生物信息學本科課程的教學實踐與探索

李黎明

（東北大學生命科學與健康學院生物技術研究所，遼寧 沈陽 110819）

生物信息學本科課程的教學實踐與探索

李黎明

（東北大學生命科學與健康學院生物技術研究所，遼寧 沈陽 110819）

結(jié)合本科生物信息學課程的特點，從本科生物信息學課程的教學內(nèi)容、教學方法和考核方式等方面對提高教學質(zhì)量和改善教學效果進行了初步探索與實踐。

生物信息學；教學方法；實踐

21世紀是生命科學和信息技術迅猛發(fā)展的時期，隨著人類基因組計劃的實施，生物信息學已經(jīng)成為生命科學重要的前沿領域之一。因此，國內(nèi)外許多高等院校相繼開設了生物信息學課程，并設立了生物信息學本科專業(yè)，與此同時高等院校和研究機構(gòu)也相繼設立了相應的碩士、博士學位授予點［1，2］。多學科交叉是當代科技發(fā)展的重要趨勢，也是高?？蒲泻蛯W科建設的重要方向，培養(yǎng)復合型人才，是自主創(chuàng)新的突破口和重要途徑，也是建設創(chuàng)新型社會和高等教育改革的重要方向［3］。因此，對生物工程專業(yè)高年級學生開設這門選修課程十分必要，它不僅為已具有一定生物學知識基礎的學生傳授有關生物信息學的知識，同時也使學生了解如何利用生物信息學的內(nèi)容和方法來解決生物學問題，從而為今后的工作和學習奠定基礎［4］。

一、生物信息學課程的特點

生物信息學作為一門新興發(fā)展中的學科，它所提供的生物信息資源和研究工具對生物學發(fā)展至關重要，目前基因組和后基因組信息學資源已經(jīng)成為全人類的共同財富，如何獲取和利用基因組和后基因組學提供的大量信息，已經(jīng)成為生命科學學生必須掌握的基本技術和知識以及必須具有的初步能力［5］。作為一門本科教學課程，生物信息學課程的特點主要具有以下幾個方面：

（一）課程內(nèi)容

生物信息學是一門覆蓋面很廣的綜合性學科，不僅在基礎研究方面，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的預測、藥物設計以及人類疾病診斷等應用研究方面也有著十分重要的作用［4］。而目前的生物信息學在基因組生物信息學，蛋白質(zhì)組生物信息學，代謝組生物信息學和藥物生物信息學等方面都具有各自的研究內(nèi)容和對應的分析技術。因此，在教學過程中可結(jié)合各自的特點進行講解，避免教學內(nèi)容上的重復。

（二）教學模式

生物信息學課程作為一門選修課，學生對課程的重視程度遠不如必修課程，學習的積極性也更多地依賴于學習興趣。因此，在教學過程中，可以通過激發(fā)學生的學習興趣，啟發(fā)學生思維等方法來改變學生被動聽課的狀況，從而提高生物信息學課程的教學效果［6］。生物信息學是一門由計算機科學、數(shù)學、生物學、醫(yī)學等多學科綜合交叉組成的學科，對于課程的學習，可以結(jié)合學術上的科研亮點進行講授，同時鼓勵學生在掌握與生物信息學相關的基本原理和技術方法的同時，還應進一步掌握數(shù)學、計算機程序設計等相關技術和知識，從而達到培養(yǎng)復合型和交叉型人才的目的［5］。

（三）理論與實踐結(jié)合

生物信息學是一門理論性和實踐性都很強的課程，實踐操作主要在網(wǎng)絡環(huán)境中運行，生物學研究人員所需要的生物信息資源，都可以通過網(wǎng)絡獲得［7］。通過網(wǎng)絡可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、檢索和分析，在大多數(shù)情況下，我們都可以從網(wǎng)絡上獲得所需要的生物分子信息，同時也可以將需要處理的生物分子信息直接發(fā)送到相應的網(wǎng)絡服務器上，經(jīng)過網(wǎng)絡服務器的處理后獲取所需要的信息。因此，對于生物信息學的教學要加強課程教學內(nèi)容的實用性，以如何獲取和利用生物信息資源為側(cè)重點，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。

二、生物信息學課程的教學實踐與探索

（一）建立合適的教學大綱激發(fā)學習興趣

由于生物信息學是一門新興發(fā)展中的學科，它的方法、內(nèi)容以及應用尚在不斷地完善與更新中，因此大多高等院校把生物信息學作為一門選修課程。對于本校生物工程專業(yè)開設的生物信息學課程，我們制定的教學大綱是，要求學生理解掌握生物信息學的基本內(nèi)容和主要方法，培養(yǎng)學生利用網(wǎng)絡資源解決生物信息學問題的基本能力，提高學生分析問題和解決問題的能力，進而提高學生的綜合素質(zhì)。另外，生物信息學課程中接觸的網(wǎng)頁多為英文頁面，很多學生存在抵觸情緒。因此授課時采用循序漸進的方式，使學生掌握常用的英文詞匯，由少到多地瀏覽英文網(wǎng)站，從而提高學習的興趣和信心。通過對英文網(wǎng)站的不斷瀏覽，可以使學生開闊視野，拓寬知識面，并幫助學生逐步建立起學習生物信息學的興趣和自信心，為學好生物信息學這門課程打下基礎。

（二）采用多媒體教學技術豐富教學內(nèi)容

隨著生命科學領域的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)上存在著豐富的生物信息學教學資源，因此，在教學過程中，可以合理利用網(wǎng)上的教學資源，豐富教學內(nèi)容，開闊學生視野，從而取得較好的教學效果。另外，在講解一些教學中的難點以及抽象的概念和分析過程時，可以使用動畫展示，使教學內(nèi)容變得直觀、形象和生動，例如在講解數(shù)據(jù)庫查詢、序列分析和序列提交等使用方法時，可以利用多媒體動畫文件，讓學生直觀地觀看課件，使學生得到直觀體驗，從而更加容易掌握這些實踐操作，也能夠達到激發(fā)學生學習興趣、使教學內(nèi)容易于理解和掌握的目的。生物信息學涉及較多數(shù)學算法，例如序列比對算法及分子系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建等算法，在講解這些算法時，可以在多媒體教學的基礎上，結(jié)合板書、通過提問等互動式方法幫助學生理解，從而促進學生掌握教學內(nèi)容。

（三）加強上機操作提高實踐操作能力

實踐教學相對于理論教學具有直觀性的特點，而生物信息學對于網(wǎng)絡工具又具有高度依賴性，為了提高學生應用網(wǎng)絡工具的操作能力，我們安排了多個上機操作實驗，例如：了解GenBank核酸序列的格式和主要字段的含義，向GenBank提交新序列的方法以及Entrez查詢工具的使用方法，掌握BLAST數(shù)據(jù)庫序列比對的使用方法，掌握利用軟件進行核酸及蛋白質(zhì)的多序列比較和構(gòu)建分子系統(tǒng)進化樹的方法和步驟；綜合設計性實驗，利用數(shù)據(jù)庫資源，自選感興趣的核酸和蛋白質(zhì)序列，分析核酸序列的堿基組成比例，蛋白質(zhì)序列的理、化特性等，同時利用所學軟件構(gòu)建分子系統(tǒng)發(fā)育樹。通過這些上機實驗，可以使學生在有限的學時內(nèi)更好地掌握生物信息學的基本理論、分析方法等內(nèi)容，并提高學生實踐操作能力。

（四）科研教學相長激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識

在生物信息學的教學過程中，授課教師融入個人的科研工作經(jīng)驗，把科研思路帶入教學中，有效培養(yǎng)學生的科研能力和創(chuàng)新能力。同時，利用本校的科研資源，邀請相關教師來到教室，為學生講解生物信息學在科研中的實際應用和意義。另外，在授課過程中也可以通過讓學生了解生物信息學的發(fā)展現(xiàn)狀和現(xiàn)有技術的局限性，引導他們發(fā)現(xiàn)問題，進而激發(fā)學生的創(chuàng)新性。比如目前的基因組和轉(zhuǎn)錄組測序分析中，存在著不同的分析方法，而每種分析方法都有其各自的特點，如何獲取需要的數(shù)據(jù)，并有效地利用數(shù)據(jù)來分析問題，這些問題在教學過程中提出，引導學生結(jié)合他們已知的生物信息學知識來思考解決辦法。這些實例不僅可以開闊學生的眼界，鍛煉他們的思考能力，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識，并且可以使學生對教學內(nèi)容能有更好的理解。

（五）構(gòu)建多元化考評方式提高學習效果

生物信息學作為現(xiàn)代生物學的組成部分，其實操性是非常強的。因此，對于生物信息學的考核，通過平時作業(yè)和期末考試兩方面結(jié)合綜合考查學生對生物信息學的原理和方法的掌握程度。重點考察學生對生物信息學分析方法的掌握程度，利用所學知識分析問題和解決問題的能力以及對分析結(jié)果的解釋能力。平時作業(yè)通過上機答題，考核學生的實際操作能力，例如利用數(shù)據(jù)庫查找核酸序列，并對查找結(jié)果進行進一步的序列分析和結(jié)果比對。而期末考試則主要對基礎理論和知識應用等方面進行考核，使學生能靈活地應用課堂中學到的知識點進行解答，并進一步考察學生的實踐能力和思考能力。通過這種考核方式，一方面，促使學生在學習過程中，把重點放在基本理論、基本知識的鞏固以及實操水平的提高上，從而更好地提高學生的實操能力和創(chuàng)新能力；另一方面，也促使教師在教學過程中，側(cè)重于從能力培養(yǎng)的角度進行課堂教學，從而提升教學質(zhì)量和水平［7］。

三、結(jié)束語

通過在教學過程中激發(fā)學習興趣，豐富教學內(nèi)容，加強上機操作，利用科研資源以及多元化的考核方式，提高了學生利用生物信息學的內(nèi)容和方法解決生物學問題的能力，培養(yǎng)了解決實際問題的綜合應用能力，對培養(yǎng)復合型人才，提高學生綜合素質(zhì)具有積極意義。在今后的工作中，隨著教學經(jīng)驗的積累，將在生物信息學的教學方式和方法上進一步深入的探索和研究，以取得更好的教學效果。

［1］程鋼.生物信息學課程教學改革和實踐［J］.安徽農(nóng)學通報，2011，17（13）：191-3.

［2］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（4）：311-39.

［3］張紀陽，劉偉，謝紅衛(wèi).生物信息學課程研究性教學的實踐與思考［J］.高等教育研究學報，2011，34（4）：51-3，7.

［4］王蘭萍.生物信息學課程教學的初步探討［J］.生物信息學，2006（5）：143-4.

［5］李紅梅.生物信息學課程教學實踐與心得［J］.農(nóng)業(yè)與技術，2007，27（1）：165-7.

［6］劉博婷.淺談生物信息學課程教學［J］.韶關學院學報·自然科學，2009，30（12）：130-3.

［7］范丙友，賈小平，胥華偉，等.生物信息學課程教學改革與探索［J］.大學教育，2013（8）：61-2.

Combined with the characteristics of bioinformatics course，this paper explores and practice methods to improve the teaching quality and perfect the teaching effectiveness from the perspective of the teaching contents，teaching methods and assessment methods of undergraduate bioinformatics course.

bioinformatics；teaching methods；practice

G642

A

2096-000X（2016）20-0166-02