依托高性能計算平臺的《生物信息學》項目教學法探索

李 冉，邵俊杰，王喜宏，姜 雨

(西北農(nóng)林科技大學 動物科技學院，陜西 楊凌 712100 )

生物信息學作為跨越和融合生命科學與信息技術(shù)的新興學科，是生命科學最具活力的前沿領(lǐng)域之一[1]。目前，國內(nèi)多所涉農(nóng)高校已經(jīng)在動物科學專業(yè)開設(shè)了生物信息學課程。但生物信息學知識量大、學科交叉性強，涉及到計算科學、生物統(tǒng)計學、分子生物學和基因組學等多個學科，知識更新節(jié)奏快，對教師的綜合能力要求高。大部分高校對該門課程的教學仍然處于探索階段，尚未形成成熟的教學體系，在教學過程中課程內(nèi)容陳舊，與流行的測序技術(shù)和數(shù)據(jù)分析嚴重脫節(jié)[2]。此外，大量生物信息分析依賴高性能計算服務(wù)器進行，因此，學生需要熟悉操作Linux系統(tǒng)和掌握基本的計算機編程技能，然而受到硬件設(shè)備條件的限制，大部分高校的生物信息學實踐教學依然使用一些圖形界面軟件或在線工具進行簡單的數(shù)據(jù)分析練習[3]，不能滿足未來從事科研工作的需要。

項目教學法通過整合教學資源，對課程內(nèi)容重新組合，師生共同克服課程不同章節(jié)內(nèi)容的條塊，促使學生以解決問題為導向，采用各種途徑獲取學習資源，構(gòu)建良好的知識獲取和專業(yè)技能訓練網(wǎng)格[4]。歐洲生物信息學研究所等國外研究院所長期基于項目教學法開展生物信息學教學工作，取得了良好的效果[5]。

筆者多年來一直從事生物信息學教學科研工作，針對動物科學專業(yè)特點進行了多年的教學改革探索，利用西北農(nóng)林科技大學高性能計算平臺，設(shè)計了針對基因組大數(shù)據(jù)的實驗項目，實戰(zhàn)性和趣味性強，激發(fā)了學生對該門課程的熱情，教學效果反饋較好。本文就作者在生物信息學實驗教學中設(shè)計的一個典型項目教學案例的探索和實踐過程進行總結(jié)，希望對農(nóng)業(yè)院校該門課程的實驗教學改革起到啟發(fā)和借鑒作用。

1 項目實施對象

以西北農(nóng)林科技大學動物科學專業(yè)2015級50名參與此次授課的本科生作為實驗學生，依托學校的高性能計算平臺，設(shè)計了基于全基因組遺傳變異分析的實踐教學項目，綜合鍛煉學生的Linux系統(tǒng)操作、高性能計算平臺使用、基因組大數(shù)據(jù)分析和解讀以及文件檢索能力，檢驗項目教學法在生物信息學課程中的應(yīng)用效果，并利用學生問卷調(diào)查的形式進行效果評價。

2 項目實施方法

2.1 項目設(shè)計

基于實驗室已有的全基因組測序數(shù)據(jù)，結(jié)合課程內(nèi)容，設(shè)計了應(yīng)用性和趣味性較強的實驗項目。本文介紹的研究項目要求學生根據(jù)8個人類個體的全基因組遺傳變異信息(VCF文件)進行家系判斷，并根據(jù)基因組遺傳變異和文獻調(diào)研結(jié)果對該家系的某個表型特征進行預測(如膚色、頭發(fā)顏色、酒精降解能力、乳糖耐受能力等)，這8個人的系譜如圖1所示。學生事先已掌握了Linux系統(tǒng)的使用、VCF文件的操作、家系判定方法以及基因組數(shù)據(jù)庫的查詢等相關(guān)知識，相關(guān)分析由學生在學校高性能計算平臺完成。

圖1 本項目中8個個體的家系圖Fig.1 Family tree of 8individuals in the project

2.2 項目實施

將全班學生每4～6人分為一組，自愿組合，合作完成項目。每組學生需首先確定一個要研究的表型性狀(如頭發(fā)顏色、膚色、酒精耐受能力等)，獨立查閱文獻資料，進行小組討論，確定該性狀的遺傳力以及是否有主效基因，匯總資料后再與指導教師討論，確定項目的可行性，在獲得指導教師同意后開始項目的分析工作。

整個研究過程在指導教師的指導下，由學生獨立討論和分工完成。學生需要在Linux操作系統(tǒng)下，利用King軟件對家系中的每個個體間的親緣關(guān)系進行判定，并提取Y染色體變異信息確定個體的性別，最終繪制出家系圖。在確定了研究的表型之后，查閱文獻，尋找和匯總該表型相關(guān)的GWAS分析、QTL分析和生物學實驗等研究結(jié)果報道的致因變異或相關(guān)變異，在ENSEMBL和NCBI等數(shù)據(jù)庫中進行核對，然后在VCF文件中查看對應(yīng)位點是否存在突變，并根據(jù)家系進行驗證，相關(guān)突變應(yīng)符合孟德爾遺傳規(guī)律。根據(jù)搜索到的主效致因變異或相關(guān)變異，對家系每個個體的相關(guān)表型進行合理推測。

項目完成后，每個小組需撰寫項目總結(jié)報告，并將分析結(jié)果以PPT的形式進行匯報展示，全班學生均可參與討論，最后由指導教師進行總結(jié)性點評并進行打分，滿分100分。分析結(jié)果包含文獻匯報、家系判定、表型判定和匯報論文4部分，具體要求見表1。相關(guān)的評價指標主要考察學生的口頭表達、文獻調(diào)研、Linux系統(tǒng)操作、基因組數(shù)據(jù)分析、在線數(shù)據(jù)庫使用和邏輯推理等實踐能力和技能，并考察學生的遺傳學知識儲備和論文撰寫水平。

2.3 課后調(diào)查

整個項目完成后，指導教師設(shè)計調(diào)查問卷，對學生進行無記名問卷調(diào)查，預留充足的時間保證所有學生都能夠參與和認真作答。調(diào)查問卷回收后，整理學生反饋信息，分析結(jié)果，對項目實施效果進行評價。

3 項目實施效果分析

3.1 學生對項目教學法教學模式的認可度

本項目發(fā)放調(diào)查問卷50份，收回有效調(diào)查問卷49份。通過對調(diào)查問卷進行整理，在50人中，91.8%(45/49)的學生認為項目教學法很有必要，8.2%(4/49)的學生認為項目教學法有必要，沒有學生反對繼續(xù)使用這種教學模式，表明大部分學生對該教學模式的認可度非常高。

表1 項目完成情況的評價指標和考核標準Table 1 Evaluation index and assessment standard for the implementation of the project

3.2 學生在項目教學活動中的收獲

項目教學法對學生的學習態(tài)度和能動性均產(chǎn)生了積極影響，激發(fā)了對生物信息學的學習熱情。大部分學生認為在此次教學中有重要收獲，課堂參與度較高，學習積極性增強，鞏固和深化了對課堂理論知識的掌握和實際運用能力，拓寬了知識面，鍛煉了提出、分析和解決問題的能力，鍛煉了自主學習的能力，有助于掌握本學科的前沿研究動態(tài)，增強了交流和溝通能力，團隊協(xié)作意識增強。

表2 學生對項目教學法教學效果的評價Table 2 Students' evaluation on project-based teaching effect

4 討 論

生物信息學作為一門應(yīng)用性和實踐性極強的學科，要求學習者必須在掌握相應(yīng)理論知識的同時能夠?qū)W以致用。傳統(tǒng)的講授式教學法學生親自操作和實踐的時間非常有限，不能發(fā)揮學生的主觀能動性，難以取得較好的培養(yǎng)效果[6]。為順應(yīng)時代潮流，避免教育和實踐脫節(jié)，在大數(shù)據(jù)背景下的生物信息學教學改革顯得尤為必要。項目教學法旨在將學生融入有意義的具體任務(wù)的完成過程之中，和生物信息學的教學目標完全契合，因此是生物信息學實驗等信息科學相關(guān)專業(yè)較為理想的教學模式[7]。盡管如此，在大數(shù)據(jù)背景下如何將基因組大數(shù)據(jù)分析融入到課程理論和實驗教學中來仍是生物信息學教學的一個挑戰(zhàn)。國外在生物信息學教學上采用項目教學法取得了明顯的教學效果，但也發(fā)現(xiàn)這對教師素質(zhì)和研究平臺有較高的要求[8]。首先，教師需要具備熟悉Linux操作系統(tǒng)、編程能力和一些基本的生物學相關(guān)研究背景，才能順利開展教學和指導工作；其次，也對實驗平臺提出了更高要求，特別是需要依托高性能服務(wù)器才能開展基因組大數(shù)據(jù)分析；此外，如何設(shè)計學生易操作、趣味性強并能夠鍛煉基因組數(shù)據(jù)分析能力的項目既是充分利用高性能計算平臺順利開展項目教學法的關(guān)鍵，也是高效開展項目教學法的難點。

西北農(nóng)林科技大學生物信息學教學團隊長期開展動物群體遺傳研究，在教學實踐過程中發(fā)現(xiàn)學生對學習生物信息學分析的前沿理論和方法十分感興趣，同時根據(jù)學院其他教師的教學反饋，也意識到有必要對本科生開展與基因組大數(shù)據(jù)分析相關(guān)且聯(lián)系實際的生物信息學教學。西北農(nóng)林科技大學高性能計算平臺是本?？蒲泄ぷ髡哌M行生物信息學分析的重要工具。該平臺已安裝了大量的生物信息學分析常用軟件工具，提供了一個不可多得的開展實踐項目教學法的實驗平臺。學生不僅學習了前沿的生物信息學知識和掌握了編程實戰(zhàn)技能，也通過基因組大數(shù)據(jù)的分析學習了高性能服務(wù)器的使用，為以后從事科研工作打下了良好基礎(chǔ)，同時激發(fā)了學生學習興趣，使生物信息學抽象的知識具體化，減輕學生對數(shù)據(jù)分析的畏難情緒。因此，高性能計算平臺為開展生物信息學的項目教學法實踐提供了有力支撐，高性能計算平臺和項目教學法相輔相成，保證了生物信息學的理論和實踐教學能夠緊跟學科發(fā)展，學生開展的項目研究不僅僅是簡單的練習，也是一手數(shù)據(jù)的實戰(zhàn)，更是學生熟悉掌握Linux操作系統(tǒng)，學習實踐基礎(chǔ)編程知識，處理常見的基因組大數(shù)據(jù)文件，為以后的學習和工作打下了良好的基礎(chǔ)。

在本項目的實際教學實踐過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如少量學生對Linux系統(tǒng)和高性能計算平臺的操作有排斥情緒，遇到問題不知所措，不懂得舉一反三，缺乏自主學習和解決問題的能力，對課堂講授知識以外遇到的問題經(jīng)常束手無策。其次，在實施過程中，部分學生缺乏溝通能力或者不愿意承擔組內(nèi)分工，團隊協(xié)作能力需要加強。此外，基于大數(shù)據(jù)分析的項目實踐教學應(yīng)用也對指導教師的綜合能力提出了更高要求，包括對基因組學前沿進展的掌握、對整個教學過程的駕馭程度和靈活的應(yīng)變能力。

總之，雖然基于高性能計算平臺的項目教學法在實施過程中存在一些問題，但這種教學模式更符合生物信息學課程的內(nèi)在規(guī)律，也符合生物信息學應(yīng)用的發(fā)展方向。這種教學方法極大提高了學生的學習熱情和積極性，既注重培養(yǎng)學生的專業(yè)理論知識，又注重實際應(yīng)用能力的鍛煉，有助于培養(yǎng)具有實踐和創(chuàng)新能力的綜合性應(yīng)用人才。我們將在今后的教學中不斷探索和完善，使該教學法得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。