大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下“遺傳學(xué)”課程教學(xué)改革的實(shí)踐

謝劍波 張德強(qiáng)

(北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

遺傳學(xué)主要研究生物的遺傳與變異，是21世紀(jì)最有活力的學(xué)科之一。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展和生物大數(shù)據(jù)的釋放，遺傳學(xué)各研究方向得到了飛速發(fā)展，研究領(lǐng)域從個(gè)體擴(kuò)展到群體。由單基因研究拓寬至多基因互作研究，由基因的單時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)錄、表達(dá)研究上升到基因的時(shí)間序列研究，由基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控拓寬至表達(dá)調(diào)控、翻譯調(diào)控、表觀遺傳調(diào)控等多層次研究，形成了大數(shù)據(jù)時(shí)代遺傳學(xué)特有的分支與學(xué)科體系?；谶z傳學(xué)建立起來的基因工程、群體基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、表觀遺傳學(xué)、大數(shù)據(jù)組學(xué)等新理論和新技術(shù)已成為生命科學(xué)發(fā)展的前沿，研究成果極大推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的飛速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)、生態(tài)、醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

此外，互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展沖擊了高等院校傳統(tǒng)的教學(xué)模式，互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)思維下的教學(xué)改革迫在眉睫。因此，開展“遺傳學(xué)”課程教學(xué)改革，不僅要保持學(xué)科課程體系的完整性，還要關(guān)注學(xué)科前沿領(lǐng)域的進(jìn)展，逐漸優(yōu)化“遺傳學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生掌握完整的“遺傳學(xué)”課程前沿理論知識(shí)與技術(shù)，并將大數(shù)據(jù)分析思維引入到傳統(tǒng)的“遺傳學(xué)”課堂，為該課程課堂教學(xué)提供新的改革思路。

一、“遺傳學(xué)”課程教學(xué)存在的問題

多年來，“遺傳學(xué)”課程授課教師在知識(shí)體系和授課方式等方面進(jìn)行了大量的改革與探索[1-3]，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。然而，現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)推動(dòng)了遺傳學(xué)前沿理論及分支學(xué)科的飛速發(fā)展，相比于遺傳學(xué)前沿理論知識(shí)與技術(shù)的發(fā)展速度，當(dāng)前高等院校“遺傳學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法仍存在一定問題，主要表現(xiàn)如下。

(一)教學(xué)方法單一，教學(xué)模式刻板

“遺傳學(xué)”是理論性極強(qiáng)的課程，但脫離實(shí)驗(yàn)講理論、脫離前沿講進(jìn)展、脫離互動(dòng)講效果一直是該課程長(zhǎng)期以來的弊病。在該課程傳統(tǒng)教學(xué)中教師主導(dǎo)、填鴨式灌輸?shù)饶Ｊ截灤┯谡麄€(gè)教學(xué)過程，學(xué)生常處于被動(dòng)位置，沒有時(shí)間思考、消化、吸收所學(xué)知識(shí)，導(dǎo)致知識(shí)無(wú)法得到鞏固。同時(shí)，教師授課重點(diǎn)不突出、缺乏典型案例，導(dǎo)致課堂氣氛沉悶、學(xué)生容易產(chǎn)生疲勞。師生互動(dòng)僅局限于簡(jiǎn)單的課堂提問，學(xué)生參與感較差，缺乏師生平等互動(dòng)探討的新型課堂文化。

(二)教學(xué)內(nèi)容陳舊

“遺傳學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容主要包括孟德爾理論、基因調(diào)控、微生物遺傳、染色體變異、細(xì)胞質(zhì)遺傳、基因組學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)等內(nèi)容。其中，基因調(diào)控、基因組學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)等內(nèi)容仍然停留在早期染色體物理圖譜及單個(gè)基因的研究水平上。隨著“人類基因組計(jì)劃”的完成，帶動(dòng)了生物行業(yè)的革命，使高通量測(cè)序技術(shù)得到快速發(fā)展、生物學(xué)研究獲得強(qiáng)大的數(shù)據(jù)產(chǎn)出，包括基因組學(xué)、基因調(diào)控、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等生物學(xué)數(shù)據(jù)。基因調(diào)控研究已從單個(gè)基因提升到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；基因組學(xué)已從分子標(biāo)記的篩選提升到功能基因組學(xué)；遺傳學(xué)中的簡(jiǎn)單重復(fù)數(shù)據(jù)已逐漸大數(shù)據(jù)化。而“遺傳學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容與互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的生物大數(shù)據(jù)完全脫節(jié)，現(xiàn)有教學(xué)體系與生物大數(shù)據(jù)操作平臺(tái)沒有充分整合，致使學(xué)生無(wú)法獲取研究領(lǐng)域的前沿知識(shí)以及當(dāng)代遺傳學(xué)數(shù)據(jù)的分析工具及手段，使該課程教學(xué)內(nèi)容陳舊。

(三)教師的知識(shí)體系更新慢，跟不上遺傳學(xué)學(xué)科的發(fā)展速度

遺傳學(xué)前沿技術(shù)發(fā)展越來越快，核心技術(shù)手段、核心理念也在不斷更新。但“遺傳學(xué)”課程授課教師如果不能與時(shí)俱進(jìn)，其知識(shí)體系在短時(shí)間內(nèi)跟不上遺傳學(xué)學(xué)科的發(fā)展速度，使得該課程課件的更新速度難以適應(yīng)知識(shí)的更新速度，課堂教學(xué)與前沿技術(shù)存在脫節(jié)，現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容無(wú)法適應(yīng)遺傳學(xué)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展變化。上述問題給高等院?！斑z傳學(xué)”課程教學(xué)改革提出了新的方向和要求。

二、大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下“遺傳學(xué)”課程教學(xué)改革的舉措

“遺傳學(xué)”課程是一門綜合性極強(qiáng)的課程。針對(duì)“遺傳學(xué)”課程教學(xué)存在的問題，授課教師團(tuán)隊(duì)積極優(yōu)化“遺傳學(xué)”課程教學(xué)方法，轉(zhuǎn)變教學(xué)思維，及時(shí)、全面地將國(guó)際前沿理論知識(shí)和技術(shù)轉(zhuǎn)化為教學(xué)素材，搭建了生物大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，并結(jié)合海量數(shù)據(jù)及校外生物云平臺(tái)，推動(dòng)了“遺傳學(xué)”課程教學(xué)的信息化，具體做法如下。

(一)充分融合大數(shù)據(jù)思維，提高“遺傳學(xué)”課程教學(xué)的信息化水平

隨著遺傳學(xué)的發(fā)展，生物數(shù)據(jù)傾向于大數(shù)據(jù)化、平臺(tái)化、信息化，使傳統(tǒng)遺傳學(xué)的研究模式逐漸向云端化、智能化、平臺(tái)化發(fā)展。如目前的BMKCloud生物云計(jì)算平臺(tái)、聯(lián)川生物云平臺(tái)、美吉生物云、NovelBrain云平臺(tái)、Cancer Cell云平臺(tái)都可以遠(yuǎn)端智能化對(duì)遺傳學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。作為“遺傳學(xué)”課程的核心章節(jié)，基因組學(xué)、比較基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組調(diào)控、群體遺傳學(xué)與進(jìn)化等內(nèi)容在“遺傳學(xué)”中占有重要的地位。因此，在“遺傳學(xué)”課程授課過程中筆者對(duì)核心章節(jié)采用了如下改革策略。

首先，筆者在講述“遺傳學(xué)”課程部分內(nèi)容時(shí)，一方面開展了“雙語(yǔ)”教學(xué)活動(dòng)，對(duì)緊密關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行了歸納總結(jié)，重要之處進(jìn)行重點(diǎn)解讀，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于專業(yè)詞匯的印象，提高學(xué)生外文文獻(xiàn)的閱讀能力，為云平臺(tái)的學(xué)習(xí)奠定了專業(yè)詞匯儲(chǔ)備庫(kù)；另一方面利用實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買的曙光高性能大型服務(wù)器搭建了生物大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，如Pseudogene Pipeline、Genome-analyzer、Gene Expression Analyzer等，課上在“遺傳學(xué)”課程相應(yīng)章節(jié)穿插進(jìn)行視頻講解以及現(xiàn)場(chǎng)操作，讓學(xué)生理解什么是生物大數(shù)據(jù)云平臺(tái)、了解生物大數(shù)據(jù)的類型(核酸、蛋白、序列)以及如何利用分析工具分析遺傳學(xué)大數(shù)據(jù)。除此之外，筆者在“遺傳學(xué)”課程教學(xué)中還增加了實(shí)操內(nèi)容，通過在科研服務(wù)器上增加可操作性賬戶的方法，讓所有學(xué)生體驗(yàn)大型服務(wù)器對(duì)遺傳學(xué)分析方法的改變過程。

其次，筆者在“遺傳學(xué)”課堂上介紹了國(guó)內(nèi)外的公共數(shù)據(jù)庫(kù)，如美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(NCBI)數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)國(guó)家基因組科學(xué)數(shù)據(jù)中心(National Genomics Data Center)，并對(duì)兩者進(jìn)行了比較。同時(shí)，著重介紹了各種信息資源庫(kù)，比如基因組變異與表型關(guān)聯(lián)知識(shí)庫(kù)、全基因組變異信息數(shù)據(jù)庫(kù)(GWAS Atlas)、表觀關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)庫(kù)(EWAS Atlas)、原核生物防御系統(tǒng)基因數(shù)據(jù)庫(kù)(Prokaryotic Antiviral Defense System，PADS)、生物進(jìn)化與多組學(xué)綜合分析軟件云平臺(tái)(eGPSCloud)，讓學(xué)生理解生物學(xué)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律，掌握重要數(shù)據(jù)庫(kù)的使用技巧。這不僅使“遺傳學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容緊跟時(shí)代前沿，而且還幫助學(xué)生理解遺傳學(xué)的理論知識(shí)所帶來的重要社會(huì)價(jià)值，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

(二)建立遺傳學(xué)典型教學(xué)案例數(shù)據(jù)庫(kù)

為了提高學(xué)生對(duì)“遺傳學(xué)”課程學(xué)習(xí)的興趣，了解遺傳學(xué)前沿理論知識(shí)，掌握遺傳變異、進(jìn)化遺傳學(xué)、群體遺傳學(xué)、基因組學(xué)、微生物學(xué)等概念和研究方法，筆者對(duì)“遺傳學(xué)”課程教學(xué)案例進(jìn)行了歸納整理，將遺傳學(xué)理論知識(shí)融入到典型案例中，建立了“遺傳學(xué)”課程典型遺傳學(xué)案例數(shù)據(jù)庫(kù)。該案例數(shù)據(jù)庫(kù)分為35個(gè)課前案例、86個(gè)教學(xué)案例、27個(gè)前沿技術(shù)案例，授課教師在不同授課階段使用不同類型的案例。

1.課前教學(xué)案例

“遺傳學(xué)”是一門理論極強(qiáng)的基礎(chǔ)課程。因此，在該課程前期為了增加學(xué)生對(duì)于遺傳與變異的基本知識(shí)的認(rèn)識(shí)，筆者根據(jù)選課學(xué)生知識(shí)背景抽取一定數(shù)量課前案例進(jìn)行講解，使得“遺傳學(xué)”課程概念具體化，目的是讓學(xué)生體會(huì)遺傳學(xué)的基本原理與人類活動(dòng)的密切關(guān)系。比如，“雜交優(yōu)勢(shì)在玉米育種中的應(yīng)用”“產(chǎn)前診斷原理及對(duì)于優(yōu)生優(yōu)育的重要性”“人類健康遺傳診斷技術(shù)原理”“公安部物證鑒定技術(shù)”“人類起源及遺傳進(jìn)化史”“柑橘科植物馴化史”“澳大利亞農(nóng)場(chǎng)羊群的個(gè)體突變現(xiàn)象”等。筆者在“遺傳學(xué)”課程教學(xué)前期以圖片和短視頻的形式將課前案例融入到該課程教學(xué)中，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)了課程的實(shí)用性。

2.課堂教學(xué)案例

在“遺傳學(xué)”課程每個(gè)章節(jié)中，筆者融入了大量的教學(xué)案例，使得遺傳學(xué)理論知識(shí)變得簡(jiǎn)單、易學(xué)。一般每個(gè)章節(jié)平均使用8個(gè)案例，將遺傳學(xué)發(fā)展史等重要理論假說的提出、驗(yàn)證、發(fā)展與認(rèn)可的漫長(zhǎng)歷程融入到重要人物的故事中，從孟德爾到摩爾根、從達(dá)爾文到袁隆平、從沃森到張鋒、從居里夫人到屠呦呦，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)知科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律和崇高的科研創(chuàng)新意識(shí)與探索精神。

3.前沿技術(shù)教學(xué)案例

在“遺傳學(xué)”課程后期教學(xué)中，筆者增加了前沿技術(shù)案例的講授，以提升課堂教學(xué)層次、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。比如，對(duì)CRISPR(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)專利技術(shù)之爭(zhēng)、精準(zhǔn)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、基因組單堿基編輯器、水稻高產(chǎn)和氮高效基因OsNR2、植物抗病小體與抗病機(jī)制、陸生植物祖先適應(yīng)陸地環(huán)境的策略等前沿技術(shù)案例的講解，讓學(xué)生感受到“遺傳學(xué)”課程前沿科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展速度與趨勢(shì)。

(三)凝聚優(yōu)勢(shì)學(xué)科科研力量，開設(shè)前沿專題講座

“遺傳學(xué)”課程某些章節(jié)中涉及到一些較為抽象、難以理解的內(nèi)容，筆者依托北京市高精尖創(chuàng)新中心、遺傳學(xué)科、林木遺傳育種學(xué)科等學(xué)科群，開展了群體遺傳學(xué)的“連鎖不平衡作圖與分子育種”“層級(jí)聚類調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建”等熱點(diǎn)專題講座，具體做法如下。

首先，筆者邀請(qǐng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科的知名教授講授專業(yè)知識(shí)和技術(shù)，讓學(xué)生接觸最前沿的理論知識(shí)與技術(shù)，提前熟悉數(shù)量遺傳學(xué)的知識(shí)框架，使較為抽象難懂的理論知識(shí)分塊、分階段消化。通過開展這種以學(xué)生為主體的教學(xué)活動(dòng)，提高了學(xué)生參與的積極性，增進(jìn)了學(xué)生對(duì)于“遺傳學(xué)”課程學(xué)習(xí)的興趣，為學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的提高創(chuàng)造了必要條件。

其次，筆者聘請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域內(nèi)知名學(xué)者入校開展講座，如“關(guān)聯(lián)作圖法尋找水稻雄性不育位點(diǎn)”“基因組學(xué)原理與應(yīng)用”等的講座。這些學(xué)者都是該領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)秀科學(xué)家，以這種前沿講座的形式輔助相應(yīng)章節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

最后，筆者通過師生交流群分享知名專家的視頻講座，內(nèi)容包括該領(lǐng)域內(nèi)的最新研究成果，如北京市農(nóng)林科學(xué)院的西瓜群體遺傳學(xué)研究成果。該研究明確了西瓜果實(shí)瓤色關(guān)鍵基因LCYB的選擇馴化模式，還利用最新的基因編輯技術(shù)首次證實(shí)了參與光合產(chǎn)物卸載的α-半乳糖苷酶基因在西瓜果實(shí)糖分積累中的關(guān)鍵作用，揭示了西瓜“甜蜜基因”馴化的秘密。同時(shí)，他們還獲得了決定西瓜含糖量與瓤色協(xié)同進(jìn)化的候選基因位點(diǎn)，這些關(guān)鍵性狀基因?qū)ξ覀兾磥砼嘤用牢犊煽诘奈鞴暇哂蟹浅Ｖ匾膬r(jià)值。這些研究源于生活、高于生活，不僅讓學(xué)生了解了學(xué)科前沿研究進(jìn)展，而且還體會(huì)了科研與生活結(jié)合的樂趣。

(四)引入翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法，組織教學(xué)活動(dòng)

基于前期教學(xué)改革的基礎(chǔ)，筆者對(duì)“遺傳學(xué)”課程教學(xué)模式進(jìn)行了改革，改變以往填鴨式教學(xué)方法，采用了翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方法，讓學(xué)生擔(dān)當(dāng)教師角色進(jìn)行講授，教師做最后的點(diǎn)評(píng)。例如，在“群體遺傳學(xué)”章節(jié)中，筆者先提出重要科學(xué)問題——如何利用群體遺傳學(xué)手段進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)中的植物種群保護(hù)；隨后讓學(xué)生自由分組開展英文文獻(xiàn)研讀，整理科研思路，進(jìn)行課堂展示。通過這種翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法，學(xué)生不僅深刻地了解了染色體變異的前沿理論知識(shí)和技術(shù)，而且提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，有利于高素質(zhì)專業(yè)人才的培養(yǎng)。

三、“遺傳學(xué)”課程教學(xué)改革的效果

(一)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性明顯提高

通過對(duì)“遺傳學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)得到加強(qiáng)。學(xué)生“遺傳學(xué)”課程考試平均成績(jī)從2015年之前的85.6分提高到2019年的89.1分；學(xué)生自主回答問題的頻率有所增加，從平均每堂課2～3人次提高到每堂課5～6人次。在筆者建立的該課程溝通微信群中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性明顯提高，學(xué)生與授課教師在專業(yè)知識(shí)、科研問題、考研去向等方面討論的次數(shù)逐漸增多，每天互動(dòng)達(dá)200條以上。

(二)學(xué)生的學(xué)習(xí)更有方向感，參與科研實(shí)驗(yàn)的數(shù)量不斷增多

學(xué)生通過申請(qǐng)國(guó)家、北京市、學(xué)校、學(xué)院的科研課題，在校期間就主持或參與了科研項(xiàng)目。據(jù)統(tǒng)計(jì)，依托筆者研究團(tuán)隊(duì)開展科研實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)從2015年的1人次，增加到2019年的9人次；累計(jì)申請(qǐng)到3項(xiàng)北京市大學(xué)生創(chuàng)新課題以及2項(xiàng)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新課題；2個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加了生物競(jìng)賽；有11名學(xué)生在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了SCI論文。學(xué)生學(xué)習(xí)更有方向感，人才培養(yǎng)質(zhì)量得到明顯提高。

(三)學(xué)生的科研水平和競(jìng)爭(zhēng)力得到提升，進(jìn)一步深造的人數(shù)增加

通過對(duì)”遺傳學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)術(shù)視野得到擴(kuò)展、專業(yè)學(xué)習(xí)能力得到了增強(qiáng)。學(xué)生深造、出國(guó)留學(xué)的人數(shù)不斷提高，從2015年的13人次提升到2019年的18人次，已有20余名畢業(yè)生赴英國(guó)劍橋大學(xué)、美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)等世界一流大學(xué)深造。同時(shí)，通過對(duì)“遺傳學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的考研專業(yè)方向感也較往年得到了極大提高，學(xué)生在考研復(fù)試中的競(jìng)爭(zhēng)力得以加強(qiáng)，面試教師反饋，北京林業(yè)大學(xué)生物技術(shù)專業(yè)學(xué)生的遺傳學(xué)知識(shí)面寬廣、實(shí)驗(yàn)操作與科研素養(yǎng)較高。

另外，學(xué)生被清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等國(guó)內(nèi)知名研究團(tuán)隊(duì)錄取率從2015年的76.6%提高到2019年的81.0%，許多學(xué)生已經(jīng)跨專業(yè)考到自己喜歡和了解的其他專業(yè)，如醫(yī)學(xué)、生物信息學(xué)、動(dòng)物遺傳學(xué)等領(lǐng)域，學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量不斷提高。

資助項(xiàng)目：北京林業(yè)大學(xué)2019年教育教學(xué)研究一般項(xiàng)目——“互聯(lián)網(wǎng)+”思維在“遺傳學(xué)”課程中的應(yīng)用，項(xiàng)目編號(hào)BJFU2019JY049。