生物類專業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)探索
——華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物類專業(yè)生物信息學(xué)課程的教改實(shí)踐與思考

易繼財(cái)

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510642)

由于新一代高通量測(cè)序技術(shù)的迅速發(fā)展，測(cè)序的成本急劇降低。迄今為止，地球上幾乎所有重要物種的基因組測(cè)序都已啟動(dòng)或基本完成，各類組學(xué)(omics)的數(shù)據(jù)(包括轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、宏基因組、代謝組)和重測(cè)序(re-sequencing)的數(shù)據(jù)迅猛增長(zhǎng)，于是管理、注釋和應(yīng)用這些海量生物學(xué)數(shù)據(jù)成為亟待解決的問(wèn)題，從而導(dǎo)致生物信息學(xué)(bioinformatics)的誕生和迅速發(fā)展[1-2]。

生物信息學(xué)是一門(mén)由生物學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)交叉的新興前沿學(xué)科，具有數(shù)據(jù)量龐大、與計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)緊密結(jié)合、多學(xué)科交叉、內(nèi)容豐富等特點(diǎn)[3]，其研究?jī)?nèi)容主要包括收集和管理海量數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、挖掘生物學(xué)奧秘等。在生命科學(xué)領(lǐng)域，生物信息學(xué)從基因克隆、序列分析到重要性狀基因的挖掘、分子標(biāo)記、發(fā)育與進(jìn)化等方面，為現(xiàn)代分子生物學(xué)研究提供先進(jìn)手段和分析方法。因此，掌握生物信息學(xué)的相關(guān)理論和技術(shù)，已成為當(dāng)今生物類專業(yè)學(xué)生的必備素質(zhì)，也是生物科技公司對(duì)當(dāng)代畢業(yè)生的基本要求。

自2002年起，國(guó)內(nèi)大多數(shù)高等院校都已開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)課程[4]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院也自2009年起，為全校生物類本科生開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)選修課，并針對(duì)計(jì)算機(jī)算法與理論知識(shí)不足，對(duì)生物信息學(xué)知識(shí)和技能又有迫切需求的農(nóng)業(yè)院校生物類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)進(jìn)行了改革，取得了良好的效果。從近幾年調(diào)查結(jié)果來(lái)看，學(xué)生滿意度在90%以上。

1 以“激發(fā)興趣、立足實(shí)踐應(yīng)用”為核心，實(shí)施教學(xué)改革

針對(duì)如何培養(yǎng)新世紀(jì)生物信息學(xué)人才，近十多年來(lái)各校教師積極實(shí)踐，進(jìn)行了許多有益的探索和思考[5-8]。但是，各校關(guān)于生物信息學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法各有不同，教學(xué)模式也各有差異，尚無(wú)成熟模式可供參考。從2009年起，圍繞“激發(fā)興趣、立足實(shí)踐應(yīng)用”的核心，摸索既適合生物信息學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，又適合全校生物類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)模式。

生物信息學(xué)的發(fā)展日新月異，教師需時(shí)刻緊跟學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)，讓學(xué)生隨時(shí)了解其現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，首先激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。在該課程教學(xué)中，通過(guò)邀請(qǐng)校外生物信息學(xué)相關(guān)公司的從業(yè)人員，如廣州瑞科基因科技有限公司的總經(jīng)理陳杰湖先生、北京博奧生物有限公司的廣州部經(jīng)理莫墩洲先生和北京百邁客生物科技有限公司的廣州部經(jīng)理周曉偉先生等，來(lái)到課堂講座，為學(xué)生介紹DNA重測(cè)序、宏基因組測(cè)序、基因芯片、RNA-seq等技術(shù)的理論知識(shí)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)分析方法，旨在幫助學(xué)生準(zhǔn)確了解生物信息學(xué)行業(yè)的動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，了解企業(yè)對(duì)生物信息學(xué)技術(shù)人才的要求，對(duì)此學(xué)生們反響熱烈。通過(guò)邀請(qǐng)學(xué)校知名專家、同課題組的優(yōu)秀教師走進(jìn)課堂，為學(xué)生講解生物信息學(xué)在生命科學(xué)領(lǐng)域研究中的具體應(yīng)用和實(shí)際意義，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣。

與計(jì)算機(jī)專業(yè)不同，生物類專業(yè)的教師和學(xué)生雖然具有深厚的生物化學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和基因組學(xué)等方面的背景，但是在數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)知識(shí)方面較為薄弱，導(dǎo)致在算法、模型和數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建等方面，無(wú)論是教師“教”還是學(xué)生“學(xué)”都不夠透徹，教學(xué)效果不好。針對(duì)這一特點(diǎn)，該課程教學(xué)不強(qiáng)求生物類專業(yè)的學(xué)生掌握復(fù)雜的算法和模型原理，而側(cè)重于注重網(wǎng)站資源和軟件的使用以及如何利用生物信息學(xué)軟件和工具進(jìn)行信息的有效提取和分析，揭示蘊(yùn)藏的生物學(xué)意義。在教學(xué)中，增加課堂實(shí)踐的比重，鼓勵(lì)學(xué)生將本科畢業(yè)論文的項(xiàng)目帶到課堂中來(lái)討論，讓學(xué)生能在自己的科研中真正學(xué)以致用，解決實(shí)際問(wèn)題。筆者還設(shè)計(jì)了生物信息學(xué)課程網(wǎng)站(ITB，http：//202.116.160.98：8000/course/swxxxdl/index.html)，將生物信息學(xué)常用的數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件工具鏈接到該網(wǎng)站中，方便學(xué)生自學(xué)時(shí)和科研中使用，同時(shí)還將生物信息學(xué)相關(guān)的研究進(jìn)展、學(xué)習(xí)方法以及該課程的教學(xué)內(nèi)容、參考序列、PPT課件和實(shí)際應(yīng)用案例等資料全部公布給學(xué)生，方便學(xué)生課后操練。此外，通過(guò)建立課程互助微信群，隨時(shí)回答學(xué)生提問(wèn)，指導(dǎo)學(xué)生操作實(shí)踐，還可即時(shí)把握學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)，評(píng)估教學(xué)效果，調(diào)整教學(xué)方案，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2 圍繞生物類專業(yè)的特點(diǎn)，編選教材和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)生物信息學(xué)教材偏重于算法原理和數(shù)據(jù)模型等內(nèi)容，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)要求較高，而少數(shù)的通用性教材又過(guò)于簡(jiǎn)單，因此現(xiàn)階段尚無(wú)適合生物類專業(yè)的統(tǒng)一教材。根據(jù)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物類專業(yè)建設(shè)的需要和學(xué)生特點(diǎn)，縮減算法原理、數(shù)據(jù)模型等計(jì)算機(jī)專業(yè)較強(qiáng)的內(nèi)容，編選適合生物類專業(yè)的實(shí)用教材。通過(guò)教改實(shí)踐，該課程的教材內(nèi)容主要由以下部分組成：生物信息學(xué)概述、基因組學(xué)基礎(chǔ)、生物學(xué)資源與生物數(shù)據(jù)庫(kù)、序列獲取與數(shù)據(jù)庫(kù)文件格式、序列比對(duì)原理與Blast搜索、核酸序列分析、蛋白質(zhì)序列與結(jié)構(gòu)分析、基因功能注釋、系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)構(gòu)建。同時(shí)，通過(guò)查閱生命科學(xué)領(lǐng)域文獻(xiàn)，吸收兄弟院校經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合教師的科研工作，精選常用的生物信息學(xué)網(wǎng)站(NCBI、EBI、ExPASy、SoftBerry、ABC和RGP等)以及常用的生物信息學(xué)分析軟件(DNAstar、BLAST、ClustalX、PdbViewer和MEGA等)，作為該課程教材的重點(diǎn)內(nèi)容。

實(shí)踐性強(qiáng)是生物信息學(xué)課程的主要特點(diǎn)，對(duì)生物類專業(yè)學(xué)生而言，應(yīng)用能力尤為重要。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅要掌握基本理論知識(shí)，而且要熟練運(yùn)用生物信息學(xué)網(wǎng)站資源和軟件工具以及進(jìn)行“網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)”的技能。因此，在該課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上，忽略算法和編程細(xì)節(jié)，以“實(shí)用、高效”為原則，將重點(diǎn)放在生物信息學(xué)分析軟件的“會(huì)用”和“用好”上。采取的教改措施包括：一是突出專業(yè)特點(diǎn)，加大該課程在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)領(lǐng)域，特別是功能基因組學(xué)、分子生物學(xué)研究中的實(shí)踐應(yīng)用篇幅。二是增加實(shí)踐教學(xué)比重、充實(shí)實(shí)踐內(nèi)容。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物信息學(xué)課程為24學(xué)時(shí)(1.5學(xué)分)，全部改為電腦上機(jī)實(shí)踐教學(xué)，一人一機(jī)。將生命科學(xué)領(lǐng)域，特別是與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教師科研活動(dòng)密切相關(guān)的內(nèi)容和最新進(jìn)展，包括組學(xué)數(shù)據(jù)分析、宏基因組測(cè)序分析、基因編輯技術(shù)分析等，融入到實(shí)踐教學(xué)中，使其更符合學(xué)生未來(lái)發(fā)展和科研的需要。三是將教學(xué)內(nèi)容模塊化。依據(jù)一個(gè)模塊解決一個(gè)大類問(wèn)題的原則，該課程內(nèi)容分為四大模塊，即生物信息學(xué)原理模塊、生物信息學(xué)資源模塊、序列分析模塊和基因功能注釋模塊。在每個(gè)大類模塊中，又再細(xì)分為更小的模塊，來(lái)解決一些小問(wèn)題。譬如，生物信息學(xué)原理模塊包含概述和基因組學(xué)基礎(chǔ)模塊，生物信息學(xué)資源模塊包括生物學(xué)網(wǎng)站、軟件工具和生物數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，序列分析模塊包括序列比對(duì)、查詢與搜索、核酸序列分析、蛋白質(zhì)序列分析模塊，基因功能注釋模塊則包括基因預(yù)測(cè)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、GO分析、KEGG分析、PATHWAY分析和系統(tǒng)進(jìn)化分析模塊。

3 探索多形式運(yùn)用的綜合教學(xué)模式

理論與實(shí)踐的教學(xué)聯(lián)系不夠緊密，即以教師、課堂和教材為中心，重視理論知識(shí)的傳授和計(jì)劃的完成，輕視實(shí)踐，是我國(guó)高等教育傳統(tǒng)教學(xué)模式中長(zhǎng)期存在的通病。在該課程教學(xué)的初期，也存在這種現(xiàn)象。學(xué)生經(jīng)常反映生物信息學(xué)的概念抽象難懂，容易遺忘。造成此現(xiàn)象的最主要原因，就是在教師“教”和學(xué)生“學(xué)”的過(guò)程中缺乏理論與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)整合，從而導(dǎo)致學(xué)生的理論知識(shí)把握不牢、應(yīng)用能力嚴(yán)重不足。對(duì)生物類專業(yè)學(xué)生而言，實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)是生物信息學(xué)教學(xué)的首要目標(biāo)。根據(jù)生物信息學(xué)實(shí)踐教學(xué)的要求，該課程采取問(wèn)題(任務(wù))式教學(xué)與啟發(fā)性教學(xué)相結(jié)合、“講、學(xué)、練”融為一體、以能力測(cè)試為中心的考核等多種教學(xué)形式。

參考當(dāng)前流行的先進(jìn)教學(xué)模式，無(wú)論問(wèn)題式教學(xué)(problem-based learning，PBL)[9-10]還是任務(wù)式教學(xué)(task-based learning，TBL)[11-12]，都強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，因此在該課程教學(xué)中以學(xué)生為實(shí)踐的主體，而教師只擔(dān)任“導(dǎo)演”角色，負(fù)責(zé)設(shè)置科學(xué)問(wèn)題(任務(wù))，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生討論與思考，然后由學(xué)生獨(dú)立探索問(wèn)題、完成任務(wù)。問(wèn)題或任務(wù)的設(shè)置應(yīng)符合生物類專業(yè)的特點(diǎn)，可以圍繞學(xué)生自己本科論文選題的目的基因，或者生命科學(xué)領(lǐng)域中令人感興趣的基因，或者教師指定的基因來(lái)設(shè)置問(wèn)題或任務(wù)。每個(gè)學(xué)生選定好目標(biāo)基因后，整個(gè)學(xué)期的操作實(shí)踐，都圍繞各自的目標(biāo)基因進(jìn)行，完成文獻(xiàn)查找、序列比對(duì)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、功能注釋、分子進(jìn)化、引物設(shè)計(jì)、載體構(gòu)建等一系列“任務(wù)”，讓學(xué)生在實(shí)踐中切實(shí)感受到生物信息學(xué)知識(shí)是如何幫助解決生物科研問(wèn)題的。由此，教師發(fā)揮在“教”中的主導(dǎo)作用，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生在“學(xué)”中的能動(dòng)性，學(xué)生的獨(dú)立思維能力和動(dòng)手能力都得到極大提高。

“講、學(xué)、練”融為一體，即將教學(xué)與科研實(shí)際和學(xué)生訓(xùn)練緊密結(jié)合。在課堂中，大多采用實(shí)際應(yīng)用案例教學(xué)，這些案例主要來(lái)自教師自身的科研工作，或者生命科學(xué)領(lǐng)域的最新研究，或者本校專家教師的研究成果。筆者曾將自身科研中克隆到的水稻卷葉基因OsFMO(t)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院洪梅教授課題組研究的人類有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)多肽基因OATP1A2以及生命科學(xué)領(lǐng)域中感興趣的基因(如人類編碼血紅蛋白亞基的基因HBA1)帶到課堂中來(lái)，提供給學(xué)生練習(xí)，取得了良好的效果。教師在“教”的同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行操作訓(xùn)練，采取“邊講授理論、邊操作演示、邊讓學(xué)生上網(wǎng)實(shí)踐”的一體化教學(xué)，避免理論講授與學(xué)生實(shí)踐脫節(jié)，使學(xué)生的理論知識(shí)、動(dòng)手能力和思考能力同步協(xié)調(diào)發(fā)展。圍繞選定的實(shí)際應(yīng)用案例，從項(xiàng)目立題、文獻(xiàn)查閱、候選基因確定到核酸序列的查找和比對(duì)、引物設(shè)計(jì)、載體構(gòu)建、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、調(diào)控元件預(yù)測(cè)、系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建、功能注釋等一系列與生物信息學(xué)分析相關(guān)的流程，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立操作完成。在此過(guò)程中，學(xué)生的“練”得到很好落實(shí)，能真正掌握解決問(wèn)題的思路，從而應(yīng)用到今后科研實(shí)踐中。

以能力測(cè)試為中心進(jìn)行考核，重點(diǎn)考查學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決科研問(wèn)題的實(shí)際能力。學(xué)生只有注重平時(shí)的表現(xiàn)和訓(xùn)練，才能獲得理想成績(jī)，從而避免期末“臨時(shí)抱佛腳”“一紙定終身”的弊端。該課程總評(píng)綜合考慮學(xué)生在考勤、課堂表現(xiàn)(包括提問(wèn)、小測(cè)、上機(jī)操作)、期末PPT交流和期末考試中的表現(xiàn)來(lái)進(jìn)行考核。各部分所占的比例如下：考勤10%、課堂表現(xiàn)20%、期末PPT交流20%、期末考試50%。課堂表現(xiàn)從回答教師提問(wèn)、隨堂小測(cè)驗(yàn)(5次)和平時(shí)上機(jī)操練的表現(xiàn)來(lái)綜合評(píng)定。期末的PPT交流，要求以小組為單位完成，每個(gè)小組由3～5名學(xué)生自愿組合。在學(xué)期初第一課將任務(wù)布置下去，然后由學(xué)生自己選題，在生物信息學(xué)課程平時(shí)的學(xué)習(xí)中“邊學(xué)、邊練、邊做”。最后，在學(xué)期末由各個(gè)小組以PPT形式向全班演講，匯報(bào)各自的成果和心得，教師則對(duì)各個(gè)小組的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分。期末考試的形式，采取開(kāi)卷和上機(jī)操作的方式?？荚嚨膬?nèi)容以完成生物信息分析任務(wù)為主，重點(diǎn)考核學(xué)生的操作技能和闡釋結(jié)果的能力。上機(jī)考試時(shí)，學(xué)生通過(guò)電腦上網(wǎng)操作，將分析流程中的每個(gè)關(guān)鍵步驟都截圖保存，建成一份WORD文檔作為期末考試的答卷，最后當(dāng)場(chǎng)提交給教師評(píng)分。

4 課程教改實(shí)踐的效果與思考

自從實(shí)行生物信息學(xué)課程教改以來(lái)，每年都對(duì)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物類專業(yè)選修的學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，搜集教改中暴露的問(wèn)題以及學(xué)生的心得和建議，不斷完善課程教學(xué)。調(diào)查顯示，絕大部分學(xué)生都非常喜歡和認(rèn)可該課程所采用的教學(xué)模式。通過(guò)改革，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)成績(jī)明顯提高，杜絕了不及格現(xiàn)象，85%以上學(xué)生的綜合成績(jī)都能達(dá)到優(yōu)良。

PPT的設(shè)計(jì)和交流環(huán)節(jié)質(zhì)量逐年上升。在選題時(shí)，學(xué)生們“八仙過(guò)海、各顯神通”，涉及課題和涵蓋范圍非常廣泛。從近幾年的實(shí)踐情況來(lái)看，有的小組結(jié)合本科論文項(xiàng)目選題，如“水稻抽穗調(diào)控基因RFT-1的分析”“蘆薈GDP-D-甘露糖焦磷酸轉(zhuǎn)移酶基因GMPase的分析”“擬南芥自噬蛋白ATG8A的分析”等，有的選擇當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題，如“藥物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCG2的分析”“人類白細(xì)胞介素基因IL-4的分析”“腫瘤抑制蛋白TP53的分析”“生物鐘核心基因LHY的分析”等，還有的則從公眾關(guān)注度較高的話題中選擇PPT交流設(shè)計(jì)的課題，如“乳糖不耐癥基因Lactase的分析”“冰桶挑戰(zhàn)的源頭基因SOD1的研究”“偷情相關(guān)的多巴胺合成關(guān)鍵基因DRD4的分析”“無(wú)夢(mèng)基因Nalcn的分析”“基因組打靶關(guān)鍵基因Crispr/Cas9的分析”等。每個(gè)小組圍繞各自選定的課題，各個(gè)成員分工合作，很好地完成了文獻(xiàn)查閱、Reference序列獲取、同源基因搜索、序列比對(duì)、分子進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、基因功能注釋等內(nèi)容的PPT制作和匯報(bào)。通過(guò)這種形式，學(xué)生們不僅理論知識(shí)得到鞏固，而且實(shí)際動(dòng)手能力得到提高，團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神也受到培養(yǎng)，將對(duì)今后的工作和學(xué)習(xí)有很好的幫助。對(duì)于這種教學(xué)安排，學(xué)生們的積極性和參與程度得到極大提高。每年的反饋意見(jiàn)都顯示，大部分學(xué)生都很喜歡這種形式，認(rèn)為“通過(guò)PPT設(shè)計(jì)和交流才真正學(xué)到了技能”“通過(guò)匯報(bào)和交流還擴(kuò)大了知識(shí)面”“形式非常好、希望教師繼續(xù)保留”，還有學(xué)生反映“PPT設(shè)計(jì)完成后很有成就感”，甚至有學(xué)生建議“PPT設(shè)計(jì)最好由每個(gè)學(xué)生各自獨(dú)立完成”。

總的來(lái)說(shuō)，該課程教學(xué)改革取得了較理想的效果，有利于進(jìn)一步指導(dǎo)今后的生物信息學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐。在新的措施下，對(duì)教師的知識(shí)面和科研素質(zhì)也提出了更高的要求。因此，筆者在課余時(shí)間積極參加進(jìn)修，近些年分別參加了由深圳華大基因研究院舉辦的“生物信息學(xué)前沿技術(shù)專題培訓(xùn)班”、浙江大學(xué)舉辦的“基因組科學(xué)”研習(xí)班、北京市計(jì)算中心舉辦的“實(shí)用生物信息技術(shù)及應(yīng)用”講習(xí)班以及自身科研相關(guān)的重要學(xué)術(shù)會(huì)議“全國(guó)植物基因組學(xué)大會(huì)”等，及時(shí)追蹤最新技術(shù)和進(jìn)展。同時(shí)，根據(jù)學(xué)生的反饋意見(jiàn)和最新進(jìn)展，每年更新一次教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)拓學(xué)生視野，為培養(yǎng)跨生命科學(xué)、信息科學(xué)領(lǐng)域的復(fù)合型創(chuàng)新性人才服務(wù)。