探究式教學(xué)在基因組學(xué)課程中的實(shí)例研究：基于比較基因組學(xué)鑒定大腸桿菌致病因子

周紀(jì)東，李余動(dòng)

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探究式教學(xué)在基因組學(xué)課程中的實(shí)例研究：基于比較基因組學(xué)鑒定大腸桿菌致病因子

周紀(jì)東1，李余動(dòng)2

1. 浙江育英職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物技術(shù)系，杭州 310018；2. 浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，杭州 310018

基因組學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)中眾多“組學(xué)”研究方法的核心，越來越受到高校生物教學(xué)的重視，但目前關(guān)于其教學(xué)方法的研究報(bào)道較少。文章以大腸桿菌致病因子的比較基因組學(xué)教學(xué)作為一個(gè)專題教學(xué)實(shí)例，展示探究式教學(xué)法在基因組學(xué)課程中的應(yīng)用。學(xué)生首先以Mauve軟件比較不同大腸桿菌的基因組，分析基因的保守性，并以BLAST檢索基因的功能注釋信息，從而鑒定其是否為致病因子基因。在該專題教學(xué)中，整個(gè)教學(xué)過程通過情境、資源、任務(wù)、過程、評(píng)價(jià)5個(gè)模塊來組織實(shí)施。教學(xué)效果表明，通過探究式教學(xué)的應(yīng)用，學(xué)生在掌握基因組學(xué)課程知識(shí)與專業(yè)技能的基礎(chǔ)上，提高了科研興趣與自主學(xué)習(xí)能力。此外，該專題教學(xué)內(nèi)容還可應(yīng)用于其他相關(guān)課程如微生物學(xué)、生物信息學(xué)、分子生物學(xué)及食品安全檢測技術(shù)等。

探究式教學(xué)；基因組學(xué)；致病因子；自主學(xué)習(xí)

基因組學(xué)(Genomics)是從系統(tǒng)整體的觀念研究生物體全部遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的新興學(xué)科，也是當(dāng)代生命科學(xué)“組學(xué)”理論體系和研究方法的核心[1,2]。在人類基因組計(jì)劃的影響下，基因組學(xué)迅猛發(fā)展，與人類疾病診斷、生物起源進(jìn)化、新藥開發(fā)、生物病原鑒定等重要問題息息相關(guān)，對(duì)人類社會(huì)的許多方面產(chǎn)生重大影響[3]?；蚪M學(xué)作為一門生命科學(xué)前沿課程和交叉課程，面向生物技術(shù)等相關(guān)專業(yè)學(xué)生，為豐富學(xué)生知識(shí)面、完善知識(shí)結(jié)構(gòu)和提高創(chuàng)新能力，以及強(qiáng)化學(xué)生對(duì)生命科學(xué)前沿領(lǐng)域?qū)W術(shù)探索的敏感性，都有著重要影響。目前，該課程已成為高校生物技術(shù)課程體系中的重要組成部分, 國內(nèi)外許多高校生物技術(shù)等相關(guān)專業(yè)都將其設(shè)為必修課或選修課[4]。

探究式教學(xué)是20世紀(jì)50年代美國著名課程理論家和生物學(xué)家施瓦布教授提出的[5,6]，通過為學(xué)生提供一個(gè)真實(shí)的問題情境，讓學(xué)生像“科學(xué)家”一樣，運(yùn)用探究的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過探究問題的提出、解決和觀點(diǎn)的形成過程，從中真正了解科學(xué)知識(shí)的本質(zhì)、受到科學(xué)方法的教育，形成理性批判的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，是一種融知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高為一體的教育模式[6,7]。

針對(duì)基因組學(xué)的綜合性與復(fù)雜性，其課程內(nèi)容具有難點(diǎn)多、進(jìn)展快、與其他課程交叉性強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來授課教師積極探索，在教學(xué)過程中嘗試引入過程啟發(fā)式教學(xué)法、討論式教學(xué)法、互動(dòng)教學(xué)法等，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“注入式”教學(xué)過程，以充分提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與培養(yǎng)科研思維能力[2,3,8]。2012年至今，浙江育英職業(yè)技術(shù)學(xué)院與浙江工商大學(xué)開展教學(xué)改革合作，嘗試對(duì)浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院生物工程專業(yè)學(xué)生開展基因組學(xué)課程探究式教學(xué)模式的改革，旨在對(duì)學(xué)生的科研思維和綜合素質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)，受到學(xué)生的歡迎和肯定。文章以大腸桿菌致病因子的比較基因組學(xué)教學(xué)為專題教學(xué)實(shí)例，展示探究式教學(xué)法在基因組學(xué)課程中的應(yīng)用。

1 基因組學(xué)課程探究式教學(xué)的設(shè)計(jì)

依據(jù)“學(xué)生主體，教師輔導(dǎo)”原則，教師以當(dāng)前熱點(diǎn)、焦點(diǎn)事件中與基因組學(xué)課程中知識(shí)重點(diǎn)、技術(shù)難點(diǎn)有關(guān)的“關(guān)鍵詞”為研討專題，輔以相關(guān)文獻(xiàn)為研讀資料，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源、實(shí)驗(yàn)室資源等學(xué)習(xí)資源，在研究情境中引導(dǎo)學(xué)生采用自主學(xué)習(xí)、小組研討和全班交流等方式開展課程學(xué)習(xí)(圖1)。

其中，教師要根據(jù)課程教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容，篩選與知識(shí)重點(diǎn)、技術(shù)難點(diǎn)相關(guān)的“關(guān)鍵詞”，設(shè)計(jì)研討專題，檢索并下載相關(guān)文獻(xiàn)，整合相關(guān)學(xué)習(xí)資源，指導(dǎo)學(xué)生研讀文獻(xiàn)和開展練習(xí)、制作講稿并進(jìn)行全班交流。學(xué)生則根據(jù)興趣選擇研討專題，按4~8人自由組合成若干學(xué)習(xí)小組，在充分研讀文獻(xiàn)和利用相關(guān)學(xué)習(xí)資源的基礎(chǔ)上，進(jìn)行小組討論，制作PPT講稿，并在全班進(jìn)行演講、答疑和討論。

圖1 基因組學(xué)課程探究式教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖

2 大腸桿菌致病因子的比較基因組學(xué)專題教學(xué)實(shí)例

2.1 專題教學(xué)過程設(shè)計(jì)

本次教學(xué)過程設(shè)計(jì)見表1，包括教學(xué)模塊、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)地點(diǎn)及課時(shí)安排。

2.2 專題教學(xué)過程組織實(shí)施

2.2.1 情境模塊

情境內(nèi)容不僅要貼近生活，還要能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其進(jìn)一步探索的動(dòng)機(jī)。教師通過介紹近些年因大腸桿菌致病菌感染造成的印度“超級(jí)細(xì)菌”與德國“毒黃瓜”事件，引發(fā)學(xué)生對(duì)大腸桿菌及其致病因子專題的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生帶著明確的目標(biāo)進(jìn)入研習(xí)過程。

2.2.2 資源模塊

教師要為學(xué)生提供完成任務(wù)所必須的、各種軟硬件資源。目前，已有不少用于基因組序列比對(duì)的軟件，其中Mauve軟件具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)如：圖形界面良好、操作方便、可以比較多個(gè)基因組序列等，非常便于學(xué)生學(xué)習(xí)與理解基因組比對(duì)，成為基因組教學(xué)中理想的工具(圖2)。Mauve軟件可從網(wǎng)站(http: //gel.ahabs.wisc.edu/mauve/)免費(fèi)下載。

基因功能的注釋信息可以通過在線BLAST搜索美國國立生物技術(shù)信息中心(National center for biotechnology information, NCBI)的GenBank數(shù)據(jù)庫，或美國能源部聯(lián)合基因組研究所(Joint genome institute, JGI)開發(fā)的綜合微生物基因組(Integrated microbial genomes, IMG)數(shù)據(jù)庫獲得。關(guān)于同源序列搜索工具BLAST的使用方法與結(jié)果解釋，學(xué)生可以查閱學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)資源，如NCBI網(wǎng)站(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/)的幫助文檔。

表1 專題教學(xué)過程安排

圖2 Mauve軟件界面及其基因組比對(duì)結(jié)果分析

2.2.3 任務(wù)模塊

任務(wù)是教學(xué)目標(biāo)的具體化，是一個(gè)可以完成的、清晰明確的、操作性強(qiáng)的學(xué)習(xí)任務(wù)。教師要求通過本次專題教學(xué)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)以下學(xué)習(xí)任務(wù)：(1)學(xué)生應(yīng)掌握利用Mauve軟件進(jìn)行基因組序列比對(duì)，并能從全基因組比對(duì)結(jié)果中鑒定基因島；(2)學(xué)生能應(yīng)用BLAST搜索GenBank/IMG數(shù)據(jù)庫，分析致病因子基因的保守性，理解基因水平轉(zhuǎn)移的分子機(jī)制。在規(guī)定課時(shí)內(nèi)，教師要求各組學(xué)生明確組長與各成員的分工，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫資源完成以上學(xué)習(xí)任務(wù)，形成文字材料及一定的圖表數(shù)據(jù)，以PPT形式分組匯報(bào)。

2.2.4 過程模塊

在此教學(xué)環(huán)節(jié)中(圖3)，教師著重講解Mauve軟件的基本操作知識(shí)，包括軟件安裝、序列文件準(zhǔn)備、序列比對(duì)及結(jié)果分析。在序列結(jié)果分析中，重點(diǎn)介紹Mauve軟件圖形界面中的操作，演示如何鑒定基因組的變異及從細(xì)菌基因組序列中尋找基因島的方法。演示完成后，教師以3株大腸桿菌菌株(K-12/O157:H7/O104:H4)基因組序列為例，安排學(xué)生上機(jī)練習(xí)，逐步掌握Mauve軟件的操作方法及基因島的鑒定方法。

結(jié)合上述操作中獲得致病菌株的特異基因島，針對(duì)其中已經(jīng)可以識(shí)別的基因或開放閱讀框架(Open reading frame, ORF)序列，學(xué)生可以通過BLAST搜索GenBank/IMG數(shù)據(jù)庫來尋找對(duì)應(yīng)的基因功能注釋信息，并根據(jù)致病因子相關(guān)的文獻(xiàn)知識(shí)，判斷是否為潛在的大腸桿菌致病因子基因。如圖2中，選定的2A基因在致病菌株O157:H7和O104:H4中均存在，而在str. K-12中并不存在，則其可能為潛在的致病因子基因。在此基礎(chǔ)上，教師以O(shè)157:H7的志賀毒素為例，鼓勵(lì)學(xué)生通過課外研讀該致病因子相關(guān)文獻(xiàn)來了解志賀毒素等細(xì)菌致病因子的知識(shí)，并從GenBank/IMG等數(shù)據(jù)庫中獲取基因功能注釋信息。最后，學(xué)生根據(jù)BLAST搜索結(jié)果思考大腸桿菌致病菌株的毒素基因可能的來源，例如O157:H7的志賀毒素基因是由噬菌體感染中獲得，從BLAST結(jié)果看，最好的匹配Hits大多是原噬菌體[9]。通過上述學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生理解自然中基因的水平轉(zhuǎn)移過程是廣泛存在的，從而理解細(xì)菌致病或耐藥現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制。

圖3 過程模塊中學(xué)習(xí)內(nèi)容流程圖

2.2.5 評(píng)價(jià)模塊

為了促使教學(xué)過程進(jìn)入一種規(guī)范有序的管理模式，教師需要通過多樣化評(píng)價(jià)手段和方法對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要是以小組課堂報(bào)告(包括資料采編、PPT制作、演講、答疑等方面)與個(gè)人課堂作業(yè)相結(jié)合的方式開展評(píng)價(jià)。

在完成過程模塊學(xué)習(xí)后，各組學(xué)生通過組內(nèi)討論，總結(jié)自身的研究結(jié)果并做成PPT文稿，每組選派代表在課堂上做報(bào)告，然后全體學(xué)生集體討論交流，鼓勵(lì)其他學(xué)生指出其存在的問題，由該組學(xué)生做出相應(yīng)的答疑，最后教師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

課堂作業(yè)旨在考察學(xué)生對(duì)任務(wù)模塊內(nèi)容的掌握情況。教師在基因組比對(duì)結(jié)果中，篩選若干個(gè)單株大腸桿菌致病菌獨(dú)有或兩株大腸桿菌致病菌中共有，且在正常菌株中不存在的基因組區(qū)域，要求學(xué)生以其中某個(gè)區(qū)域?yàn)閷?duì)象完成以下題目：(1)簡述該區(qū)域中各個(gè)基因；(2)通過BLAST搜索這些基因在不同細(xì)菌中的同源基因，列出前5個(gè)最佳比對(duì)序列(附上同源基因及其所在物種的名稱及相似度%)；(3)綜上分析，哪些基因與致病菌株的致病性有關(guān)，即其可能為潛在的致病因子基因，以及大腸桿菌致病菌株獲得這些致病因子基因可能的進(jìn)化分子機(jī)制。

3 專題教學(xué)效果

此教學(xué)過程涵蓋細(xì)菌學(xué)、毒素與疾病、基因與進(jìn)化等諸多概念，涉及基因組數(shù)據(jù)處理與生物信息分析等操作技能。通過此次學(xué)習(xí)過程，學(xué)生不僅完成了上述操作技能的練習(xí)，對(duì)自己感興趣的基因進(jìn)行具體分析，還研讀了細(xì)菌致病因子的相關(guān)文獻(xiàn)，加深理解細(xì)菌的致病機(jī)理及基因水平轉(zhuǎn)移的分子機(jī)制。從作業(yè)及報(bào)告結(jié)果看，多數(shù)學(xué)生掌握了基因組序列比對(duì)方法與基因島鑒定方法，能通過BLAST同源搜索，根據(jù)序列相似性與致病因子的相關(guān)知識(shí)判斷出潛在的致病因子基因。如圖2為一學(xué)生作業(yè)的分析結(jié)果，淺藍(lán)色區(qū)域ORF為找到的大腸桿菌致病菌潛在的致病因子基因。

專題教學(xué)結(jié)束后，我們對(duì)學(xué)生掌握相關(guān)技能的程度開展問卷調(diào)查(表2)。調(diào)查對(duì)象為生物工程專業(yè)2012級(jí)兩個(gè)班學(xué)生，分別為生物工程1201班(32人)、1202班(30人)。以1201班作為對(duì)照組，采用傳統(tǒng)的講授式教學(xué)法完成此案例教學(xué)；作為比較，以1202班作為試驗(yàn)組，同步采用探究式教學(xué)法完成此案例

教學(xué)。由表2可知，兩組學(xué)生對(duì)本次專題教學(xué)所涉及技能的掌握程度存在顯著性差異，尤其表現(xiàn)在對(duì)第3、4個(gè)技能項(xiàng)目的掌握。由此表明，探究式教學(xué)中實(shí)現(xiàn)了“教學(xué)做一體”，在學(xué)習(xí)任務(wù)的引領(lǐng)下學(xué)生通過“學(xué)中做、做中學(xué)”的學(xué)習(xí)過程，有效地將理論與實(shí)際相結(jié)合，從中訓(xùn)練并掌握這些技能項(xiàng)目。

縱觀整個(gè)教學(xué)過程，學(xué)生在掌握專業(yè)知識(shí)與技能的基礎(chǔ)上，還提高了科研興趣與獨(dú)立思考能力，并鍛煉了科技論文閱讀寫作水平和演講口才，尤其是在課堂報(bào)告制作與演講答疑過程中為學(xué)生提供了創(chuàng)新機(jī)會(huì)，通過團(tuán)隊(duì)合作與共同努力，每個(gè)小組獨(dú)立完成專題PPT，每次專題報(bào)告都像一個(gè)作品，很好地滿足了學(xué)生的成就感。

表2 兩組學(xué)生技能項(xiàng)目掌握程度比較

注：采用卡方檢驗(yàn)法評(píng)價(jià)組間差異，0.01＜＜0.05為顯著性差異，＜0.01為極顯著性差異。

4 結(jié) 語

基因組學(xué)課程中探究式教學(xué)的嘗試與應(yīng)用，勾勒出生物信息學(xué)及相關(guān)“組學(xué)”課程一種全新的教學(xué)模式：以現(xiàn)實(shí)中與人類疾病相關(guān)案例或者熱點(diǎn)事件為問題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容產(chǎn)生充分興趣，采用與此領(lǐng)域當(dāng)前科研活動(dòng)相似的專業(yè)分析方法，研究與解決相關(guān)問題[5]，使學(xué)生切身感受到“學(xué)以致用”，學(xué)生也從中培養(yǎng)了自身的自主學(xué)習(xí)能力、文獻(xiàn)閱讀能力、解決問題能力、溝通表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

此外，該專題教學(xué)內(nèi)容還可應(yīng)用于不同課程教學(xué)中，例如微生物學(xué)課程中學(xué)習(xí)細(xì)菌毒力因子及其致病機(jī)理，也可用于生物信息學(xué)課程中學(xué)習(xí)基本的BLAST分析工具、基因組進(jìn)化等。鑒于本次教學(xué)內(nèi)容以模式生物大腸桿菌為對(duì)象，若與大腸桿菌相關(guān)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，還可廣泛應(yīng)用于其他相關(guān)課程如分子生物學(xué)、食品安全檢測技術(shù)等領(lǐng)域。

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(責(zé)任編委: 陳德富)

Study on an inquiry-based teaching case in genomics curriculum: identifying virulence factors ofby using comparative genomics

Jidong Zhou1, Yudong Li2

Genomics is the core subject of various “omics” and it also becomes a topic of increasing interest in undergraduate curricula of biological sciences. However, the study on teaching methodology of genomics courses was very limited so far. Here we report an application of inquiry-based teaching in genomics courses by using virulence factors ofas an example of comparative genomics study. Specially, students first built a multiple-genome alignment of differentstrains to investigate the gene conservation using the Mauve tool; then putative virulence factor genes were identified by using BLAST tool to obtain gene annotations. The teaching process was divided into five modules: situation, resources, task, process and evaluation. Learning-assessment results revealed that students had acquired the knowledge and skills of genomics, and their learning interest and ability of self-study were also motivated. Moreover, the special teaching case can be applied to other related courses, such as microbiology, bioinformatics, molecular biology and food safety detection technology.

inquiry-based teaching; genomics; virulence factors; self-study

2014-08-14;

2014-09-23

浙江省教育科學(xué)規(guī)劃研究課題(編號(hào)：SCG348)和國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(編號(hào)：31101339)資助

周紀(jì)東，碩士，講師，研究方向：微生物遺傳學(xué)。E-mail: tristanzhou1976@sina.com

李余動(dòng)，博士，副教授，研究方向：微生物遺傳學(xué)。E-mail: lyd@zjsu.edu.cn

10.16288/j.yczz.14-273

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: 2014-12-16 16:28:45

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20141216.1628.003.html