關(guān)于提高生物類專業(yè)《生物信息學(xué)》教學(xué)的一些建議

陶嫦立

摘要：生物信息學(xué)作為生命科學(xué)研究的強(qiáng)有力的輔助工具，是生物類專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門知識(shí)。本文作者結(jié)合自身教學(xué)實(shí)踐探索，針對(duì)生物類專業(yè)本科生的生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐中存在的一些問題，提出在教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法方面的建議，希望能夠?yàn)閺氖律镄畔W(xué)教學(xué)工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)；教學(xué)方法；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）32-0219-02

生物信息學(xué)是在生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展而形成的一門新興交叉學(xué)科，其實(shí)質(zhì)就是利用信息科學(xué)與技術(shù)對(duì)生物數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、處理、存儲(chǔ)、發(fā)布、分析和解釋，進(jìn)而揭示紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的生物學(xué)本質(zhì)[1]。作為21世紀(jì)生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一，生物信息學(xué)已經(jīng)成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域的重要學(xué)科[2]。實(shí)驗(yàn)室的每一項(xiàng)技術(shù)，從簡(jiǎn)單的基因克隆、基因數(shù)據(jù)分析到生物大分子進(jìn)化研究都需要應(yīng)用到生物信息學(xué)，因此，對(duì)于生物類專業(yè)的學(xué)生而言，掌握生物信息學(xué)的相關(guān)知識(shí)尤為重要。我國(guó)各大專院校都在不斷努力創(chuàng)新和改進(jìn)現(xiàn)有生物信息學(xué)課程的教學(xué)方法與方式。因此，作者結(jié)合近五年來開設(shè)生物信息學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐，分析了目前生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的主要問題，提出幾點(diǎn)建議，希望能夠有助于推動(dòng)生物類專業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量的提高。

一、生物類專業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)中的問題

1.生物信息學(xué)教材的選擇。生物信息學(xué)的發(fā)展速度快、內(nèi)容廣泛，目前很多國(guó)內(nèi)高校使用的教材多為國(guó)外教材的影印版或者中文翻譯版本，國(guó)內(nèi)引進(jìn)的生物信息學(xué)相關(guān)的英文原版教材中有些屬于科普性質(zhì)，內(nèi)容過于簡(jiǎn)單，而有些偏重介紹生物信息學(xué)的計(jì)算方法或模型的建立，過于復(fù)雜[3]。而國(guó)內(nèi)相關(guān)教材更新較慢，課堂內(nèi)容涵蓋的知識(shí)面和知識(shí)點(diǎn)相對(duì)減縮，而且一些前沿的數(shù)據(jù)和先進(jìn)軟件沒有講授，這些對(duì)學(xué)生的發(fā)展和生物信息知識(shí)的合理運(yùn)用極為不利[4]，因此，目前導(dǎo)致很多高校教師無法選擇適用于生物類專業(yè)的生物信息學(xué)教材。

2.教學(xué)大綱安排不合理。生物信息學(xué)是一門集分子生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉學(xué)科，它囊括了基因數(shù)據(jù)獲取、基因預(yù)測(cè)、序列比對(duì)、序列拼接、分子進(jìn)化、蛋白質(zhì)序列分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、分子建模、藥物設(shè)計(jì)以及基因芯片蛋白芯片等內(nèi)容模塊，同時(shí)各領(lǐng)域內(nèi)容還涉及到具體的計(jì)算方法、概率統(tǒng)計(jì)、機(jī)器語言等知識(shí)模塊。由于課時(shí)設(shè)置有限，如果教師在課堂教學(xué)對(duì)各領(lǐng)域內(nèi)容面面俱到，會(huì)造成大部分內(nèi)容都只是蜻蜓點(diǎn)水，學(xué)生學(xué)完以后雖然接觸了很多東西，但在生物研究中遇到實(shí)際問題還是束手無策。

3.教學(xué)內(nèi)容滯后。生物信息學(xué)是一個(gè)快速發(fā)展的學(xué)科，隨著生物學(xué)科自身的發(fā)展和研究的深入，新的數(shù)據(jù)庫和信息資源不斷涌現(xiàn)，各種數(shù)據(jù)庫和軟件的更新?lián)Q代非常頻繁，如果教師所講授的在線服務(wù)器、分析軟件、講解實(shí)例都不是當(dāng)前最普遍的，學(xué)生學(xué)完后打開最新的在線服務(wù)器或是相關(guān)分析軟件依然不會(huì)操作。

4.教學(xué)方法和教學(xué)手段存在不足。生物信息學(xué)教學(xué)普遍采用普通教室多媒體講授，而生物信息學(xué)課程是一個(gè)實(shí)踐操作課，學(xué)生經(jīng)常要?jiǎng)邮植僮?，普通多媒體教學(xué)與實(shí)踐操作教學(xué)相脫節(jié)。傳統(tǒng)的講授很難與實(shí)踐教學(xué)效果相比，很多學(xué)生雖完成了生物信息學(xué)課程學(xué)習(xí)，也接受了很多生物信息學(xué)的理論知識(shí)，但在進(jìn)入大四階段做課題研究完成畢業(yè)論文時(shí)，遇到需要在數(shù)據(jù)庫查詢序列、用軟件分析序列或蛋白性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等問題時(shí)依然束手無策。

二、生物類專業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)建議

1.調(diào)整教學(xué)大綱。對(duì)于生物類專業(yè)的學(xué)生來說，生物信息學(xué)是生物研究中的輔助工具，不需要掌握生物信息學(xué)算法或軟件編程細(xì)節(jié)，而是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用生物信息學(xué)的方法來解決生物研究中遇到的問題，比如能夠應(yīng)用檢索工具查找序列等相關(guān)的數(shù)據(jù)信息、利用比對(duì)軟件或是BLAST在線服務(wù)器對(duì)感興趣的序列進(jìn)行比對(duì)分析、選擇適當(dāng)?shù)慕浞椒▽?duì)DNA或蛋白序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建、可分析蛋白序列信息并預(yù)測(cè)其三維結(jié)構(gòu)以及引物設(shè)計(jì)等。因此對(duì)于生物類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)，應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，尤其是關(guān)于數(shù)據(jù)庫的使用和分析軟件的操作，使他們以后在生物相關(guān)領(lǐng)域的工作中能學(xué)以致用，所以對(duì)于當(dāng)前生物類專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)以應(yīng)用為核心安排教學(xué)大綱。據(jù)此，確定了以下的教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容共54學(xué)時(shí)，分為理論基礎(chǔ)和上機(jī)實(shí)踐兩部分。理論教學(xué)內(nèi)容共36學(xué)時(shí)包括：生物信息學(xué)緒論、生物信息數(shù)據(jù)庫的查詢與搜索、基因和蛋白質(zhì)序列比對(duì)、序列拼接、生物進(jìn)化與分子系統(tǒng)發(fā)育分析、基因預(yù)測(cè)與引物設(shè)計(jì)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其預(yù)測(cè)、計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)；上機(jī)實(shí)踐共18學(xué)時(shí)包括：常用生物數(shù)據(jù)庫的查詢與搜索、核酸序列檢索與分析、多重序列比對(duì)和系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建、PCR引物設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)、蛋白質(zhì)序列分析及結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。

2.教學(xué)內(nèi)容主次分明。由于生物信息學(xué)技術(shù)及分析手段更新迅速，教學(xué)內(nèi)容會(huì)顯得越來越臃腫，作者建議對(duì)于生物類專業(yè)的學(xué)生可以以生物信息學(xué)方法的掌握和生物信息學(xué)工具的應(yīng)用來設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，關(guān)于生物信息學(xué)本身涉及到的一些數(shù)學(xué)模型和編程算法，可簡(jiǎn)略講授，教學(xué)過程中盡量把有限的教學(xué)學(xué)時(shí)用到以生物信息學(xué)為工具解決生物學(xué)研究問題的教學(xué)中去，避免“面面俱到”的灌輸式教育。例如，對(duì)于講授序列比對(duì)這一章的知識(shí)，關(guān)于序列比對(duì)所使用的方法PAM和BLOSUN矩陣，對(duì)于如何采用數(shù)學(xué)方法構(gòu)建這些計(jì)分矩陣過程可略過，只需簡(jiǎn)要介紹PAM和BLOSUN矩陣的概念意義以及用途，重點(diǎn)放在如何使用生物信息學(xué)軟件進(jìn)行序列比對(duì)，并理解各參數(shù)設(shè)置的意義。另外，在生物信息學(xué)各教學(xué)內(nèi)容模塊中涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù)庫及軟件種類繁多，其數(shù)量在不斷增加，版本也在不斷更新。例如在講授生物信息數(shù)據(jù)庫的查詢與搜索這一章節(jié)時(shí)，涉及到的數(shù)據(jù)庫有核酸序列數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、基因組數(shù)據(jù)庫、蛋白組數(shù)據(jù)庫、代謝組數(shù)據(jù)庫等，而每個(gè)種類又含多個(gè)不同的數(shù)據(jù)庫，比如核酸序列數(shù)據(jù)庫有GenBank、EMBL和DDBJ等，蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫有swiss-prot、TrEMBL、NCBI和UniProt等。因此，我們重點(diǎn)介紹了3大門戶網(wǎng)站NCBI、EBI和SIB，其中我們著重介紹了NCBI的用于提取序列信息的工具——Entrez系統(tǒng)，Entrez將科學(xué)文獻(xiàn)、DNA和蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫、蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、種群研究數(shù)據(jù)以及全基因組組裝數(shù)據(jù)整合成一個(gè)高度集成的系統(tǒng)。因此我們給學(xué)生演示并要求學(xué)生掌握如何采用Entrez查詢DNA和蛋白質(zhì)序列等。另外在講授分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育分析這一章節(jié)時(shí)，要進(jìn)行序列比對(duì)及系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建，可以使用ClustalW、BioEdit、DNAstar、phylip、MEGA、PAUP等本地軟件，也可以使用The PhylOgenetic Web Repeater（POWER）和Evolutionary Trace Server等網(wǎng)絡(luò)在線服務(wù)器分析?？紤]到軟件的通用型、易用性及本專業(yè)學(xué)生的英語水平、計(jì)算機(jī)操作水平，我們選擇ClustalW進(jìn)行多序列比對(duì)，然后采用phylip軟件包構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，并要求學(xué)生掌握如何使用這兩個(gè)軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。MEGA及其他在線服務(wù)器只簡(jiǎn)單介紹具體操作方法作為輔助資料供學(xué)生自學(xué)。

3.基礎(chǔ)理論結(jié)合實(shí)踐教學(xué)。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)，僅靠理論授課而無實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，學(xué)生學(xué)完后依然只是紙上談兵。因此建議，生物信息學(xué)的講授應(yīng)在合適的微機(jī)環(huán)境下進(jìn)行，在理論課學(xué)習(xí)后，馬上安排學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐課，演練所學(xué)的軟件和方法等。另外教師在講課時(shí)也可結(jié)合當(dāng)前生命科學(xué)的發(fā)展特點(diǎn)，與生物信息學(xué)有機(jī)巧妙的結(jié)合起來，選擇幾個(gè)典型的案例，進(jìn)行課堂講授，現(xiàn)場(chǎng)操作；或是布置實(shí)踐任務(wù)，讓學(xué)生課后完成，在課堂隨機(jī)抽點(diǎn)學(xué)生讓學(xué)生操作，使學(xué)生參與其中，在實(shí)踐中感受生物信息學(xué)知識(shí)是如何解決生物科研中的問題的。比如作者在一開始講授在數(shù)據(jù)庫中查詢序列時(shí)，將學(xué)生按5～6人分成興趣小組，結(jié)合自己的興趣選擇特定基因，在后續(xù)整個(gè)課程的學(xué)習(xí)過程中，比如在學(xué)習(xí)到序列比對(duì)、基因預(yù)測(cè)、引物設(shè)計(jì)、系統(tǒng)進(jìn)化樹構(gòu)建、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)時(shí)，都要求學(xué)生圍繞該基因利用掌握的各種生物信息學(xué)分析方法對(duì)其進(jìn)行分析，并在課堂上隨機(jī)抽點(diǎn)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作示范，對(duì)于學(xué)生遇到的問題馬上給予解惑并結(jié)合知識(shí)點(diǎn)再次強(qiáng)調(diào)講授。這樣既調(diào)動(dòng)課堂氣氛，也提高學(xué)生的積極性，使學(xué)生有較強(qiáng)的參與感，同時(shí)又加強(qiáng)了學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力。

生物類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)生物信息學(xué)的中心任務(wù)就是學(xué)會(huì)使用生物信息學(xué)知識(shí)從紛繁復(fù)雜的生物數(shù)據(jù)中揭示隱含的生物學(xué)意義。因此在教學(xué)中，授課教師要緊跟生命科學(xué)的發(fā)展，及時(shí)調(diào)整教學(xué)大綱、選擇教學(xué)內(nèi)容并突出重點(diǎn)、采用以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的教學(xué)方式，做好生物信息學(xué)的課程教學(xué)工作，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生學(xué)習(xí)了生物信息學(xué)后，能在今后的生物科研中學(xué)以致用，解決實(shí)際問題。

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