農(nóng)林院校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系的生物信息學(xué)教學(xué)改革

顧龍江 徐莉 江海洋

摘要? ? 生物信息學(xué)作為一門專業(yè)核心課程，已在國(guó)內(nèi)各高校相繼開(kāi)設(shè)，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要意義。針對(duì)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物信息學(xué)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文從優(yōu)化生物信息學(xué)理論課的知識(shí)結(jié)構(gòu)、精心組織課堂教學(xué)過(guò)程改以提升學(xué)效果、開(kāi)設(shè)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目提升學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題能力等方面進(jìn)行了初步探索，以期提升教學(xué)效果、培育創(chuàng)新型人才。

關(guān)鍵詞? ? 農(nóng)林院校;生物信息學(xué);創(chuàng)新型人才培養(yǎng);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)? ? G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）21-0250-01? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，多種生物學(xué)數(shù)據(jù)大量積累，而生物信息學(xué)正是在這種大背景下蓬勃興起的交叉型學(xué)科，可以為解決重要的生物學(xué)問(wèn)題提供新的思路和方法[1]。因此，自人類基因組草圖發(fā)布時(shí)起，國(guó)內(nèi)眾多高校相繼開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)本科生和研究生課程[2]。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)是一所以農(nóng)林生命學(xué)科為優(yōu)勢(shì)的省屬高等院校，也緊跟時(shí)代步伐，于2008年開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)課程。由于第二代測(cè)序技術(shù)的迅猛發(fā)展和第三代測(cè)序技術(shù)的不斷成熟，生物信息學(xué)知識(shí)體系發(fā)展迅速，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[3]，而師資條件、實(shí)驗(yàn)條件等限制性因素進(jìn)一步導(dǎo)致生物信息學(xué)課程無(wú)法及時(shí)更新[4]。基于該課程主要存在的問(wèn)題，提出了相應(yīng)教學(xué)改革措施。

1? ? 存在的問(wèn)題

1.1? ? 教學(xué)內(nèi)容陳舊

隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，部分陳舊的內(nèi)容已不能反映出最新的科研結(jié)果，因而只有及時(shí)更新并追蹤生物信息學(xué)的學(xué)科發(fā)展前沿，才能培養(yǎng)出適應(yīng)現(xiàn)代化社會(huì)以及滿足未來(lái)社會(huì)發(fā)展需要的專業(yè)人才[5]。

1.2? ? 教學(xué)方法單調(diào)

在生物信息學(xué)教學(xué)過(guò)程中最大的問(wèn)題是缺乏有效互動(dòng)。由于生物信息學(xué)課程中理論學(xué)習(xí)比重較大且內(nèi)容晦澀難懂，導(dǎo)致學(xué)生的課堂參與度較低，極大地降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。

1.3? ? 課后實(shí)踐匱乏

通過(guò)課后實(shí)踐學(xué)習(xí)能將課程的理論學(xué)習(xí)與科學(xué)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)學(xué)生更為深刻理解生物信息學(xué)具有重要作用。鼓勵(lì)大學(xué)生參與科學(xué)研究，可以有效激發(fā)其學(xué)習(xí)生物信息學(xué)的主動(dòng)性和積極性。

2? ? 教學(xué)改革措施

針對(duì)以上可能存在的問(wèn)題，筆者所在的教學(xué)團(tuán)隊(duì)以改善教學(xué)效果、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為最終目的，對(duì)生物信息學(xué)課程總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了修訂，提出了若干措施改善教學(xué)效果，對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有一定的參考價(jià)值和理論意義。

2.1? ? 優(yōu)化課程總體設(shè)計(jì)

前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外眾多高校的生物信息學(xué)課程主要側(cè)重于方法學(xué)介紹，比如全局比對(duì)算法、局部比對(duì)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等，需要較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)編程能力才能完全理解。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)為農(nóng)林類院校，要求學(xué)生掌握較好的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)收效甚微。因此，課程內(nèi)容總體設(shè)計(jì)上應(yīng)以如何利用已有的數(shù)據(jù)、軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決不同的生物學(xué)問(wèn)題為主線，教師應(yīng)結(jié)合最新的研究成果進(jìn)行深入和細(xì)致的講解。課程的重點(diǎn)應(yīng)該由理解算法原理、開(kāi)發(fā)算法、開(kāi)發(fā)軟件轉(zhuǎn)向如何利用生物信息學(xué)方法解決重要的生物學(xué)問(wèn)題。

在介紹完生物信息學(xué)的研究現(xiàn)狀后，課程重點(diǎn)介紹常用的生物學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，如NCBI、PDB以及Uniprot等數(shù)據(jù)庫(kù)，還應(yīng)介紹如何精確地檢索相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。在掌握這些必備基礎(chǔ)知識(shí)之后，分多個(gè)專題詳述生物信息學(xué)最新的研究進(jìn)展，如基因組的測(cè)序、組裝的基本原理、比較基因組學(xué)、真核生物的基因結(jié)構(gòu)注釋、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其預(yù)測(cè);在基因的表達(dá)方面，著重介紹RNA-seq的相關(guān)知識(shí);此外，采用生物信息學(xué)手段解析表觀遺傳學(xué)的生物學(xué)問(wèn)題，如組蛋白H3K27的甲基化修飾，不同堿基的甲基化修飾，如6mA、5mC是如何影響生長(zhǎng)發(fā)育的。本課程設(shè)計(jì)的專題在內(nèi)容上相互銜接、由淺入深，中間貫穿著多種生物信息學(xué)方法和軟件的使用，以便學(xué)生能夠潛移默化地學(xué)到生物信息學(xué)知識(shí)。此外，以重要的生物學(xué)問(wèn)題為中心進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)，有利于啟發(fā)學(xué)生思考，同時(shí)也能夠幫助學(xué)生了解科學(xué)前沿、擴(kuò)展視野。

2.2? ? 提升教學(xué)效果

由于生物信息學(xué)課程理論性較強(qiáng)，內(nèi)容晦澀難懂，所以傳統(tǒng)的“教師講、學(xué)生聽(tīng)”教學(xué)模式使得學(xué)生課堂參與度較低，極大地降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并最終導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。很多研究證實(shí)，研討式教學(xué)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，使其踴躍地參與課堂討論、活躍課堂氛圍，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果。

2.2.1? ? 掌握重點(diǎn)，攻克難點(diǎn)。由于生物信息學(xué)研究范圍越來(lái)越廣，因而課程沒(méi)必要面面俱到，但一定要突出重點(diǎn)。在保證知識(shí)面的基礎(chǔ)上，將重要性較低的部分以課后作業(yè)的方式讓學(xué)生自己主動(dòng)查閱資料;而對(duì)于重點(diǎn)內(nèi)容，為了便于學(xué)生理解，可以采用多種手段相結(jié)合。比如，在講解二代測(cè)序原理時(shí)，可以將不同的平臺(tái)進(jìn)行比較，并且用動(dòng)畫或者視頻的方式進(jìn)行形象而生動(dòng)地展示，非常有助于學(xué)生理解重要知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生只有對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容理解透徹，才能進(jìn)一步激發(fā)出濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

2.2.2? ? 講授生動(dòng)有趣實(shí)例，拉近知識(shí)與現(xiàn)實(shí)的距離。傳統(tǒng)的生物信息學(xué)課程內(nèi)容較為呆板，如果授課教師能以生動(dòng)有趣的實(shí)例進(jìn)行講解，則會(huì)大大增加知識(shí)的趣味性。例如，在講完構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)之后，舉例說(shuō)明如何利用系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)揭示 SA-RS病毒的傳播途徑;在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)部分，討論“為什么濕著頭發(fā)睡覺(jué)，頭發(fā)容易變翹”;猜測(cè)以后會(huì)進(jìn)入精準(zhǔn)醫(yī)療時(shí)代，可能個(gè)人的基因組信息就像自己的血型一樣出現(xiàn)在病例上。將這些生動(dòng)有趣的實(shí)例融入生物信息學(xué)，能夠拉近教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)的距離，引導(dǎo)學(xué)生如何解決科學(xué)問(wèn)題。

2.2.3? ? 增加課堂討論，引發(fā)學(xué)生思考。利用所學(xué)的生物信息學(xué)知識(shí)嘗試解釋生物學(xué)現(xiàn)象，例如“什么原因?qū)е铝朔N優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象”“為什么基因組的大小與生物的復(fù)雜程度不是直接的正相關(guān)？也就是為什么會(huì)存在C值悖論”“一個(gè)個(gè)體所必需的最少基因有多少個(gè)？”“蛋白質(zhì)折疊為什么不是隨機(jī)的？”等。針對(duì)這些問(wèn)題適時(shí)地開(kāi)展課堂研討，有助于活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生思考。

2.2.4? ? 課堂報(bào)告，全面鍛煉學(xué)生能力。鼓勵(lì)學(xué)生選擇感興趣的生物學(xué)問(wèn)題，查閱相關(guān)文獻(xiàn)并進(jìn)行課堂報(bào)告。讓學(xué)生進(jìn)行講解，教師適時(shí)點(diǎn)評(píng)，引發(fā)其他學(xué)生討論，更有助于學(xué)生對(duì)重難點(diǎn)知識(shí)的理解。此外，學(xué)生課堂報(bào)告不僅更有助于教師從不同的角度去觀察學(xué)生所思所想，還可以較好地鍛煉學(xué)生收集和查閱文獻(xiàn)的能力、表達(dá)能力以及創(chuàng)新思維能力。

2.3? ? 開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，鍛煉創(chuàng)新能力

對(duì)于生物信息學(xué)的學(xué)習(xí)，不僅要掌握一定的理論知識(shí)，還要學(xué)會(huì)如何應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際科學(xué)問(wèn)題。對(duì)生物信息學(xué)感興趣的學(xué)生，3～5人一組，由1名教師進(jìn)行全方位指導(dǎo)，包括課題選題、選擇實(shí)驗(yàn)材料、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及規(guī)范地寫作實(shí)驗(yàn)報(bào)告或者科學(xué)論文等。通過(guò)課題的順利實(shí)施，可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生探索未知世界的興趣和創(chuàng)新能力。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

由于生物信息學(xué)發(fā)展迅速，研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，如何更新生物信息學(xué)理論課的知識(shí)結(jié)構(gòu)，改善課堂教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，讓學(xué)生能夠了解生物信息學(xué)研究的最前沿進(jìn)展，使其在課堂教學(xué)過(guò)程中也能在一定程度上體驗(yàn)到科學(xué)研究的樂(lè)趣和成就，是每一位生物信息學(xué)課程教學(xué)工作者所需要思考的問(wèn)題。本研究依據(jù)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)科建設(shè)特征和人才培養(yǎng)方案，借助不同的教學(xué)手段調(diào)整教學(xué)形式、更新教學(xué)內(nèi)容，并建立完善的成績(jī)?cè)u(píng)定體系，形成具有鮮明特色的理論教學(xué)體系，旨在為促進(jìn)高校人才培養(yǎng)和精品課建設(shè)提供參考。

4? ? 參考文獻(xiàn)

[1] 高亞梅，韓毅強(qiáng)，劉金文.生物信息學(xué)學(xué)生創(chuàng)新型培養(yǎng)體系的探索與實(shí)踐[J].黑龍江教育，2016（6）：78-79.

[2] 齊云峰，孫添添，于長(zhǎng)春，等.淺談如何提高生物信息學(xué)教學(xué)質(zhì)量[J].散文百家，2016（12）：122.

[3] 陳志雄，王少奎，李亞娟.科研導(dǎo)向的農(nóng)學(xué)類專業(yè)生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容改革[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018（46）：32.

[4] 楊敏，趙杏利，范丙友，等.生物信息學(xué)課程教學(xué)改革初探[J].教育教學(xué)論壇，2016（48）：140-141.

[5] 李曉玉，江海洋.農(nóng)林院校生物信息學(xué)課程教學(xué)方法改革探析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013（13）：340-342.