在農(nóng)學(xué)專業(yè)講授生物信息學(xué)技術(shù)的幾點思考

孟凡立,張衛(wèi)國,韓英鵬

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,哈爾濱 150030)

在農(nóng)學(xué)專業(yè)講授生物信息學(xué)技術(shù)的幾點思考

孟凡立,張衛(wèi)國,韓英鵬

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,哈爾濱 150030)

生物信息技術(shù)作為一門新興的交叉學(xué)科,處于生命科學(xué)尤其是農(nóng)業(yè)研究發(fā)展的前沿,無論從理論還是實際應(yīng)用上都具有廣闊的發(fā)展前景。針對農(nóng)業(yè)專業(yè)的生物信息技術(shù)本科教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核辦法以及如何發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢等進(jìn)行深入思考,以期取得更好的教學(xué)效果。

生物信息技術(shù);農(nóng)學(xué)專業(yè);教學(xué)方法

生物信息學(xué)是由生物科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)等多學(xué)科交叉融合而成的一門新型科學(xué)。生物信息學(xué)以分子生物學(xué)數(shù)據(jù)庫為主要對象;以數(shù)學(xué)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)為主要手段;以計算機(jī)、應(yīng)用軟件和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為主要工具;通過對日益增長的核苷酸、蛋白質(zhì)的序列和結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息進(jìn)行收集、儲存、管理、分析、注釋、加工和處理而獲取生物學(xué)新知識,同時建立理論模型,指導(dǎo)實驗研究[1～2]。隨著 2003年人類基因組計劃的完成,分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使DNA測序越來越快捷便利,越來越多物種的基因組計劃被啟動,目前有 1 000多個物種的基因組測序計劃已經(jīng)完成。其中植物全基因組測序的工作也進(jìn)展迅速,除了擬南芥、苜蓿等模式植物的全基因組測序完成外,大豆、水稻、玉米等重要的農(nóng)作物的全基因組測序工作已完成,木瓜、百麥根、木薯、番茄、馬鈴薯等重要糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、重要森林樹種基因組也正在測序中[3]?；蚪M測序結(jié)果給我們提供了海量的生物數(shù)據(jù),但是從堆積如山的數(shù)據(jù)中提取有用的信息,如挖掘并識別農(nóng)作物的重要基因,發(fā)現(xiàn)新基因、加快基因克隆等,都需要強(qiáng)有力的生物信息工具。目前生物信息技術(shù)已經(jīng)成為農(nóng)作物基因組學(xué)研究的基礎(chǔ),是基因、基因結(jié)構(gòu)、基因產(chǎn)物功能分析必不可少的技術(shù)手段。特別是將生物信息學(xué)與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合,對提高育種效率,創(chuàng)新遺傳資源,加快作物改良進(jìn)程都有重要意義[4]。因此如何利用生物信息技術(shù)獲取和利用農(nóng)作物基因組和后基因組學(xué)提供的大量信息,加速發(fā)展我國高新農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成了當(dāng)今農(nóng)學(xué)相關(guān)專業(yè)本科學(xué)生必須掌握的基本技術(shù)和知識以及必須具有的初步能力。

目前對農(nóng)學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的生物信息技術(shù)教學(xué)方法,采取多媒體輔助教學(xué)方式,采用課堂舉例,現(xiàn)場上網(wǎng)檢索、比對和分析等手段,與農(nóng)作物高產(chǎn),優(yōu)質(zhì)、抗病、耐逆、成熟期等基因序列檢索、基因序列比對、引物設(shè)計、基因功能分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測等環(huán)節(jié)相結(jié)合,逐一通過網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場教學(xué)得以實現(xiàn),增加學(xué)生對生物信息技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣,做到理論和實踐相結(jié)合。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐和改進(jìn),先將一些授課體會總結(jié)如下。

一、生物信息技術(shù)教學(xué)應(yīng)立足于應(yīng)用

生物信息技術(shù)是計算科學(xué),數(shù)學(xué)和生物學(xué)多學(xué)科交叉融合后所產(chǎn)生的一門新學(xué)科,教學(xué)內(nèi)容多,知識面涉及廣,講課時數(shù)少,而且很多內(nèi)容比較抽象[5]。因此,針對農(nóng)業(yè)專業(yè)本科生開設(shè)的生物信息技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)以教授實踐技巧為主,注重課堂知識與本科生畢業(yè)實踐的緊密結(jié)合,主要應(yīng)包括生物信息導(dǎo)論、生物數(shù)據(jù)采集、主要生物數(shù)據(jù)庫的功能及使用介紹、核酸和蛋白質(zhì)序列比對及構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹、核酸序列分析、蛋白質(zhì)序列分析及結(jié)構(gòu)預(yù)測、網(wǎng)上生物資源檢索,生物常用軟件的使用等。課堂講授應(yīng)著重于介紹各種生物信息資源和數(shù)據(jù)庫的檢索、使用方法與技巧,而且講課時盡量聯(lián)系實際應(yīng)用,用具體事例來講解相關(guān)理論和方法,以便學(xué)生更好地理解其內(nèi)容。而對于生物信息技術(shù)的相關(guān)理論和原理性的知識可以只作簡單的介紹,避開復(fù)雜的理論和相關(guān)的難點,從實際出發(fā),以教會學(xué)生怎樣使用為目的進(jìn)行講授,達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

二、教學(xué)講授方法的改進(jìn)

為加深學(xué)生對課堂知識的掌握和能夠利用學(xué)到的知識解決問題,首先,在生物信息技術(shù)的課堂教學(xué)過程中,不僅采用傳統(tǒng)的 PPT課件的靜態(tài)模式、把生物信息的基本理論和用途給學(xué)生逐一地介紹,同時采用現(xiàn)場操作的動態(tài)模式,教授學(xué)生怎樣使用生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫和相關(guān)工具。例如,利用授課教室的網(wǎng)絡(luò)資源在授課現(xiàn)場以一個具體的大豆抗旱基因為例 ,利用 Genbank、E MBL、DDBJ、Swissprot等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行該基因核酸、蛋白質(zhì)序列和文獻(xiàn)的檢索,講授主要的核酸和蛋白序列數(shù)據(jù)庫的功能、檢索技術(shù)、應(yīng)用技巧;利用該基因的核酸和蛋白質(zhì)序列的檢索結(jié)果進(jìn)行核酸和蛋白質(zhì)序列比對,以使學(xué)生理解Blast和 Clast w等常用生物序列比對軟件的原理和使用方法;利用該基因的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)檢索結(jié)果利用常用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測軟件現(xiàn)場演示該基因的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測,以便學(xué)生理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的原理和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測軟件的使用方法;以該基因為例現(xiàn)場利用 DNA MAN、Pri Mer、DNASTAR等生物軟件設(shè)計普通 PCR引物、兼并 PCR引物等,使學(xué)生掌握生物軟件的使用方法。以一個具體大豆抗旱基因為例將整個生物信息學(xué)知識貫穿講述,使學(xué)生得到更加直觀的印象,加深其對知識的掌握。其次,強(qiáng)化課堂討論與交流。由于農(nóng)學(xué)相關(guān)專業(yè)的本科學(xué)生畢業(yè)實踐的研究方向不同,其學(xué)習(xí)的側(cè)重必然有所差異,所學(xué)的生物信息的資源和工具也有所區(qū)別。因此,教師在第一次授課時需要作一次詳細(xì)的調(diào)查,對學(xué)生畢業(yè)實踐的研究方向和興趣有一個大致的了解,并劃分為幾個小組。例如農(nóng)學(xué)專業(yè)的學(xué)生可以大致分為大豆組、小麥組、水稻組、玉米組和馬鈴薯組等。每組成員開會討論后制定該組的目標(biāo),通過查詢相關(guān)的資料和文獻(xiàn)數(shù)據(jù),確定其研究領(lǐng)域,以組為單位去檢索相關(guān)基因和蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫,從一個具體農(nóng)作物高產(chǎn),優(yōu)質(zhì)、抗病、耐逆、成熟期基因開始,執(zhí)行數(shù)據(jù)庫搜索以發(fā)現(xiàn)與該基因相關(guān)的核酸和蛋白質(zhì)序列,然后對該基因進(jìn)行多序列比對,創(chuàng)建系統(tǒng)發(fā)生樹,以明確它和其他已知序列的關(guān)系。教師每次課程留出 10分鐘,本著資源共享的原則,讓各個小組陳述檢索過程、結(jié)果,并就檢索過程中存在的問題及技巧進(jìn)行共同討論、充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和探索精神,加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力。最后由教師就檢索結(jié)果進(jìn)行取舍、總結(jié),對各小組的學(xué)習(xí)情況作出點評,并提出進(jìn)一步的要求。

三、發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢

生物信息技術(shù)教學(xué)主要針對海量生物數(shù)據(jù)處理與分析的實際需要,培養(yǎng)學(xué)生綜合運用生物信息學(xué)知識和方法進(jìn)行生物信息提取、存儲、處理、分析的能力,提高學(xué)生應(yīng)用理論知識解決問題的能力和獨立思考、綜合分析的能力。同時,由于生物信息學(xué)依賴于網(wǎng)絡(luò)資源和互聯(lián)網(wǎng)上的分析工具和軟件,教室內(nèi)的多媒體計算機(jī)連接到互聯(lián)網(wǎng),雖然極大地提高了教學(xué)效果,但是在實際的教學(xué)中發(fā)現(xiàn),多媒體教學(xué)也有局限性,學(xué)生主要以聽講為主,不能及時實踐,教師講解與學(xué)生實踐相脫節(jié)[6]。由于生物信息技術(shù)在農(nóng)學(xué)專業(yè)中是選修課,沒有設(shè)立生物信息技術(shù)實驗課。為了解決上述問題,教師在教學(xué)中,充分利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的交互特點實現(xiàn)信息技術(shù)與課程的結(jié)合。教師可以通過學(xué)校論壇、QQ群、 MSN、飛信等與進(jìn)行學(xué)生交流,對各小組利用生物信息技術(shù)進(jìn)行具體應(yīng)用遇到的問題進(jìn)行討論和答疑,培養(yǎng)學(xué)生在工作、學(xué)習(xí)和今后的科研工作中分析解決問題的能力,提高學(xué)生綜合素質(zhì)進(jìn)而提高就業(yè)競爭力。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的生物信息教學(xué)不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,給學(xué)生的學(xué)習(xí)和師生的互動帶來極大的方便、提高教師的工作效率,而且可以及時了解掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,有利于教師不斷調(diào)整教學(xué)方案、達(dá)到更好的教學(xué)效果。

四、課程考核注重實際操作能力

在考試方法上,著重考核學(xué)生掌握和綜合運用所學(xué)知識、解決實際問題的能力。因此,采用小組和個人考查相結(jié)合的考核方式。小組考核與每堂課分組討論相結(jié)合,根據(jù)各個小組的專題目標(biāo),對每次進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索、文獻(xiàn)查詢、利用所學(xué)生物信息軟件分析相關(guān)生物數(shù)據(jù)的結(jié)果及最終得出的結(jié)論進(jìn)行考核。這樣的考查,既靈活又能把本課程所學(xué)的知識和軟件操作前后聯(lián)系起來,達(dá)到融會貫通的目的。個人考核主要加強(qiáng)對學(xué)生平時學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維等方面進(jìn)行考核。注重對學(xué)生的實踐技能進(jìn)行考核,淡化理論考試,克服了傳統(tǒng)考試的死記硬背,促進(jìn)了學(xué)生注重提高理論用于實踐的綜合能力。

總之,通過對生物信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí),使農(nóng)學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生提高了利用生物信息技術(shù)處理實際問題的能力,對提高畢業(yè)生的綜合素質(zhì)具有積極的意義。在本課程的教學(xué)與實踐中,筆者積累了一些經(jīng)驗,收到了良好的教學(xué)效果,受到學(xué)生的歡迎。但是生物信息技術(shù)是一個發(fā)展速度極其快的學(xué)科,因此需要教師不斷汲取新的生物信息學(xué)知識并時刻關(guān)注前沿的農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展情況對本課程內(nèi)容不斷進(jìn)行改進(jìn),以取得更好的教學(xué)效果。

[1]王明怡.生物信息學(xué)[M].北京.科學(xué)出版社,2004:2-3.

[2]孫之榮.生物信息與功能基因組學(xué) [M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社,2008:1-7.

[3]常敬禮,郭玉雙,楊德光.植物功能基因組學(xué)研究進(jìn)展[J].2008,16(2):56-59.

[4]林世強(qiáng),寧正元.生物信息學(xué)及其在農(nóng)業(yè)科學(xué)中的應(yīng)用[J].亞熱帶農(nóng)業(yè)研究,2007,(2):144-148.

[5]高亞梅.生物信息學(xué)本科教學(xué)初探[J].教育教學(xué)研究,2007,(1):46-88.

[6]戴家朋.生物信息化教學(xué)初探 [J].渝西學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,(3):86-89.

G642

A

1001-7836(2011)04-0085-02

10.3969/j.issn.1001-7836.2011.04.036

2010-05-10

孟凡立 (1978-),女,黑龍江哈爾濱人,講師,博士,從事生物信息技術(shù)教學(xué)研究。