“生物信息學(xué)”課程混合式教學(xué)探索

邱智軍，符丹丹，李 欣

（1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院微生物資源開發(fā)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽(yáng)471023；2.河南省食品微生物工程技術(shù)研究中心，河南洛陽(yáng)471023）

0 引言

“生物信息學(xué)”是伴隨人類基因組計(jì)劃發(fā)展起來的新興交叉學(xué)科，融合了生物、數(shù)學(xué)、物理及計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，通過對(duì)生物數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、檢索與計(jì)算分析，從而實(shí)現(xiàn)生命科學(xué)新知識(shí)的發(fā)掘。隨著新一代測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，核酸測(cè)序成本得以迅速下降，并且與多種技術(shù)結(jié)合，從系統(tǒng)生物學(xué)角度深入、廣泛地研究生命科學(xué)各類問題，從而催生了當(dāng)今生命科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要特征——生物和醫(yī)療數(shù)據(jù)的快速大量積累，這也大大促進(jìn)了生物信息學(xué)分析工具的快速迭代發(fā)展[1]。對(duì)于生命科學(xué)領(lǐng)域的研究或技術(shù)人員來說，運(yùn)用這些分析工具從大規(guī)模生物數(shù)據(jù)中挖掘信息及發(fā)現(xiàn)新知識(shí)已成為亟需掌握的實(shí)踐技能。因此，對(duì)于生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)來說，特別是對(duì)于研究生培養(yǎng)，“生物信息學(xué)”教學(xué)發(fā)揮著重要的作用[2]。

由于“生物信息學(xué)”在生命科學(xué)學(xué)科中的重要地位，幾乎所有的相關(guān)專業(yè)都開設(shè)有“生物信息學(xué)”課程。“生物信息學(xué)”涉及多學(xué)科交叉內(nèi)容較多，要求學(xué)生掌握的抽象理論知識(shí)點(diǎn)多，還要轉(zhuǎn)化為實(shí)際的分析能力，最終能針對(duì)具體問題得出準(zhǔn)確結(jié)論。但是，相對(duì)于生命科學(xué)類專業(yè)學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)而言，實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)要求是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)高校開設(shè)的諸多“生物信息學(xué)”課程，對(duì)于教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行了積極探索[3-7]，尤其是北京大學(xué)和山東大學(xué)的慕課公開課，都產(chǎn)生了較好的反響。但作為以實(shí)踐為鮮明特色的學(xué)科，目前的課程大都表現(xiàn)出不同程度的局限性，如內(nèi)容全面性、前沿性、關(guān)聯(lián)性等，這些問題與學(xué)科特點(diǎn)、課時(shí)資源、教學(xué)方式、教師能力等客觀條件都密切相關(guān)，也決定了“生物信息學(xué)”教學(xué)尚不成熟，處于探索階段。首先分析目前該課程教學(xué)中存在的問題，抓住關(guān)鍵問題，探討當(dāng)前可能的解決辦法，再結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，確定具體的實(shí)施方案，從而提升教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

1 當(dāng)前教學(xué)面臨的問題

由于新一代測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，在轉(zhuǎn)錄組學(xué)、醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)、合成生物學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、微生物組學(xué)等方面廣泛應(yīng)用，又與多種技術(shù)結(jié)合衍生出諸多高通量方法，從而產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析挖掘是當(dāng)前“生物信息學(xué)”的主要任務(wù)[4]。技術(shù)種類多、演化迅速、應(yīng)用廣泛使得教學(xué)內(nèi)容必須持續(xù)更新才能滿足人才培養(yǎng)的需要，這也產(chǎn)生了有限的教學(xué)課時(shí)與不斷增加的課程內(nèi)容之間的矛盾。所以，要達(dá)到一定的教學(xué)目標(biāo)勢(shì)必要適當(dāng)增加教學(xué)課時(shí)資源。但當(dāng)前本科生和研究生培養(yǎng)通過整合優(yōu)化專業(yè)課程進(jìn)行精簡(jiǎn)學(xué)分，通過增加教學(xué)課時(shí)來緩解這一矛盾是無法實(shí)現(xiàn)的。此外，人才培養(yǎng)要求課程內(nèi)容不斷更新以滿足學(xué)科發(fā)展的需要，課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、材料組織和教學(xué)實(shí)施都對(duì)教師提出了更高的要求，即要求承擔(dān)課程教學(xué)的教師能夠深入系統(tǒng)地把握“生物信息學(xué)”的知識(shí)框架內(nèi)容，及時(shí)融入研究前沿知識(shí)，這又產(chǎn)生了不斷發(fā)展的研究前沿與師資力量相對(duì)薄弱之間的矛盾[3]。這就要求承擔(dān)課程教學(xué)的教師持續(xù)關(guān)注學(xué)科發(fā)展，不斷補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容。

“生物信息學(xué)”教學(xué)服務(wù)于學(xué)生的專業(yè)發(fā)展，不同的研究方向?qū)τ谏镄畔W(xué)人才培養(yǎng)的要求和認(rèn)識(shí)也是多樣的，存在較大的區(qū)別，如序列分析、結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)發(fā)生分析、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)等，這些都具有其特有的理論和技術(shù)特色。所以有必要基于學(xué)生不同的專業(yè)背景和需求，對(duì)于培養(yǎng)方案和教學(xué)內(nèi)容做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

“生物信息學(xué)”的學(xué)科交叉性決定了生命科學(xué)背景的學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和熟練掌握會(huì)有不少困難，會(huì)涉及到較多的計(jì)算機(jī)算法概念和原理，以及數(shù)學(xué)描述方法，這些對(duì)于生命科學(xué)背景的學(xué)生來說都是較為陌生的，學(xué)習(xí)的最初階段一般會(huì)有畏難情緒，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高。如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)習(xí)效率是目前“生物信息學(xué)”教學(xué)最大的難題。摒棄以教師、課堂和教材為中心的教學(xué)方式，建立以學(xué)生為中心的教學(xué)模式已是大勢(shì)所趨，也是提高學(xué)習(xí)效果的重要途徑。很多教學(xué)工作者都已對(duì)“生物信息學(xué)”教學(xué)模式進(jìn)行了諸多探索，采用了較多的教學(xué)手段，如微課、PBL、翻轉(zhuǎn)課堂等，也得到了較好的教學(xué)效果[3-7]，但也未完全解決學(xué)科交叉性帶來的問題。因此，探索如何改進(jìn)教學(xué)模式以適應(yīng)學(xué)科特點(diǎn)，是“生物信息學(xué)”教學(xué)研究的重要方向。

2 新型混合式教學(xué)模式探索

“生物信息學(xué)”教學(xué)中應(yīng)用線上線下結(jié)合進(jìn)行混合式教學(xué)，已經(jīng)具備了完善的技術(shù)條件。國(guó)內(nèi)強(qiáng)大高效的網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境、智能移動(dòng)辦公軟件、社交軟件及在線教學(xué)平臺(tái)軟件為線上教學(xué)順利開展提供了先進(jìn)的教學(xué)方法和技術(shù)保障。2020年上半年疫情期間，長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月在線教學(xué)的順利開展證明開展線上線下混合教學(xué)的技術(shù)條件已經(jīng)成熟，這提示可以以此為基礎(chǔ)深入開展新型混合式教學(xué)的探索，針對(duì)“生物信息學(xué)”教學(xué)的特定問題，思考并提出相應(yīng)的解決方法和途徑。

2.1 以特定工具方法為主線建立微課群

“生物信息學(xué)”雖然有其獨(dú)有的理論內(nèi)容，但對(duì)于生命科學(xué)背景的學(xué)生而言，一般不要求深入學(xué)習(xí)，而偏重于由理論構(gòu)建起的技術(shù)工具的應(yīng)用掌握。由于學(xué)生缺乏相應(yīng)的計(jì)算機(jī)或數(shù)學(xué)背景知識(shí)，為了幫助其理解方法的理論模型，補(bǔ)充這部分背景知識(shí)是課程學(xué)習(xí)的主體內(nèi)容。目前，教學(xué)中多使用微課來集中說明、講解一個(gè)方法理論模型，方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)，課下復(fù)習(xí)，反復(fù)學(xué)習(xí)鞏固。這種方式順應(yīng)教育發(fā)展規(guī)律，有利于教學(xué)效果的提升，但對(duì)于“生物信息學(xué)”課程而言，以單個(gè)方法模型為微課單位還存在不足之處。例如，對(duì)于序列比對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，講解的主體是計(jì)算過程，這對(duì)于比對(duì)算法實(shí)現(xiàn)的理解，信息量顯然不夠。因?yàn)閷W(xué)生知道算法怎么去做的，卻不知道為什么這樣做，對(duì)算法的理解不到位會(huì)極大地影響其應(yīng)用效果。因此，應(yīng)該針對(duì)性地補(bǔ)充下列內(nèi)容：優(yōu)化方法、精確算法、近似算法、啟發(fā)式算法、NP完全問題等概念，能夠使學(xué)生完全清楚解決序列比對(duì)問題的模型，從而便于對(duì)方法的應(yīng)用和拓展。

2.2 構(gòu)建“生物信息學(xué)”工具方法的數(shù)字材料庫(kù)

“生物信息學(xué)”學(xué)科發(fā)展迅速，為了使教學(xué)效果能夠與科研實(shí)際需要相適應(yīng)，新方法和新工具需要不斷加入到課程教學(xué)中。根據(jù)學(xué)科發(fā)展需要不斷地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容使得建設(shè)動(dòng)態(tài)數(shù)字教學(xué)材料庫(kù)成為當(dāng)務(wù)之急。一般數(shù)字材料以單個(gè)生物信息學(xué)工具為單位，包含講解方法工具的微課群、案例練習(xí)和拓展資料。資料建設(shè)以方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)為目標(biāo)，充分考慮學(xué)生不同的知識(shí)層次水平，便于課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，建議至少包含一個(gè)完整的方法工具應(yīng)用案例，內(nèi)容步驟和注解盡量詳細(xì)，方便學(xué)生自學(xué)。

2.3 構(gòu)建基于問題或項(xiàng)目的綜合案例庫(kù)

生物信息學(xué)的具體工具方法一般功能單一，而實(shí)際科研應(yīng)用則需要綜合多種方法工具才能解決問題，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和課堂教學(xué)效果，滿足學(xué)生實(shí)際科研能力培養(yǎng)要求，需要構(gòu)建基于問題或項(xiàng)目的綜合案例庫(kù)。一般綜合案例取自實(shí)際科研問題和成果，覆蓋生物信息學(xué)重要的應(yīng)用場(chǎng)合：基因功能分析、醫(yī)學(xué)遺傳分析、宏基因組分析、基因組分析、轉(zhuǎn)錄組分析、代謝組分析等。例如，基因功能綜合分析一般會(huì)包括基因識(shí)別分析、系統(tǒng)發(fā)育分析和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能分析等綜合內(nèi)容，選用一個(gè)文獻(xiàn)樣品材料把上述方法重現(xiàn)其主要結(jié)果。

2.4 應(yīng)用個(gè)性化思路教學(xué)

生命科學(xué)領(lǐng)域不同專業(yè)對(duì)于“生物信息學(xué)”的工具方法需求不同，側(cè)重點(diǎn)相差也較大，在課時(shí)有限的前提下，針對(duì)不同專業(yè)或研究方向要求，設(shè)計(jì)個(gè)性化的教學(xué)內(nèi)容。生物醫(yī)學(xué)類專業(yè)側(cè)重于遺傳學(xué)分析，人體微生物群落分析或環(huán)境研究相關(guān)的使用宏基因組分析較多，表型背后的機(jī)理分析多采用轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析。一般情況下，先夯實(shí)基礎(chǔ)部分，然后主要以綜合類案例教學(xué)設(shè)計(jì)來體現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)。

2.5 綜合案例的混合式教學(xué)實(shí)施

基于問題或項(xiàng)目的綜合性案例學(xué)習(xí)主要內(nèi)容是綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，圍繞特定科學(xué)問題將多種知識(shí)和技術(shù)交叉融合來開展分析實(shí)驗(yàn)。線上布置題目和獲取必要的數(shù)據(jù)和問題背景資料，開展分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，與教師溝通進(jìn)展和疑問解答，開展分析實(shí)驗(yàn)，分析報(bào)告撰寫；然后線下課堂上講解項(xiàng)目工作情況，開展答辯和工作效果評(píng)價(jià)，最后線上溝通項(xiàng)目工作改進(jìn)情況，直到得到完善分析結(jié)果，學(xué)習(xí)過程結(jié)束。

3 結(jié)語(yǔ)

學(xué)好“生物信息學(xué)”課程需要學(xué)生花費(fèi)大量的課下時(shí)間，在教學(xué)設(shè)計(jì)上，將課下學(xué)習(xí)當(dāng)作課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，大大提高學(xué)生課下的自學(xué)效率，從而達(dá)到教學(xué)目的。綜合案例教學(xué)以實(shí)際科學(xué)問題為導(dǎo)向，開展知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)交叉融合的綜合實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分調(diào)動(dòng)其主觀能動(dòng)性，通過訓(xùn)練使學(xué)生逐步熟悉科學(xué)研究的思路和方法，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。