基于“認知一實訓一動手”三層次的生物信息學課程教學改革實踐

中圖分類號 G642.0;R318.04 文獻標識碼A 文章編號 1007-7731(2025)14-0118-04

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.14.027

Practice of teaching reform in Bioinformatics coursebased onthe three levelsof \"cognition，practical training，hands-on operation\"

SHEN Danyu YE Wenwu DONG Suomeng (College of Plant Protection，Nanjing Agricultural University，Nanjing 21Oo95， China)

AbstractTo cultivate applied talents with innovativeconsciousness and practical hands-on ability，the application foundation of the three-level teaching modelof“cognition，practical training，hands-onoperation”introducedin the Bioinformatics course of Plant Protection major was analyzed，and carriedout teaching reform practice.Theapplication foundation includes three levels.Atthecognition level，students mainlylearn the basic theoretical knowledge to cultivatetheir interestin learning;；atthepractical training level，cultivatepracticalabilities throughcaseanalysis， simulated data operations，and other methods;atthe hands-on level，cultivate the ability to solve problems through innovative experiments，scientificresearch projects.Intermsof teachingreformpractice，integratingprofesional theoretical knowledge atthecognitivelevel，constructing interdisciplinary knowledge systems，and innovatingteaching methods；strengthenpractical skilsatthepractical training level，design training projectswith plantprotection characteristics，improve training facilitiesand teaching staff；promote interdisciplinary innovationpracticesatthe hands-onoperation level，facilitate theintegrationof scientificresearch projectswith learning，andparticipate in interdisciplinary competitionactivities.Inaddition，adopting diversified evaluation methods，emphasizingoutcome based evaluation，introducing studentself-evaluationand peer evaluation，and establishing acomprehensive evaluation file. The practical results shows that the teaching reform has produced good results，with 90% of students proficiently mastering the practical operation skills ofcommonlyused tols in thecourse，such as sequence alignment，evolutionary tree construction，andtheuseofbiologicaldatabases;a totalof16 studentteams have apliedandbeenapproved for the university level innovation training program basedontheir course learning achievements.Thisarticle provides references forcultivating more high qualityand information-based inteligent plant protection talents.

Keywordsplant protection; Bioinformatics; interdisciplinary integration; disease and pest identification

生物信息學作為一門快速發展的交叉學科，逐漸在生物學、農學等多個領域廣泛應用，并成為生命科學領域的核心技術之一。在新農科建設背景下，生物信息學相關技術在植物保護領域的應用日益廣泛，相關學者對此進行了一定研究。王金輝等研究指出，生物信息學為病蟲害鑒定與監測、病原菌致病機理、作物抗病育種等提供了有力的技術支持，利用大數據實現對病蟲害發生和傳播的早期監測和預警，有助于種植戶采取精準防治措施。張贊等2研究認為，基因組學和轉錄組學等方法有助于推動農業昆蟲基因數據的積累，在害蟲控制方面發揮了有效作用。林世強等3利用蛋白質組學和代謝組學等方法研究了植物與病原微生物間的相互作用。蘭雨佳等4研究認為，該學科具有內容更新快、實踐性強等特點，現有的教學模式、教學內容和教學體系等難以滿足當前的科研和社會需求，亟須進行改革以跟上時代發展步伐。

本文結合長期教學實踐經驗，在生物信息學課程中探索引入“認知一實訓一動手”三層次教學模式。在認知階段，學生系統學習基礎理論知識，激發學習興趣;在實訓階段，通過模擬數據處理與分析等多樣化訓練，逐步掌握解決具體問題的實踐能力；在動手階段，通過創新實驗、科研項目等實踐，深化對知識的理解和應用，全面提升獨立解決實際問題的能力。同時，對教學評價方式進行改進與拓展，全面培養學生的專業素養和實踐能力。

1“認知一實訓一動手”三層次教學模式的應用基礎

1.1認知層次：理論知識的構建與理解

認知層次屬于基礎層次，側重對學生理論知識的構建與理解。在生物信息學通識課程中，學生需掌握生物信息學的基本概念、原理和方法，涵蓋序列比對與搜索、系統發育分析、蛋白質序列特征與功能預測、數據庫、高通量測序、多組學、數據處理與可視化等內容。在教學中融入植物保護專業知識和具體案例，通過課堂教學、在線學習、小組討論等方式，引導學生深入理解生物信息學在植物保護領域的應用價值，為后續實踐教學奠定堅實的理論基礎。在該層次教學中需注重知識的系統性和連貫性，通過整合相關知識點，構建完整的知識體系，如在植物病害的鑒定中引人應用序列比對與搜索等相關內容；關注前沿研究進展，及時引入最新的研究成果和人工智能技術，通過案例分析、問題探討等方式，引導學生將理論知識與實際問題相結合，培養其創新思維。

1.2實訓層次：實踐技能的培養與提升

實訓層次屬于關鍵層次，側重對學生實踐技能的培養與提升。在通識課程中，學生需掌握常用軟件的操作技巧和數據分析方法，例如，使用BLAST進行序列搜索，利用MEGA構建系統進化樹，使用InterproScan預測蛋白質的功能域等。通過案例分析和模擬數據等操作，讓學生在實踐中學習和掌握相關技能。在該層次教學中，需注重實踐環節的多樣性和靈活性，加強課堂實踐操作，如數據分析、軟件操作、試驗設計等，讓學生在實踐中逐步掌握相關技能5；注重實踐環節的針對性和實用性，確保學生所學技能可真正應用于解決實際問題，如利用生物信息學工具預測植物病原菌的致病基因、分析植物抗病基因的進化等。

1.3動手層次：創新能力的培養與拓展

動手層次屬于最高層次，側重對學生創新能力的培養與拓展。通過大學生研究訓練計劃項目(SRT）、科研項目、科技競賽等，讓學生綜合運用相關理論知識和實踐技能，發揮創造力，培養獨立思考、創新設計、團隊協作等能力，以應對復雜多變的實際問題。在該層次教學中，需注重發揮創新實踐的引導和支持作用，提倡以解決實際問題為導向開展實驗教學。針對專業領域的實際問題，設計具有挑戰性和創新性的實踐項目，如利用生物信息學技術輔助作物抗病育種、病蟲害早期預警模型的建立等，激發學生的創新熱情和興趣。同時，提供導師指導、項自資金、實驗設備等資源支持，確保學生順利進行創新實踐；鼓勵學生積極參與學術交流和科技競賽等活動，拓寬其創新視野。

將“認知一實訓一動手\"三層次教學模式應用于植物保護專業的生物信息學通識課程，有助于全面提升學生的生物信息學素養和植物保護能力。在認知層次，學生構建和理解相關理論知識；在實訓層次，培養學生的實踐技能；在動手層次，提升其創新能力。這種教學模式符合學生的認知規律和發展需求，有助于培養其綜合素質和實踐能力。

2基于三層次的生物信息學課程教學改革實踐

2.1 認知層次：融合專業理論知識

2.1.1構建跨學科知識體系 將課程內容進行整合優化，構建跨學科知識體系。將植物病理學、昆蟲學、農藥學等植物保護專業的核心課程內容與生物信息學技術相結合，形成一體化教學，通過融合教學，讓學生在學習生物信息學理論知識的同時，深入理解其在植物保護領域的應用價值。例如，在講解序列比對與搜索時，引入植物病蟲害基因組序列的分析案例，讓學生理解通過生物信息學手段揭示病蟲害的遺傳特征；在系統發育分析部分，結合植物與病原菌或害蟲的進化關系，探討其在生態系統中的相互作用。此外，引入最新學科技術、方法和應用案例，使學生了解相關學科領域的最新發展動態和應用前景；增加與植物保護相關的生物信息學內容，如序列比對、多組學在植物病蟲害鑒定、致病機理研究等方面的應用，使學生更好地將生物信息學知識與植物保護實踐相結合。此外，在教學過程中融入思政元素，培養學生的社會責任感和思辨能力[8]。

2.1.2創新教學方法 通過講座、討論、案例分析等途徑，激發學生的學習興趣，提升其參與度。邀請行業專家到學校現場授課，分享前沿知識技術；在課堂討論和案例分析環節，設計具有植物保護特色的教學案例，如選取典型的植物病蟲害案例，引導學生利用生物信息學工具進行數據分析，鼓勵其積極思考和討論，深入理解病蟲害的致病機理和防控策略，提高其分析和解決問題的能力。

2.2實訓層次：強化實踐技能

2.2.1設計具有植保特色的實訓項目 根據課程特點和植保專業需求，引入與植保實際問題密切相關的生物信息學案例，設計一系列具有特色的實訓項目，注重對學生實際操作能力的培養。這些實訓項目涵蓋了生物信息學的基本技能操作；緊密結合植物保護專業的實際需求，將各知識單元融人具體項目，如開展基于高通量測序數據的植物病蟲害鑒定實訓項目，讓學生掌握利用生物信息學工具進行測序數據分析，識別并鑒定病蟲害種類的方法；設計植物抗病基因挖掘等實訓項目，利用生物信息學方法分析作物基因組數據，挖掘潛在的抗病基因資源，增強學生的團隊協作和綜合應用能力。

2.2.2完善實訓設施和師資隊伍 建立生物信息學實訓平臺，配備先進的生物信息學軟件和工具；加強師資隊伍建設，構建知識、年齡、職稱結構合理且充滿活力的師資團隊，當前團隊授課教師均擁有生物信息學或植物保護學博士學位，每位教師的科研課題均涉及生物信息學分析。采用導師制、小組合作等方式開展實訓，教師將個人科研工作經驗和成果融入教學內容，提高了課程的豐富性和深度。

2.3動手層次：推動跨學科創新實踐

2.3.1促進科研項目與實習相結合 鼓勵學生參與大學生研究訓練計劃項目、科研項目和實習活動，如參與植物病蟲害防控的科研項目，培養其創新動手能力和解決實際問題的能力。吸引學生參加校內外各類科研項目，支持其開展具有創新性和實用性的實驗項目；與企業合作建立實習基地或實驗室，為學生提供豐富的實習機會，有助于其了解植物保護領域的實際需求，將所學知識應用于實際問題的解決。

2.3.2參加跨學科競賽活動 組織或參與跨學科的生物信息學與植物保護相關競賽活動，如生物信息學在植物保護中的應用創新大賽等，為學生提供參賽指導。通過競賽活動，學生展示創新成果，與不同領域的專家交流學習，拓寬其學術視野，激發創新思維。

3改進教學評價方式

在生物信息學通識課程中，改進和拓展教學評價方式，以激發學生學習興趣和主動性，提高其學習效果和綜合素質。

3.1 采用多元化評價方式

在課程考核中，結合平時作業、上機實踐操作和期末考試，對學生學習成績進行綜合評價[0]。引人多元化評價方式，包括課堂表現、作業完成情況、小組討論參與度、實驗報告、項自實踐成果等。學生通過口頭報告、海報展示等方式，展示所學生物信息學分析技能及其在植物保護中的應用，以全面評估個人學習成果和綜合能力。

3.2 強調結果性評價

通過平時作業、小組討論和實訓完成結果等結果性評價，評估其在課程中所學的技能和知識應用能力，鼓勵學生將生物信息學分析結果應用于植物保護實踐中，如參與田間病蟲害監測與防治等工作，從而全面評估學生的綜合能力和學習成效，了解其對知識的掌握程度和實際應用能力，為后續教學提供反饋和改進方向。

3.3 引入學生自評和互評

將教師評價、組內學生自評和組間學生互評相結合，建立全方位多角度的評價體系[1]。在自評環節，引導學生從植物保護的視角出發，評估自己在生物信息學技能掌握、問題分析與解決、團隊協作等方面的表現。在互評環節，鼓勵學生跨學科交流和學習，例如，評價植物保護專業學生在分析數據結果對植物保護問題的解釋和應用方面的能力，評價學生對生物信息學數據獲取、處理和分析等技能的掌握程度。這種互評有助于增進學生對兩個學科的理解和融合應用。

3.4建立綜合評價檔案

建立學生綜合評價檔案，記錄其在整個學習過程中的表現、成果和進步，定期進行審查和更新，結合學生的學習進展和表現給予個性化的指導和反饋。對于在植物保護與生物信息學融合方面表現突出的學生給予表揚和獎勵，通過建立綜合評價檔案和動態評估機制，全面促進學生綜合素質和創新能力的提升。

4課程教學改革成效

基于“認知一實訓一動手”三層次的生物信息學課程教學改革模式在植物保護學院進行了3年的應用實踐，產生了良好的效果。該課程體系和教學方式廣受學生歡迎，激發了其濃厚的熱情和學習興趣。課堂上，學生提問頻率較改革前提升了 30% ，主動參與實訓項目的學生占比從 62% 提高至 89% 。據教學數據統計，采用該模式的學生期末考試平均分較采用常規教學模式的學生高4.3分；課程結束后， 90% 的學生熟練掌握了該課程序列比對、進化樹構建和生物數據庫的使用等常用工具的實踐操作技能；學生的創新能力明顯提升，對參與課程相關的畢業設計和學科競賽表現出更高的積極性，近3年累計16個學生團隊憑借課程學習成果申報并獲批校級大學生創新訓練項目。將科研思路引入教學，學生的科研能力和創新能力得到了有效提高，教學實踐有助于教師全面了解生物信息學及相關學科的最新進展，為其個人科研工作提供了新思路。

綜上，本文在植保專業生物信息學課程中引入“認知一實訓一動手”三層次的教學模式，在認知層次，學生主要學習基礎理論知識，形成興趣點并提出問題；在實訓層次，通過案例分析、模擬數據操作等方式，培養實踐能力；在動手層次，通過創新實驗、科研項目等實踐活動，掌握解決問題的能力。這一教學模式豐富了專業教學內容和方法，為學生的職業發展奠定了堅實基礎。未來，將繼續深化課程教學改革，緊跟學科發展前沿，不斷更新和完善課程知識體系，創新教學方法和手段，進一步加強與植物保護專業的交叉融合，為培養更多高素質、信息化的智慧植保人才提供參考。

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