面向?qū)W生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的生物信息學(xué)教學(xué)改革初探①②③

海新+趙健+鄧芳博+張力+楊琪+邱進(jìn)云+劉宏生

摘 要：生物信息學(xué)是近些年迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，已是當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之一，生物信息學(xué)課程已成為高等院校生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的主要課程之一。生物信息學(xué)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，其教學(xué)與其他學(xué)科顯示出明顯的不同，教學(xué)改革的內(nèi)容應(yīng)該著重于提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。該文結(jié)合在生物信息學(xué)教學(xué)改革中的教學(xué)實(shí)踐和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和考試改革等方面討論了如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué) ?創(chuàng)新實(shí)踐能力 ?教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（c）-0143-02

2013年三位美國(guó)科學(xué)家以“為復(fù)雜化學(xué)體系設(shè)計(jì)了多尺度模型”而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，從此生物信息學(xué)（Bioinformatics）真正走到了自然科學(xué)的前臺(tái)，成為未來發(fā)展的重要方向和熱點(diǎn)。生物信息學(xué)是以生物學(xué)為核心和靈魂，以數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)為基本工具的一門交叉學(xué)科，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，獲取、處理、存儲(chǔ)、分發(fā)、分析和解釋生物信息，進(jìn)而揭示大量數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的生物學(xué)意義。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)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力量，目前已經(jīng)成為高等院校生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須掌握的主要專業(yè)課程。要實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)，離不開科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)新人才的培養(yǎng)自然成為高等院校的主要責(zé)任，高等院校教師需要根據(jù)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的要求不斷的開展教學(xué)改革。鑒于生物信息學(xué)的重要作用，最近幾年各高等院校都相繼開設(shè)了生物信息學(xué)課程，但是由于生物信息學(xué)是一門廣泛的交叉學(xué)科，需要學(xué)生具有較扎實(shí)的多學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，且生物信息學(xué)自身發(fā)展迅速，新概念、新算法、新數(shù)據(jù)庫(kù)等層出不窮，需要教師不斷跟進(jìn)，因此生物信息學(xué)的教學(xué)與其他學(xué)科顯示出明顯的不同，舊的教學(xué)方法不能適應(yīng)生物信息學(xué)課程的發(fā)展。生物信息學(xué)教學(xué)改革的內(nèi)容應(yīng)該著重于提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。該文將生物信息學(xué)教學(xué)改革中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，從教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和考試改革等方面，對(duì)在生物信息學(xué)課程的教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力進(jìn)行了討論。

1 教學(xué)理念上強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐能力和自主創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

生物信息學(xué)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，同時(shí)具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。對(duì)于非生物信息學(xué)專業(yè)的生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生，主要課堂目標(biāo)是熟練應(yīng)用各種軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)解決實(shí)際的生物學(xué)問題，而不是研究新算法、開發(fā)新程序。非生物信息學(xué)專業(yè)的學(xué)生一般具有較好的生物學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)于核酸、蛋白質(zhì)等相關(guān)知識(shí)已經(jīng)較為熟悉，在教學(xué)中不必過多重復(fù)，而對(duì)于生物信息學(xué)中的數(shù)學(xué)模型，程序原理等內(nèi)容具有較大的學(xué)習(xí)障礙，經(jīng)過我們的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于這些內(nèi)容的不理解并不會(huì)顯著影響其應(yīng)用軟件的實(shí)踐能力。因此，對(duì)于非生物信息學(xué)專業(yè)的生物信息學(xué)本科課程，應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化復(fù)雜難懂的理論知識(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生可以應(yīng)用生物信息學(xué)工具對(duì)生物數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，解決實(shí)際問題，在使用生物信息學(xué)工具解決實(shí)際問題的時(shí)候?qū)ι镄畔W(xué)產(chǎn)生興趣，增強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2 采用啟蒙式、研討式、運(yùn)用式等生動(dòng)形象的教學(xué)方法

為了強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，采用啟蒙式、研討式、運(yùn)用式等生動(dòng)形象的教學(xué)方法。（1）將授課地點(diǎn)定在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教室，接駁互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)安裝有課堂管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)演示教師的操作。教師在授課過程中結(jié)合具體實(shí)例邊講解邊示范操作，學(xué)生邊聽課邊練習(xí)。（2）對(duì)課件增加圖片、視頻、音頻等多媒體素材，使抽象的、靜態(tài)的生物信息學(xué)知識(shí)以具體的、動(dòng)態(tài)的形式演示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。例如在講解蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)時(shí)，教師需準(zhǔn)備好各種蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)素材，并使用（同時(shí)教會(huì)學(xué)生使用）專業(yè)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)看圖軟件進(jìn)行演示操作，這樣可以顯著提高學(xué)生的實(shí)際操作興趣。（3）進(jìn)行課程錄像，記錄課堂上老師的講課現(xiàn)場(chǎng)和計(jì)算機(jī)操作屏幕的錄像，將視頻放到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上，供學(xué)生課后觀看，降低生物信息學(xué)學(xué)習(xí)難度。（4）進(jìn)行隨堂在線操作練習(xí)，以教師和學(xué)生分別自設(shè)題目的方式開展創(chuàng)新實(shí)踐練習(xí)，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新性思維方式，注重提高理論用于實(shí)踐的綜合能力，同時(shí)更有效地提高學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。（5）采用雙語授課，提高學(xué)生專業(yè)英語能力。生物信息學(xué)的實(shí)際操作離不開數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件，而目前國(guó)際上通用的生物信息學(xué)在線數(shù)據(jù)庫(kù)和常用軟件的界面都是英文，因此學(xué)生必須能看懂生物信息學(xué)相關(guān)概念的英文說法。我們采用雙語授課，對(duì)課程中的關(guān)鍵信息再使用中文重點(diǎn)講解一遍。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對(duì)英文授課及英文軟件有懼怕和惰性心理，對(duì)此我們采用循序漸進(jìn)多次重復(fù)的方式幫助學(xué)生克服最初的懼怕建立信心，在英語授課前一周，教師將多媒體課件通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)發(fā)送給學(xué)生，并列出來關(guān)鍵名詞，供學(xué)生提前預(yù)習(xí)，減少課堂上直接聽英文的難度，在數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件中，安排學(xué)生多次使用同一個(gè)軟件，同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)常用的詞語進(jìn)行重點(diǎn)說明，從而減小學(xué)習(xí)壓力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)信心。本方法增強(qiáng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)生物信息學(xué)自主能力，同時(shí)提高了學(xué)生英文聽、說、讀、寫等能力。（6）發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，教師可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容從網(wǎng)上下載教學(xué)輔助資料，充分利用網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有資源，并通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)為學(xué)生提供教學(xué)資源，將制作的教學(xué)課件、教學(xué)大綱、教學(xué)錄像、參考文獻(xiàn)、思考題、自測(cè)題等上傳到教學(xué)平臺(tái)上，使學(xué)生隨時(shí)隨地在教學(xué)平臺(tái)里面進(jìn)行下載教學(xué)課件、回答問題、提出問題，老師或者同學(xué)可以對(duì)所提問題進(jìn)行網(wǎng)上解答、探討。教師還可以通過網(wǎng)上論壇、聊天室、QQ、E-mail等對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和生活進(jìn)行指導(dǎo)和關(guān)心，可以及時(shí)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。

3 教學(xué)內(nèi)容上增強(qiáng)課程應(yīng)用性

生物信息學(xué)的課程內(nèi)容很多，具有很強(qiáng)的跨專業(yè)性，由于課時(shí)和學(xué)生專業(yè)的限制，我們應(yīng)選擇性地進(jìn)行授課，教學(xué)內(nèi)容主要強(qiáng)調(diào)課程實(shí)踐應(yīng)用性。（1）要在課程的第一節(jié)課明確生物信息學(xué)在生物學(xué)中的作用，講解幾個(gè)有趣而又簡(jiǎn)單的生物信息學(xué)應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（2）對(duì)于理論知識(shí)只講解其中最為基礎(chǔ)而不可缺少的，并結(jié)合實(shí)際操作使學(xué)生形象化、具體化。授課中穿插講解有趣而簡(jiǎn)單的生物信息學(xué)應(yīng)用實(shí)例，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（3）增加實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)踐能力。生物信息學(xué)主要是通過計(jì)算機(jī)軟件完成對(duì)生物數(shù)據(jù)的分析，分析過程中易出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，需要在多次操作實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)才能熟悉。因此增加實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)會(huì)明顯增加學(xué)生的實(shí)踐能力。我們每一節(jié)課分為兩部分，理論講解和實(shí)驗(yàn)操作，在理論講解完成后，馬上開展實(shí)驗(yàn)操作，這樣可以讓學(xué)生理解軟件中應(yīng)用的原理，不會(huì)出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)課時(shí)理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)的現(xiàn)象。（4）生物信息學(xué)發(fā)展迅速，需不斷把握國(guó)際最新進(jìn)展，更新知識(shí)庫(kù)，使學(xué)生學(xué)到最新的技術(shù)，更好的應(yīng)用到實(shí)踐中。因此我們密切關(guān)注學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，掌握最新研究成果，每學(xué)期的教學(xué)隨時(shí)進(jìn)行知識(shí)更新，及時(shí)將國(guó)內(nèi)外及教師的新知識(shí)、新成果作為教學(xué)內(nèi)容的一部分傳遞給學(xué)生。同時(shí)我們使用雙語授課，并保證授課內(nèi)容緊跟生物信息學(xué)的前沿，保證學(xué)生學(xué)到的都是最新的知識(shí)，刺激學(xué)生探索與實(shí)踐的欲望。endprint

4 考試改革上促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維

考試改革的目的是強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng);發(fā)揮教學(xué)中的積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)新性;在加強(qiáng)素質(zhì)教育的基礎(chǔ)上擴(kuò)寬專業(yè)教育;培養(yǎng)“寬厚型、復(fù)合型、創(chuàng)新型、外向型”人才?？荚嚳煞譃槠谀┛荚?、平時(shí)練習(xí)和上機(jī)考試等三部分。期末考試使用傳統(tǒng)的考試方式。平時(shí)練習(xí)為教學(xué)中的課堂練習(xí)題的評(píng)分。對(duì)于上機(jī)考試，我們引入無紙化考核，通過上機(jī)實(shí)踐操作，重點(diǎn)考核學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的隨堂在線操作，隨堂在線測(cè)試的內(nèi)容主要是使用各種軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)分析生物數(shù)據(jù)的操作實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生理論應(yīng)用實(shí)踐的綜合能力。例如給出一個(gè)蛋白質(zhì)的名稱，讓學(xué)生查詢此蛋白質(zhì)的序列、理化性質(zhì)、翻譯后修飾等信息，預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)，三維結(jié)構(gòu)等操作。學(xué)生使用計(jì)算機(jī)在線完成指定的生物信息學(xué)分析內(nèi)容，考查學(xué)生掌握實(shí)踐操作的程度，促進(jìn)學(xué)生注重提高理論用于實(shí)踐的綜合能力，同時(shí)更有效地提高學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。這種考試模式可以顯著的提高學(xué)生實(shí)踐的積極性。

5 結(jié)語

總之，生物信息學(xué)教學(xué)需要培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)的能力和在實(shí)踐中自主創(chuàng)新獲取知識(shí)的技能，使學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。為了提高學(xué)生創(chuàng)新性思維和實(shí)踐操作能力，生物信息學(xué)教學(xué)改革應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行：在教學(xué)理念上，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維的培養(yǎng);在教學(xué)方法上，采用啟蒙式、研討式、運(yùn)用式等生動(dòng)形象的教學(xué)方法;在教學(xué)內(nèi)容上，增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，增強(qiáng)課程應(yīng)用性，理論為實(shí)踐服務(wù);在考試改革上，采用多種考查考核方式促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維。在今后的教學(xué)工作中，我們將繼續(xù)探索行之有效的教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)模式，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，以滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張紀(jì)陽，劉偉，謝紅衛(wèi).生物信息學(xué)課程研究性教學(xué)的實(shí)踐與思考[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2011（4）：51-53.

[2] 張幸果，丁俊強(qiáng)，朱偉，等.關(guān)于如何提高生物信息學(xué)教學(xué)質(zhì)量的探討[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010（3）：194-195.

[3] 石生林，韓艷君，劉彥群，等.非專業(yè)研究生生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的問題及對(duì)策[J].生物信息學(xué)，2009（2）：125-127.

[4] 郭麗，趙楊，婁冬華，等.生物信息學(xué)實(shí)踐課教學(xué)改革探索[J].南京醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2014（2）：165-167.

[5] 蘆秀麗，劉宏生，鄭方亮.E-Learning在高校生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的初步建設(shè)和應(yīng)用[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010（8）：173-174.endprint