大數據時代下“生物信息學實踐”課程教學改革與探索

［摘 要］ 生物信息學是一門新興的交叉學科，發展日新月異，其組學技術的更新和發展伴隨著大量數據的積累。生物信息學專業主要培養生物大數據分析和處理人才，實踐是教學的重中之重，但目前該專業的教學模式尚未成熟。總結了“生物信息學實踐”課程存在的師資不足、硬件設備不完善、學生缺乏創新思維、生產實踐難度大、教學效果評價形式單一等問題。系統分析闡述實踐教學面臨的問題，以培養目標為導向，對教學模式的改革進行探索，并針對上述課程存在的問題提出相關的建議，旨在為今后“生物信息學實踐”教學水平的提高與專業型人才的培養提供參考。

［關鍵詞］ 生物信息學；實踐教學；教學改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）31-0093-04 ［收稿日期］ 2023-06-07

引言

生物信息學（Bioinformatics）是大數據時代下產生的一門新興、前沿的多學科交叉融合工具性學科，融合了生物學、數學、統計學、計算機科學等多個學科，其通過對生物數據的獲取、存儲、加工、分配、分析和解釋來闡明和挖掘數據中包含的生物學意義［1］。從人類基因組計劃開始，隨著生命科學測序技術的不斷發展與更新，生物學相關的數據規模正在大量、迅猛地增長，標志著我們已經進入了大數據時代。大數據時代的到來大大促進了生物信息學科的發展，并急需大量掌握實踐技能的專業人才，從大規模的數據中挖掘信息及獲得生物學意義的知識的能力。生物信息學專業具有很強的綜合性、專業性和實踐性。目前全世界逐漸有越來越多的高校將生物信息學納入本科或研究生課程，甚至設立單獨的生物信息學專業［2-4］。該門課程高層次的教學目標是培養具有扎實理論專業基礎、發散思維、邏輯思維以及分析、解決生物學問題能力的高素質人才。該學科的人才培養除了著重于學生系統全面掌握多學科的基礎理論知識外，更加注重學生的應用和實踐能力。因此，實踐是這門學科非常鮮明的特色。隨著基于深度學習、大數據和云計算的人工智能科技突飛猛進的發展，生物信息學在生命科學領域的需求和重要性也逐漸突顯。“生物信息學實踐”課程的教學在提升專業人才培養質量中發揮了重要作用［5］。但是生物信息學專業在我國剛剛興起，起步較晚［6］，這門新興的跨學科專業課程實踐教學措施還不夠成熟，成效不甚理想，表現出了不同程度的局限性，尚不成熟［7］。基于生物信息學多學科交叉的性質，其概念和知識點多維、多門學科相互融合，掌握起來有難度。實踐課程效果的保證對于教學資源、教學方式、教學條件的要求都非常高。這些因素都限制了生物信息學專業實踐課程的學習實效。“生物信息學實踐”課程涉及的范圍廣泛，如果不同案例之間缺乏聯系、不夠連貫，實踐課程設計不夠系統，那么學生學習的積極性提高難度較大，學習效果不佳。因此，實踐課程不同的內容應該具有一定的系統性，要完整連貫，彼此之間具有一定的關聯，以問題為導向，由簡到難。“生物信息學實踐”課程的培養目標應該從分析技術和方法的掌握到啟發學生挖掘大數據背后的生物學意義，通過綜合性的訓練和教學，培養學生分析和處理數據的能力。掌握生物信息學分析技術和方法在生命科學領域的研究具有很重要的實用價值。對此，為培養生物信息學高端人才，實踐教學需要不斷探究和改革。

一、生物信息學實踐課程在應用與教學中遇到的問題

（一）師資力量薄弱

生物信息學是一門發展迅猛的前沿交叉學科，對于授課教師的要求頗高，需要具備較強的數學、計算機科學、生命科學等多門學科的專業知識。然而，目前多數地方尤其是偏遠地區的高校教師并非本專業科班出身，沒有受到過系統的培訓，知識儲備不完整。而且該專業發展迅速，需要緊跟國際前沿趨勢和發展動態，因此對專業教師的要求極高，專業性的欠缺會特別影響教學效果［8-9］。目前生命科學領域的科研人員大多數統計學和計算機科學基礎相對薄弱，沒有相關的專業背景［9］，這造成了教師資源的匱乏。同時部分生物信息學教師的教學理念和教學方法比較落后，不能激發學生實踐操作的興趣。

（二）硬件設備不完善、教材滯后

由于生物信息專業是新興前沿學科，正在不斷地發展，而教材的更新速度跟不上專業發展的速度，因此多數高校使用的教材滯后。目前大部分的“生物信息學實踐”教材內容偏重于理論，概念多、抽象且不易懂，缺乏實踐操作練習的舉例或講解。“生物信息學實踐”教學研究需要大量運用分析工具和數據，這些都非常依賴于教學環境中的網絡資源［10］。由于部分高校網絡資源不充足，缺少多媒體計算機操作教室，并且，目前生物信息分析側重于組學大數據的分析，對于計算機配置的要求比較高，需要安裝Linux系統，有足夠的運行內存，盡量配備能存儲和運行大數據的服務器，等等。因此，教學資源的短缺使很多高校的“生物信息學實踐”課程設置為選修課，沒有得到相關部門及領導充分重視。再加上不同地區以及高校的教學經費等條件限制，用于生物信息學課程實踐教學的硬件設備難以完善，硬件設備的缺失和不完善直接影響實踐教學的效果和學生學習的積極性與興趣。

（三）學生創新思維的欠缺

“生物信息學實踐”課程需要鍛煉學生對于數據分析的主觀能動性和自主創新思維的能力，能夠獨立設計分析內容和技術路線。如果目前教學內容過于單調和簡單，無法啟發學生的學習積極性和興趣，但如果設計太復雜，學生又會產生畏難情緒。在“生物信息學實踐”課程學習過程中，學生習慣于教學中理論知識的簡單記憶，過于依賴教師的講授而懶于動手操作，不能自主探究。在實踐課程之外，學生也缺乏創新思維能力和實踐動手能力的訓練，不善于理論聯系實際，因此課堂教學內容難以鞏固。

（四）生產實踐的可操作性小

“生物信息學實踐”課堂教學與具體的企業生產實踐還是具有一定的差距，高校需要為學生在企業實習鍛煉創造條件和機會。學校應在學生走入社會之前提供公司實習的機會，以幫助學生進行職業規劃，提供就業指導。所謂“實踐出真知”，學生在企業實習的過程中不僅可以實踐到自己所學的知識，增強動手能力，同時也有助于他們鍛煉人際交往和溝通能力。但是，目前市場上生物信息數據分析公司剛剛起步，數目不多，很多企業達不到校企合作的規模，不能同時提供大量的學生實習崗位。因此，高校聯系到適合學生生產實踐的企業難度較大。另外，多數生物信息數據公司的項目都有保密條款，數據需要高度保密不方便提供給短暫實習的學生進行實踐操作。這些問題都使得校企合作為學生提供生產實踐的可操作性很小。

（五）教學質量評價體系單一

實踐課程和理論課程有著明顯的區別，實踐課程更看重學生實際動手解決問題的能力。因此，實踐課程教學質量的評價很難在規定時間內以試卷考試形式或者論文形式來完成。目前，多數高校受到教學條件、教學方式落后等因素影響，“生物信息學實踐”課程考核還是沿用傳統的試卷考試的應試模式。這種考核方式只能注重考查學生理論知識的掌握程度，缺乏對學生實踐應用能力的評價。這種考核形式過于單一，不夠科學和全面，不能體現“生物信息學實踐”課程的實踐性。而且，學生容易為了獲得高分不注重平時課堂的練習和表現，習慣在考試之前死記硬背，不能體現實踐操作能力。

二、應用與實踐教學的改革探索

（一）培養專業的師資隊伍

“生物信息學實踐”課程建設支撐的重要條件還是專業的教學團隊，轉變傳統的人才觀念，破除“四維”傾向來評價教師。高校生物信息專業教師的納入機制可以更加靈活和有前瞻性，學校不僅可以從高校和科研院所聘請具有相關專業研究經驗的科研人員，也可以考慮從企業和公司聘任具有豐富實踐經驗的生信分析人員。讓不同專業的教師之間可以互相交流專業上的前沿發展動態，在教學和科研上做到融會貫通，提高多學科專業知識儲備。高校也可以鼓勵教師到國內外具有專業優勢的“雙一流”學校、有科研實力的院所或者企業平臺進行培訓和訪問來提升專業素質［11］。院校應積極組建一支高效、穩定、具備良好專業素養的教學團隊來保障完備的師資力量。

（二）加強教材和硬件設備的配置

“生物信息學實踐”課程需要大量的上機操作，高校應該積極支撐生物信息專業實踐課程軟硬件的建設，適當優化招標流程，加快引入高性能服務器平臺，搭建具有良好網絡資源的計算機多媒體教室。由于實踐課程的硬件設施完備要求較高，可能耗時會較長。目前，多個計算機公司租賃云計算平臺，也有生物科技公司提供開放云平臺提供相關的生物數據和分析工具，這些都是學校教學硬件設備搭建完備的良好資源和補充手段［12］。當前生物信息專業技術發展迅猛，實踐課程教學大綱和教材要隨時更新和調整，選取涵蓋本專業最新理論知識，系統性講解并有詳細案例解析的書籍為教材，或者還可以根據自身的教學目標以及學生實際學習能力，自主編寫學習教材。

（三）積極構建生物信息學數字工具庫

學校可以嘗試利用網絡在線教學平臺和云服務器、課堂課件、實踐數據及學生提交的作業等將教學過程數字化。在利用網絡教學環境的條件下增加師生的互動，提高教學效果。由于“生物信息學實踐”課程需要運用大量的數據和分析工具，因此可以將上述資源建設動態教學數字工具庫整理構架出規范的數據分析流程。工具庫的構建是為了方便不同年級和層次學生在實踐課程學習過程中高效、規范、統一化操作，提高教學效率。數字工具庫中不同的工具和流程的使用應該提供詳細的注解以方便學生自主學習。

（四）實踐教學著重科研前沿案例

為了提升學生在“生物信息學實踐”課程中的積極性和主動性，可以著重加入科學前沿案例。通過具體的案例分析或自主收集的大眾健康數據和信息，引導學生以生物科學問題為導向，整理研究技術路線并上機實踐操作，運用相關的工具和數據庫進行具體分析，最后將獲得的數據分析結果進行展示、匯報，以此作為考核方式。學生通過經歷完整的生物信息科學問題的探究，提高了主觀能動性和思考能力。在這個過程中可以考慮結合翻轉課堂［13］。師生進行實時的交流互動以解決實踐中的具體問題。教師可以設定綜合性的實驗課程，圍繞一個完整的項目和課題，讓學生自主、系統、完整地分析數據項目，并從中探究不同的生物學問題。教師在教學過程中可以靈活融入自己的科學研究，緊密結合科學研究和課程教學。另外，可以考慮給每個學生配置專業指導教師，讓學生在課后可以跟隨導師參與相關的科學研究，鍛煉實踐應用和科學研究思維能力。

（五）創造校企合作的機會

高校可以積極聯系企業加強合作，給學生創造實習和實踐的機會，企業也可以通過高校獲得大量的人才。在生產實踐過程中企業負責給學生提供工作崗位、安排工作內容，高校在學生實習過程中也要進行監督和管理。高校和企業可以達成多方面不同形式的合作，簽訂長期的戰略合作協議，企業可以與高校簽訂數據安全和保密、實習人員條件要求以及安全準則之類的合作協議。除了畢業實習以外，校企還可以共同舉辦講座、實踐培訓、科研項目開發以及科技成果轉化等。另外，高校也可以積極鼓勵本專業學生參加大學生創新創業項目，以實際科研項目為背景，實現理論與實踐的結合，為學生提供實踐動手的機會。

（六）構建以實踐應用動手能力為目標的綜合考核評價系統

教學考核評價體系是檢驗課程教學效果非常重要的依據。不同于一般的理論課程，“生物信息學實踐”課程需要采取更加靈活、有效、科學的課程考核評價方式。為了檢驗和增強學生的理論知識和解決生物學科學問題的實際操作應用能力，考核內容應該同時包含理論知識和實踐應用知識，考試形式應該更加多元化。教學成果的評價可以由教師和學生共同參與完成。學生可以組成學習小組，進行組內和組間互評。實踐課程的考核應該注重實踐能力，可以運用網絡線上上機實際操作的方式，考查獨立分析完成科學研究項目的能力。考核成績的組成也應該多樣、多層次，除了期末測驗，還可以構建教學系統，實時記錄學生課堂的操作過程和結果，評估平時表現，包括考勤、課堂互動、課后練習完成情況。這樣多角度的評價可以讓學生和教師更加客觀、全面地了解學習效果。只有多角度、合理科學地考核形式才可以有效評價學生的學習效果，提升學生學習的主動性和積極性。

結語

在大數據時代背景下，生物信息學科發展迅速，實踐教學是重中之重，對其教學模式和建設必須進行改革。“生物信息學實踐”課程教學重點是通過綜合實踐的運用，培養學生的動手和思考能力以及解決實際問題的能力。生物信息學專業學生的培養要緊跟時代和社會的需求，理論與實踐相結合，在教師引導下，學生是學習主體，要讓學生發揮最大的主觀能動性。如今，生物信息學科剛剛起步，受不同地區教學環境和條件的約束，不同學生教育程度存在差異，教學探索面臨著挑戰。在未來的教學過程中，還需不斷進行實踐課程教學模式、教學資源、教學方法和內容的改革與探索，才能達到教學目的。“生物信息學實踐”課程的改革將為社會培養更多具有扎實理論基礎、縝密科研思維能力、超強實踐動手能力的適應社會發展的人才。

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Teaching Reform and Exploration of Bioinformatics Practical Course in the Big Data Era

Abstract： Bioinformatics is a burgeoning subject which develops with each passing day. Following the update and advance of omics technology， a large number of data generated. Practice is the top priority in its teaching， but the teaching mode of this major is not mature yet. Our research summarized the problems in bioinformatics practical course， such as lack of teachers， imperfect hardware equipment， lack of innovative thinking of students， and difficulty in production practice. This paper systematically analyzes and expounds the problems in practical teaching and explores the reform of its teaching mode based on training objectives， aiming at providing suggestions for improving the practical teaching level of bioinformatics and training professional talents in the future.

Key words： bioinformatics; practical teaching; educational reformation