混合式教學模式下新疆高校生物信息學課程教學改革

羅曉霞，夏占峰，劉琴，張晶，李浩，楊秋紅，王彥芹

（1.塔里木盆地生物資源保護利用兵團重點實驗室；2.塔里木大學生命科學與技術學院，新疆阿拉爾 843300）

塔里木大學建于1958年，秉承“用胡楊精神育人，為興疆固邊服務”辦學特色，為新疆區域經濟發展培養了一代代扎根邊疆、獻身邊疆的有用人才。生命科學與技術學院建院以來，一直著力打造學科專業服務新疆戰略性新興產業，培養創新型、應用型、復合型高素質人才為目標。

人類基因組計劃完成后，伴隨測序技術的快速發展，生物信息學完成了大量模式物種的基因組測序，由基因組測序隨之發展起來越來越多的組學，包括：轉錄組、蛋白質組、代謝組、糖組學及脂質組學等，因此產生了相應的大量的核酸序列、蛋白質序列、生物大分子的結構等生物分子信息數據呈指數增長，大量生物數據庫及生物軟件的增長也越來越快，生物信息學成為21世紀生命科學的核心課程。生物信息學是把基因組測序數據分析作為源頭，破譯隱藏在核苷酸序列中的遺傳語言，特別是非編碼區的結構和功能以及發現新基因信息之后進行蛋白質空間結構模擬和預測。通俗來講，就是利用計算機工具對各種生物信息數據進行收集、處理、分類、存儲，通過對各種生物數據采用各種統計分析方法、算法和模型進行分析，并結合生物表型，解釋生物學想象的一門學科領域。對于21世紀生命科學領域的研究或技術人員來說，運用生物信息學工具從海量的生物數據中挖掘信息及發現新知識已成為亟須掌握的技能。因此，對于生命科學相關專業人才培養來說，“生物信息學”教學發揮著重要的作用[1]。目前，有很多高校開設“生物信息學”課程，對于教學內容和教學方式進行了積極探索，尤其是北京大學和山東大學的慕課公開課，產生了較好的反響[2]。本校生命科學相關專業都開設有“生物信息學”課程，為專業必修課，課程教學重點是為了提高學生分析問題的能力，要求學生能夠熟練掌握基本的理論知識，如算法、模型及統計知識，以理論知識為基礎選擇合適的數據庫及軟件工具進行分析并得出準確結論。為了在有限的學時內全面提高各個專業學生生物信息學綜合分析的能力，本文分析目前該課程教學中存在的問題，結合教學目標，通過完善理論教學，創新實踐教學，理論實踐一體化，綜合考評體系的建立等方面確定具體的實施方案，從而提升教學效果和教學質量。

一、生物信息學課程概述

生物技術專業培養目標為立足南疆、面向兵團、服務新疆，掌握系統的生命科學基礎理論、基本知識和現代生物技術基本技能，具有一定的科研素養，能在學校、科研院所、生物技術相關企事業單位從事教學、科學研究、產品研發、技術創新與推廣等工作。生物信息學課程的學習就是為了培養學生能夠綜合性運用信息學軟件及數據庫分析生物學數據并根據分析的結果解釋生物學現象，使學生在走上工作崗位前就具備生物信息學分析的研究手段。

在傳統的生物信息學教學中，理論教學和實踐教學脫節，全部理論課時上完再進行實踐教學，教學效果不佳。因此，教師有必要在現有的教學方法的基礎上進行改革創新，不斷提高學生學習生物信息學的興趣，能夠把課本上的理論知識進行理解整合，融會貫通，在進行課程實踐的過程中能自如地選擇工具和軟件進行分析，并能夠正確地解釋結果。

二、新疆高校生物信息學課程教學改革

（一）生物信息學理論教學內容的完善

根據2018版塔里木大學生物信息學課程教學大綱的安排主要包括理論教學和實踐教學兩部分內容。其中，理論教學內容包括數據及數據結構導論、算法和程序設計等信息技術和統計學技術方面的理論知識，這些理論知識涵蓋了實踐教學的數據庫的認識、檢索和搜索，程序設計的理論知識與實踐教學中的組學及大數據分析相對應。而生物信息學的教學目標培養通過學習，學生不僅能夠理解數據及數據結構、算法和程序設計等理論知識，還在理解理論知識的基礎上針對特征性的生物學數據選擇合適的軟件、算法、參數進行分析，并基于軟件分析的結果解釋生物數據。在網絡及不同的數據庫內，存在大量的離散數據，針對同一類的生物學數據進行分析的軟件和模型復雜繁多，在參數設置及模型可選擇性較多，針對同一組數據，因選擇的軟件和模型的不同會呈現不同的結果，利用計算機從大量的離散數據中高效獲取有用的信息是生物信息研究的主要問題。組合數學的理念利用計算機處理離散數據，主要內容有組合計數、組合設計、組合矩陣、組合優化（最佳組合）等，生物信息學處理的數據大多為離散數據，在生物信息學理論教學內容中有必要增加組合數學的思想。在教學中，教師要讓學生學會把組合思想和算法與生物信息學實際問題有效結合起來解決生物信息中的問題。比如，教師在實踐教學中進行數據庫搜索，進行序列比對，將需要比對的序列，包括核苷酸序列或氨基酸殘基組成的序列分別排成一行來按照最相似的程度對兩個或多個序列進行對位排列，最終出現對應位置的匹配、錯配及空位等情況，然后通過規定的計分規則計算兩條或多條序列間的相似性。

生物信息學基本實踐教學內容包括序列比對、疾病的診斷和分類及生物網絡的建立等，其中疾病的診斷和分類需要基礎的凸規劃問題；序列比對都是在基于動態規劃模型的局部比對和全局比對算法中進行的，而生物網絡分析的基本理念是基于圖的最短路徑算法，而運籌學是應用數學和形式科學的跨領域研究，利用統計學、數學模型和算法等方法，去尋找復雜問題中的最佳或近似最佳的解答，廣泛應用于自然科學、社會科學、工程技術生產實踐、經濟建設及現代化管理的學科，具有很強的實踐性和應用性[12]。因此，運籌學被列為生物信息學專業的專業基礎課，而針對非生物信息學專業的教學內容在之前的教學大綱中沒有涉及。通過教學改革，我們在理論課程的學習當中添加運籌學內容，利用運籌學的理念，針對特征性數據進行全局歸類并建立合適模型，匹配選擇合適的算法，并進行分析評估，最終得到最優方案，有利于培養具有全面知識體系的創新和具有綜合分析和解決問題能力的生物信息學人才。

（二）生物信息學綜合實驗教學內容的完善

生物信息學是一門應用性課程，其教學目標就是通過學習，在理解理論知識的基礎上針對特征性的生物學數據選擇合適的軟件、算法、參數進行分析，并基于軟件分析的結果解釋生物數據，而針對特征性數據進行軟件、算法及參數的正確選擇是生物信息學實踐教學內容的重點，為了提升學生綜合分析特征數據的能力，有必要對生物信息學綜合實驗教學內容進行改革及完善。根據創新型人才培養需要，有針對性地對生物信息學實踐教學內容進行系列改革，建立特色生物信息學實踐體系。比如，學生在執行自己申報的科研課題及執行畢業設計的過程中產生的一系列特征性的生物學數據，為了執行課題就需要進行生物信息學分析，這個時候學生就會有針對性地去選擇軟件、參數及算法，以學生能力需求及研究需求為導向的學習更能激發學生的學習興趣，也就會認真學習，除了課堂上要求的知識體系之外還會追加更多、更深的內容以滿足分析的需求，基于此設置的實踐教學內容學生學習的效果就會得到顯著提升。在生物信息學數據庫的認識實驗中，教師最基本的要求是學生必須要學會使用核酸序列數據庫，蛋白質序列數據庫，蛋白質結構數據庫。了解數據的界面，特定數據的查詢、下載及認識，將篩選到的與檢測序列有一定相似性的序列，通過對結構數據庫的檢索，查詢到相似序列的結構，基于一級序列、二級結構、三維結構的同源建模法及從頭分析等分析氨基酸序列與結構之間的關系，介紹序列與結構對應的規律加深學生對“蛋白質序列決定結構，結構決定功能”的了解，并預測最佳的蛋白質二級結構預測方法。為了擴展學生的知識體系，通過教學改革在實踐教學內容中增加基因組數據庫、酶和代謝數據庫，文獻數據庫等內容。以案例的形式綜合使用各種功能數據庫，比如，教師請學生分析氨基轉移酶基因在大腸桿菌中的代謝通路，學生就需要綜合了解核苷酸序列及蛋白質序列數據庫、酶和代謝數據庫及文獻數據庫的綜合知識體系，才能明確分析方法。

為了在有限的學時數里，增加學生綜合分析問題的能力，主要以案例式教學法，以教師的科研課題或者本科生自主申報的大學生創新項目的案例為素材進行實踐。比如，生物技術專業的某學生申報的大學生創新項目：芽胞桿菌YC60菌株幾丁質酶基因的克隆及異源表達，請設計幾丁質酶基因篩選引物：首先學生必須要知道幾丁質酶基因的序列，在微生物基因數據庫中檢索幾丁質酶基因的序列，用多序列比對的工具進行分析幾丁質酶基因的保守序列，利用Primer軟件設計引物，在這個實驗中學生需要綜合運用所學過的軟件，在教學過程中以小組的方式讓學生分析自己課題項目的生物數據，能顯著提高學生的學習興趣，在設計引物的時候還會根據自身課題的需求對引物設計體系優化，選擇合適的算法和模型，學生會自主了解算法、模型及參數等。學生真正變成了教學的主體，教學效果明顯提高。

數據庫的搜索實驗中除了進行基本的Blast分析[5]，調整比對的模式、算法及參數，并查看分析比對結果之外，通過教學改革在此基礎上，添加本地Blast，是基于本地比對搜索工具，學生可以在自己建立的數據庫進行blast搜索，與NCBI的在線blast相比，本地Blast的比對速度更快，搜索范圍更小，且在沒有互聯網的情況下也可以進行比對。比如，學生已知道鏈霉菌的一個基因，并已經明確其功能，現在要在鏈霉菌中找序列相似度高的基因，就可以在本地建立鏈霉菌數據庫，然后blast找相似序列。

隨著大量物種全基因組測序數據的獲得，大量基因組DNA序列產生，但對基因的注釋遠落后于基因測序。因此，應用計算機程序從DNA序列中尋找基因（尤其是那些編碼蛋白質的基因），成為研究人員考慮的重要問題[6]。在教學改革中，教師有針對性地根據學生的畢業課題及科研項目為基礎，分小組進行教學，研究相同物種的學生分為一組，針對某一類軟件進行有針對的學習，基本操作環節基礎上，讓學生以小組討論結合自學的方式對軟件的擴展功能進行學習和練習。當學生學習了相關分析軟件，便于學生在完成自己的畢業課題時選擇合適的軟件分析并指導自己的生物實驗，學以致用，能有效提高學生的學習興趣。據統計，2017—2021年，針對生物技術專業學生在有效合理地利用生物信息學軟件完成畢業課題的同學占75%以上。

生物信息學進入后基因組時代，隨著測序技術的飛速發展，大量的生物數據呈指數增長，這就要求科研人員在生物信息學方面具有數理統計分析、語言編程技術等方面的能力。在生物信息學研究中得到越來越多的應用和重視[9]。因此，教師通過對生物信息學實踐教學內容的完善在課程設置中對組學數據分析方面安排6-8學時，幫助學生掌握Linux系統下基本的命令，讓僅具有生物學背景的學生在了解生物信息學算法和應用軟件的基本原理同時，基本熟悉一定的生物信息學編程，學生根據不同生物類型的組學分析軟件活學活用，比如bioconda等安裝一些生物信息學軟件進行特征分析。教師要教會學生利用新技術、新方法以提高自主獲取新知識的能力[13]，為今后學習和科研打下堅實的學科基礎。

在教學的過程中，教師發現很多學生過分專注于使用計算機工具或軟件，但是對輸出結果的解釋能力較為欠缺。在實踐教學的過程中，教師對于特定的軟件任務均編寫了詳細的說明，并配有圖片及標記說明，尤其是結果文件，針對輸出結果的文件有詳細的解釋，并且對一些軟件在執行過程中可能出現的報錯信息也提出解決方案。完成課程學習后，學生應該能夠進行熟悉常見的數據庫；進行簡單的BLAST搜索；進行多序列比對及系統進化分析；處理一些基本的結構數據，包括訪問獲取，在計算機上查看大分子結構等；對一些基因組數據進行基因預測及注釋分析，并預測基因的啟動子，終止子及非編碼RNA等；同時學生還能采用“描紅式”編程進行組學數據分析。

（三）理論結合實踐一體化教學的實施

本課程教師在教授了相應的理論知識后，立即采用以實驗課程表現形式的教學方式，可以避免理論與實驗相脫節，幫助學生去理解晦澀難懂的理論知識，合理簡化教材的理論內容，積極落實于實際教學當中，有效提高學生分析問題、發現問題與解決問題的能力。此外，針對目前教學過程中出現的問題，教師要將理論教學內容和實踐教學內容加以完善。本團隊聯合新疆其他高校教授生物信息學課程教師編寫適合新疆高校生物學專業生物信息學課程實驗指導教材，將教學內容劃分為不同的板塊，板塊內的知識體系可以相互融合，比如在傳統的教學過程中，序列分析的內容主要是核苷酸序列分析及蛋白質序列的分析兩個部分，通過教學改革，將數據庫中的序列認識、檢索、搜索及比對作為基礎分析模塊，理論教學中會講到數據結構及數據庫原理，實踐教學就以核苷酸序列或者蛋白質序列為例，結合理論知識的學習，直接進行上機時間，可以把理論學習當中的一些晦澀難懂的概念及知識融入數據分析中去，既加深了理論知識的理解同時，也能夠自如地運行軟件，教學質量得到提高。教師可以按照此方法將知識體系以模塊化進行合理整合，在實際的理論教學過程中插入實踐環節，通過任務導入和任務驅動，在學生學習、操作過程中，逐步從簡單到復雜，掌握知識，提高能力。

在傳統的教學模式下，教學的主體是教師。在進行各個實驗時，主要是以教師演示為主，導致在學習與應用上效果不佳，不利于學生的能力的提高和研究水平的發展，并且理論知識與實踐技能脫節，學生對枯燥無聊的理論知識不感興趣，實驗教學趨于形式化，教學效果差。長此以往，學生表現出厭學的情緒，成績不理想。

為了打破生物信息學理論教學和實踐教學的脫節現象，本課程在教學方式上加以改進，將課堂理論知識的學習和實際的操作進行有機結合。比如，教師在講授數據庫相似性搜索的內容，需要針對序列比對的算法、得分矩陣及空位罰分體系等進行闡述，還需要學生了解比對的方式、比對的結果類型等。在介紹完算法時，教師讓學生立即針對某一軟件在選擇不同算法時可能出現的不同結果加以解釋，這樣教師就能夠及時了解學生掌握知識的程度，并及時指導學生在實踐過程中所遇到的問題，加深學生對相關知識的理解和鞏固。

（四）綜合考核評價體系的構建

根據本課程理論教學和實踐教學的改革，本團隊對該課程的考核方式也針對性地加以改革，制定理論和實踐雙重考核制度，其中實踐內容考核比重大于理論內容的考核，增強考查學生對生物信息分析的基本技能的掌握程度以及對結果的分析能力。理論內容主要是通過讓學生選擇一個特征數據庫或軟件進行自學并撰寫使用說明文件，這些說明文件可以作為生物信息學課程資源，理論考核成績占30%，實踐內容主要進行上機開卷考察，實踐考核成績占70%。培養目標要求學生能夠熟練利用生物信息學數據庫及軟件對生物學數據進行分析并解釋結果，在考核過程中要針對軟件的綜合性使用，學生自行在數據庫中按要求進行生物數據的檢索，并進行針對性的分析，同時解釋分析的結果。這樣的考核方式能夠反映學生在該項課程學習中對數據挖掘技能的掌握程度。這種考核可以全面評定學生的學習效果，促進學生主動學習，準確地發現教師在教學過程中存在的問題，為課程教學的進一步優化提供指導。

三、結束語

隨著生物數據量的不斷積累，生物學正在轉變為一門信息科學，生物信息學技術在分子生物學中的重要作用毋庸置疑。生物科學家逐漸意識到需要計算方法才能促進生物數據的分析，許多研究機構或團隊迫切要求對生物學有深刻理解，并且具備計算和分析技能的專業人員[8]。為了優化生物信息學課程授課質量，本研究基于理論教學內容完善、實驗教學內容創新、理實一體化教學實施、考核評價體系構建四個方面對本校生物學專業生物信息學課程進行系統改革，通過不同學科的交叉融合，加深學生對生物信息學理論課程內容的認識以及綜合實踐教學內容的熟練掌握。