林業(yè)院校生物信息學課程教學改革研究與實踐

孫吉康，曾柏全，韓文軍

（中南林業(yè)科技大學 生命科學與技術學院，湖南長沙 410004）

隨著對基因組學研究的不斷深入和高通量測序數據的大量涌現(xiàn)，基因組學、轉錄組學、蛋白組學和代謝組學等多組學生物信息數據正呈爆炸性增長[1-3]。生物信息學的研究對象為生物學研究過程中產生的數據，通過綜合運用計算機科學、統(tǒng)計學、生物學和數學等相關學科的知識和方法，對研究所得數據進行獲取、分析、加工與存儲，從而揭示其中所蘊含的生物學規(guī)律[4-5]。

2018年8月，教育部、財政部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》，明確提出“雙一流”建設的核心是人才培養(yǎng)。人才培養(yǎng)的核心是課程，大學中能讓學生最直接、核心、顯效受益的也是課程，因此促進生物信息學課程建設對于一流專業(yè)建設具有重要意義。目前，生物信息學課程教學普遍存在如下突出問題：課程要求和課時數不匹配、學生實際數據分析訓練不夠、教材更新速度過慢、學生專業(yè)英語掌握不足、教學模式較為單一和教學內容較陳舊落后。為提高生物信息學課程教學效果，將翻轉課堂[6]、項目式教學法[7]、案例教學[8]等教學模式應用于生物信息學教學，并進行了有益的探索。

針對當前生物信息學教學存在的普遍性問題，為適應我國現(xiàn)階段創(chuàng)新驅動發(fā)展的要求，以提高人才培養(yǎng)能力為核心，以課堂教學革命為重點，以培養(yǎng)學生真正掌握解決生物學問題的能力為目標，確定了4個實施方向：（1）將科研案例和科研成果融入教學內容，堅持以科研帶動教學的思路培養(yǎng)學生實際應用能力；（2）利用移動互聯(lián)網+新型的智能教學服務平臺，構建在線開放的課程教學體系，包括在線教學視頻、教學討論平臺、評分系統(tǒng)等；（3）建立以翻轉課堂教學方法為基礎，多種教學模式相融合的、以學生為中心的自主學習授課方式；（4）搭建生物信息學在線學習測試評價平臺，建立偏重實際解決問題能力的綜合評定考核體系。為了實現(xiàn)這些目標，在教學活動中開展了以下4個方面的工作。

1 以實際應用能力培養(yǎng)為核心，科學合理設置教學內容

（1）教學內容將按照“序列-結構-功能”“基因組-轉錄組-蛋白組-相互作用組-代謝組”兩條主線進行設置，并在教學實踐過程中不斷調整、完善。同時，為了實現(xiàn)教學與科研實際、學生訓練的緊密結合，將科研項目與成果轉化為與知識點相對應的實際運用教學案例。這些案例主要來源于教師自身科研工作，或是目前生命科學領域的最新研究發(fā)現(xiàn)以及本校專家教師的研究成果。特別是將與中南林業(yè)科技大學教師科研活動密切相關的內容及最新進展融入到案例教學中，如亞熱帶典型人工林（杉木人工林、馬尾松人工林、濕地松人工林和樟樹人工林）相關研究、油茶油桐等經濟林研究、林業(yè)微生物資源開發(fā)利用和環(huán)境生物治理研究是具有學校特色的研究領域。基于這類研究項目所發(fā)表的研究報告、研究論文，從中提煉適合于生物信息學教學的教學案例，提高學生的學習興趣，增強學習的動力，符合學生未來的發(fā)展規(guī)劃、滿足科研的需要。

（2）課程內容從形式上分成4個大模塊，分別是生物信息學原理模塊、生物信息學資源模塊、序列分析模塊和基因功能注釋模塊。在每一個大類模塊中又細分成更小的模塊，便于解決一些小問題。例如，生物信息學原理模塊中包含有概述和基因組學基礎模塊，生物信息學資源模塊中包括生物學網站、軟件工具和生物數據庫模塊，序列比對、查詢與搜索、核酸序列分析和蛋白質序列分析模塊包括在序列分析模塊，而基因預測、蛋白質結構預測、GO分析、KEGG分析、PATHWAY分析和系統(tǒng)進化分析模塊則包含在基因功能注釋模塊里。同時，將每個模塊中的知識點分成若干個項目的形式，明確每個項目的具體任務和所需課時量，實現(xiàn)教學內容的重新整合，使之有利于翻轉課堂教學需要。

2 對線上線下的教學資源進行有機整合，提升翻轉課堂教學效率

根據教學內容的模塊、項目任務，制作好相關知識的PPT課件、微課視頻及單元測試內容。視頻和單元測試內容主要上傳到網絡教學平臺，學生可以在課前利用筆記本、手機和平板電腦等移動網絡工具完成知識的傳遞過程。PPT課件主要用于課堂教學，PPT內容不同于傳統(tǒng)的對新知識點講解模式，主要是一些研究案例、問題的提出與討論。由于課堂教學時間有限，因此應組織學生進行問題討論和項目分析，使其能更好地掌握和消化復雜的生物信息學理論和分析技能，并內化于心，從而有效解決教學內容與課時數不吻合的矛盾。

3 積極探索多種教學模式的高效有機融合

基于教學內容和教學形式的設置，實現(xiàn)翻轉課堂與項目式教學的融合，讓學生用碎片化時間學習項目化教學中的知識傳遞，提前構建知識體系。在課堂上，由教學案例引入問題，通過問題導向式學習的模式進行教學，引導學生通過合作或是自主探究等方式來提高學習主動性，增強學生與教師之間的互動。教師通過收集問題、解答、討論和有針對性地輔導等方式，使學生完成“內化知識”的過程。例如，從選定的實際應用教學案例著手，啟發(fā)和引導學生獨立完成從項目立題、文獻查閱、候選基因確定到核酸序列的查找和比對、引物設計、載體構建、結構預測、調控元件預測、構建系統(tǒng)進化樹及功能注釋等一系列與生物信息學分析相關的流程。在這個過程中，能很好地落實學生的“練”，從而使學生能真正掌握解決問題的思路，并應用到今后科研實踐中。

4 建立中心為實際應用能力測試的綜合考核評價體系

線上線下混合式教學模式要求學生課前完成知識的學習，因此對線上學習的監(jiān)督尤其重要?；趯W生登錄在線開放課程網站的次數、觀看視頻的時間及線上單元測試的具體情況，確定學生線上學習過程成績。對于線下考核，重點考查學生運用所學知識解決科研問題的實際能力。平時設置課后實踐任務，要求每位學生針對自己感興趣的任務，獨立完成生物信息數據分析并提交分析報告，該部分將納入最終考核成績。期末考試內容將根據當前研究熱點靈活出題，減少概念記憶性知識點考核，重點考察學生的實際數據分析能力。最終以線上平時成績、線下平時成績、期末考試成績相結合的綜合評價方式作為考核標準。

5 結語

生物信息學是一門實踐性很強的課程。教學過程中應圍繞生物信息學課程的兩條主線，根據生物信息學知識點篩選來自生命科學領域的最新研究、本校專家教師的研究成果，結合時代研究熱點問題，充實教學內容；充分利用現(xiàn)代發(fā)達的網絡將相應的微課視頻、PPT課件及單元在線測試評價內容在教學平臺及時發(fā)布，方便學生隨時進行學習和查閱；以實際案例為引導，以學生自主學習為主體，引入多種教學模式，將教學與科研實際和學生訓練緊密結合，使學生的“練”得到落實，真正掌握了解決問題的思路與方法；通過改進課程評價方式，建立了以能力測試為中心的綜合評定考核體系。通過這4個方面的改進措施，有效提高了生物信息學的教學質量。