農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)課程建設(shè)研究

秦笙 王學(xué)揚(yáng) 孫霞 李木旺

摘要?隨著現(xiàn)代生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，生物信息學(xué)在相關(guān)研究中變得更加重要。作為一門(mén)新興學(xué)科，生物信息學(xué)的教學(xué)模式還未成熟，尤其在農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中存在一些特有的問(wèn)題，例如：作為選修課程教學(xué)學(xué)時(shí)較短，教學(xué)內(nèi)容在不同人才層次培養(yǎng)過(guò)程中及不同學(xué)科間存在部分重疊，同時(shí)具備農(nóng)學(xué)和生物信息學(xué)知識(shí)背景的師資力量不足，針對(duì)農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)的教材嚴(yán)重匱乏，培養(yǎng)的人才解決實(shí)際問(wèn)題的能力不足等諸多問(wèn)題，這些問(wèn)題迫切需要改進(jìn)。針對(duì)這些問(wèn)題提出了相應(yīng)的改革方案，通過(guò)重新規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容的安排提高教學(xué)方案的合理性;通過(guò)加快教材建設(shè)，及時(shí)更新課件來(lái)應(yīng)對(duì)本學(xué)科知識(shí)更迭較快的特點(diǎn);通過(guò)引進(jìn)人才，加強(qiáng)教師培養(yǎng)的手段解決人才匱乏的問(wèn)題;通過(guò)增加綜合訓(xùn)練的方法提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。這些方案旨在提升教學(xué)水平，培養(yǎng)能夠適應(yīng)現(xiàn)代生物農(nóng)業(yè)的合格人才。

關(guān)鍵詞?農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè);生物信息學(xué);教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)?S-01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2019）22-0269-03

Abstract?With the wide application of modern biotechnology in agriculture，bioinformatics has become more important in related research.As a newly developing subject，the teaching mode of bioinformatics is not yet mature，especially in the teaching of agronomy.There are some special problems in the teaching of agronomy.For example，the teaching time is shorter as an elective course.The content of course has overlap between cultivating different talent levels and difference disciplines.There are also insufficient teachers with a background in agronomy and bioinformatics and lacking of professional teaching materials for agronomy majors.The students lack the ability to solve practical problems.These problems urgently need improvement.In this paper，we propose corresponding reform plans for these problems.To improve the rationality of the teaching plan，the content of courses is replanning.To respond the faster knowledge change in the subject，the teaching materials are accelerated to construct and the courseware update in time.To solve the problem of lack of talent，we need to strengthen the teacher ability and introduction of talents.We also improve the ability of students to solve practical problems by increasing the comprehensive training method.These programs aim to improve the level of teaching and develop qualified personnel who can adapt to modern bioagriculture.

Key words?Agronomy specialty;Bioinformatics;Educational reform

生物信息學(xué)（Bioinformatics）是一門(mén)涵蓋生物學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息學(xué)等多學(xué)科交叉的新興學(xué)科。伴隨基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等各類(lèi)組學(xué)的興起和高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，生物信息學(xué)的理論和方法得到了極大的豐富，成為與分子實(shí)驗(yàn)技術(shù)，尤其是與高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)不可分割的研究手段[1-2]。農(nóng)學(xué)作為生命科學(xué)的重要組成部分，與國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、食品安全等諸多方面密切相關(guān)，需要通過(guò)現(xiàn)代的、科學(xué)的方法來(lái)對(duì)農(nóng)業(yè)作物的性狀進(jìn)行改良，生物信息學(xué)在這一過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。因此，提高農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的生物信息學(xué)素養(yǎng)將有助于豐富學(xué)生在未來(lái)工作時(shí)的研究手段，提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。對(duì)農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)主要定位在讓學(xué)生能夠正確運(yùn)用生物信息學(xué)方法來(lái)輔助研究農(nóng)作物改良和育種，尤其是對(duì)農(nóng)學(xué)中分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和分析。目前，農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)在課程的開(kāi)設(shè)過(guò)程中面臨一些共性的困難和問(wèn)題迫切需要解決。筆者就該課程教學(xué)中存在的問(wèn)題開(kāi)展分析，為提高生物信息學(xué)教學(xué)質(zhì)量提供建議和方法。

1?農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1?教學(xué)學(xué)時(shí)限制

生物信息學(xué)的課程涉及內(nèi)容廣，包含的信息量大，涉及生命科學(xué)的各個(gè)分支。目前，農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)生物信息學(xué)課程一般多為選修課，時(shí)長(zhǎng)在40課時(shí)以?xún)?nèi)[3]。而生物信息學(xué)豐富的課程內(nèi)容在有限的課時(shí)內(nèi)難以得到展開(kāi)和細(xì)化，因此，有限的課時(shí)與覆蓋全部教學(xué)內(nèi)容之間構(gòu)成了一個(gè)突出的矛盾。尤其生物信息學(xué)需要通過(guò)實(shí)踐操作來(lái)掌握數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、軟件應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容，需要?jiǎng)澐忠欢ǖ恼n時(shí)用于上機(jī)實(shí)驗(yàn)，這讓原本就有限的課時(shí)顯得更為捉襟見(jiàn)肘。對(duì)于農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，較短的課時(shí)和較高的知識(shí)密度使得學(xué)習(xí)這門(mén)課程的難度大大增加。

1.2?教學(xué)內(nèi)容重疊

生物信息學(xué)內(nèi)容重疊在各個(gè)院校是廣泛存在的現(xiàn)象，主要分兩個(gè)維度的重疊。從橫向維度上來(lái)說(shuō)，生物信息學(xué)同分子生物學(xué)、生物化學(xué)、基因組學(xué)等課程的教學(xué)內(nèi)容存在部分重疊，這部分重疊內(nèi)容占據(jù)了原本就不充裕的課時(shí)，浪費(fèi)了教學(xué)資源。橫向維度上的矛盾可以通過(guò)調(diào)整課程的重疊內(nèi)容來(lái)化解，而解決縱向維度上的矛盾則更為困難。目前，農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)本科、碩士乃至博士的生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容也存在較大的重疊，一方面是由于不同院校課程設(shè)置的不同，部分學(xué)生在本科、碩士研究生期間尚未學(xué)習(xí)過(guò)生物信息學(xué)，因此，教學(xué)內(nèi)容中需要設(shè)置分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)所涉及的基本內(nèi)容，諸如數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索，常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析工具的使用等。另一方面是由于目前的教材大部分是入門(mén)級(jí)的教材，并沒(méi)有針對(duì)碩士或博士教育而優(yōu)化的教材，這使得在碩士和博士培養(yǎng)中很多仍是采用與本科教學(xué)相同的教材。這2個(gè)因素導(dǎo)致本、碩、博3個(gè)層次的教學(xué)內(nèi)容存在較多重疊，而提供給新知識(shí)、新內(nèi)容的課時(shí)就更為有限。綜合兩方面的因素，農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)內(nèi)容的重疊為有效開(kāi)展教學(xué)造成了阻礙。

1.3?專(zhuān)業(yè)教材匱乏?生物信息學(xué)仍處于高速發(fā)展時(shí)期，一方面，研究?jī)?nèi)容伴隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展不斷更新?lián)Q代，而教材的更新速度往往跟不上技術(shù)的發(fā)展[4]。另一方面，農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)研究方向的多樣化給生物信息學(xué)教材的編寫(xiě)帶來(lái)了困難，難以針對(duì)特定的小專(zhuān)業(yè)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的生物信息學(xué)教材。先前的一些經(jīng)典教材中的教學(xué)內(nèi)容主要針對(duì)低通量分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析。隨著組學(xué)研究的興起和高通量技術(shù)的發(fā)展，誕生了很多新的分析方法、分析流程。這部分內(nèi)容復(fù)雜度高，涉及內(nèi)容廣，需要更高的計(jì)算機(jī)水平，目前僅有少量教材部分涵蓋了高通量實(shí)驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容，而針對(duì)農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)內(nèi)容的生物信息學(xué)教材更是鳳毛麟角[5]。目前，主流教材中介紹的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)都以國(guó)際上最常用的NCBI、EMBL、Uniprot等大型公共數(shù)據(jù)庫(kù)為示例，而農(nóng)業(yè)涉及的經(jīng)濟(jì)作物或農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)等物種相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)則沒(méi)有教材進(jìn)行相關(guān)介紹。在農(nóng)業(yè)育種中應(yīng)用到的遺傳圖譜和基因圖譜的構(gòu)建，BSA定位技術(shù)和GWAS分析等內(nèi)容也還幾乎沒(méi)有教材涉及。這些內(nèi)容代表了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)育種的前沿方向，要培養(yǎng)相應(yīng)的人才迫切需要有對(duì)應(yīng)的農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)教材。

1.4?教學(xué)人才匱乏

目前，生物信息學(xué)仍然處在快速發(fā)展階段，由于多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，培養(yǎng)一名合格的生物信息學(xué)人才需要大量的時(shí)間，在生物學(xué)人才中僅占小部分，能夠勝任生物信息學(xué)教學(xué)任務(wù)的人才就更少，而具備農(nóng)學(xué)研究背景和經(jīng)驗(yàn)的教師尤為匱乏。多數(shù)農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)只有1～2個(gè)教師，無(wú)法形成教學(xué)團(tuán)隊(duì)，有限的教師數(shù)量與人才培養(yǎng)的需求間存在著強(qiáng)烈矛盾[6]。

1.5?綜合能力薄弱

學(xué)習(xí)知識(shí)不是目的，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)靈活用于解決實(shí)際問(wèn)題才是目的，生物信息學(xué)這門(mén)學(xué)科要求學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中能夠在復(fù)雜的信息條件下選擇合適的資源和方法來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確處理，并總結(jié)出一定的生物學(xué)規(guī)律[7]。按部就班地完成各個(gè)章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容僅能讓學(xué)生達(dá)到知曉的水平，與綜合運(yùn)用還有很大一段距離。由于解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，考慮的情況更為復(fù)雜，需要靈活運(yùn)用多種手段，綜合多方面的信息才能對(duì)問(wèn)題做出準(zhǔn)確判斷，學(xué)生需要進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目的訓(xùn)練才能培養(yǎng)出解決實(shí)際問(wèn)題的思維。

2?農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)課程改革思路

2.1?改進(jìn)大綱結(jié)構(gòu)，改善教學(xué)方式

教學(xué)應(yīng)服務(wù)于人才培養(yǎng)，人才培養(yǎng)應(yīng)明確培養(yǎng)目標(biāo)。因此，針對(duì)不同層次的人才生物信息學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)側(cè)重點(diǎn)也不同。在本科階段，學(xué)生未來(lái)發(fā)展有就業(yè)需求和進(jìn)一步深造的需求。因此，培養(yǎng)目標(biāo)以基礎(chǔ)操作為重點(diǎn)，側(cè)重教學(xué)內(nèi)容的通用性。在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，結(jié)合自學(xué)的方法加深學(xué)生對(duì)本課程的認(rèn)知。通過(guò)優(yōu)化與其他學(xué)科教學(xué)內(nèi)容間的重疊程度，改善課時(shí)不足的情況，提高教學(xué)效率。在碩士研究生階段，對(duì)于進(jìn)入科研領(lǐng)域的學(xué)生，培養(yǎng)目標(biāo)以培養(yǎng)基本科學(xué)素養(yǎng)和掌握專(zhuān)業(yè)相關(guān)的基本信息資源為主?？紤]到不同生源的生物信息學(xué)教育背景不同，課程保留了部分本科的核心內(nèi)容，削減了部分普及性教學(xué)內(nèi)容，添加了文獻(xiàn)檢索、文獻(xiàn)管理等內(nèi)容，對(duì)教學(xué)中的實(shí)例更多調(diào)整為專(zhuān)業(yè)相關(guān)的內(nèi)容。而針對(duì)博士研究生階段，考慮到學(xué)生在碩士研究生階段已經(jīng)具備基本的生物信息學(xué)素養(yǎng)，因此對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)一步壓縮，而增加了組學(xué)和高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的內(nèi)容。通過(guò)解讀專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)實(shí)例，模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)前沿技術(shù)的了解和如何在科研工作中運(yùn)用這些新的技術(shù)。

2.2?加快教材建設(shè)，及時(shí)更新課件

在農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)教學(xué)過(guò)程中，除基本的生物信息學(xué)資源外，對(duì)專(zhuān)業(yè)特色的生物信息學(xué)資源的講授更為重要，是直接運(yùn)用在本專(zhuān)業(yè)后續(xù)實(shí)際工作中的。針對(duì)專(zhuān)業(yè)教材缺乏的情況，迫切需要具有實(shí)際科研工作經(jīng)驗(yàn)的生物信息學(xué)教師來(lái)參與專(zhuān)業(yè)教材的編寫(xiě)工作，將真實(shí)的工作經(jīng)驗(yàn)滲透進(jìn)教材的內(nèi)容中去。例如，江蘇科技大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院開(kāi)設(shè)了蠶學(xué)專(zhuān)業(yè)，在數(shù)據(jù)庫(kù)方面需要重點(diǎn)介紹蠶桑方面的專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)SilkDB、SilkBase、KAIKObase和MorusDB等，以提高學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)相關(guān)信息的獲取能力。

生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件發(fā)展快，更新快，很多資源1～2年內(nèi)就會(huì)有較大的變化或版本更新，為適應(yīng)學(xué)科的快速發(fā)展，教學(xué)課件至少每2年進(jìn)行一次補(bǔ)充和更新。在筆者任教的3年間對(duì)教學(xué)課件進(jìn)行了2次大版本更新，在此期間，Ensembl數(shù)據(jù)庫(kù)補(bǔ)充了大量新物種的基因組數(shù)據(jù)，家蠶基于三代測(cè)序技術(shù)的最新基因組已經(jīng)在SilkBase公布，SignalP信號(hào)肽預(yù)測(cè)工具從3.1升級(jí)至5.0等。如果不緊跟時(shí)代的發(fā)展，傳授給學(xué)生的就只能是滯后的知識(shí)，很多知識(shí)一旦滯后就成為過(guò)時(shí)的知識(shí)，乃至錯(cuò)誤的知識(shí)，作為一門(mén)以信息學(xué)為特色的課程這種滯后是萬(wàn)萬(wàn)不可的。

2.3?加強(qiáng)師資力量，提高教師能力

生物信息學(xué)涉及的知識(shí)范圍廣，對(duì)教師的能力需求高，而教師的能力直接對(duì)教學(xué)效果造成影響。要解決教師匱乏的問(wèn)題，一方面要注重人才的引進(jìn)，包括引進(jìn)具備不同學(xué)科背景的生物信息學(xué)人才同農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)相融合;另一方面加強(qiáng)原有教師的能力培養(yǎng)，通過(guò)出國(guó)進(jìn)修、參加培訓(xùn)、同行交流、參與科研項(xiàng)目等方法提高教師的生物信息學(xué)素養(yǎng)。尤其生物學(xué)背景的教師還要注重?cái)?shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、信息學(xué)方面的能力培養(yǎng)。此外，作為教學(xué)為主的教師也應(yīng)適當(dāng)?shù)膮⒓訃?guó)內(nèi)外的生物信息學(xué)會(huì)議，了解生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)研究中的發(fā)展趨勢(shì)和熱點(diǎn)方向，將科研生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用帶回課堂，這有利于拓展學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.4?模擬實(shí)際問(wèn)題，加強(qiáng)綜合實(shí)踐

生物信息學(xué)有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，對(duì)于未參與過(guò)實(shí)際科研工作的學(xué)生來(lái)說(shuō)較為抽象，不理解學(xué)習(xí)的目的，也不清楚如何運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)。通過(guò)具體的實(shí)際案例，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，找到運(yùn)用知識(shí)的切入點(diǎn)。尤其通過(guò)貼近本專(zhuān)業(yè)的實(shí)例開(kāi)展學(xué)習(xí)能讓學(xué)生產(chǎn)生親切感，降低學(xué)生的畏難心理。

筆者在教學(xué)過(guò)程中設(shè)置了4個(gè)課時(shí)的教學(xué)時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)自身科研中遇到的實(shí)際問(wèn)題來(lái)訓(xùn)練學(xué)生思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。例如：從需要研究的目的基因出發(fā)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索，獲取基因的基因結(jié)構(gòu)信息、注釋信息、序列信息;通過(guò)序列比對(duì)找到近緣物種中的同源基因，并綜合近緣物種中的研究結(jié)果對(duì)目的基因進(jìn)行功能分析;根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的不同來(lái)完成引物設(shè)計(jì)，分析構(gòu)建載體所需的酶切位點(diǎn)等實(shí)踐內(nèi)容，讓學(xué)生通過(guò)生物信息學(xué)的實(shí)踐練習(xí)，同分子生物學(xué)、基因工程等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相貫通，對(duì)自己的專(zhuān)業(yè)研究?jī)?nèi)容建立更為系統(tǒng)全面的理解。

3?結(jié)語(yǔ)

伴隨著現(xiàn)代生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，生物信息學(xué)正受到越來(lái)越多的重視。針對(duì)農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)對(duì)應(yīng)的生物信息學(xué)人才已經(jīng)迫在眉睫。農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)課程建設(shè)在各兄弟院校間存在一些共性與特有的問(wèn)題，諸如課時(shí)短、師資力量匱乏、教材匱乏等共性問(wèn)題已經(jīng)成為制約農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)發(fā)展的主要瓶頸，這些問(wèn)題需要同行的共同努力才能夠得以解決[8-10]。除此之外，在培養(yǎng)不同層次人才過(guò)程中遇到的問(wèn)題正逐漸凸顯，各層次人才間的需求不同，學(xué)生受教育的差異等因素，給教學(xué)內(nèi)容的安排帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。盡管該研究對(duì)農(nóng)學(xué)專(zhuān)業(yè)生物信息學(xué)建設(shè)中面臨的問(wèn)題提出了初步的解決方案，但仍有一些問(wèn)題尚待解決。例如：隨著技術(shù)的發(fā)展，生物信息學(xué)教學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的要求越來(lái)越高，除了本學(xué)科的教學(xué)努力外，還需要加強(qiáng)相關(guān)學(xué)科的溝通與合作[11]。此外，生物信息學(xué)的實(shí)踐內(nèi)容與分子生物學(xué)、基因工程等實(shí)驗(yàn)是互相契合、互相交叉的，合理協(xié)調(diào)多門(mén)課程間的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)超出單門(mén)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)范疇，需要多學(xué)科互相協(xié)作。只有積極解決這些教學(xué)中所面臨的問(wèn)題，根據(jù)培養(yǎng)不同層次人才的需求合理設(shè)計(jì)教學(xué)方案，才能培養(yǎng)具有獨(dú)立思考能力、能適應(yīng)信息化時(shí)代的農(nóng)業(yè)人才。

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