農(nóng)業(yè)院校生物信息學(xué)教學(xué)模式探索

姚正培，張 樺，代培紅，夏木斯亞

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

農(nóng)業(yè)院校生物信息學(xué)教學(xué)模式探索

姚正培，張 樺，代培紅，夏木斯亞

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

生物信息學(xué)是一門(mén)由生命科學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透形成的新型交叉學(xué)科，其發(fā)展迅速、應(yīng)用性強(qiáng)，已成為生命科學(xué)研究者強(qiáng)有力的輔助工具。生物信息學(xué)課程在農(nóng)業(yè)院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)中的地位日益提高。本文作者結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐探索，針對(duì)生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的無(wú)合適教材、網(wǎng)絡(luò)資料繁雜、教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)手段單一、考核模式簡(jiǎn)單等問(wèn)題，從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核辦法等方面進(jìn)行了論述，旨在為農(nóng)業(yè)院校開(kāi)展生物信息學(xué)課程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

生物信息學(xué)；教學(xué)模式；探索

生物信息學(xué)是一門(mén)由生命科學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透形成的新型交叉學(xué)科，它利用各種計(jì)算機(jī)軟件、生物學(xué)工具及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)生命科學(xué)研究中產(chǎn)生的各種生物數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、加工及分析，從而達(dá)到理解數(shù)據(jù)中的生物學(xué)含義的目標(biāo)[1-3]。當(dāng)前，生物信息學(xué)已經(jīng)成為生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)等生命領(lǐng)域各學(xué)科發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力量，已成為生命科學(xué)研究者強(qiáng)有力的輔助工具。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)在動(dòng)物植物育種、遺傳資源創(chuàng)新、品種改良、病蟲(chóng)害防治等農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，生物信息學(xué)作為一種實(shí)用、高效的手段被充分利用?！渡镄畔W(xué)》課程也相應(yīng)地被列入各農(nóng)業(yè)院校大學(xué)生教學(xué)計(jì)劃。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)根據(jù)學(xué)校專(zhuān)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及學(xué)生培養(yǎng)需求于2010年將《生物信息學(xué)》課程作為生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)的必修專(zhuān)業(yè)課，通過(guò)三年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)課程教學(xué)中存在的無(wú)合適教材、網(wǎng)絡(luò)資料繁雜、教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)手段單一、考核模式簡(jiǎn)單等問(wèn)題[4-5]，筆者在課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核辦法等方面進(jìn)行了初步探索，本文現(xiàn)就該課程教學(xué)模式作一論述。

一、教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容

由于生物信息學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科，其理論及相關(guān)分析工具發(fā)展迅速、不斷更新，在課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容上也在不斷變化。我認(rèn)為對(duì)于當(dāng)前農(nóng)業(yè)院校生物技術(shù)專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和要求是讓學(xué)生理解掌握生物信息學(xué)相關(guān)的一些基本理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)及實(shí)踐操作，以核酸序列及蛋白質(zhì)序列的實(shí)際分析為主要側(cè)重點(diǎn)，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，使他們能適應(yīng)今后工作學(xué)習(xí)的需要。據(jù)此，確定了以下的教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容共36學(xué)時(shí)，分為理論基礎(chǔ)和上機(jī)實(shí)踐兩部分，理論課中穿插實(shí)例示范，共24學(xué)時(shí)。理論教學(xué)內(nèi)容包括：生物信息學(xué)緒論、生物信息學(xué)的生物學(xué)基礎(chǔ)、生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)及其檢索、序列的基本信息分析及比對(duì)、分子系統(tǒng)發(fā)育分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)及分析、組學(xué)技術(shù)及信息學(xué)分析；上機(jī)實(shí)踐共12學(xué)時(shí)，內(nèi)容包括：常用生物數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢與搜索、核酸序列的分析方法實(shí)踐、多序列比對(duì)和系統(tǒng)發(fā)育分析、蛋白質(zhì)序列分析及空間結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、DNA序列中基因結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)分析。在理論授課中介紹與農(nóng)業(yè)相關(guān)生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用，在實(shí)例分析中選用本校教師相關(guān)研究結(jié)果作為數(shù)據(jù)來(lái)源，拉近學(xué)生與知識(shí)點(diǎn)的距離，提高學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)本課程的意義，通過(guò)講練結(jié)合使學(xué)生掌握相關(guān)實(shí)踐分析能力。

二、教學(xué)材料

1.教材的選擇。生物信息學(xué)目前仍處于飛速發(fā)展時(shí)期，尤其是隨著各種新技術(shù)、新理論及組學(xué)的發(fā)展，涉及到的學(xué)科越來(lái)越多。當(dāng)前生物信息學(xué)專(zhuān)著及教材層出不窮，但中文版書(shū)籍中影印國(guó)外原版教科書(shū)和翻譯書(shū)籍仍占很大比例，這類(lèi)書(shū)籍中，專(zhuān)著專(zhuān)業(yè)性過(guò)強(qiáng)，而教材又多是針對(duì)生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生或“一本”的學(xué)生編寫(xiě)的，難度較大，并且各自側(cè)重點(diǎn)不同，并不適合作為一般的農(nóng)業(yè)院校的生物信息學(xué)教材。筆者在教學(xué)過(guò)程中先后使用了由鐘揚(yáng)等編寫(xiě)、高等教育出版社出版的《簡(jiǎn)明生物信息學(xué)》及由肖浪濤主編、中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社出版的全國(guó)高等農(nóng)林院?！笆晃濉币?guī)劃教材《生物信息學(xué)》作為主要的參考教材。但是，在教學(xué)實(shí)踐中筆者感到《簡(jiǎn)明生物信息學(xué)》由于出版時(shí)間較早（2001年）已不能滿足實(shí)際教學(xué)工作的需要，書(shū)中的很多內(nèi)容都已更新，很多網(wǎng)站頁(yè)面也已重組或失效，而近年被廣泛使用的一些著名生物信息學(xué)軟件亦未涉及。而《生物信息學(xué)》一書(shū)偏重理論知識(shí)介紹，實(shí)例分析及操作應(yīng)用偏少。因此，筆者根據(jù)本校專(zhuān)業(yè)建設(shè)需要及學(xué)生水平編寫(xiě)了適用于本校學(xué)生使用的簡(jiǎn)明教材。教材中理論部分主要參考上述兩本教材，并進(jìn)行了簡(jiǎn)化，降低難度，舍去算法、模型等專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的章節(jié)；實(shí)踐部分參考薛慶中等主編、科學(xué)出版社出版的DNA和蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)分析工具（第2版，2010年）一書(shū)，并附具體實(shí)例，最終形成理論部分簡(jiǎn)明易懂，實(shí)踐部分易學(xué)易用的實(shí)用型教材。

2.生物信息學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件的選擇。生物信息學(xué)發(fā)展迅速，相關(guān)生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)及生物信息軟件數(shù)量不斷增加，版本不斷更新，這為生命科學(xué)相關(guān)研究提供了極大便利，但同時(shí)也為《生物信息學(xué)》課程實(shí)踐部分的教學(xué)帶來(lái)了挑戰(zhàn)與壓力。例如要分析一條蛋白質(zhì)序列的分子量、等電點(diǎn)、氨基酸組成等信息，我們可以使用DNAMAN、Bioedit、DNAStar、Vector NTI等本地軟件分析，也可以使用Prot-Param、SAPS等網(wǎng)絡(luò)在線程序分析。在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，如何選擇數(shù)據(jù)庫(kù)及高效易用的生物信息學(xué)分析軟件也是教學(xué)中一個(gè)重要的問(wèn)題。通過(guò)參考相關(guān)生物信息學(xué)分析的書(shū)籍及近年文獻(xiàn)，綜合考慮數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件的通用型、易用性及本校學(xué)生的英語(yǔ)水平、計(jì)算機(jī)操作水平，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容，我們選擇常用的核酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)GenBank、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)PDB等，軟件方面選擇DNAMAN、Bioedit、Clustal W、MEGA、Primer Premier、RasMol等常見(jiàn)的生物信息學(xué)離線分析軟件及整合于NCBI、EXPASY、PDB等網(wǎng)站上的在線分析軟件開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，而其他軟件在課堂上只做簡(jiǎn)單介紹，具體操作方法作為輔助資料供學(xué)生自學(xué)。這樣學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)可掌握更多的分析內(nèi)容，達(dá)到“高效”的教學(xué)目的。

三、教學(xué)方法

1.及時(shí)更新完善多媒體教學(xué)資料。生物信息學(xué)課程理論知識(shí)較抽象，實(shí)踐操作多，與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系緊密，內(nèi)容更新快，當(dāng)代大學(xué)生已習(xí)慣并樂(lè)于使用各種多媒體途徑獲取信息，這些特點(diǎn)決定了其非常適于進(jìn)行多媒體教學(xué)。為此，我們根據(jù)教學(xué)內(nèi)容開(kāi)發(fā)制作了一套多媒體教學(xué)資料并及時(shí)更新完善。教學(xué)多媒體資料包括PowerPoint課件和Flash動(dòng)畫(huà)，課件注重知識(shí)的層次性、聯(lián)系性，將理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)操作流程等較抽象的生物信息學(xué)知識(shí)通過(guò)大量圖片形象地展示給學(xué)生，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并加快學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解；動(dòng)畫(huà)的內(nèi)容是利用屏幕錄像軟件將實(shí)例分析過(guò)程錄像并配音，最后轉(zhuǎn)為Flash格式，穿插在理論教學(xué)及實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中使用，從而使學(xué)生在自己實(shí)踐操作前先有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)，將理論知識(shí)與實(shí)踐操作有機(jī)聯(lián)系在一起。

2.充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)輔助教學(xué)。生物信息學(xué)是一門(mén)以互聯(lián)網(wǎng)為媒介、計(jì)算機(jī)為工具的學(xué)科。在教學(xué)中，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的使用在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)師生互動(dòng)、強(qiáng)化教學(xué)效果等方面起到了很好的輔助作用。利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，教師可將課程課件、動(dòng)畫(huà)、分析工具、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容等共享給學(xué)生并及時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，學(xué)生可將實(shí)驗(yàn)報(bào)告、作業(yè)、學(xué)習(xí)問(wèn)題及意見(jiàn)反饋給教師，師生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的論壇版塊在課余就學(xué)習(xí)或?qū)嵺`中的問(wèn)題進(jìn)行討論，達(dá)到“教學(xué)相長(zhǎng)”的教學(xué)目的。此外，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)還可將課堂中未詳細(xì)講述的大量數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件的使用過(guò)程及相關(guān)電子參考書(shū)、文獻(xiàn)共享給學(xué)生，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性并拓寬課程外延。

3.邊講邊練，理論知識(shí)密切聯(lián)系實(shí)踐操作。德國(guó)心理學(xué)家艾賓浩斯研究發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程中，最初階段遺忘速度最快，隨著時(shí)間推延，遺忘越來(lái)越慢。因此，為了讓學(xué)生能牢固掌握所學(xué)知識(shí)及實(shí)踐技能，我們?cè)诮虒W(xué)中采取邊講邊練的形式。對(duì)于理論知識(shí)，我們采取課前提問(wèn)、課中提問(wèn)、小測(cè)驗(yàn)及實(shí)踐操作過(guò)程中知識(shí)點(diǎn)重現(xiàn)等方式，使重要理論知識(shí)在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中多次出現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)體系的系統(tǒng)認(rèn)知并強(qiáng)化其對(duì)理論知識(shí)的記憶。對(duì)于實(shí)踐操作，我們采取案例式教學(xué)，直接將實(shí)例分析穿插在理論授課過(guò)程中，并在理論課后及時(shí)安排學(xué)生在計(jì)算機(jī)房上機(jī)聯(lián)網(wǎng)操作，如在講授序列比對(duì)理論課時(shí)，實(shí)例演示使用DNAMAN、Blast等軟件進(jìn)行序列比對(duì)的過(guò)程，并在理論課后緊跟DNAMAN軟件使用、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索的實(shí)踐操作，這樣既加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，還有利于學(xué)生掌握實(shí)踐操作能力。

4.布置實(shí)踐任務(wù)，加強(qiáng)綜合能力培養(yǎng)。生物信息學(xué)教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)。因此，在教學(xué)設(shè)計(jì)上，我們將學(xué)生按4～5人分成小組，通過(guò)學(xué)生自選或制定的方式布置特定實(shí)踐任務(wù)，要求學(xué)生以小組為單位，利用本課程所學(xué)知識(shí)及技能完成任務(wù)并提交任務(wù)報(bào)告。例如，在課程一開(kāi)始講授數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，要求學(xué)生通過(guò)查文獻(xiàn)、了解本校相關(guān)分子生物學(xué)研究?jī)?nèi)容并結(jié)合自己的興趣選擇特定基因，圍繞該基因，在后續(xù)整個(gè)課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中利用掌握的各種生物信息學(xué)分析方法對(duì)其進(jìn)行序列查詢、引物設(shè)計(jì)、序列比對(duì)、編碼區(qū)分析、蛋白理化性質(zhì)預(yù)測(cè)、保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、分子系統(tǒng)發(fā)育分析等操作，過(guò)程中學(xué)生互相討論、取長(zhǎng)補(bǔ)短，最終協(xié)作完成實(shí)踐任務(wù)。這樣既使學(xué)生較全面地掌握了課程內(nèi)容，同時(shí)又加強(qiáng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力。

四、考核辦法

在課程考核方面，本著生物信息學(xué)課程培養(yǎng)實(shí)踐應(yīng)用能力的教學(xué)原則，為使學(xué)生真正掌握生物信息學(xué)的基本理論及實(shí)踐操作，我們改變了過(guò)去閉卷考試占主體或?qū)懻n程論文的簡(jiǎn)單考核方式，采取了過(guò)程考核、實(shí)踐考核并結(jié)合考試考核的方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?？记诩翱陬^提問(wèn)占考核成績(jī)的10%，4次隨堂測(cè)驗(yàn)占考核成績(jī)的20%，上機(jī)操作占考核成績(jī)的20%，實(shí)踐任務(wù)作業(yè)占考核成績(jī)的20%，期末閉卷考試占考核成績(jī)的30%。這樣考核雖然過(guò)程復(fù)雜，對(duì)學(xué)生及教師都帶來(lái)更大壓力，但杜絕了學(xué)生平時(shí)不學(xué)，期末突擊，忽視實(shí)踐的現(xiàn)象，學(xué)生必須注重平時(shí)的學(xué)習(xí)及實(shí)踐操作才能順利通過(guò)課程考核。這樣的考核辦法能夠更客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)一個(gè)學(xué)生對(duì)課程的實(shí)際掌握情況。

隨著生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)各研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，掌握生物信息學(xué)知識(shí)及分析能力已成為農(nóng)業(yè)院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的必備要求，生物信息學(xué)課程也必將在農(nóng)業(yè)院校各相關(guān)專(zhuān)業(yè)建設(shè)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。通過(guò)本課程的教學(xué)實(shí)踐探索，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性、實(shí)踐操作能力、最終學(xué)習(xí)效果均得到提高，筆者也積累了一定經(jīng)驗(yàn)，取得了一定的教學(xué)成效，找到了一些適合農(nóng)業(yè)院校的切入點(diǎn)，但是課程教學(xué)中還有很多需要進(jìn)一步完善改進(jìn)的地方。生物信息學(xué)學(xué)科的快速發(fā)展，也決定了本課程的教學(xué)模式必將是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過(guò)程，相信隨著對(duì)生物信息學(xué)學(xué)科的深入認(rèn)識(shí)，生物信息學(xué)課程教學(xué)模式也將不斷完善，形成自己的獨(dú)特體系。

[1]鐘揚(yáng)，張亮，趙瓊.簡(jiǎn)明生物信息學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]肖浪濤.生物信息學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2006.

[3]王祿山，高培基.生物信息學(xué)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4]胡娜，常軍，徐玲.生物信息學(xué)教學(xué)改革與探索[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（3）：1588-1589.

[5]梁琛，張建海.農(nóng)科類(lèi)生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題及對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2010，30（5）：136-137.

G642.0

A

1674-9324（2014）20-0214-02

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目。

姚正培，碩士，講師，2007年至今任教于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，在校主講生物信息學(xué)、生物化學(xué)等課程，研究方向?yàn)橹参锟鼓娣肿由飳W(xué)。