茶學專業生物信息學課程教學探索與實踐

中圖分類號S-01文獻標識碼A文章編號 0517-6611（2025）12-0267-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.10.061

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

ExplorationandPracticeofBioinformaticsTeachinginTeaScienceCourse

TONG Wei，LIFang-dong，GAOQi-juan3etal（1.ShoolofTeaScienc/StateKeyLaboratoryofTeaPlantGermplasmIovation andResoucUalUeie;hooadtel culturalUnivesiee6;hltetiellg，eealUivesit） AbstractTeaienciticalapldisiplie.Underthpiddvelopentofigdatapringthfoaisaalysbiliyf studentstowdoaligtispotgalfrofeoliIislfultlyotd promotethecompreensivedeveopentofteaidustryConsideringtheackofoforaticscoursesinteaajor，tiseportexplosoto integatethealangipacttablsfotisoussableforajorposuacnga tices，improves the education quality and thus to serve the high-qualitydevelopment of tea science and industry.

KeywordsTea science;Bioinformatics;Course establishment; Course teaching reform

茶產業是我國傳統特色產業，是踐行“鄉村振興”戰略和“一帶一路”倡議的重要載體。茶學屬于園藝學一級學科，是我國的特色優勢專業。近年來，茶學高等教育規模不斷擴大，開設茶學專業的高校和招生數量不斷增加[1]。然而，我國高校茶學專業人才培養與茶產業高質量可持續發展不協調的問題也正逐漸顯現，主要體現在“重實踐、輕理論”現象普遍存在，專業體系設置與學習內容更新滯后，與產業發展對人才的需求不匹配[1]。這些問題也直接導致茶學專業學生學習參與度不高，獨立思考能力缺乏，特別是對基礎理論運用到專業課程以及實際實踐的能力有待進一步提高。

生物信息學是現代生命科學與信息科學、計算機科學、數學等學科相互融合而形成的新興交叉學科。伴隨著人類基因組計劃的啟動和完成以及21世紀高通量測序技術的革新和計算機技術的飛速發展，生物信息學已經成為現代生命科學研究領域一個非常重要的分支，并且成為催生很多新的研究方向和科學發現的原動力[2]。我國一些高校在生物、醫學、農學以及計算機和數學等本科專業中設置了生物信息學課程，教學內容主要是基本知識的教授以及數據算法分析等[3] 。

基于生物信息學交叉分析的基因組學、群體遺傳學和分子育種等在茶學研究中已經取得了較好的開端。例如，茶樹基因組圖譜的破譯、茶樹群體遺傳和分子育種應用等，使得茶樹生物學研究已步入后基因組時代，以基因組、轉錄組、代謝組等為代表的多組學在茶學研究中的基礎性作用愈發重要[4]。然而，受限于傳統的茶學專業課程大綱和課程設置，目前茶學專課程鮮有前沿的生物信息學、基因組學等基本理論和實驗實踐課程，導致教學上茶學專業學生對于茶樹的基本信息，如植物分類與系統發育關系、基因組特征、現代育種方法等方面的知識相對缺乏。因此，針對茶學這一門應用型學科，如何深人理解茶學基礎研究產生的海量數據，以及如何從數據中凝練并解讀問題背后的生物學機制是當前茶學教學研究中的重要問題。切實提高茶學專業學生對生物大數據的生物信息學分析能力是專業培養的重要目標、是全面開展理論和應用學習，促進茶學專業全方位發展的關鍵途徑。鑒于此，筆者從茶學專業中生物信息學課程缺乏這一問題出發，探索如何通過從課程理論學習與實踐操作相結合來開設適合茶學專業的生物信息學課程，進而提高茶學專業學生的數據分析能力，服務于茶產業生產實踐。

1茶學及生物信息學學科發展情況分析

1.1茶學學科發展現狀茶學是我國的特色優勢專業，隸屬于園藝學一級學科，既是一門具有悠久歷史的傳統學科，亦是一門涉及自然科學和人文科學的現代學科。我國茶學高等教育始于1949年上海復旦大學茶業專修科，至今已形成了以本專科，兼顧碩士、博士研究生培養的茶學教育體系，為中國茶產業發展輸送了大量的專業人才。近年來，茶學高等教育規模進一步擴大，招生規模穩步擴增。截止2020年，全國涉茶本科高校達到32所，全國茶學在校生合計15000余人，招收研究生的高校和科研院所達到26個（“十四五專題解讀一茶學高等教育與學科發展”，中國茶葉流通協會）。根據《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》，茶學專業按照《植物生產類（0901）教學質量國家標準》執行[5]。培養的學生除了要具備良好的科學素養和精神、有社會責任感、有團隊協作精神和國際視野之外，還應具有扎實的生物學基礎，掌握茶學的基本知識和實踐技能，了解學科前沿，具有創新意識和創新能力。然而，我國茶學高等教育與學科建設中也存在一些問題，主要包括涉茶高校快速增加導致專業教師匱乏、高校科研與茶產業的發展聯系不緊密、高校人才培養機制不能很好適應茶產業可持續發展需求等問題（“十四五專題解讀—一茶學高等教育與學科發展”，中國茶葉流通協會）。

茶學是典型的應用型學科。茶學高等教育與學科發展是茶葉產業發展的根本，是推動和引領茶產業創新與升級的關鍵力量。當前，茶學專業正處于蓬勃發展的黃金時期，加強茶學學科建設是順應茶產業及教育體系發展趨勢的正確舉措。姜仁華等[分析了我國茶學科的發展趨勢，強調了與新興學科融合以及多學科領域聯合攻關是加快茶學基礎理論發展和技術創新、提出綜合和集成的解決思路和方案的重要途徑。現代生物學理論和技術的快速發展，例如生物信息學、分子生物學等，顯著提升了茶學基礎研究水平以及栽培育種技術的突破；而大數據和人工智能的發展也將促進茶葉向精準農業、加工自動化、數字化、智能化、定向化的升級。2021年3月22日，習近平總書記在福建武夷山考察調研時指出，要把“茶文化、茶產業、茶科技”統籌起來，也充分體現了加強茶學各領域間以及不同學科之間協同創新的重要性。1.2生物信息學學科發展現狀生物信息學是隨著人類基因組計劃而興起的一門交叉學科，是現代生命科學、信息科學、計算機科學、數學等學科之間的融合創新[7]。生物信息學的實質是利用計算機技術處理和分析不同類型的生物學數據，揭示實驗數據所蘊含的生物學意義，并對生物的生命活動規律進行總結[3]。生物信息學可通過對大量實驗數據進行分析處理進而為生產實踐提供理論指導。20世紀末以來，隨著生物信息學的快速發展，基因組學、蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學等相繼蓬勃興起[8]，促使生物信息學在生物學、醫學、農業、環境科學、信息技術等學科的研究中得到廣泛應用，為這些領域的持續性發展與學科前沿突破奠定了關鍵基礎。

我國生物信息學本科教育起步較晚，2002年才開始設立生物信息學本科專業。截止2024年，開設此專業的高校也僅有52所[9]。但是，鑒于生物信息學重要性，我國許多高校在不同專業上也相繼開設了生物信息學課程。不同專業中生物信息學課程的教學側重點也有所不同，例如在生物、醫學、農學等本科專業中的教學內容注重于基本技能的應用，而計算機、數學等專業的生物信息學課程側重數據算法等基礎理論[3]。但是生物信息學課程體系中也存在一些關鍵問題，如課程時間安排不合理、教材建設不完善、教學方法過時和師資力量薄弱等[10]。在生物大數據背景下，不同專業學生的生物信息學學習難點也有所差異，具有生物學背景的學生可能需要花費更多時間學習計算機編程知識，而具有計算機科學背景的學生在理解生物學問題時更具挑戰性[3]。可喜的是，由于對生物信息學重視程度的不斷增加，2018年我國教育部發布的《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》要求將生物信息學開設為生物科學類專業的必修課程[5]，這無疑將極大地促進生物信息學的發展，為充分發掘生物信息學的交叉應用潛力奠定了基礎。

1.3生物信息分析在茶學科研與教學中的發展隨著茶樹基礎生物學的快速發展和測序技術的革新，基于生物信息學交叉分析的基因組、群體遺傳和分子育種等研究在茶學中已經取得了較好的開端，比如茶樹基因組和遺傳變異圖譜的破譯、茶樹群體結構和遺傳多樣性演化機制解析和分子育種數據應用等[4.11-12]。特別是茶樹基因組的解析促使茶樹生物學研究步人后基因組時代，以生物信息學為代表的交叉科學在茶樹以基因組學等為代表的多組學研究中的基礎性作用愈發重要。例如，依賴生物信息學的快速發展，茶樹基因組/泛基因組研究近些年取得了突破性進展，茶學研究者們先后解析了20余個代表性國家級或省級重要茶樹品種的基因組以及1000余份栽培和野生茶樹的全基因組遺傳變異圖譜，極大地促進了茶樹基礎生物學的快速發展[13]。然而受限于傳統的茶學專業的課程大綱和課程設置，目前茶學專業內的基本課程學習鮮有前沿的生物信息學、基因組學等基本理論和實驗實踐課程，導致茶學專業學生對茶樹最基本的植物特性認識極度缺乏，大部分茶學專業學生對于茶樹的基本信息，如植物分類、基因組特征、馴化歷史、現代育種手段方法等方面的知識涉及較少。系統了解茶樹的基本植物特征習性，基于研究其遺傳背景的基因組學、遺傳學和分子生物學等基礎生物學理論，借助前沿生物信息學的研究方法，并通過進一步進行實驗教學對所學基礎理論知識予以應用是從根本和源頭促進茶學專業全方位發展，提高茶學專業學生理論和實踐能力，進而支撐茶產業可持續發展的關鍵途徑。

然而，針對茶學這一門應用型學科，除了上述現狀之外，另外一個重要的問題是學生對茶學基礎研究產生的數據的理解和分析不夠深入，難以從數據中凝練并解讀問題背后的原因，導致無法將所學知識轉化為開展實踐應用的動力。因此，切實提高茶學專業學生的數據分析，特別是與茶樹栽培育種相關的生物信息學分析，包括與加工和品控相關的數據建模分析等，是提高茶學專業學生的將基礎知識應用于實踐能力的重要方法和專業培養目標。

2茶學專業生物信息學課程教學中存在的問題

2.1教學課程交叉融合不足茶學是一門典型的應用型植物生產類學科，茶學專業本科教學課程體系主要由公共基礎、大類專業基礎和專業課三類課程組成。茶學本科教學的專業核心課程主要以栽培育種、茶葉生物化學、茶葉加工和審評檢驗等為主，公共基礎課和大類專業基礎課中有計算機基礎與應用、生物統計學、遺傳學等少量的與生物信息學相關的課程[5]。然而，以本校茶學課程安排為例，公共基礎課和大類專業基礎課（包含基本生物信息學相關的生物學課程）的開設時間集中在第一至第四學期，而專業核心課則主要在第五學期以后，二者開設和學習時間跨度較大，學生難以將不同課程所學的理論和實驗知識系統結合起來并予以應用。此外，生物信息學課程以及與生物信息學相關的專業基礎課程（如基因組學等），也尚未以必修或者選修的形式在茶學專業中開設。因此，有必要通過生物信息學課程的合理開設，并同時輔以開設生物信息學專業的其他核心課程，提高茶學專業學生對生物信息學的充分了解和系統深人學習，進而利用學科交叉解決當前限制茶科技發展的關鍵問題，促進茶學學科全方位發展。

2.2師資隊伍建設有待提升教師是課程教學實施的主體，教師專業水平的高低直接影響著教學效果的好壞。傳統專業型學科，如茶學，經過長時間的發展，已經積累了一大批具有堅實專業基礎知識和教學經驗的優秀教師隊伍，涵蓋了茶學專業的各個方面，為茶學學科發展奠定了堅實基礎。然而，生物信息學作為一門新興的交叉學科，發展時間較短，導致具備專業教學能力的教師整體偏少，且很多教師并未經過生物信息學專業訓練，對學科的系統了解不足。這些教師可能具有深厚的遺傳學、基因組學和分子生物學等生物學專業基礎知識，但是計算機相關專業知識相對薄弱。目前很多醫學或農林類高校的生物信息學課程任課教師是在承擔教學任務后，邊學邊教，教學相長，教學水平才得以逐漸提高。而直接引進計算機專業教師從事生物信息學教授，則也面臨生物學知識缺乏等不可避免的問題[14]

2.3教學方式方法創新有待改進茶學和生物信息學學科均是實踐導向的應用型學科，需要將理論結合實際并進行學科間融合創新，因此在茶學專業中開展生物信息學類課程教學時需格外注意二者的異同并進行交叉以達到互相促進的目的。該過程中的教學方式方法既不能完全依賴枯燥的傳統宣講教學，也不能完全脫離基于課本的理論學習而開展過多的實踐練習，否則都將會導致課程教學不平衡，最終影響教學效果。以本校開設的生物信息學公共選修課為例，受限于課程性質和軟硬件設施，當前教學依賴課堂知識點講解，主要通過課件和板書進行，任課教師經常需要花費大量課堂時間反復講解/推演關鍵知識點，此前也沒有實驗或實踐教學安排，導致課程進展緩慢，達不到預期的授課效果。而生物信息學需要將理論知識通過實踐或實驗教學和具體案例進行應用拓展，才能加強學生對關鍵知識點的理解和實際應用。針對農業院校生物信息學教學過程存在的問題，王波等[15]對生物信息學課程采取線上線下混合教學、并充分利用微視頻開展課堂教學、引入最新科技論文教學以及課堂討論和小測等教學方法的改革達到提升教學效果的目的。這些舉措比較符合生物信息學的課程特點，值得借鑒和進一步的深入優化。

2.4教學設施不夠完備高校實驗室是開展教學和科研工作的必備場所，是茶學等應用型學科的關鍵教學設施[16]茶學專業和生物信息學對實踐教學的要求較高，合理的實踐或實驗教學可以極大提高教學效果，促進茶學學科基礎領域的發展。當前茶學專業設置生物信息學課程的高校較少，配置生物信息學所需的軟硬件教學設施和實驗室缺乏。此外，對于農林類高校，單獨搭建用于非專業核心課程的計算機機房并配置生物信息學軟硬件設備，進而建設生物信息學實驗室可能具有一定難度。因此，通過與同校計算機或理學等以教學見長的專業開展合作共建，可能是進行茶學專業生物信息學教學，特別是實驗和實踐教學的有效方法之一。

3茶學專業中生物信息學課程教學改革措施

3.1建立健全茶學專業學習中生物信息學類課程體系茶學是一門應用型學科，生物信息學作為一門典型的應用導向的交叉學科，二者的深度交叉融合對全方面促進茶學學科發展以及“茶文化、茶產業、茶科技”三茶統籌發展具有重要作用。這個過程不但需要在教學中融合基礎生物學學科的知識儲備，如基因組學、分子生物學等，還需要具有數學、生物統計學等基礎理論作為支撐。在農學專業生物信息學教學中發現，農學專業學生的生物學基礎知識也相對較為薄弱，導致生物信息學教師在教授基本生物信息學基本知識的同時，需要占用較多的課堂時間對于分子生物學、基因組學和基因工程等生物學基礎理論知識進行補充[15]。雖然茶學專業學生們可以通過旁聽或選修課的形式進行生物信息學內容的學習，但系統性和全面性均有很大程度的欠缺，特別是依賴計算機機房等設備的實驗和實踐教學難以實現。因此，通過必修或選修形式開設生物信息學以及與生物信息學密切相關的核心課程，是促進學科交叉與全面發展的重要環節。對茶學專業來說，在本科第三至第五學期之間，開設生物信息學類必修或選修課程，可以讓學生快速建立起公共基礎課和茶學專業課程之間的聯系并進行交叉融合，進而利用生物信息學類前沿技術方法高效開展茶學基礎生物學教學和研究，促進茶學學科全方位發展。此外，在開設茶學專業基礎生物信息學理論課程之外，也需同步開設生物信息學實驗和實踐課程，幫助對生物信息學感興趣的學生更加深人了解課程內容及具體的實踐應用方向。鑒于此，本團隊在前期開展生物信息學公選課的基礎上，已在茶學專業中開設了生物信息學的專業內選修課，以期在茶學專業學習中開展生物信息學課程的教學探索。下一步，我們還將繼續探索生物信息學實驗和實踐課程的開設方式方法，輔助茶學專業生物信息學課程體系的全面發展。

3.2完善生物信息學軟硬件設施建設和運行機制除了專業類課程體系有待進一步健全之外，師資隊伍建設、選擇或編制適合茶學專業學生的參考教材、教學實驗室建設等也是在茶學專業中開展生物信息學教學的必要條件。當前，大多數農林類高等學校的生物信息學授課教師都具有較強的專業知識技能，但多數可能未經過生物信息學專業訓練。針對計算機專業教師缺乏生物學知識的問題，一些高校要求相關教師學習生物專業核心課程并通過考試，以彌補生物學專業知識不足，進而開展生物信息學教學[14]。然而，此舉并不能從根本上彌補當前問題，可能還會進一步壓縮授課教師開展教學和科研工作的時間，影響教學效果提升。安徽農業大學茶學專業之前尚未開設生物信息學類課程，其中的一個主要原因是鮮有從事相關教學和科研的專業教師。因此，及時補充計算機和生物學或園藝學學科交叉師資是開展茶學等專業生物信息學課程教學的重要基礎。通過引進一些本科學習生物信息學、碩博從事生物學研究;或者本科從事生物學學習，碩博從事生物信息學教學研究的師資，并通過一段時間茶學專業知識的學習，可能是茶學等專業進行生物信息學教學的有效方法。

此外，根據茶學專業特點選擇合適的生物信息學理論教材、實踐教學教材以及主講內容，或者根據需求編制專業教材也是進行茶學專業生物信息學教學的重要保證。除了基本理論通用外，與其他模式植物相比，茶樹的生物信息學研究也具有一些難點，例如茶樹基因組雜合度極高、重復序列含量極豐富、基因組大以及進化和馴化歷史復雜等[]。這些因素導致開展茶樹的生物信息學研究可能需要專門的手段和方法。同時，也正是因為茶樹基因組的特點，進行生物信息學課程時間和實驗課程時，需要更完備的硬件設施支撐，以達到開展實踐實驗教學的目的。對于農林類高校，單獨建設用于非專業核心課程的計算機機房并配置適合生物信息學硬件設施具有一定難度。因此，與同校計算機或數學專業等方向開展合作，充分利用茶學專業以及計算機和數學專業的硬件設施和計算資源，并經過學校和學院合理的課程安排是當前開展茶學專業生物信息學實踐和實驗課程的有效方法。

3.3優化理論和實踐課程教學方式針對茶學專業和農業院校生物信息學教學過程中存在的問題，通過線上線下混合式教學和理論實踐并行教學是當前開展茶學生物信息學教學的主要方法。此外，也可探索將翻轉課堂、項目式教學法、案例教學等已應用于生物信息學教學的模式在茶學中進行實踐[17-18]。基于課本的傳統宣講教學方式雖然枯燥，但是對于理解專業術語和算法理論等確是必不可少的，在此基礎上，通過不斷更新教學內容、加強實踐和應用教學、合理融入思政教育等方式促進茶學生物信息學課程教學。

在教學方式上，授課教師可嘗試組建多學科背景團隊，并利用互相聽課和教學研討等進行合作教學。在教學安排上，計算機知識較多的內容（如序列比對算法，數據庫使用），由計算機專業知識較為豐富的老師進行講解；涉及生物學和茶學知識較多的內容（如茶樹基因組、遺傳育種、PCR、引物設計、核酸序列分析等）則由茶學專業老師講解和實訓操作。同時，鼓勵茶學專業學生選修計算機類的課程。針對課堂教學，可以采取“理論 + 實例”的教學方法，針對具體問題引入最新的科技文獻來開展教學，結合課內小組匯報和課堂討論等，讓學生通過具體案例了解最新的科研動態。針對課程考核，加大實踐課程學時及其在課程考核中的占比對在茶學中開展生物信息學教學也至關重要。此外，在開展理論考核的基礎上，可將課內小組匯報等的成績計算入平時成績，提高學生學習積極性。對于實踐實驗教學，根據茶學的特點，將一些實踐實驗內容的對象轉變為茶樹，讓學生直接感受生物信息學在茶學科學研究中的應用；同時也可開展一些設計性實驗和實踐內容，提高學生參與性、動手能力和創新思維。此外，針對課程教學可能出現的生物信息學英語專業詞匯較多問題，可與茶葉專業英語相關老師溝通，在茶葉專業英語教學中增加與生物信息學類課程相關的基礎生物學英語教學，提高學生學習效率和教學效果。

4結語

茶學基礎生物學研究已步人后基因組學階段，生物大數據呈指數性爆發，在茶學專業學習中開設生物信息學類課程對促進茶學的科研和教學發展具有雙重作用。本校茶學專業目前已開設生物信息學課程。該課程經過多年公共選修課的開設實踐，目前以專業選修課的形式在茶學專業中開展。該課程當前由茶學專業中包含教授和副教授的教學團隊組成，教師們的專業方向既有生物信息學專業，也有生物化學與分子生物學、茶學等專業，團隊人員配置結構合理。該課程當前的選修率幾乎為 100% ，說明學生對該類課程的興趣較濃厚。此外，針對如上所述的茶學專業生物信息學課程教學中存在的問題，對該課程教學體系和方式方法等進行了一些改革和實踐，然而目前的理論和實踐教學仍處于探索之中。例如，目前尚未開設生物信息學實驗實踐課程、適合茶學專業的教材缺乏以及教學方法仍以課堂理論教學為主等。在茶學專業中開設生物信息學課程僅僅是開始，未來還需要所有茶學教學和科研工作者們共同努力，不斷完善和提高茶學專業教學，以適應應用型專業人才培養的需要，更好地落實習近平總書記關于“茶文化、茶產業、茶科技”三茶統籌發展的重要指示。

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