生物信息專業(yè)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐

劉艷 呂愛(ài)平 朱瑞新 翁志萍

[摘 要] 生物信息專業(yè)教學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用各種統(tǒng)計(jì)方法和工具進(jìn)行生物信息數(shù)據(jù)處理分析的能力?；诖?，對(duì)生物信息專業(yè)課堂教學(xué)模式進(jìn)行探索，結(jié)合CBI、SPOC等多種教學(xué)模式，組建海外精英教學(xué)團(tuán)隊(duì);采用先進(jìn)的教學(xué)方法，創(chuàng)建野外實(shí)習(xí)基地、海外畢業(yè)設(shè)計(jì)基地;引導(dǎo)學(xué)生早期接觸生物信息學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域和科學(xué)研究。實(shí)踐證明，創(chuàng)新教學(xué)模式為培養(yǎng)生物信息創(chuàng)新人才提供了有力保障。

[關(guān)鍵詞] 教學(xué)模式;實(shí)驗(yàn);實(shí)習(xí);改革

一、引言

生物信息專業(yè)是傳統(tǒng)的生物學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)綜合發(fā)展的一門交叉專業(yè)，涉及學(xué)科領(lǐng)域廣泛，綜合了計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物等相關(guān)科學(xué)知識(shí)。它通過(guò)對(duì)大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分析、解釋和整合，從而表征出復(fù)雜的生命信息[1，2]。西方發(fā)達(dá)國(guó)家生物信息專業(yè)學(xué)位培養(yǎng)具有成熟的體系，并不斷探究教學(xué)方法和分析生物信息教育現(xiàn)狀[3，6]。近年我國(guó)的華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高校設(shè)立了生物信息學(xué)專業(yè)，但是學(xué)科的復(fù)雜性和綜合性導(dǎo)致生物信息專業(yè)教學(xué)處于摸索階段，尚未形成一個(gè)完整的專業(yè)課程體系。很多高校目前只能整合計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等師資力量，進(jìn)行單一教學(xué)。

在多年的生物信息專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)中，我們著重抓學(xué)生實(shí)踐實(shí)習(xí)能力，結(jié)合學(xué)校采用的教研一體化、學(xué)業(yè)導(dǎo)師制、報(bào)告研討制等各種方法，創(chuàng)建特色實(shí)踐教學(xué)基地，大力資助創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生畢業(yè)入職后受到科研院所和企業(yè)的好評(píng)。此外我們開(kāi)展生物信息教學(xué)與國(guó)際接軌，吸收歐美國(guó)家的生物信息專業(yè)成熟的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不但可以彌補(bǔ)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不足，還可以讓學(xué)生開(kāi)拓國(guó)際視野，培養(yǎng)出一批高水平的生物信息人才?；诖?，我們開(kāi)展了生物信息專業(yè)課程教學(xué)改革，采用多種教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生了解生物信息學(xué)前沿領(lǐng)域和研究成果，增強(qiáng)對(duì)學(xué)科的認(rèn)識(shí)和對(duì)生物信息未來(lái)的把握。

二、教學(xué)模式的改革與實(shí)踐

（一）CBI教學(xué)模式

國(guó)外很早就開(kāi)展并實(shí)踐了采用不同的教學(xué)方法和手段來(lái)促進(jìn)生物信息教學(xué)的發(fā)展[7-9]，比如采用Internet在線來(lái)開(kāi)展生物信息培訓(xùn)[ 10 ]。構(gòu)建生物信息教學(xué)專用多媒體機(jī)房是教學(xué)改革的硬件，我們將全部生物信息專業(yè)課轉(zhuǎn)移到機(jī)房，采用以電腦為載體的CAI等現(xiàn)代化教學(xué)手段，部分雙語(yǔ)課程或全英語(yǔ)課程也采用了CBI教學(xué)模式[ 11 ]。通過(guò)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生不但愿意接受CBI教學(xué)理念，而且顯著提高了學(xué)生的專業(yè)英語(yǔ)水平。為了提高自主學(xué)習(xí)能力，我們建設(shè)了數(shù)字化生物信息實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)[ 12 ]，將課程的課件放在平臺(tái)上，學(xué)生在平臺(tái)上獲得資料進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。部分學(xué)生在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之后可以增加自選實(shí)驗(yàn)，如開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)等。教師開(kāi)展各種科研活動(dòng)吸引學(xué)生，不斷提高學(xué)生從事科研的能力。

（二）SPOC教學(xué)模式

SPOC教學(xué)模式具有小眾化、限制性等特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)模式可以提高教學(xué)效率。云平臺(tái)是生物信息專業(yè)SPOC教學(xué)模式發(fā)展的硬件支持。SPOC平臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)合云計(jì)算和云存儲(chǔ)搭建新型教學(xué)平臺(tái)，關(guān)鍵是高速穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)，整合分布式計(jì)算架構(gòu)，依托分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、云存儲(chǔ)技術(shù)以及功能強(qiáng)大的專業(yè)軟件，從而實(shí)現(xiàn)了生物信息專業(yè)教學(xué)資源的共建共享。在云實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用SPOC教學(xué)模式，反哺于傳統(tǒng)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，改進(jìn)教學(xué)方法，形成一套具有數(shù)據(jù)支撐的專業(yè)課程教學(xué)體系，使生物信息專業(yè)教學(xué)發(fā)展到一個(gè)新的高度，這也是我國(guó)高等教育信息化發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)之一。

SPOC教學(xué)模式將課程的學(xué)習(xí)分為線上學(xué)習(xí)和線下學(xué)習(xí)[ 13 ]，其中線上學(xué)習(xí)主要是自學(xué)SPOC教學(xué)資源、擴(kuò)展知識(shí)等，主要包含了學(xué)生的課前預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)中的討論與反饋，師生實(shí)現(xiàn)無(wú)時(shí)間無(wú)地點(diǎn)限制的交流與探討。SPOC的教學(xué)資源由教師開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)整合，團(tuán)隊(duì)成員包括任課教師、助教、系統(tǒng)管理員等。為豐富課程資源我們搜集了校內(nèi)外優(yōu)秀的教學(xué)視頻、教學(xué)課件以及擴(kuò)展知識(shí)點(diǎn)等。學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)實(shí)際做好課前預(yù)習(xí)是學(xué)習(xí)的重要組成部分。首先由任課教師發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生利用云平臺(tái)的各種課程資源進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，包括閱讀教材、學(xué)習(xí)PPT、觀看SPOC教學(xué)視頻、課前練習(xí)操作等。線下學(xué)習(xí)主要是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作以及教師對(duì)學(xué)生疑難問(wèn)題解答等。教師在機(jī)房采用電子白板和教學(xué)控制軟件等多種方式將知識(shí)傳授給學(xué)生。課堂討論可以對(duì)學(xué)生疑難進(jìn)行解答，也可以進(jìn)一步深化知識(shí)，擴(kuò)展學(xué)習(xí)的深度，學(xué)生可以自行檢測(cè)自己的學(xué)習(xí)程度。課堂作業(yè)也是檢驗(yàn)學(xué)生接受并應(yīng)用新知識(shí)的最佳方式。學(xué)生根據(jù)教師現(xiàn)場(chǎng)布置的作業(yè)進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)，利用生物信息實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，當(dāng)需要采用大量計(jì)算時(shí)，連接我們的高性能計(jì)算集群，建立自己的文件夾，在自己的文件夾下進(jìn)行編程，搜索數(shù)據(jù)庫(kù)等。

（三）海外精英教學(xué)團(tuán)隊(duì)

1.長(zhǎng)青系列精品課程。生物信息專業(yè)的教學(xué)，國(guó)外的教學(xué)與科研水平都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)，為了建設(shè)一流本科教育，努力將學(xué)生培養(yǎng)成為兼具“扎實(shí)基礎(chǔ)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維、國(guó)際視野、社會(huì)責(zé)任”五方面綜合特質(zhì)的社會(huì)棟梁與專業(yè)精英，我們邀請(qǐng)以美國(guó)工程院院士、麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院終身教授，被同濟(jì)大學(xué)聘為千人計(jì)劃講座教授的翁志萍教授為本科生開(kāi)設(shè)了大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)長(zhǎng)青系列精品通識(shí)課程，課程內(nèi)容具有科學(xué)性、先進(jìn)性、前瞻性、創(chuàng)新性，體現(xiàn)交叉，反映生物信息領(lǐng)域的最新科技學(xué)術(shù)成果，將科學(xué)思維和創(chuàng)新方法貫穿到課程體系中，充分發(fā)揮科研反哺教學(xué)，促進(jìn)科教融合的作用。

2.暑期夏令營(yíng)學(xué)習(xí)班。我們積極鼓勵(lì)拓展學(xué)生科技發(fā)展空間，組建了以哈佛大學(xué)、麻省大學(xué)為主的國(guó)際一流的海外教學(xué)團(tuán)隊(duì)。每年暑期我們舉辦為期4～5周的生物信息科研培訓(xùn)班，指導(dǎo)學(xué)生如何獲得和閱讀生物信息學(xué)科研論文，如何獲得生物信息學(xué)常用軟件以及具體的安裝及使用。通過(guò)實(shí)際操作，要求學(xué)生掌握生物信息編寫(xiě)程序，初步分析高通量測(cè)序（RNA-seq、ChIP-seq）數(shù)據(jù)，具備分析基因組數(shù)據(jù)的能力，如組裝、基因預(yù)測(cè)、序列分析、SNP分析等注釋分析，讓學(xué)生了解并學(xué)習(xí)生物信息類有價(jià)值的公共數(shù)據(jù)資源。

（四）野外實(shí)習(xí)基地

生物信息學(xué)采用生物信息專業(yè)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)，從微觀上理解生物學(xué)的意義。如果用到了預(yù)測(cè)工具，最后的生物問(wèn)題還要回歸到宏觀上，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)測(cè)的可靠度。為了讓學(xué)生了解生物學(xué)宏觀和微觀的關(guān)系，生物學(xué)野外實(shí)習(xí)也是生物信息專業(yè)的必修課，我院和浙江農(nóng)林大學(xué)、國(guó)家自然保護(hù)區(qū)天目山長(zhǎng)期合作建立了生物學(xué)野外實(shí)習(xí)基地[ 14 ]。通過(guò)這個(gè)課程，學(xué)生需要掌握動(dòng)植物標(biāo)本采集等野外工作的方法和技能，隨著海拔的不同掌握植物的種類和分布發(fā)生的變化。通過(guò)野外實(shí)習(xí)，學(xué)生了解了人、自然、環(huán)境的科學(xué)關(guān)系，開(kāi)闊了視野，增強(qiáng)了地質(zhì)環(huán)境意識(shí)。學(xué)生通過(guò)野外實(shí)習(xí)認(rèn)識(shí)到，作為一名生物學(xué)家不僅需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，還需要具有團(tuán)隊(duì)合作精神。不僅如此，還培養(yǎng)了他們吃苦耐勞、團(tuán)結(jié)友愛(ài)的精神，體現(xiàn)了同濟(jì)人同舟共濟(jì)的精神。也深刻認(rèn)識(shí)到必須要鍛煉身體，增強(qiáng)體質(zhì)，才能逐步適應(yīng)野外艱苦的工作學(xué)習(xí)環(huán)境。

“崇明島移動(dòng)課堂”實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)也是我們實(shí)踐教學(xué)中必不可少的教學(xué)資源。崇明島是“東亞-澳大利亞”鳥(niǎo)類遷徙路線（世界八大鳥(niǎo)類遷徙路線之一）中一個(gè)重要的中轉(zhuǎn)站。指導(dǎo)老師帶領(lǐng)學(xué)生參觀東灘鳥(niǎo)類展館，在解說(shuō)員的講解下，了解保護(hù)區(qū)豐富的鳥(niǎo)類和其他動(dòng)物資源。我們?cè)谖⊥杲?jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上改良創(chuàng)新，對(duì)活動(dòng)的內(nèi)容及具體形式不斷改進(jìn)，以激發(fā)培養(yǎng)學(xué)生興趣為宗旨，寓教于樂(lè)，拓展學(xué)生知識(shí)面，同時(shí)鍛煉學(xué)生的實(shí)踐及創(chuàng)新能力。

（五）海外畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)基地

為了提高學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)和參與科研的能力，我們?cè)合德?lián)合美國(guó)哈佛大學(xué)、麻省理工大學(xué)教授創(chuàng)建了海外畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)基地，通過(guò)輸送到海外知名大學(xué)進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生在生物領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究的興趣，提高學(xué)生與國(guó)際知名教授英語(yǔ)交流和合作能力。教師通過(guò)進(jìn)行考察和借鑒世界一流大學(xué)的教學(xué)理念、管理模式和運(yùn)行機(jī)制反哺本校的教學(xué)體制，不斷推動(dòng)教學(xué)方法改革，把國(guó)際的、多元的文化和前沿領(lǐng)域融入我們現(xiàn)有教學(xué)中去。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和調(diào)研，90%以上的學(xué)生經(jīng)過(guò)海外畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)的學(xué)生畢業(yè)之后選擇進(jìn)一步深造。學(xué)生們反映，通過(guò)海外交流可以更直接的了解國(guó)際一流學(xué)校的教學(xué)和科研，更快的掌握生物信息前沿領(lǐng)域，進(jìn)一步提高專業(yè)教學(xué)和研究水平。

三、結(jié)論

生物信息專業(yè)教學(xué)是一個(gè)不斷深化和提高的過(guò)程。以培養(yǎng)創(chuàng)新和實(shí)踐能力為核心，開(kāi)展生物信息專業(yè)教學(xué)模式的改革與實(shí)踐，對(duì)提高學(xué)生運(yùn)用各種學(xué)科知識(shí)和工具解決生命科學(xué)領(lǐng)域疑難問(wèn)題的科研能力有著非常重要的作用。今后，我們將通過(guò)在校生、畢業(yè)生以及企業(yè)的反饋信息，結(jié)合創(chuàng)新的教學(xué)方法，為更好地滿足新時(shí)代創(chuàng)新型生物信息學(xué)人才需求提供保障，提高我國(guó)生命科學(xué)領(lǐng)域在國(guó)際上的地位。

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