地方本科高校生物信息學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀與改革初探

李婷婷 陶文靜 柯清林 王飛 崔立操

[摘 要] 生物信息學(xué)是生命科學(xué)和自然科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。鑒于該學(xué)科發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)教學(xué)方式中的弊端逐步凸顯，實時調(diào)整教學(xué)思路是保證教學(xué)質(zhì)量的重中之重。結(jié)合實踐教學(xué)經(jīng)驗，系統(tǒng)闡述了我國地方本科院校生物信息學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀及所面臨的困境，從師資力量、教學(xué)內(nèi)容、硬件設(shè)施及基礎(chǔ)課程設(shè)置等方面提出了相應(yīng)的改革建議，以期為生物大數(shù)據(jù)分析人才的培養(yǎng)提供參考。

[關(guān)鍵詞] 地方本科院校;生物信息學(xué);問題;對策

[基金項目] 2018年江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（GJJ180241）“基于高通量測序和代謝組學(xué)對四特酒釀制工藝改良的研究”;2018年江西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動基金

[作者簡介] 崔立操（1989—），男，山東泰安人，農(nóng)學(xué)博士，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)講師，主要從事生物信息學(xué)研究;李婷婷（1996—），女，河南南陽人，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院2019級生物工程專業(yè)碩士研究生，研究方向為生物信息學(xué)。

[中圖分類號] G642.3? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0203-02? ? [收稿日期] 2020-01-08

生物信息學(xué)是一門集數(shù)學(xué)、生物學(xué)及計算機學(xué)等多學(xué)科，交叉形成的新興前沿學(xué)科，旨在利用計算機科學(xué)技術(shù)解決生物學(xué)問題[1]。隨著高通量測序技術(shù)的出現(xiàn)和蓬勃發(fā)展，生命科學(xué)已經(jīng)邁入大數(shù)據(jù)時代，通過整合多種技術(shù)手段，發(fā)掘、解析關(guān)鍵基因的作用機制及調(diào)控機理已成為解決生物學(xué)問題最高效、便捷的研究方式之一[2]。因此，系統(tǒng)掌握生物信息學(xué)技術(shù)原理和分析手段，是生物類專業(yè)本科生的必備素養(yǎng)。自2002年起，多數(shù)院校的生物學(xué)相關(guān)專業(yè)都相繼開設(shè)生物信息學(xué)課程[3]，其中部分高等院校甚至開設(shè)生物信息學(xué)本科專業(yè)。筆者根據(jù)所在地方本科院校生物信息學(xué)教學(xué)中遇到的問題，提出針對性改革建議，以期為提高課程教學(xué)質(zhì)量提供一定的借鑒和參考。

一、生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的問題

（一）師資力量薄弱，隊伍建設(shè)滯后

作為一門發(fā)展迅速、體系綜合的交叉學(xué)科，生物信息學(xué)教師不僅需掌握數(shù)學(xué)、生物和計算機等學(xué)科專業(yè)知識，而且應(yīng)具備敏銳的洞察力，把握學(xué)科發(fā)展動態(tài)，緊跟國際前沿趨勢。然而，受區(qū)位因素、經(jīng)濟現(xiàn)狀及引人、落戶政策的限制，地方院校對人才缺乏吸引力，大量具有專業(yè)背景的博士畢業(yè)生被一二線城市的高校、研究所及有實力的企業(yè)挖走，留任教師大都未接受過專業(yè)的生物信息學(xué)培訓(xùn)，知識體系不夠完整，難以勝任教學(xué)任務(wù)，無法達成預(yù)期教學(xué)目標。此外，生物信息學(xué)通常作為選修課開設(shè)，在學(xué)科建設(shè)及人才培養(yǎng)方案中，相關(guān)部門及領(lǐng)導(dǎo)重視不夠。

（二）教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)大綱不合理

生物信息學(xué)發(fā)展日新月異，其研究內(nèi)容和方向也在持續(xù)不斷地豐富和完善。2010年興起的以HiSeq平臺為代表的高通量測序技術(shù)，極大地推動了生物學(xué)研究從分子水平向基因組水平的轉(zhuǎn)變[4]。在此基礎(chǔ)上，千美元個人基因組、風(fēng)險評估及精準醫(yī)療等均成為可能[5]。然而，縱觀當前可征訂的教材和網(wǎng)絡(luò)上的教學(xué)資源，仍投入大量篇幅介紹生物信息學(xué)的發(fā)展歷程、數(shù)據(jù)庫檢索及基本算法等傳統(tǒng)內(nèi)容，有關(guān)高通量測序的基本原理、研究思路及分析工具等前沿領(lǐng)域知識，僅在最后章節(jié)以較小篇幅做簡單介紹，教學(xué)內(nèi)容明顯落后。加之教學(xué)目標不明確，以寬口徑專業(yè)人才培養(yǎng)為最終目的，勢必導(dǎo)致課授內(nèi)容面面俱到，而受課程時限制（通常為24或32學(xué)時），大部分知識只能走馬觀花、匆匆了事。在遇到實際問題時，學(xué)生依舊束手無策，人才培養(yǎng)的質(zhì)量明顯滯后于相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求。此外，教學(xué)評價方式欠嚴謹，期末考核以卷面考試為主，占比高達70%～80%，顯然這種考核方式無法衡量學(xué)生學(xué)以致用的能力。

（三）軟硬件建設(shè)滯后，實踐教學(xué)欠缺

高性能服務(wù)器是開展生物信息學(xué)領(lǐng)域原創(chuàng)性研究，建立數(shù)據(jù)分析、挖掘及解析技術(shù)體系，保障應(yīng)用型人才實踐培養(yǎng)的直接物理載體。目前，國家加快推進“雙一流”建設(shè)，剛剛結(jié)束的首輪評選中，地方院校收獲甚微。受動態(tài)建設(shè)調(diào)整原則激勵，院校統(tǒng)籌一切建設(shè)經(jīng)費，聚焦傳統(tǒng)優(yōu)勢專業(yè)學(xué)科，力求在新一輪的評選中迎頭趕上。然而，地方院校中生物信息學(xué)發(fā)展相對滯后，通常淪為邊緣化的非優(yōu)勢學(xué)科。面對動輒幾十萬的投入，在建設(shè)經(jīng)費不足，短期效果不甚明了的前提下，平臺建設(shè)一拖再拖。此外，高性能服務(wù)器屬系統(tǒng)級工程，建設(shè)周期冗長，任何環(huán)節(jié)的疏忽，都可能遲滯平臺的交付。以我校生物科學(xué)與工程學(xué)院為例，立項后因投標廠商不足三家，兩年內(nèi)已流標三次，嚴重拖延了采購周期，平臺至今卡在招標環(huán)節(jié)。由于平臺建設(shè)不到位，生物信息學(xué)課程只得沿用傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式，授課方式以多媒體課件的靜態(tài)演示為主，造成課程性質(zhì)走樣，原本實用性課程時常成為文獻檢索、研究進展課。課堂中缺乏實際操作環(huán)節(jié)，致使學(xué)生對網(wǎng)頁操作、工具使用等反饋遲鈍，印象不深刻，影響學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（四）基礎(chǔ)課程設(shè)置不合理，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣

生物信息學(xué)擁有一套復(fù)雜且完善的理論體系，合理的基礎(chǔ)課程設(shè)置顯得尤為重要。目前，國內(nèi)約有30所“雙一流”高校開設(shè)了生物信息學(xué)專業(yè)，雖然不同院校的課程設(shè)置各有千秋，但都是在夯實生命科學(xué)、數(shù)學(xué)及計算機科學(xué)的基礎(chǔ)上進一步開設(shè)生物信息學(xué)。反觀地方院校，在大量基礎(chǔ)課程未到位的情況下，突兀地安排了一門生物信息學(xué)，不免給學(xué)生一種空中樓閣的感覺。此外，地方院校生源質(zhì)量參差不齊，學(xué)生計算機基礎(chǔ)薄弱，甚至存在不會基本操作、不熟悉辦公軟件使用等情況。面對水準更高、難度更大的Linux操作指令、python或perl編程以及R統(tǒng)計繪圖等專業(yè)計算機內(nèi)容時，學(xué)生倍感吃力。隨著課程的深入，部分學(xué)生感到枯燥乏味，產(chǎn)生厭學(xué)情緒，甚至出現(xiàn)遲到、早退、逃課等情況。

二、地方本科院校生物信息學(xué)教學(xué)改革的建議

（一）組建多元化師資團隊，提升教師專業(yè)素養(yǎng)

1.轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)引才觀念，破除一師一科的教學(xué)制度。地方高校應(yīng)貫徹黨的教育方針，深化體制改革，破除“四唯”人才評價標準，引才政策應(yīng)具有前瞻性、靈活性及有效性，建立符合院校發(fā)展的教師準入制度，不僅可以從企業(yè)、公司聘任經(jīng)驗豐富的生信人員，也可以從?？?、高職院校選拔能力突出的專任教師。將生物信息學(xué)列為緊缺急需專業(yè)，納入人才需求目錄，做到以人為本，落實一人一策，用拴心留人的政策廣納賢良。

打破藩籬，改變一師一科的教學(xué)制度。聘請基礎(chǔ)扎實、經(jīng)驗豐富的專業(yè)生物信息學(xué)團隊兼職授課，將理論知識與科研實踐融會貫通，拓寬學(xué)生知識面;定期邀請教學(xué)名師、客座教授舉辦專題講座，幫助學(xué)生理清框架，把握重難點。

2.提升教師專業(yè)素養(yǎng)，加強師資隊伍建設(shè)。建立必要的獎懲機制，表彰和激勵教學(xué)成果突出、積極參與學(xué)科建設(shè)的優(yōu)秀教師。強調(diào)教師不斷提高自身理論基礎(chǔ)，完善多學(xué)科專業(yè)背景，豐富個人知識技能儲備。督促教師開展科研試驗，推動以科研促進教學(xué)、完善教學(xué)的發(fā)展模式。同時，地方院校應(yīng)鼓勵新聘教師、骨干教師前往國內(nèi)外高水平科研院校、知名生物公司等前沿科技平臺學(xué)習(xí)和進修，領(lǐng)悟教學(xué)理念，請教教學(xué)方法，提升教師的專業(yè)水準和專業(yè)素養(yǎng)。最后，院校應(yīng)著力加強學(xué)科建設(shè)，推動學(xué)科間協(xié)同，組建一支結(jié)構(gòu)合理、人員穩(wěn)定、教學(xué)水平高、效果好的跨學(xué)科教學(xué)團隊，解決單個教師學(xué)科體系不完善的問題，為學(xué)生提供完備的師資保障。

（二）加強課程內(nèi)容建設(shè)，深化教學(xué)大綱改革

1.教學(xué)內(nèi)容與時俱進，教材建設(shè)持續(xù)完善。對不合時宜的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)取其精華，去其糟粕，將有限的學(xué)時運用到新理論、新技術(shù)的講授中，從面面俱到轉(zhuǎn)為舉要治繁。盡可能突出該學(xué)科實用性，明確其作為輔助性研究工具的用途，適當講解原理、模型及算法等理論內(nèi)容，強調(diào)學(xué)生實踐方法的運用和分析工具的操作。此外，應(yīng)針對專業(yè)特點，挑選內(nèi)容系統(tǒng)全面、編排合理、基礎(chǔ)理論與實踐應(yīng)用結(jié)合緊密的授課教材。同時，增編課堂、實驗配套材料，注重選材不拘一格，構(gòu)建由書籍、網(wǎng)絡(luò)資源及生信公司培訓(xùn)材料等組成的立體化教輔體系。

2.修訂教學(xué)大綱，突出專業(yè)特點。生物信息學(xué)已然成為生命科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)研究的必備工具，應(yīng)適時改變其課程性質(zhì)，調(diào)整為必修科目。與此同時，明確人才培養(yǎng)目標，細化人才培養(yǎng)口徑，著力培養(yǎng)具備生物大數(shù)據(jù)分析能力的實用人才，畢業(yè)生可在高等學(xué)校、科研機構(gòu)、大型醫(yī)藥公司、高新生物技術(shù)公司或其他企事業(yè)單位就業(yè)，能從事生物信息學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、教學(xué)與管理等工作。

合理設(shè)置排課學(xué)期，既不能接觸過早也不宜安排過晚，以大學(xué)第五或第六學(xué)期為佳;適當增加教學(xué)總學(xué)時至32課時及以上，提高實驗與理論課時比例至1∶1左右，以期給予學(xué)生充足的時間鞏固理論學(xué)習(xí)，開展實踐演練;改變“一卷定終身”的考核模式，將期末考試占比降低至50%～60%，提高上機實操考核占比，以考試指揮棒的強制性作用，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)分配學(xué)習(xí)資源。

（三）完善軟硬件建設(shè)，強化實踐技能

1.簡化招標流程，多渠道籌備運算資源。院校應(yīng)簡化招標流程，提高招標效率，可將高性能服務(wù)器平臺列為特殊急需設(shè)備，開辟專門渠道予以特事特辦。若經(jīng)費受限，平臺建設(shè)無法一次到位，可采取分期建設(shè)的原則。鑒于Linux系統(tǒng)較好的兼容性和拓展性，通過預(yù)留內(nèi)存、硬盤槽位，逐步滿足數(shù)據(jù)存量和運算效能不斷提高的需求。

有別于傳統(tǒng)儀器設(shè)備，高性能運算平臺只需網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)遠程訪問。因此，本校平臺建成之前，可通過短期租賃其他院校、研究所及企業(yè)的計算資源，解決無實踐教學(xué)平臺的燃眉之急。其中，華大基因等生物公司已搭建起面向生物大數(shù)據(jù)分析的開放云平臺，涵蓋了較為完整的專業(yè)分析工具類目，提供了廣泛的生物信息分析和公共數(shù)據(jù)整合的解決方案，是開展實踐教學(xué)的絕佳選擇。

2.重視實踐教學(xué)，拓寬實踐渠道。任課教師需制定詳盡的實驗課教學(xué)大綱，結(jié)合運算資源現(xiàn)狀，選取通用、新穎的分析工具，安排切實可行的實驗項目，學(xué)生以上機操作并形成實驗報告的形式鞏固實踐技能。院校應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生融入導(dǎo)師團隊，鼓勵學(xué)生申請大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，推動理論與實踐的結(jié)合，達到以學(xué)促練、以練促用的目的。

本著平等互利、優(yōu)勢互補的發(fā)展原則，推進院校與企業(yè)達成教學(xué)、科研及生產(chǎn)實際相結(jié)合，以校企合作的形式打造學(xué)生實踐教學(xué)新平臺，拓寬學(xué)生實習(xí)、就業(yè)新渠道，在促進企業(yè)單位技術(shù)創(chuàng)新進步的同時，實現(xiàn)院校人才實踐培養(yǎng)的目標。

（四）合理設(shè)置基礎(chǔ)課程，激發(fā)學(xué)生興趣

1.增設(shè)基礎(chǔ)課程，夯實基礎(chǔ)理論。地方院校應(yīng)在原有排課規(guī)劃基礎(chǔ)上，修訂課程設(shè)置體系，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案。大學(xué)第一二學(xué)年，需增設(shè)專業(yè)英語、算法導(dǎo)論、Linux操作基礎(chǔ)、Perl或Python編程語言、數(shù)據(jù)庫等英語、數(shù)學(xué)及計算機類相關(guān)課程。建議試點推行“兩長一短”的三學(xué)期制，在總教學(xué)周數(shù)不變的前提下，提高課程配置方面的自由性和靈活性，在每年的七八月份加入夏季學(xué)期，其間主要開辦輔修專業(yè)，以選修課的形式滿足學(xué)生個性化的需求，彌補生物信息學(xué)配套基礎(chǔ)課程不完善等問題。

2.強調(diào)課程重要性，多渠道激發(fā)學(xué)生興趣。隨著社會的發(fā)展，本科生競爭優(yōu)勢不斷下降，廣大畢業(yè)生對自身要求越來越高，傾向考研深造。此時，任課教師應(yīng)因勢利導(dǎo)，強調(diào)生物信息分析能力在科研中的實際重要性，幫助學(xué)生樹立起底線思維與未雨綢繆的憂患意識。

此外，教師需不斷充實自我學(xué)識，提高個人魅力，打造寓教于樂、寓學(xué)于趣的課堂氛圍，增強學(xué)生的課堂體驗感和獲得感;同時，可將啟發(fā)式、討論式及運用式等多種教學(xué)方法運用至課堂之中，以小組討論引導(dǎo)學(xué)生充分參與，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。

三、結(jié)語

綜上所述，提高教師專業(yè)素養(yǎng)、加強師資隊伍建設(shè)，深化教學(xué)大綱改革、實時更新教學(xué)內(nèi)容，完善硬件建設(shè)、重視實踐教學(xué)及增設(shè)部分基礎(chǔ)課程、激發(fā)學(xué)生興趣，是地方本科院校開展生物信息學(xué)課程教學(xué)的重要突破口。

參考文獻

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