師范院校生物信息學本科教學改革與實踐

陳煉

摘要：生物信息學是一門融合了數(shù)學、生命科學、計算機信息科學和生物統(tǒng)計學的新興交叉學科，其越來越深入影響生命科學發(fā)展，并成為生命科學發(fā)展不可或缺的重要工具。本文針對生物信息學本科教學現(xiàn)狀，結合師范院校學生的學習特點，開展了生物信息學課程的教學改革，提出了相應對策，以期為提高生物信息學課程教學質量提供參考。

關鍵詞：生物信息學;教學改革;師范院校

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）36-0134-02

生物信息學（Bioinformatics）的發(fā)展與上世紀90年代人類基因組計劃的啟動密切相關，它綜合運用生物學、計算機科學和數(shù)學等多方面知識與方法來闡明和理解大量生物數(shù)據所包含的生物學意義。生物信息學已成為當今生命科學的重大前沿領域之一，是生命科學研究中重要的、不可或缺的研究工具。

我校生物信息學課程開設較晚，所以課程教學仍處于探索階段，尚未形成成熟的課程體系。本文針對本校學生的需求、課堂教學反饋等情況對教學內容、教學方法等多方面開展了改革與實踐，以期提高教學的質量和效果，培養(yǎng)全面發(fā)展的人才。

一、生物信息學課程教學現(xiàn)狀

（一）教材較多，因此難以選擇一本適合的教材

生物信息學教材很多，有些教材側重于生物信息學理論和算法，如許忠能主編的《生物信息學》對生物信息學的理論和算法講解詳細，但是對于師范院校生物科學專業(yè)的本科生而言較為深奧，不易理解;有些教材側重于生物信息學軟件使用，學生對于軟件分析所需要的背景知識掌握不夠，即使能夠運用軟件，卻不能正確分析和理解所得到的分析結果;由于生物信息學發(fā)展較快，教材更新速度相對較慢，一些新的生物信息學知識未能及時納入到已出版的教材中，而且有些書中所講的數(shù)據庫資源早已停用，有些軟件及其應用也早已更新版本。

（二）學生理論基礎薄弱，學習主動性不夠

雖然這門課程在我校是專業(yè)選修課程，考核方式以考查為主，但是選修這門課程的學生都對生物信息學有濃厚的興趣。這門課程開設在大三下學期，很多同學尚未開展或即將畢業(yè)課題設計，希望通過本課程的學習對畢業(yè)論文或將來考研深造有所幫助。然而在學習過程中，由于對分子生物學、生物化學、遺傳學等理論知識掌握不扎實，并且對學科前沿進展關注不夠，很少閱讀實驗性論文，在學習生物信息學相關理論知識時理解困難，而且對于如何將生物信息學應用于實際的課題研究也感到困惑。

（三）學生英語基礎不同，學習過程中容易產生消極情緒

要學好生物信息學，離不開大量專業(yè)文獻的閱讀，尤其是外文文獻，追蹤學科前沿研究進展，這就需要具備一定的專業(yè)英語基礎。此外，很多生物信息學數(shù)據庫以及應用軟件都是全英文的，涉及專業(yè)英語詞匯較多。由于學生的英語基礎不同，在學習過程中有些學生感覺專業(yè)英語閱讀和理解方面較吃力，容易產生畏難情緒。

二、教學改革與實踐

（一）修改教學大綱，理論與實踐結合

生物信息學是一門實踐性很強的學科，僅僅靠教師單一的講解理論和軟件的使用方法學生是很難理解和掌握的，因此在教學過程中要理論和上機實踐結合。教學大綱中原36學時為理論24學時、上機實踐12學時?？紤]到我校學生學習該門課程的實際需求，強化實踐運用，將理論和上機實踐課時均調整為18學時，學生在實踐的過程中帶著問題主動去思考，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，更好地去理解生物信息學的理論知識。原教學大綱中理論課學習結束后再進行上機實踐，但是教學過程中發(fā)現(xiàn)理論課信息量大，有些知識學生初次接觸沒有較好地理解，或者當時能夠理解，但過了一段時間后再進行上機實踐時又要重新學習。在課程安排方面，調整為一個章節(jié)的理論課學習結束后開設相應的上機實踐，通過實際操作練習有利于鞏固所學理論知識，學生也比較喜歡這樣的教學方式。

（二）調整教學目標，優(yōu)化教學內容

生物信息學內涵廣泛，應用領域廣，但是生物信息學在不同研究領域中的研究內容和應用程度有所不同。選修本課程的學生都是生物學背景，主要希望運用生物信息學知識去解釋課題研究中的生物學問題?？紤]到本科生理論知識基礎相對較弱，很多學生尚未開展課題研究，因此應該在有限的學時里讓學生掌握與專業(yè)需求相關的生物信息學知識和實用技術，教學的重點和難點要根據本校學生特點進行調整，對教學內容進行優(yōu)化、精簡。例如多序列比對算法、馬爾科夫模型等涉及數(shù)學、計算機知識，可以簡要介紹，但不做深入的講解。理論和上機實踐部分主要介紹生物信息學數(shù)據庫資源、序列比對、核酸序列分析、系統(tǒng)進化分析、蛋白質結構與預測，同時理論部分還包括生物芯片、高通量測序技術、介紹生物信息學的前沿進展。此外，還結合學生的需求在上機實踐課中增加了引物設計內容。

課堂教學內容并不拘泥于一套教材，而是根據講授的章節(jié)選擇該章節(jié)適合的2～3套教材綜合講解，最終形成適合我校學生學習的講義。例如在講系統(tǒng)進化發(fā)育時，理論講解選擇由Masatoshi Nei和Sudhir Kumar編寫的高等教育出版社出版的《分子進化與系統(tǒng)發(fā)育》和蔡祿編寫的《生物信息學教程》，上機實踐選擇吳祖建等編寫的《生物信息學分析實踐》。

（三）教學與科研相結合，學以致用

生物信息學有很多分析軟件，應用很廣，即使是分章節(jié)按照序列比對、核酸序列分析、系統(tǒng)進化樹構建等給學生逐一講解相關的算法和實際的應用，學生仍然感覺知識零散，信息量太大難以掌握，容易產生畏難情緒而導致學習積極性不高。有些應用軟件學生即使有所了解，卻又不知道在科研中如何運用。所以在教學過程中，我們以課題研究為例，再結合相關的文獻來進行講解。例如選擇DNA條形碼開展物種鑒定為例，讓學生去查閱相關文獻，如DNA條形碼在中藥材混偽品鑒定中的應用、DNA條形碼在肉制品摻假中的鑒定等。這個課題應用性強，對本科生而言閱讀專業(yè)文獻的難度相對較小，僅涉及DNA提取、PCR擴增等實驗內容，容易激發(fā)學生的學習興趣。在學生理解課題背景知識的基礎上，讓學生重點看文獻中涉及的生物信息學相關知識，要求學生下載文獻中涉及的基因序列，根據下載的序列用MEGA軟件進行序列比對，計算遺傳距離，同時利用MEGA軟件構建NJ樹。這個過程就把生物信息數(shù)據庫、序列比對、系統(tǒng)發(fā)育分析等幾個章節(jié)的教學知識串聯(lián)起來，學生就知道為什么要下載序列、做序列比對，更好地理解系統(tǒng)進化樹構建的原理及意義。同時，也促進了學生閱讀專業(yè)文獻，尤其是外文文獻，增加專業(yè)英語詞匯量，主動關注學科前沿發(fā)展動態(tài)，更好的利用生物信息開展課題研究，做到學以致用。

（四）改革教學手段和教學方法

生物信息學理論教學中往往是教師主講、學生聽，學生被動接受，這種“灌輸式”的學習讓學生感覺枯燥乏味，教學效果較差。教學時應突出學生的主體地位，教師起主導作用，引導學生積極思考，參與課堂教學，激發(fā)學生的學習熱情。例如講解生物信息學數(shù)據庫資源時，可以布置課后作業(yè)，要求學生搜索國外生物信息學數(shù)據庫資源，并將查閱的資料制作成PPT，下一次上課時讓學生利用PPT講解搜索情況，分享經驗。教師在學生講完后點評，鼓勵學生關注生物信息學的前沿進展，在學習生物信息學的同時提高專業(yè)英語的水平。在講解生物芯片與高通量測序技術時，布置課前預習作業(yè)，針對高通量測序技術原理、應用、數(shù)據分析等教學內容設置幾個選題，讓學生分小組，每個小組選擇一個選題，通過查閱文獻資料，以PPT形式在課堂上講解。學生根據講解內容提問，交流討論。教師根據學生的匯報內容進行點評，進行有針對性的講解、補充。這樣的形式使學生主動去探究問題，而不是被動地接受教師傳遞的信息，對知識的理解更加深入，學生也反饋這種教學活動提高了學習的積極性，并留下深刻的印象。

三、結語

生物信息學作為一門新興學科，仍然在不斷的發(fā)展中，知識更新速度快，因此生物信息學課程的教學內容、教學方式應緊跟學科前沿發(fā)展，立足學校專業(yè)特點及培養(yǎng)特色，不斷摸索教學經驗，在教學模式上深入研究，提高教學質量，實現(xiàn)培養(yǎng)學生理論與實踐運用綜合能力的教學目標。

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