點及缺點？”引發學生思考、師生探討，進而引入單鏈表；其次再由問題引入雙向鏈表和單向循環鏈表；最后由問題引入雙向循環鏈表。再如，學習樹的存儲時（圖2），首先通過問題“樹的結構如何存儲？能否按照二叉樹的方式存儲？”引發學生思考、師生探討，進而引入樹的雙親表示法、孩子表示法、孩子兄弟表示法；再由問題“此種數據結構有何優點及缺點？”引入樹的雙親孩子表示法。此外，針對一些實際應用，教師以問題為導向引入知識點。如學習“有向無環圖的應用”時（圖3），以修建地鐵的工序圖為例，提出3 個問題：地鐵工程按照工序圖能否順利完成？影響工程進度的關鍵活動有哪些？工程完成最短時間是多少？同時引入與問題對應的3 個知識點：拓撲排序、關鍵活動及關鍵路徑。

圖3 針對“有向無環圖的應用”設計的問題

這種探討式教學模式，不僅讓學生在不斷的發問、思考的過程中清楚地認識到這樣做的理由，讓學生從整體上掌握所學知識，融會貫通，而且讓學生學會了探究性學習，培養了批判性思維，有“當時我若在，也會提出問題，也會創新”的身臨其境的感受，增加了學生進行創新活動的信心。

（三）培養學生的創新人格

學生創新能力的培養不僅包含創新思維的培養，也包含創新人格的培養[7]。在智力相近的情況下，人格對創新能力的影響尤為重要。創新人格對于擺脫“唯師、唯書、唯上”的心理定式、突破思維標準化和知識無活力化也起著重要的作用。引入課程內容涉及的人物及事件，從意志力、觀察力、獨立精神、合作精神、樂觀精神、社會責任感等方面培養學生的創新人格。例如，在學習圖的“頂點間最短路徑”時，引入了兩位著名的計算機科學家E.W.迪克斯特拉（E.W.Dijkstra）和R.W.弗洛伊德（R.W.Floyd）及其相關事跡。此外，在知識活力化部分，應用所學知識解決生物信息學實際問題時，可結合教師親身的科研經歷進行闡述，讓學生深刻體會到意志力、觀察力、合作精神等在創新中的重要性，進而培養學生的創新人格。

四、重構專業基礎課教學內容，培養學生創新能力的先決條件

此外，“數據結構”授課教師還應采用多樣性的討論形式（分組+ 獨立，課上+ 課下，線上+ 線下）。學生可以根據自己的愛好分組或獨立思考，對于課程中提出的問題，學生在雨課堂平臺進行回答，教師選擇有代表性的回答與學生進行再探討，其余回答將在雨課堂平臺進行回復。對于課程最后布置的問題，學生在雨課堂平臺中提交，教師進行歸類篩選，下次課進行探討。

五、結束語

（一）教師自身的學科知識體系的完善

針對知識點重構教學內容、提出符合知識發展的問題鏈，同時引入知識點對應的人物、事件，培養學生的創新人格，必然要求授課教師熟悉其所教課程及課程所屬學科的發展歷史，教師可以通過網絡查找資料及閱讀書籍等方式來完善自身的學科知識體系。例如，對于“數據結構”課程，教師可以參考《中國高等計算機教育發展史》《計算機發展史趣談》，以及《ACM 圖靈獎》等書籍。

（二）學生討論的積極性調動及形式的多樣性

在課堂教學過程中，需要不斷地提問，引導學生思考、探索。為了充分調動學生參與課堂討論的積極性，“數據結構”授課教師主要采用“利益驅動+興趣驅動+參與感提升”的方法。（1）利益驅動法主要是給積極參與討論的學生加分，作為平時成績的一部分。（2）興趣驅動主要是精選實際應用案例，對于每個知識點，深入挖掘其所涉及的實際應用案例，精選學生感興趣的或者與專業及學科前沿密切相關的應用案例，激發學生的學習興趣。（3）參與感提升主要通過呈現學生多樣化的想法來實現。教師設計問題鏈與學生進行探討，避免不了學生會有很多想法，甚至有些學生思維方向偏離正軌。對于這些想法，教師要以高度的容忍精神和豁達的態度來對待，尊重學生與眾不同的想法，并分類整理呈現給學生，進一步分析討論想法的可行性及可能存在的問題，及時“助燃智慧的火花”，讓學生體會到他們的思想是有價值的，提升學生的參與感，讓學生充分體會到參與討論的快樂。

文章通過重構教學內容、改革教學模式及培養學生的創新人格的方式，鼓勵學生發現問題并追求答案，既培養了學生的探究式、批判性思維，又讓學生學習了知識并具備相應的實踐能力，使學生由“老師讓我創新”逐步轉變為“我要創新”，有利于培養學生的創新能力。正如諾貝爾化學獎獲得者、美國生物化學家P.伯格（P.Berg）所說：“鼓勵青年人自己去發現他們追求的答案，不是一種最容易的學習方法，但卻是回報最豐厚的學習方法。”這與教師進行課程教學改革的初衷相一致。