《生物信息學(xué)》課程的跨學(xué)科教學(xué)模式探索與實踐

王 慧，張培培，蔡潤林，陳 亮，杜 虹，胡 忠

（1.汕頭大學(xué)理學(xué)院生物系，廣東 汕頭 515063；2.汕頭大學(xué)教務(wù)處，廣東 汕頭 515063 3.汕頭大學(xué)工學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系，廣東 汕頭 515063）

隨著生命科學(xué)和計算機科學(xué)的迅猛發(fā)展及大數(shù)據(jù)研究的興起，生物信息學(xué)作為一門融合了生物學(xué)、統(tǒng)計學(xué)及信息技術(shù)等多學(xué)科知識的交叉學(xué)科，已經(jīng)逐步發(fā)展成為現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域的關(guān)鍵核心課程[1].汕頭大學(xué)生物系已將《生物信息學(xué)》作為生物技術(shù)專業(yè)本科學(xué)生的必修課程.該課程是一門跨學(xué)科專業(yè)課程，具有很強的理論性和實踐性，需要學(xué)生不僅具有生物化學(xué)、分子生物學(xué)等生物學(xué)知識，也要有一定的統(tǒng)計學(xué)和計算機基礎(chǔ).為了更好地完善課程設(shè)置和教學(xué)計劃并探索更加合理的人才培養(yǎng)模式，本文以《生物信息學(xué)》的本科教學(xué)為例，對于交叉學(xué)科在本科教學(xué)中存在的問題以及跨學(xué)科教學(xué)模式的實踐措施及成效進行思考和討論.

1 生物信息學(xué)教學(xué)中存在的問題

1.1 跨學(xué)科師資力量缺乏

生物信息學(xué)既需要生物學(xué)專業(yè)知識，又需要掌握統(tǒng)計學(xué)和計算機科學(xué)的理論與技術(shù)，同時還需要將這兩方面的技術(shù)應(yīng)用于解決生物學(xué)的問題，因此對教師的專業(yè)知識背景要求較高.國內(nèi)最早設(shè)立生物信息學(xué)本科專業(yè)的哈爾濱醫(yī)科大學(xué)在課程設(shè)置和教師隊伍配置上均注重了跨學(xué)科這一特點，其本科專業(yè)必修課包括了《生物信息學(xué)導(dǎo)論》、《算法分析》、《生物數(shù)據(jù)可視化技術(shù)》、《蛋白質(zhì)組信息學(xué)》、《生物數(shù)據(jù)信息挖掘》、《生理系統(tǒng)建?！返炔煌瑢W(xué)科范圍的課程.因此，對于生物信息學(xué)課程，特別需要具有生物學(xué)和信息科學(xué)專業(yè)背景的教師，同時還需要具有從事生物信息學(xué)研究經(jīng)驗的教師參與本科教學(xué)和人才培養(yǎng)，建立一支多學(xué)科交叉的高水平教學(xué)隊伍[1].

1.2 學(xué)生計算機等相關(guān)交叉學(xué)科基礎(chǔ)薄弱

《生物信息學(xué)》作為生物系的一門專業(yè)核心課程，面向的學(xué)生群體是生物系學(xué)生.大部分學(xué)生在統(tǒng)計學(xué)和計算機編程等方面基礎(chǔ)較為薄弱.由于生物信息學(xué)工具的應(yīng)用偏重計算，如果不能有效掌握某些知識點，就會導(dǎo)致很多計算機基礎(chǔ)較弱的同學(xué)在理解相關(guān)知識、應(yīng)用相關(guān)知識進行數(shù)據(jù)處理的過程中會遇到一些困難，這些困難會使他們逐漸喪失學(xué)習(xí)的動力和興趣.與此同時，生物信息學(xué)相關(guān)網(wǎng)站、數(shù)據(jù)庫和軟件等學(xué)習(xí)資源均以英文為主[2]，部分學(xué)生相關(guān)的專業(yè)英語不夠扎實，使得學(xué)習(xí)的知識不能融會貫通，進一步造成了學(xué)習(xí)困難.

1.3 教學(xué)內(nèi)容的學(xué)科交叉難融合

由于《生物信息學(xué)》課程涉及的新知識點、新技術(shù)及各學(xué)科交叉點較多，并且各種生物信息學(xué)軟件及分析平臺均為英文界面，所以學(xué)好生物信息學(xué)就要求學(xué)生必須具備良好的計算機知識、數(shù)學(xué)知識、生物學(xué)知識及專業(yè)英語等知識[3].這種學(xué)科交叉融合的教學(xué)內(nèi)容使生物信息學(xué)課程在非生物信息學(xué)專業(yè)進行教學(xué)時難以真正實現(xiàn)跨學(xué)科教學(xué).要想成體系的完成教學(xué)工作，需要各個領(lǐng)域的教師協(xié)同教學(xué)，各個院系相互協(xié)調(diào).

2 跨學(xué)科教學(xué)模式的改革實踐

為解決上述問題，我們對跨學(xué)科教學(xué)模式進行相應(yīng)調(diào)整、改革.具體體現(xiàn)在以下幾方面：

2.1 建立具備多學(xué)科知識背景的教學(xué)團隊

良好的教學(xué)團隊是支撐教學(xué)順利有效進行的重要條件.《生物信息學(xué)》是一門交叉學(xué)科，需要建立具備多學(xué)科知識背景的教學(xué)團隊.在改革過程中，課程負(fù)責(zé)人通過吸納具有生物統(tǒng)計學(xué)和計算機基礎(chǔ)的教師，形成課程組，建立強有力的教學(xué)團隊.其中課程負(fù)責(zé)人主要負(fù)責(zé)理論知識的講授；具有統(tǒng)計學(xué)背景的教師則負(fù)責(zé)生物統(tǒng)計學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)知識的講授和上機訓(xùn)練的指導(dǎo)；而計算機語言程序設(shè)計方面的內(nèi)容由計算機系教師講授.通過教學(xué)團隊的建立和共同教學(xué)，可以使學(xué)生更全面地掌握生物信息學(xué)基礎(chǔ)知識、統(tǒng)計學(xué)和計算機語言的應(yīng)用，而且可以在計算機程序方面進行更深層次的學(xué)習(xí)和研究.專業(yè)的生物信息學(xué)教學(xué)團隊?wèi)?yīng)具備扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的教學(xué)研究經(jīng)驗.專業(yè)的團隊能夠?qū)⒔虒W(xué)和科研融會貫通，真正做到將生物信息學(xué)為生命科學(xué)研究服務(wù)；能夠及時且全面地把握科學(xué)前沿和發(fā)展動態(tài)，抓住課程的重點；能夠?qū)⒆钚碌目茖W(xué)研究與課堂上的知識進行關(guān)聯(lián).依托于具備多學(xué)科知識背景教學(xué)團隊的教學(xué)活動，不但能夠拓寬學(xué)生的知識面，同時還能夠激起學(xué)生的興趣[4].

2.2 教學(xué)內(nèi)容和課程結(jié)構(gòu)設(shè)計的改革

2.2.1 兼顧基礎(chǔ)知識與前沿科研熱點的課程內(nèi)容

目前的教學(xué)內(nèi)容在序列比對、表達(dá)譜分析、分子進化、芯片數(shù)據(jù)處理等經(jīng)典的生物信息學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，同時開展生物信息學(xué)前沿與熱點的生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容，例如：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、新一代測序技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用、基因編輯技術(shù)等科學(xué)前沿.通過引入最新發(fā)表在《Nature Genetics》上的豌豆基因組研究文章[5]、發(fā)表在《The ISME J》上的細(xì)菌轉(zhuǎn)錄組文章[6]等最新科研進展，將前沿的生物信息學(xué)研究與基礎(chǔ)的課本知識相結(jié)合，使學(xué)生了解本學(xué)科最前沿的研究熱點和數(shù)據(jù)處理方法.

2.2.2 自主學(xué)習(xí)與E-learning相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式

在具體的教學(xué)實施環(huán)節(jié)中，要求每個小組預(yù)習(xí)同一個章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，以小組為單位獨立制作整章的課件.將章節(jié)拆解為不同的部分，在課堂上隨機選擇不同的小組分別講授，最后，再由各個小組一起進行比較分析.通過這種結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂及團隊協(xié)作的學(xué)習(xí)方式，有利于促使學(xué)生融入課堂，善于提出問題、分析和解決問題，并且敢于批判和懷疑.通過搭建生物信息學(xué)相關(guān)資料網(wǎng)站、利用MAKA制作移動端的學(xué)習(xí)資源等，與學(xué)生進行在線的輔導(dǎo)與答疑互動.

為了給學(xué)生創(chuàng)造一個良好的自學(xué)環(huán)境，我們應(yīng)用屏幕錄像軟件制作了上機實踐操作演示等教學(xué)資源；提供了詳盡的課件供學(xué)生從網(wǎng)絡(luò)上下載學(xué)習(xí)，該課件資源覆蓋了生物信息學(xué)課程的全部教學(xué)內(nèi)容和所需的擴展資料，包括論文、動畫演示、視頻教程等信息；另外還提供了DNASTAR、DNAMAN、MEGA、BioEdit、Cytoscape等常用軟件的安裝程序，并提供配套的使用手冊、英文參考文獻(xiàn)等支撐材料，從而有效地擴大了學(xué)生的自學(xué)空間，并提供了足夠的支持.

2.2.3 建立基于團隊的上機實操訓(xùn)練模式

根據(jù)生物信息學(xué)實踐性強的特點，將課程分為理論課和上機課兩部分，理論課講授基礎(chǔ)知識，上機課強調(diào)軟件的實操，使學(xué)生能夠更好掌握和應(yīng)用生物信息學(xué)知識以及相關(guān)軟件.在完成上述理論儲備的基礎(chǔ)上，將更多時間交給學(xué)生進行上機實際操作，處理相關(guān)數(shù)據(jù)，達(dá)到學(xué)以致用的效果[7].

2.3 學(xué)習(xí)效果檢驗與評價的改革

《生物信息學(xué)》課程的目的是提高學(xué)生利用信息技術(shù)解決生物學(xué)問題的能力，因此主要考查學(xué)生綜合利用所學(xué)知識分析問題和解決問題的能力.為加強對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的檢驗與評價，將考核分為日常學(xué)習(xí)評估及期末非標(biāo)準(zhǔn)化答案試題考試.日常學(xué)習(xí)評估方式分為兩部分：第一部分，要求不同的小組完成課件的制作和講授，隨后不同小組之間再相互評價、質(zhì)疑，通過這個過程將有助于任課教師初步了解學(xué)生的掌握情況；第二部分，借助網(wǎng)絡(luò)工具來設(shè)置課程相關(guān)基礎(chǔ)知識的問卷（課堂小測試），通過問卷調(diào)查，及時了解學(xué)生對知識掌握的情況和對課堂效果的反饋.期末非標(biāo)準(zhǔn)化答案試題考試即開卷考試和上機實操并重，在考試命題時重點考核學(xué)生對知識是否能夠全面掌握和靈活運用.上機實操則要求學(xué)生利用課堂所學(xué)的程序和軟件來分析解決生物學(xué)中的實際問題，以此重點考核學(xué)生的實際操作及應(yīng)用能力.

2.4 在課程中融入思政元素

在本課程設(shè)計及實施過程中，將思政教育一以貫之地融入到課程教學(xué)中，在向?qū)W生傳授專業(yè)知識的同時兼顧培養(yǎng)學(xué)生正確的價值觀.采用寓德于教，潤物無聲的方式，將專業(yè)課與思政教育有機結(jié)合，例如：通過人類基因組計劃、腦計劃等前沿科學(xué)計劃項目的講述，培養(yǎng)學(xué)生探索未知的興趣及投身科學(xué)研究的責(zé)任感和使命感；通過講授國際知名數(shù)據(jù)中心及我國在數(shù)據(jù)存儲方面面臨的問題，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情以及不畏艱難勇于探索和創(chuàng)新的科研精神；通過講述生物信息學(xué)軟件的版權(quán)使用問題，培養(yǎng)學(xué)生的民族責(zé)任感和立志開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)軟件的信念與決心等.

3 改革成效

通過《生物信息學(xué)》課程的跨學(xué)科教學(xué)實踐，汕頭大學(xué)生物系建立了業(yè)務(wù)水平高、責(zé)任心強的生物信息學(xué)教學(xué)團隊，在育人方面取得了一定的成效.“跨學(xué)科教學(xué)模式的探索與實踐”這一理念還可以推廣到生物系其它專業(yè)課程，也可以為兄弟院校的生物信息學(xué)教學(xué)提供參考.

3.1 本專業(yè)學(xué)生對課程的認(rèn)可和學(xué)習(xí)的主動性大大提升

在跨學(xué)科教學(xué)改革探索和實踐期間，學(xué)生通過將生物信息學(xué)理論知識與上機實踐和自己參加的生物學(xué)競賽活動、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目等結(jié)合，去解決科學(xué)研究中的實際問題，既可以增強生物信息學(xué)課程學(xué)習(xí)的趣味性和學(xué)生對這門課程的學(xué)習(xí)主動性，也可以在課外競賽和研究中提升自己，取得成績.通過學(xué)校學(xué)分制系統(tǒng)中學(xué)生在課程期間反饋意見可以看出，有同學(xué)表示生物信息學(xué)實用性比較強且較為熱門，希望可以增加課時從而學(xué)習(xí)更多的知識，還有部分同學(xué)的評價如下：“這門課是為了讓我們學(xué)會使用軟件工具處理信息，上機課學(xué)到很多有用的軟件”；“老師上課很有趣，講得通俗易懂”.

3.2 學(xué)生創(chuàng)新和應(yīng)用能力得到提升

《生物信息學(xué)》是一門以實踐為目的的課程，通過本課程的學(xué)習(xí)，希望學(xué)生能夠?qū)⒄n堂上學(xué)習(xí)到的生物信息學(xué)知識應(yīng)用到解決生物學(xué)實際問題中.因此，課程團隊鼓勵本科生參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目、全國大學(xué)生生命科學(xué)競賽等，做到活學(xué)活用，學(xué)以致用.團隊指導(dǎo)的2016級、2017級本科生參加第三屆全國大學(xué)生生命科學(xué)競賽和第二屆、第三屆廣東省大學(xué)生生命科學(xué)競賽，分別獲得優(yōu)勝獎、二等獎和三等獎.除了各類競賽，我們還鼓勵本科生參與到導(dǎo)師的科研中來，讓同學(xué)們參與到實際的實驗研究和生物信息學(xué)分析.科研方面同樣取得了顯著的成果，其中由本科生參與發(fā)表的研究成果包括《Differences in metabolic potential between particle-associated and free-living bacteria along Pearl River Estuary》[8]、《Pyrene biodegradation and its potential pathway involving Roseobacter clade bacteria》[9]、《High antioxidant capability interacts with respiration to mediate two Alexandrium species growth exploitation of photoperiods and light intensities》[10]等在內(nèi)的多篇高水平科研論文.在上述論文相關(guān)研究和競賽項目中，學(xué)生們將課程上所學(xué)的理論知識和上機實踐中所學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法充分的、靈活的運用到實際問題的解決和數(shù)據(jù)分析當(dāng)中，并取得了良好的成績.

3.3 學(xué)生對科技興國的認(rèn)知增強

通過上述寓德于教，潤物無聲的思政教育，學(xué)生對探索未知的興趣及投身科學(xué)研究的責(zé)任感和使命感得到極大增強，積極參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目、大學(xué)生生命科學(xué)競賽等（詳見3.2部分）；同時，學(xué)生充分認(rèn)識到生物信息學(xué)領(lǐng)域極度缺少國產(chǎn)分析軟件的現(xiàn)狀，不少同學(xué)立志開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)軟件，其中2018級鞏遵運和程宇同學(xué)分別考入深圳華大生命科學(xué)研究院、廈門大學(xué)生物信息專業(yè)繼續(xù)深造.

4 思考與討論

當(dāng)前《生物信息學(xué)》課程的最終目的在于讓學(xué)生在了解生物化學(xué)、分子生物學(xué)等生物學(xué)知識的基礎(chǔ)上，將生物信息學(xué)、生物統(tǒng)計學(xué)、計算機科學(xué)進行融合，以計算機的應(yīng)用推動生物大數(shù)據(jù)的處理[11].在今后《生物信息學(xué)》課程的教學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)更加注重引導(dǎo)學(xué)生深入思考和鉆研拓展生物信息學(xué)在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用，幫助學(xué)生建立復(fù)合型知識體系，追蹤學(xué)科發(fā)展的前沿研究動態(tài)，同時鼓勵學(xué)生自主閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，在課堂上進行文獻(xiàn)分享與討論.另外，我們將適當(dāng)延長生物信息學(xué)的教學(xué)課時，并采取PBL（Problem-based learning，以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)）模式結(jié)合多媒體教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[12].在課程的開始階段，將課堂內(nèi)容偏向于學(xué)習(xí)及探究，使學(xué)生通過閱讀教材、查找并閱讀文獻(xiàn)了解近期生物信息學(xué)領(lǐng)域研究進展，并通過課堂報告促進學(xué)生交流和深入思考，發(fā)現(xiàn)研究中的關(guān)鍵問題；在課程的后期階段，將課堂內(nèi)容偏向于發(fā)揮及綜合應(yīng)用，圍繞教師在生物學(xué)研究中的實際問題，鼓勵學(xué)生提出解決問題的方案，提高學(xué)生綜合利用所學(xué)知識和方法的能力，真正使學(xué)生做到學(xué)以致用.