結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展探索“生物信息學(xué)”課程教學(xué)改革

李映紅

（重慶郵電大學(xué) 生物信息學(xué)院，重慶 400065）

“生物信息學(xué)”課程在生物專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要作用，是生命科學(xué)最前沿的學(xué)科之一，具有實(shí)踐性強(qiáng)、知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。其在生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上也發(fā)揮了巨大作用，與生物信息學(xué)相關(guān)的健康檢測(cè)產(chǎn)品發(fā)展得越來(lái)越成熟，例如無(wú)創(chuàng)產(chǎn)前診斷和癌癥早篩[1-2]。基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)高?！吧镄畔W(xué)”教學(xué)提出了新的要求，如何構(gòu)建以生物產(chǎn)業(yè)為導(dǎo)向的“生物信息學(xué)”教學(xué)模式成為高校教師必須解決的問(wèn)題。

1 “生物信息學(xué)”課程教學(xué)存在的問(wèn)題

生物信息學(xué)是生命科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)等融合形成的交叉學(xué)科，主要任務(wù)是基于生物大數(shù)據(jù)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和工具開發(fā)，應(yīng)用于生命健康問(wèn)題的計(jì)算與分析，包括生物數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、分析和解釋等。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，雖然“生物信息學(xué)”課程的教學(xué)工作取得了巨大成效，但隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，也暴露出當(dāng)前“生物信息學(xué)”教學(xué)工作存在的諸多問(wèn)題。

1.1 對(duì)先修課程的高要求導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)難度加大

作為生命科學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)形成的交叉學(xué)科，對(duì)于“生物信息學(xué)”的學(xué)習(xí)，一方面，要求學(xué)生先修“普通生物學(xué)”“生物化學(xué)”“細(xì)胞生物學(xué)”“遺傳學(xué)”等生物學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程；另一方面，又對(duì)學(xué)習(xí)者的數(shù)學(xué)知識(shí)和計(jì)算機(jī)知識(shí)有較高的要求，尤其要求具備一定的計(jì)算機(jī)編程技能或背景知識(shí)。其他先修基礎(chǔ)課程的知識(shí)掌握情況，將直接影響本課程的學(xué)習(xí)效果。因此，“生物信息學(xué)”是專業(yè)課程中數(shù)理邏輯最強(qiáng)、對(duì)計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)依賴性最強(qiáng)的課程，尤其對(duì)于數(shù)理類課程相對(duì)薄弱的學(xué)生而言，是最有難度的課程之一。

1.2 理論知識(shí)與實(shí)踐操作的結(jié)合相對(duì)薄弱

學(xué)生需要通過(guò)親身實(shí)踐，熟練掌握生物信息學(xué)的分析方法和軟件的使用。只有通過(guò)生物信息學(xué)方法和技術(shù)的實(shí)踐操作，學(xué)生才能從眾多分散的生物學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)或高通量組學(xué)數(shù)據(jù)中詳細(xì)和系統(tǒng)地理解生命活動(dòng)分子機(jī)制。但實(shí)際情況是，在當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容體系框架下，教學(xué)中的理論與實(shí)踐結(jié)合仍然不足。雖然“生物信息學(xué)”課程包含16學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課，但由于需要實(shí)踐操作的內(nèi)容較多，16學(xué)時(shí)無(wú)法完全覆蓋需要實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容。因此，“生物信息學(xué)”課程的實(shí)踐性教學(xué)仍然是一個(gè)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。

1.3 教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用跨度較大

縱觀我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，基于生物信息學(xué)的生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)得到了廣泛的運(yùn)用。例如腫瘤早篩技術(shù)的發(fā)展，要求相關(guān)人員具有綜合性的知識(shí)結(jié)構(gòu)。但是，對(duì)比校內(nèi)教學(xué)課程可以清晰地看到，“生物信息學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用還存在較大的跨度：一是教材中的諸多內(nèi)容落后于生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，導(dǎo)致學(xué)生所接觸的知識(shí)難以滿足生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求；二是教學(xué)內(nèi)容缺乏對(duì)行業(yè)最新技術(shù)知識(shí)的融入。信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展速度較快，但是就高?！吧镄畔W(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容來(lái)看，更多地集中在傳統(tǒng)的理論教學(xué)上，缺乏對(duì)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的介紹，導(dǎo)致學(xué)生所掌握的知識(shí)難以適應(yīng)生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求；三是生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求高校教學(xué)內(nèi)容要更豐富、更全面，但是目前在“生物信息學(xué)”教學(xué)中，仍然缺乏通識(shí)教育的融合[3]。

2 “生物信息學(xué)”課程教學(xué)改革的具體方案

2.1 “生物信息學(xué)”課程教學(xué)改革的思路

為了解決目前教學(xué)中存在的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合較少的問(wèn)題，應(yīng)構(gòu)建完善的“生物信息學(xué)”課程教學(xué)模式。高?！吧镄畔W(xué)”課程教學(xué)改革思路：以產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用為導(dǎo)向，緊密結(jié)合生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)等相關(guān)領(lǐng)域的科研工作，將適合的科研成果引入課堂教學(xué)，開展基于實(shí)踐的問(wèn)題式教學(xué)和案例式教學(xué)研究，促進(jìn)學(xué)生理論與實(shí)踐兩方面同時(shí)進(jìn)步。將所構(gòu)建的問(wèn)題式教學(xué)和案例式教學(xué)的具體內(nèi)容整合到團(tuán)隊(duì)開發(fā)的在線數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，方便課堂演示與課后練習(xí)。通過(guò)問(wèn)題式教學(xué)和案例式教學(xué)，將提高生物信息學(xué)專業(yè)的升學(xué)率與就業(yè)質(zhì)量。

2.2 “生物信息學(xué)”課程教學(xué)改革的實(shí)施方案

2.2.1 深入剖析教材，把握教學(xué)難點(diǎn)與重點(diǎn)

在“生物信息學(xué)”課程教學(xué)中，教師要深入分析“生物信息學(xué)”的教材內(nèi)容，根據(jù)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。首先，教師要結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，深入生物信息學(xué)領(lǐng)域，了解當(dāng)前企業(yè)對(duì)學(xué)生崗位知識(shí)能力的要求，綜合多種因素，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如針對(duì)教材中的部分內(nèi)容知識(shí)老舊、講義內(nèi)容不夠鮮活的問(wèn)題，教師要及時(shí)將最新的行業(yè)技術(shù)知識(shí)引入課堂教學(xué)中，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)生物信息技術(shù)的掌握能力；其次，教師要準(zhǔn)確判斷教學(xué)的難點(diǎn)與重點(diǎn)，結(jié)合用人單位反饋的信息、平時(shí)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累等，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行劃分，為學(xué)生提供強(qiáng)有力的教學(xué)指導(dǎo)。由于“生物信息學(xué)”課程所涉及的內(nèi)容比較煩瑣，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中不知道哪里是重點(diǎn)，缺乏有針對(duì)性的學(xué)習(xí)。因此，教師要加強(qiáng)對(duì)教學(xué)知識(shí)的分類，以便為學(xué)生提供精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)。

2.2.2 結(jié)合科研成果，引入教學(xué)案例

為了有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的課堂參與感，解決“生物信息學(xué)”課程內(nèi)容枯燥單一的問(wèn)題，教師在教學(xué)中要結(jié)合學(xué)生的學(xué)情開展案例式教學(xué)：首先，在教學(xué)前，教師需要結(jié)合教學(xué)大綱要求選擇適合學(xué)生學(xué)情的案例?！吧镄畔W(xué)”課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，但是，每個(gè)學(xué)生的學(xué)情不同，他們對(duì)相應(yīng)知識(shí)的理解程度也不同。所以，教師在引入案例項(xiàng)目時(shí)，必須注重與學(xué)生學(xué)情的對(duì)接，既要保證引入的案例符合課程知識(shí)，也要調(diào)動(dòng)學(xué)生的課堂參與性；其次，教師要發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，在案例教學(xué)前，可以先將案例項(xiàng)目發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生做好預(yù)習(xí)，熟悉案例，便于教師在課堂中深入地分析案例并講解核心知識(shí)；最后，教師所引入的案例項(xiàng)目必須要貼近學(xué)生的生活和行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)“生物信息學(xué)”課程枯燥的問(wèn)題，教師要選擇貼近學(xué)生實(shí)際的案例項(xiàng)目。例如教師可以將自己參與的科研項(xiàng)目納入課堂教學(xué)中，這樣可以達(dá)到事半功倍的效果。比如在生物信息學(xué)算法（支持向量機(jī)、K緊鄰和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）等內(nèi)容教學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生普遍反映比較難懂，因此，筆者將自己研究開發(fā)的蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)工具SVM-Prot作為教學(xué)案例，讓學(xué)生通過(guò)該案例能夠更為直觀地了解“生物信息學(xué)”的算法知識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量[4]。

2.2.3 結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展與應(yīng)用，引入相關(guān)案例

“生物信息學(xué)”教學(xué)必須要結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)照行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，開展教學(xué)工作，以此培養(yǎng)社會(huì)實(shí)用型專業(yè)人才。在具體的教學(xué)中，教師要將產(chǎn)業(yè)經(jīng)典案例引入課堂教學(xué)中。案例教學(xué)不是簡(jiǎn)單地將案例融入課堂教學(xué)中，而是要發(fā)揮案例教學(xué)的發(fā)散性思維：一是高校教師要在教學(xué)過(guò)程中引入生物產(chǎn)業(yè)的最新科研成果，通過(guò)對(duì)科研成果的介紹等，融入課本專業(yè)知識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解；二是要在教學(xué)中融入經(jīng)典案例，單獨(dú)依靠課堂教學(xué)，學(xué)生難以消化。因此，教師可以組織學(xué)生在課后進(jìn)行探討，讓學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)進(jìn)行梳理，以此加深印象，提升教學(xué)質(zhì)量[5]；三是要合理布置作業(yè)?！吧镄畔W(xué)”課程要求學(xué)生在業(yè)余時(shí)間多參加實(shí)踐訓(xùn)練，因此，教師可以結(jié)合課堂教學(xué)知識(shí)，為學(xué)生布置一些實(shí)踐性較強(qiáng)的任務(wù)作業(yè)，改變傳統(tǒng)的側(cè)重于理論知識(shí)的作業(yè)模式。例如教師可以為學(xué)生布置一些關(guān)于基因組合計(jì)算的實(shí)踐性作業(yè)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)操作。

2.2.4 實(shí)施問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)，活躍課堂氛圍

針對(duì)“生物信息學(xué)”教學(xué)中師生互動(dòng)少、實(shí)踐操作課時(shí)安排不合理的問(wèn)題，教師可以采取問(wèn)題導(dǎo)向式的教學(xué)模式，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂的積極性。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以先向?qū)W生提出某些問(wèn)題，讓學(xué)生以小組合作等方式探討和分析教師提出的問(wèn)題，然后教師結(jié)合學(xué)生的觀點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的課堂參與積極性。當(dāng)然在問(wèn)題的設(shè)置上，教師要多觀察，以調(diào)動(dòng)學(xué)生參與積極性的熱點(diǎn)問(wèn)題作為切入點(diǎn)。例如在講解分子進(jìn)化的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，教師以新冠病毒可能的起源為引，讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)分子進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育，分析新冠病毒可能的起源。另外，在“生物信息學(xué)”教學(xué)中，也要拓展專業(yè)知識(shí)。教師在教學(xué)中，要大力弘揚(yáng)生物信息學(xué)領(lǐng)域嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神，對(duì)于新冠病毒，病毒的蛋白質(zhì)是國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一，病毒產(chǎn)生的蛋白中，S蛋白是重點(diǎn)需要攻克的蛋白之一。從生物信息學(xué)的角度來(lái)看，可以通過(guò)對(duì)接的方法，篩選可能對(duì)S蛋白有抑制作用的一些藥物小分子。例如中科院藥物研究所在很短的時(shí)間內(nèi)就篩選出了幾十個(gè)對(duì)該蛋白可能有抑制作用的小分子，此精神值得學(xué)生學(xué)習(xí)[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

“生物信息學(xué)”是培養(yǎng)高素質(zhì)生物人才的重要課程，基于高校人才培養(yǎng)與行業(yè)崗位要求的差距問(wèn)題，高校必須不斷優(yōu)化教學(xué)模式，以生物產(chǎn)業(yè)為導(dǎo)向，依托高?？蒲许?xiàng)目資源優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建完善的教學(xué)體系，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高課堂教學(xué)效率。