大數(shù)據(jù)時代下的生物信息學(xué)教學(xué)探究

陳宇杰，吳江鴻，麗 春，胡斯樂，陳 銘

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 生命科學(xué)與食品學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.浙江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058；3.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 動物科技學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

近些年，伴隨生物大數(shù)據(jù)及人工智能的迅速發(fā)展，生物信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)日趨完善，生物信息學(xué)研究已取得長足進(jìn)步［1］.20世紀(jì)80年代，內(nèi)蒙古大學(xué)理論物理學(xué)家羅遼復(fù)先生首先由理論物理轉(zhuǎn)向生命科學(xué)研究，開始探索嶄新的生物信息學(xué)方向，在生物分子手性起源、構(gòu)象電子場理論和構(gòu)象動力學(xué)、遺傳密碼、核酸和氨基酸序列與結(jié)構(gòu)功能的關(guān)系等課題研究中取得巨大成就［2-3］.生物信息學(xué)是一門融合生物學(xué)、數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的新興前沿學(xué)科，具有交叉性和創(chuàng)新性等特點(diǎn).生命科學(xué)已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，社會亟需生物信息學(xué)專業(yè)素養(yǎng)的人才.目前，全國多數(shù)院校已普遍開設(shè)生物信息學(xué)專業(yè)或在本科生專業(yè)課程中設(shè)置生物信息學(xué)課程.生物信息學(xué)課程要求學(xué)生具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)基礎(chǔ)，筆者根據(jù)多年的生物信息學(xué)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍存在學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)難度大等問題.強(qiáng)國之本在教育，高等教育已步入以質(zhì)量提升為核心的內(nèi)涵式發(fā)展新階段.筆者探索生物信息學(xué)課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，并提出切實(shí)可行的改進(jìn)措施，期望為生物信息學(xué)的本科教學(xué)提供參考.

1 生物信息學(xué)教學(xué)中存在的問題

在生物大數(shù)據(jù)時代，生命科學(xué)正在經(jīng)歷從試驗(yàn)分析、數(shù)據(jù)積累到數(shù)據(jù)分析及其指導(dǎo)下的試驗(yàn)驗(yàn)證的轉(zhuǎn)變.生物信息學(xué)作為一門新興的交叉學(xué)科，與迅猛發(fā)展的高通量組學(xué)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，已成為科研工作者存儲、加工并解析數(shù)據(jù)的強(qiáng)有力工具［4-5］.各高校生物相關(guān)專業(yè)均已開設(shè)生物信息學(xué)課程，幫助學(xué)生從序列分析、基因結(jié)構(gòu)、進(jìn)化分析、大數(shù)據(jù)層面了解基因與表型的關(guān)系、解析生長發(fā)育機(jī)理、了解疾病的發(fā)病機(jī)制、診斷治療、藥物開發(fā)等多方面提供技術(shù)支持及理論依據(jù)，在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中取得了巨大的研究成果［6-8］.由于生物信息學(xué)屬于新興學(xué)科，涉及多學(xué)科交叉，因此，在教學(xué)過程中，師資隊(duì)伍、教材資源、教學(xué)模式等方面還存在不足，有待完善.

生物信息學(xué)作為一門發(fā)展迅猛的生物學(xué)、數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉學(xué)科，要求生物信息學(xué)教師具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)、生物學(xué)和計(jì)算機(jī)等專業(yè)知識.目前，多數(shù)地方高校的生物信息學(xué)教師并非生物信息學(xué)專業(yè)科班出身，多數(shù)來自于與生物信息學(xué)專業(yè)交叉的農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的青年教師.教師在知識的系統(tǒng)性、專業(yè)性等方面有所欠缺，在課堂教學(xué)中對專業(yè)性較強(qiáng)的問題很難進(jìn)行游刃有余地講授，影響教學(xué)效果［9-10］.在一些地方高校或偏遠(yuǎn)地區(qū)高校，教師隊(duì)伍匱乏現(xiàn)象比較嚴(yán)重，不利于生物信息學(xué)教學(xué).生物信息學(xué)的快速發(fā)展，對師資隊(duì)伍要求較高.因此，高校需要充實(shí)高質(zhì)量生物信息學(xué)專業(yè)師資.

目前，生物信息課程面向農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、理學(xué)、工學(xué)不同學(xué)科背景的本科生開設(shè).現(xiàn)有生物信息學(xué)教材多偏向于綜合性教材，沒有顧及學(xué)生專業(yè).不同專業(yè)背景的學(xué)生對不同的生物學(xué)問題的認(rèn)知存在顯著差異.因此，單一、綜合性地面向所有專業(yè)的生物信息學(xué)教材很難滿足教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)所需，亟待有專業(yè)性更強(qiáng)的教材以供使用.其次，現(xiàn)存教材多以介紹生物信息學(xué)基本理論知識為主.由于生物信息學(xué)知識內(nèi)容繁雜，對于沒有生物信息學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生來說，在學(xué)習(xí)上有較大難度.一般來說，生物信息學(xué)屬于專業(yè)選修課程，學(xué)時設(shè)置較少，大部頭、綜合性、偏理論的教材對學(xué)生而言，具有很大的挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致部分學(xué)生知難而退.因此，生物信息學(xué)課程亟需簡明扼要、專業(yè)針對性強(qiáng)、易操作上手的教材.

目前，多數(shù)生物信息學(xué)課堂沿用傳統(tǒng)的教學(xué)模式：以教師為中心、以課堂為中心、以教材為中心.這種教學(xué)觀念忽略了生物信息學(xué)課程是一門工具學(xué)科，重理論而輕實(shí)踐，影響了對學(xué)生實(shí)踐技能和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，不利于學(xué)生系統(tǒng)掌握生物信息學(xué)的知識與技能，不能有效利用生物信息學(xué)方法解決生物學(xué)相關(guān)的實(shí)際問題，無法將所學(xué)與所需相聯(lián)系，背離了生物信息學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo).生物信息學(xué)教學(xué)對軟硬件環(huán)境有較高要求，如高性能服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、計(jì)算機(jī)語言基礎(chǔ)等都是進(jìn)行生物信息學(xué)教學(xué)所必需的軟硬件條件.目前，部分高校的生物信息學(xué)基礎(chǔ)建設(shè)還不完善，實(shí)踐教學(xué)很難順利有效展開，這也是導(dǎo)致生物信息學(xué)發(fā)展相對滯后的原因之一.

2 對策

2.1 加強(qiáng)課程建設(shè)，推進(jìn)“四個回歸”根據(jù)不同專業(yè)的課程開設(shè)方式，合理設(shè)置生物信息學(xué)課程的開設(shè)學(xué)期，滿足其對前置課程的需求和對后續(xù)課程的幫助，完成課程體系的有機(jī)整合，使教學(xué)效果達(dá)到最優(yōu).針對不同專業(yè)的課程目標(biāo)需求，教師應(yīng)平衡前沿研究與基礎(chǔ)知識的比例，選擇難易度適合的教學(xué)內(nèi)容，仔細(xì)撰寫教學(xué)大綱，安排教學(xué)活動.其次，教材改革在原有教材的基礎(chǔ)上進(jìn)行改版，或編寫精簡版的生物信息學(xué)教材，或編寫專業(yè)性更強(qiáng)的醫(yī)學(xué)版、農(nóng)學(xué)版等，或編寫以案例分析為主的教材.第三，育人之責(zé)在教師，通過引育并舉等方式，持續(xù)進(jìn)行生物信息學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)改革.各院校的生物信息學(xué)教師應(yīng)建立課程組，完善師資隊(duì)伍建設(shè)長期規(guī)劃.按職稱、學(xué)歷、年齡、學(xué)緣等結(jié)構(gòu)完善團(tuán)隊(duì)建設(shè)，逐步形成可持續(xù)發(fā)展的師資梯隊(duì)，推進(jìn)“老-中-青”傳、幫、帶階梯式培養(yǎng)工作.建立教師成長范式，鼓勵教師到國內(nèi)外進(jìn)修訪學(xué)或國內(nèi)互訪，進(jìn)入北京大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等具有專業(yè)優(yōu)勢的雙一流高校，接受專業(yè)的師資培訓(xùn)，提升專業(yè)素質(zhì)和教學(xué)技能.成立全國或地區(qū)間的生物信息學(xué)專業(yè)教學(xué)組織，建立生物信息學(xué)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn).教師應(yīng)以課程組為單位，積極開展教研活動，加強(qiáng)教師間交流與團(tuán)隊(duì)協(xié)作，凝聚師資力量，打造優(yōu)秀教學(xué)課程團(tuán)隊(duì)，推進(jìn)教研融合.積極申報(bào)各類優(yōu)秀課程與精品課程，進(jìn)行生物信息學(xué)課程建設(shè).

2.2 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與線下教學(xué)有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣針對生物信息學(xué)課程具有交叉性、前沿性、實(shí)踐性等特點(diǎn)，需要大力發(fā)展生物信息學(xué)線上教育及平臺搭建，打造智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，與面對面有溫度的線下教學(xué)有機(jī)整合，重塑教育教學(xué)形態(tài).（1）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式的選擇：根據(jù)在線授課可分為實(shí)時和非實(shí)時的特點(diǎn)選擇穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，如騰訊會議、釘釘、雨課堂等均可進(jìn)行，配合教案、課件、練習(xí)題、相關(guān)學(xué)習(xí)材料的上傳，滿足教師教學(xué)開展和學(xué)生網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)的需求.（2）教學(xué)方案的制定：根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的難易程度和學(xué)生的接受能力，可將教學(xué)內(nèi)容順序適當(dāng)調(diào)整為生物信息學(xué)導(dǎo)論、生物信息學(xué)資源、基因組信息學(xué)、基因芯片數(shù)據(jù)分析、序列分析與序列比對、系統(tǒng)發(fā)生分析、系統(tǒng)生物學(xué).（3）教學(xué)效果的評判：通過在線平臺檢查學(xué)生考勤、提交筆記、檢查作業(yè)等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)效果評價(jià).

2.3 建立以O(shè)BE理念為指導(dǎo)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力生物信息學(xué)課程對于非生物信息學(xué)專業(yè)本科生而言，是一門工具性課程.在教學(xué)過程中，應(yīng)形成“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念與教學(xué)模式，讓學(xué)生成為課堂的“主人”，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對生物信息學(xué)知識的主動探索、主動發(fā)現(xiàn)和對所學(xué)知識意義的主動建構(gòu)過程.生物信息學(xué)授課環(huán)節(jié)應(yīng)更加注重實(shí)際應(yīng)用，增強(qiáng)案例分析、口頭匯報(bào)、專題討論等多樣化教學(xué)方式，充分利用中國慕課、專業(yè)性較強(qiáng)的科技前沿文獻(xiàn)等線上資源，開展任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)，不斷加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的教學(xué)任務(wù)，讓學(xué)生熟練掌握常用生物信息學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫、門戶網(wǎng)站、相關(guān)軟件的使用方法；設(shè)置學(xué)生思考環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從實(shí)際問題出發(fā)，利用生物信息學(xué)手段解決相關(guān)生物學(xué)問題，讓學(xué)生的動手能力、思維能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到實(shí)質(zhì)性鍛煉，學(xué)生各項(xiàng)技能得到強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合，深化學(xué)生對原理和基本知識的理解和應(yīng)用，切實(shí)提高學(xué)生課程成績.改變原有單一的課程評價(jià)體系，以“學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期效果”為導(dǎo)向，不斷完善教學(xué)評價(jià)體系，降低期末考試成績比例，增加線上學(xué)習(xí)、課程作業(yè)、口頭匯報(bào)、小組討論、組內(nèi)互評、組間助評等多樣化考核方式，嚴(yán)格按照課程大綱中制定的合理化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生成績進(jìn)行評定.提升學(xué)生理論知識和專業(yè)技能，增強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)能力、查閱文獻(xiàn)能力、思維能力.解決學(xué)生過于注重理論學(xué)習(xí)，忽視能力和素質(zhì)提高等問題.

2.4 培養(yǎng)專業(yè)產(chǎn)業(yè)化學(xué)生，培育生物信息學(xué)學(xué)科發(fā)展方向隨著人類基因組計(jì)劃的完成，生物信息學(xué)研究已在生物學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，極大推動了生物技術(shù)、生物醫(yī)藥、生殖健康等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展.生物信息學(xué)已成為一門能夠創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)利益和社會效益的產(chǎn)業(yè).目前，生物信息學(xué)領(lǐng)域急需創(chuàng)新型、實(shí)用型、復(fù)合型人才.因此，從產(chǎn)業(yè)化視角構(gòu)建生物信息學(xué)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)頂尖的生物信息學(xué)人才是重中之重.教師要明確在產(chǎn)業(yè)化需求下，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的生物信息學(xué)相關(guān)能力及培養(yǎng)途徑.學(xué)生要加入本科生導(dǎo)師的科研課題，生物信息學(xué)實(shí)踐課應(yīng)與學(xué)年論文、畢業(yè)論文相結(jié)合，在課堂上建立實(shí)訓(xùn)體系，解決實(shí)際生物學(xué)問題，為專業(yè)產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ).結(jié)合生物信息學(xué)競賽、培訓(xùn)專業(yè)化等手段鍛煉學(xué)生，是推動生物信息學(xué)專業(yè)產(chǎn)業(yè)化的有效手段，也是生物信息學(xué)學(xué)科的發(fā)展方向之一.生物信息學(xué)人才培養(yǎng)的質(zhì)量和效果將作為檢驗(yàn)教學(xué)工作的根本標(biāo)準(zhǔn).