面向生物信息學本科專業(yè)的《遺傳學》教學要點及模式探索

張靖楠 黃進勇 張廣娜

摘要：遺傳學是生命科學的基礎學科之一，已廣泛地被國內各類院校列為生物類專業(yè)的必修課。生物信息學專業(yè)在國內起步較晚，鑒于其專業(yè)性質及培養(yǎng)目標的特點，面向該專業(yè)學生的《遺傳學》課程應在知識體系、內容側重點設置以及教學方法等方面，區(qū)別于其他傳統(tǒng)生物學專業(yè)。本文從教學實踐出發(fā)，就合理優(yōu)化生物信息學專業(yè)《遺傳學》課程的教學內容及教學方法提出了一些見解，以適應該專業(yè)對學生的培養(yǎng)需求。

關鍵詞：生物信息學 遺傳學 教學方法 教學內容

遺傳學（Genetics）是研究自然界中生物的遺傳和變異規(guī)律的科學，是生命科學領域中最為重要和基礎的學科之一。它也是生物科學中一門最具活力，發(fā)展最迅速的理論科學，又是一門緊密聯(lián)系生產實際的基礎應用科學，對探索生命起源和本質，推動整個生物科學的發(fā)展起著巨大的作用。因此，遺傳學作為生命科學相關專業(yè)的一門重要主干課程，在教學中起著舉足輕重的作用。

一、生物信息學專業(yè)開設遺傳學的必要性

20世紀80年代末，由分子生物學、計算機科學以及信息技術等學科的交叉和結合產生了生物信息學（Bioinformatics），它是基于分子生物學與多種學科交叉，以計算機為工具對生物相關信息進行儲存、檢索和分析的科學，是當今生命科學和自然科學的重大前沿領域之一。近20年，特別是隨著人類基因組計劃（human genome project，HGP）不斷拓進，生物信息學作為跨越和融合生命科學與信息技術的新興學科已成為生命科學核心領域和最具活力的前沿領域之一。生物信息學專業(yè)應運而生。國內單獨設立生物信息學本科專業(yè)的高校較少，且普遍較晚。

遺傳學與生物信息學兩個學科之間關系密切。有國內學者利用美國《科學引文索引》（SCI）數(shù)據(jù)庫web of science，運用文獻計量學方法對8種權威生物信息學期刊2001年至2010年于2011年1月15日之前上傳至wed of science的全部文獻進行統(tǒng)計及分析。對施引文獻按跨學科強度排列的結果顯示，遺傳學及基因與生物信息學跨學科文章發(fā)表量居第二位，僅次于生物化學與分子生物學。這說明，生物信息學與遺傳學直接的跨學科研究較多，二者交叉學科的發(fā)展關系密切。因此，生物信息學專業(yè)開設《遺傳學》課程十分必要。

二、遺傳學教學中存在的問題

多年來，不同專業(yè)的《遺傳學》課程的教學過程中涌現(xiàn)出一些共性問題，這些問題在生物信息學本科專業(yè)的教學過程中也存在。一是，學科拓展深化與課時壓縮之間的矛盾。隨著遺傳學研究范疇的不斷拓展，新的學科分支相繼涌現(xiàn)，信息量逐步擴增，待教授內容逐漸增加且顯得零散。但隨著大學素質教育改革的進行，更多新的選修課、實驗課被引入，遺傳學理論課時被壓縮，課時減少與內容增多的矛盾日益突顯。二是，遺傳學與其他課程教學內容設置與組織易重復。學科交叉為科研工作提供源源不斷的動力，但在教學工作中學科滲透也造成教學內容重疊，基礎和關緊技術重復教學的問題。例如，分子遺傳學是遺傳學重要組成部分，是目前遺傳學研究的重點和熱點，與生物信息學關系最為緊密，它包括的遺傳物質的本質，基因的調控，基因重組等內容也在基因工程、分子生物學、細胞學等課程中作為講授重點。如何利用有限的理論課時，合理安排教學內容，提高教學效率值得思考。

與此同時，生物信息學作為比較新的本科專業(yè)，開設各課程之間的銜接問題也比較突出。生物信息學專業(yè)的學生在大二開始全面生命科學和信息技術相關程學習。在理論知識在實際中如何應用缺乏概念，學生達不到共鳴，這也是生物信息學專業(yè)低年級學生面臨的通病。遺傳學課程安排在大學二年級上學期講授，對于剛剛接觸專業(yè)課程的學生而言本來就陌生，而且信息技術和生命科學相關課程獨立講授，二者貌似是兩條平行線，怎樣相交碰撞出火花，對于學生來說很難結合，必須由任課老師在授課過程中充分引導。傳統(tǒng)的《遺傳學》課程教學注重以雜交分析為主的經典遺傳學理論的講解，很大篇幅集中在三大定律（分離定律、自由組合定律以及連鎖和互換定律）的教授上。遺傳學課程教學重點集中在經典遺傳學定律，經典案例跟不上學科發(fā)展。這個問題已經被一線教育工作者認知。

綜上，由于學科本身發(fā)展迅速，涵蓋知識范圍越來越廣，課時壓縮等原因，容易讓學生在學習過程中對該課程產生“內容太發(fā)散”“課時進程快”“知識跨越大”等認識，不利于課程的學習。由此可能造成，內容廣泛且繁雜“抽象且深奧”枯燥無味，容易讓學生覺得難或者枯燥。學生學習主動性不高。因此，在教學實踐中，針對不同專業(yè)性質和培養(yǎng)目標存在的差異，不同專業(yè)《遺傳學》課程教學應在知識體系、內容側重點、教學方法等方面在各專業(yè)間有所區(qū)分。特別是生物信息學這種學科交叉性強的專業(yè)，如何實施該專業(yè)本科生遺傳學的教學，以達到即符合本科教學難易程度的要求，又被大多數(shù)同學接受，同時能符合生物信息學學科自身特點，需要在教學過程中逐步的探索與實踐。本文將結合資深授課教師經驗及筆者生物信息學本科專業(yè)《遺傳學》教學經歷對這一問題進行闡述。

三、教學過程中的探討與實踐

1.制定具有專業(yè)特色的教學內容

（1）優(yōu)化教學內容，關注專業(yè)需求

生物信息學專業(yè)的課程教學中，遺傳學相關知識是需要講授的重點。傳統(tǒng)遺傳學課程教學將重點內容集中于經典遺傳學定律及其相關知識的講授，其優(yōu)點在于能夠幫助學生打牢遺傳學知識基礎，缺點在于教學內容過于單一，沒有包含遺傳學重要分支的最新知識，無法與當前的研究熱點聯(lián)系起來，學生學習興趣不高。隨著國際遺傳學研究的深入，分子遺傳學和群體遺傳學得到長足發(fā)展，極大地豐富了遺傳學的知識體系。為了緊跟國際研究前沿，國內許多高校對遺傳學課程進行了教學改革，在經典遺傳學教學的基礎上，紛紛加入了分子和群體遺傳學的教學內容，為后續(xù)開展更深入的專業(yè)研究和學習奠定了良好的知識基礎。為了幫助學生對遺傳學知識體系形成全面而系統(tǒng)的認識，結合生物信息學專業(yè)特點，在教學設計時借鑒了以“遺傳信息”為主線的教學思想，教學內容涵蓋了“經典”“分子”和“群體”三類主體遺傳學內容。在現(xiàn)實教學中，受遺傳學課時限制，對所有遺傳學知識點進行了梳理和必要的刪減，既把握三種遺傳學知識的內在聯(lián)系，做好各部分知識的教學銜接，同時注意區(qū)分三者的不同，突出教學重點，做到“主題鮮明，重點突出，點面結合，結構清晰”，使學生在掌握經典基礎理論知識的同時了解最新的遺傳學研究進展。

（2）生物信息學專業(yè)遺傳學課程與其他課程的銜接

遺傳學是研究生物遺傳和變異的科學，以遺傳物質結構和功能為研究對象，是生命科學的主干。因此，與其他學科在內容上有交叉或重疊無法避免。同中求異，突出遺傳學的特色，是教學中值得研究的問題。遺傳物質的本質、染色體畸變、基因突變、遺傳調控等章節(jié)與微生物學、細胞生物學、生物化學內容重復較多，可以強調知識結構的完整性，淡化這些內容的分子結構和生化過程的講解。例如，結合孟德爾定律和摩爾根定律案例，著重從染色體和基因角度切入，增強遺傳學色彩，同時對其他課程起到提綱挈領的作用。

（3）結合生物信息學，引入最新研究成果，體現(xiàn)前沿性

在處理好學科銜接之后，還需要關注的就是內容與生物信息學的結合。學生在學習過程中，最想了解的莫過于，這門課程與我的專業(yè)有什么聯(lián)系？因此，在講授內容中加入生物信息學手段解決遺傳學問題的新成果既體現(xiàn)前沿性，又能提高遺傳學課程的專業(yè)針對性。教師平時要多注意積累教學素材，對于現(xiàn)階段比較熱點且與生物信息學相關的、應用性強的問題，要在課程基礎知識講授后，進行一定拓展。例如，在講授基因定位和遺傳圖繪制時，引入用EST進行基因定位及遺傳圖譜繪制等內容；在講到遺傳家譜時，引入通過對患病群體或家系進行外顯子組測序分析，對小家系孟德爾遺傳病的致病基因進行鑒別和定位的例子。通過引入生物信息學教學例子，不僅可以使學生加深對遺傳學知識的理解，還可幫助學生了解生物信息學最新進展，激發(fā)對后續(xù)生物信息學專業(yè)課程的學習興趣。

2.教學方法多樣化，提升學生學習興趣

遺傳學教學內容繁雜、理論性強，不易理解。為了提高教學效果，在教學模式上必須變“以教師為主體”為“以學生為主體”，注重采用靈活多樣的教學方法和手段，開展多媒體教學、案例教學和研討教學等，將傳統(tǒng)抽象、枯燥的說教式教學轉變?yōu)榫唧w、生動的參與式教學，增強教與學的雙向互動。

（1）多媒體教學方式

計算機多媒體輔助教學改變了傳統(tǒng)的黑板加粉筆，以教師為中心灌輸式教學模式。多媒體通過實時可交互的多維動畫及圖像展示，可以增強教學內容的展示效果，提高課堂教學的信息量和容積率，提升學生學習興趣，加深對枯燥晦澀知識點的理解，提高教學效率。充分利用多媒體課件的超文本功能、交互功能、網絡功能的優(yōu)勢，比如Holliday模型是分子水平上關于遺傳重組機制的重要模型，很好解釋了基因轉變現(xiàn)象。在講到Holliday模型時，為了讓學生直觀了解單鏈交換重接及分支移動后的Holliday交叉旋轉180度形成Holliday異構體的過程，采用了動畫、圖片、電子板書相結合的方式，很容易讓學生理解空間旋轉互換的過程，以及基因轉變產生的原因等較難理解的知識點，反響較好。此外，聲音、視頻、動畫、圖片等便于學生拆解枯燥內容。

（2）案例教學

案例教學是一種創(chuàng)新型的教學方式，主要通過開放課堂、增強互動，培養(yǎng)學生運用所學知識解決實際問題的能力。案例教學需要結合本課程的專業(yè)理論知識，著眼于達成課程教學目的，編寫和準備基于一定事實且具有一定場景的教學案例，這些教學案例要能夠啟發(fā)學生的思考，促進學生將從外部學習的知識吸收轉化內在的專業(yè)素養(yǎng)和能力。在教學實踐中，教學案例是“教”與“學”互動的橋梁和紐帶，使枯燥乏味的學習過程變得活潑有趣；“教”不是告訴學生怎么去做，而是啟發(fā)學生如何去思考，對學生針對案例問題提出的解決思路進行引導和評價，鼓勵學生創(chuàng)新性思考，找到最優(yōu)的問題解決方法；“學”不是被動的接受，而是主動的思考和創(chuàng)造，通過與他人而不僅僅是老師進行互動和交流，加深對知識的理解，培養(yǎng)解決實際問題的能力。

案例教學的核心是精心設計教學案例，將知識內化在符合實際又富于想象的故事情景中，使得學生通過身臨其境將抽象的理論知識具體化，學會如何用概念性和原理性知識在實際工作和研究中解決問題，進而加深對特定原理和概念內涵的理解。在教學實踐中，先以典型案例提高學生興趣，把抽象的東西具體化，讓學生變被動接受為主動思考，激發(fā)學生的求知欲。注重培養(yǎng)學生創(chuàng)造力和解決問題的能力。通過案例的分析，深化學生對基本原理、基本概念的理解。案例教學能很好地啟發(fā)學生進行自主思考，對于理論性較強，比較枯燥的內容，通過案例式教學能激發(fā)學生學習興趣。所舉案例應具有針對性，要考慮案例產生的時間、背景和條件，要貼近生活，耳熟能詳，與時俱進。在處理問題的同時，獲取知識。進行案例教學過程中，要注重與學生的互動。圍繞教學目的，選擇合適案例，進行啟發(fā)式教學，調動學生參與性。教師不能一味平鋪直敘的講案例，還要注意學生的參與度。只有學生和教師共同參與，才能達到預期教學效果。

（3）以學生為主體的教學

以往課程中，往往針對經典類型習題進行講解，參考“標準答案”。在實際教學中發(fā)現(xiàn)，這樣往往造成學生思想禁錮，學科交融性不夠。特別是對于生物信息學專業(yè)的學生來說，傳統(tǒng)習題課或者討論課，沒有實用效果。習題課及討論課應注重實用性，關注遺傳學與生物信息學學科發(fā)展與融合，設置開放性答案，突出培養(yǎng)學生創(chuàng)新性的應用能力。

課堂教學不僅要“授業(yè)”，更要“傳道”，即培養(yǎng)學生如何學習和如何思維。根據(jù)教學內容和學生的認知水平，研究、討論、交流式的教學模式的引入，有助于調動學生積極性。采用專題自學，規(guī)定材料與學生自學有機的結合起來，開展研討，充分體現(xiàn)學生觀點。同時，教師只起到點評引導作用，能培養(yǎng)學生獲取信息、分析問題、創(chuàng)造性的解決問題的能力，有利于學生形成科研創(chuàng)新意識。教師如何正確引導是開展研討式教學的重點。首先，應明確課程在相關領域中的作用和地位，了解課程的教學內容，選擇課程中適合研討的內容，并將研究與討論貫穿教學的全過程。在選擇題目時，要考慮專業(yè)相關程度及考慮不同學生層次的需求，考慮學生個體間的差異，難度適宜。

四、結語

生物信息學本科專業(yè)遺傳學的教學，以孟德爾定律為基礎，分析遺傳物質的存在形式、傳遞、保存及變化，課程脈絡更加清晰，通過案例教學的等教學模式，激發(fā)興趣，并有利于與后續(xù)課程連接，在實踐教學中體現(xiàn)了比較好的教學效果。因為生物信息學專業(yè)的需求與傳統(tǒng)生物專業(yè)有差異，教學內容側重點不同這給教師備課增加了難度。同時，在期末考核時，由于講授側重點不同，考試側重點也應有所區(qū)別，在師資允許的前提下，引入小班教學，有利于教學側重點突出。后續(xù)課程如果設置分子遺傳學，將使知識體系更加完整。

參考文獻：

[1]李巨超，李楠.適應應用型人才培養(yǎng)模式的遺傳學教學改革與探索[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2012，（2）：66.

[2]巴恩斯.遺傳學工作者的生物信息學[M].丁衛(wèi)，李慎濤，廖曉萍，譯.北京：科學出版社，2009.3.

[3]皮妍，林娟，侯嶸，等.國內高校遺傳學教材發(fā)展研究[J].遺傳，2009，31（1）：109-112.

[4]武妍，胡德華.生物信息學跨學科研究[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學進展，2012，（12）：137-141.

[5]戴凌燕，姜述君，高亞梅.《生物信息學》課程教學方法探索與實踐[J].生物信息學，2009，（7）：311-313.

[6]邢萬金，莫日根，阿拉坦高勒，等.以遺傳信息為主線的遺傳學教學架構及與其他課程的銜接[J].遺傳，2011，33（6）：661-664.