生物信息學(xué)實踐教學(xué)體系的構(gòu)建與實踐

舒坤賢，袁 帥

(重慶郵電大學(xué) 生物信息學(xué)院，重慶 400065)

生物信息學(xué)(bioinformatics)是生物學(xué)與數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)交叉所形成的一門新興學(xué)科，根據(jù)美國國立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health, NIH)的定義生物信息學(xué)是“研究、開發(fā)或者應(yīng)用計算工具和方法來擴展對生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、行為科學(xué)和衛(wèi)生數(shù)據(jù)的使用，包括獲取、存儲、組織、分析和可視化這些數(shù)據(jù)”[1]。它隨著1990年人類基因組計劃(Human Genome Project, HGP)的實施和信息技術(shù)的發(fā)展而誕生，現(xiàn)已迅速發(fā)展成為當(dāng)今生命科學(xué)最具吸引力和重大的前沿領(lǐng)域，為生物學(xué)、計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)等專業(yè)的高素質(zhì)人才提供了更廣闊的發(fā)展天地。目前，美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、哈佛大學(xué)等世界知名大學(xué)，我國也包括上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等21所高等院校開辦了生物信息學(xué)本科專業(yè)[2-5]，更多的高校開設(shè)了生物信息學(xué)課程[6]，但是目前還沒有成熟的、完善的教學(xué)模式。如何在高校中進行生物信息學(xué)教學(xué)，尤其是實踐教學(xué)，亟需探索。

重慶郵電大學(xué)作為一所以信息科學(xué)技術(shù)為特色和優(yōu)勢的高校，是我國數(shù)字通信的發(fā)源地。2000年成立生物信息學(xué)院，2006年開始招收生物信息學(xué)本科專業(yè)，現(xiàn)對我們在生物信息學(xué)實踐教學(xué)體系構(gòu)建方面的工作進行總結(jié)，提出幾點見解，期盼能“拋磚引玉”，引起同行專家學(xué)者的關(guān)注和探討，由此推動生物信息學(xué)實踐教學(xué)質(zhì)量的提高。

一 明確實踐教學(xué)目標(biāo)

建設(shè)一流的生物信息實踐教學(xué)平臺，形成“產(chǎn)學(xué)研用”為導(dǎo)向的層次型模塊化的實踐教學(xué)人才培養(yǎng)體系。

二 生物信息學(xué)實踐教學(xué)平臺的構(gòu)建

學(xué)校專門成立了生物信息實驗中心，所涉及到的生物信息包括三個層次：一是分子細(xì)胞水平的DNA、RNA及蛋白質(zhì)等分子信息，二是個體水平的生理、病理信息，三是整體水平的生命之樹信息。基本上涵蓋了目前生物信息的所有內(nèi)容。

以“生物”為基礎(chǔ)，以“信息”為主線。先后設(shè)立三個實驗平臺(圖1)：生物信息采集平臺、生物信息分析處理平臺和生物信息應(yīng)用平臺。

圖1 生物信息實驗中心的三個平臺

三 建立層次型、模塊化實驗教學(xué)體系

生物信息學(xué)時實踐性很強的科學(xué)，我們在圍繞“為什么培養(yǎng)人才，培養(yǎng)什么樣的人才，如何培養(yǎng)人才，人才培養(yǎng)效果如何體現(xiàn)”開展實驗教學(xué)。在培養(yǎng)模式中導(dǎo)入“產(chǎn)學(xué)研用”的層次型、模塊化的實踐教學(xué)體系(圖2)。該實驗教學(xué)體系具有“厚基礎(chǔ)、多實踐、強創(chuàng)新、開放式”的特征，實現(xiàn)了以實驗和實習(xí)項目為載體，通過啟發(fā)式、互動式、研究式的實踐教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展自己的興趣與特長，綜合培養(yǎng)學(xué)生的“專業(yè)思維、動手能力和創(chuàng)新素質(zhì)”。

圖2 生物信息層次型、模塊化實踐教學(xué)體系

(一)層次型教學(xué)體系

層次型體現(xiàn)在人才培養(yǎng)過程的不同階段和生物信息學(xué)的認(rèn)知規(guī)律，包括基礎(chǔ)類實驗教學(xué)、綜合性實驗教學(xué)和創(chuàng)新性科實踐教學(xué)。不同層次的實踐教學(xué)側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生不同的素質(zhì)和能力?；A(chǔ)類實驗教學(xué)以基礎(chǔ)性和驗證性實驗為基礎(chǔ)，逐步增加綜合性和創(chuàng)新性實驗的比例，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和基礎(chǔ)知識體系；綜合性實驗教學(xué)以綜合性為特點，培養(yǎng)學(xué)生實踐技能和綜合能力；創(chuàng)新性科研實踐訓(xùn)練以創(chuàng)新性為特點，重點培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。當(dāng)然，三個層次不可割裂，專業(yè)知識驗證和專業(yè)思維培養(yǎng)以及創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)與提高始終是貫穿在整個實踐教學(xué)過程中的。

(二)模塊化課程體系

模塊化體現(xiàn)在生物信息采集、生物信息處理和生物信息應(yīng)用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)既有各自特殊的規(guī)律，又有共同的學(xué)科基礎(chǔ)。以生物為對象，以信息為主線，形成了3個模塊，即生物信息采集類實驗課程、生物信息處理類實驗課程和生物信息應(yīng)用類實驗課程。每個模塊的實驗課程包含基礎(chǔ)類教學(xué)實驗、綜合性實驗教學(xué)和共享的科研實踐訓(xùn)練，具有系統(tǒng)的學(xué)科知識體系和實踐體系，各模塊實驗之間又具有很好的有機聯(lián)系。通過這樣的課程體系設(shè)置，可以實現(xiàn)模塊之間的互通和連接，促進學(xué)科的交叉融合，從而使學(xué)生真正達(dá)到“厚基礎(chǔ)、寬口徑”，并使學(xué)生從實踐教學(xué)層次認(rèn)識學(xué)科交叉的重要性。

四 加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的管理

健全的管理機構(gòu)、規(guī)范的管理制度和優(yōu)質(zhì)的軟硬件教學(xué)條件是實踐教學(xué)體系順利實施的重要保障，是影響實踐教學(xué)的重要因素。

(一)層次型的管理機構(gòu)

實驗中心接受校、院二級管理，學(xué)校設(shè)主管教學(xué)副校長，教務(wù)處是全校實驗管理工作的行政職能部門，專門設(shè)立實踐教學(xué)管理機構(gòu)，行使學(xué)校對實驗室協(xié)調(diào)、管理職能。生物信息學(xué)院配備一名副院長參與實驗中心日常教學(xué)管理工作。

實驗中心推行學(xué)術(shù)委員會領(lǐng)導(dǎo)下的主任負(fù)責(zé)制，中心主任、副主任由學(xué)校聘任。歷任主任、副主任均由熱愛教學(xué)了解國內(nèi)外生物信息實驗教學(xué)體系，教學(xué)理念先進，學(xué)術(shù)水平高的老師擔(dān)任；中青年骨干教師擔(dān)任實驗教學(xué)人員，由中心統(tǒng)一管理。中心實驗技術(shù)人員在行政上是獨立的行政單位，同時由經(jīng)驗豐富的教授、博士教師和企業(yè)技術(shù)骨干擔(dān)任實驗教學(xué)兼職人員，建立了一套科學(xué)聘任辦法，規(guī)范管理制度，激勵廣大實驗教學(xué)人員，積極向上，保障實驗教學(xué)順利進行。

(二)信息化、網(wǎng)絡(luò)化管理

建立實驗信息平臺主要包括開放實驗網(wǎng)上預(yù)約管理系統(tǒng)、中心網(wǎng)站和學(xué)院網(wǎng)站。該實驗平臺作為一個有機整體，已與學(xué)校其他實驗室管理平臺進行了聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、信息等資源共享，達(dá)到了以下功能和效果：

1)建立了較為完善的網(wǎng)上選課系統(tǒng)，作為學(xué)校選課系統(tǒng)的補充，在實驗教學(xué)中發(fā)揮了很好的作用。

2)為實驗教學(xué)服務(wù)，如發(fā)布教學(xué)安排、教學(xué)大綱、實驗項目設(shè)置、實驗技術(shù)交流、教學(xué)管理制度等；物資管理，如顯示儀器設(shè)備、實驗室分布、操作規(guī)程、儀器設(shè)備管理制度等；下載實驗電子教案、課件等，便于學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。

3)為學(xué)生提供了越來越豐富的網(wǎng)上教學(xué)資源。學(xué)生可以在中心網(wǎng)站上察看實驗課程，中心配微機室，方便學(xué)生進行實驗?zāi)M、數(shù)據(jù)處理、撰寫實驗報告以及提交實驗報告等，充分保證了信息平臺和網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用。

(三)開放運行

以學(xué)生為本，重視實驗室開放在人才培養(yǎng)中的作用，采用一系列切實有效的措施，保證試試效果。實驗中心實行全天候開放(上午8:00—12:00；下午2:00—6:00；晚上7:00—10:00)；其余時間，學(xué)生可以通過網(wǎng)上或電話預(yù)約等方式進行預(yù)約。在實際操作中，注意了學(xué)生課堂內(nèi)、外的學(xué)習(xí)與實踐活動的合理安排。建立了第一課堂和第二課堂互動和并重的實驗教學(xué)模式。課程體系尊重學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與求知愿望，體現(xiàn)學(xué)生的“主體地位”，充分展示了以學(xué)生為主體。

開放空間主要包括分子生物學(xué)重點實驗室、生物信息學(xué)實驗室、高性能計算中心、數(shù)字醫(yī)療儀器開發(fā)實驗室等；開放對象包括本科生、研究生、教師、合作單位及社會各界人士；開放內(nèi)容包括課程教學(xué)實驗、大學(xué)生創(chuàng)新實驗、校內(nèi)外科研項目實驗等。中心在高效利用實驗平臺和項目資源的基礎(chǔ)上，提高了師生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生動手能力及創(chuàng)新能力。

實驗中心實行導(dǎo)師制，優(yōu)秀學(xué)生在導(dǎo)師指導(dǎo)下從低年級起，就在課余時間進入開放實驗室開展科研工作，使學(xué)生得到全方位的科研訓(xùn)練，學(xué)到了科學(xué)研究的思維方式和科研方法。

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