重構(gòu)生物信息學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力
——以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程為例

石洪波，張明明，趙文媛

（哈爾濱醫(yī)科大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150081）

一、引言

隨著基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組及代謝組等多組學(xué)檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生了海量的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)[1]，生物信息學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。生物信息學(xué)是一門前沿的交叉學(xué)科，它綜合了生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科的技術(shù)和方法[2]，不僅為解決復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)問題提供新的思路和方法，而且為生物醫(yī)藥學(xué)科及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動作用[3]。2022年5月，國家發(fā)展和改革委員會印發(fā)的《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中指出，“要培養(yǎng)壯大生物信息產(chǎn)業(yè)”[4]。培養(yǎng)富有卓越創(chuàng)新能力的專業(yè)人才，是中國高等教育重要任務(wù)之一[5]。生物信息學(xué)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)對于我國占據(jù)國際生命科學(xué)的制高點(diǎn)至關(guān)重要。

課程是人才培養(yǎng)的核心，是影響學(xué)生發(fā)展的直接因素之一，課程的質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)的質(zhì)量。生物信息學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課，大多具有理論性較強(qiáng)、內(nèi)容抽象、記憶和理解較困難的特點(diǎn)，影響了教學(xué)效果，也影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課薄弱對于后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)、實(shí)踐及就業(yè)都極為不利[6]。如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，進(jìn)而培養(yǎng)生物信息學(xué)創(chuàng)新人才是生物信息學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課進(jìn)行教學(xué)改革的重要目標(biāo)。

“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”是生物信息學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課，是學(xué)生掌握專業(yè)知識及技能的重要課程。其主要研究計(jì)算機(jī)加工的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，以便為生物信息學(xué)專業(yè)應(yīng)用所涉及的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的操作算法。文章以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程為例，通過重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)模式、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新人格來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二、影響學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主要因素

香港城市大學(xué)的岳曉東教授指出，影響學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的主要因素有兩個：一是思維標(biāo)準(zhǔn)化，二是知識無活力化[7]。思維標(biāo)準(zhǔn)化主要指思維、方法、技能的規(guī)范化，思維缺少靈活性、獨(dú)創(chuàng)性。應(yīng)試教育是思維標(biāo)準(zhǔn)化的原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國，一個學(xué)生從小學(xué)入學(xué)到高中結(jié)束，平均要經(jīng)歷上千次的測驗(yàn)與考試，過度追求標(biāo)準(zhǔn)答案，重視“一題一解”，容易導(dǎo)致學(xué)生思維的單一化和視角的狹隘。知識無活力化主要體現(xiàn)為“死學(xué)知識”，重視知識的理論學(xué)習(xí)，而忽視了知識在實(shí)際中的應(yīng)用?！八缹W(xué)知識”的危害主要有兩個方面：一方面，學(xué)生很少去思考知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，使得學(xué)生在解決實(shí)際問題時很難進(jìn)行發(fā)散思維，將所學(xué)知識綜合運(yùn)用、融會貫通；另一方面，很少有學(xué)生對所學(xué)知識能夠做到學(xué)以致用，因而造成“高分低能”型學(xué)生的出現(xiàn)。學(xué)習(xí)過的知識沒有應(yīng)用于實(shí)踐，知識就沒有活力，學(xué)生容易忘記，最終影響學(xué)生的創(chuàng)新能力。宋代著名詩人陸游在《冬夜讀書示子聿》中寫到“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。習(xí)近平總書記也指出“廣大青年要如饑似渴、孜孜不倦學(xué)習(xí)，既多讀有字之書，也多讀無字之書，注重學(xué)習(xí)人生經(jīng)驗(yàn)和社會知識”。這些都強(qiáng)調(diào)了知識的活力化及知識用于實(shí)踐的重要性。

思維標(biāo)準(zhǔn)化和知識無活力化這兩個問題在專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)中尤為突出，因此，文章提出了重構(gòu)生物信息學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的策略。對于知識點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性。同時增加與知識點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)用，讓學(xué)生體會到知識源于實(shí)踐，又服務(wù)于實(shí)踐，將有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

三、重構(gòu)專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的策略

（一）重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容

重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容是將各知識點(diǎn)穿線，體現(xiàn)不斷創(chuàng)新的過程；同時使知識活力化，對于每個知識點(diǎn)，加入對應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用，尤其注重增加與生物信息學(xué)專業(yè)及學(xué)科前沿緊密相關(guān)的應(yīng)用案例。

以“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程為例，對于每個章節(jié)，進(jìn)行深入分析，明晰創(chuàng)新點(diǎn)，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，旨在課堂教學(xué)過程中針對創(chuàng)新點(diǎn)發(fā)散學(xué)生的思維。例如，在學(xué)習(xí)線性表的存儲結(jié)構(gòu)時，先引入常見的順序存儲，再引導(dǎo)學(xué)生分析線性表的順序存儲的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而引入線性表的鏈?zhǔn)酱鎯Γ▎捂湵恚?；進(jìn)一步探討其優(yōu)缺點(diǎn)，引入雙向鏈表和循環(huán)單鏈表；最后分析二者的優(yōu)缺點(diǎn)，引入雙向循環(huán)鏈表（圖1）。再如，樹的存儲（圖2）。由樹的雙親表示法、孩子表示法、孩子兄弟表示法到雙親孩子表示法。此外，為了使知識活力化，為每個知識加入了對應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用，如線性表的存儲加入了通訊錄的管理、學(xué)生信息管理系統(tǒng)、一元多項(xiàng)式的表示與相加，以及約瑟夫死亡游戲及拉丁方陣；樹的存儲內(nèi)容加入了生物信息學(xué)相關(guān)的基因本體（Gene Ontology，GO）及疾病本體（Disease Ontology，DO）的存儲。

圖1 重構(gòu)“線性表的存儲”教學(xué)內(nèi)容

圖2 重構(gòu)“樹的存儲”教學(xué)內(nèi)容

（二）設(shè)計(jì)問題鏈，改進(jìn)教學(xué)模式

文章將傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式改進(jìn)為探討式教學(xué)模式。設(shè)計(jì)問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生分組或獨(dú)立思考，師生之間不斷探討，以調(diào)動學(xué)生思維的靈活性。例如，在學(xué)習(xí)“線性表的存儲結(jié)構(gòu)”時，設(shè)置了問題鏈（圖1）。在學(xué)習(xí)線性表的順序存儲后，首先通過問題“此種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有何優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)？”引發(fā)學(xué)生思考、師生探討，進(jìn)而引入單鏈表；其次再由問題引入雙向鏈表和單向循環(huán)鏈表；最后由問題引入雙向循環(huán)鏈表。再如，學(xué)習(xí)樹的存儲時（圖2），首先通過問題“樹的結(jié)構(gòu)如何存儲？能否按照二叉樹的方式存儲？”引發(fā)學(xué)生思考、師生探討，進(jìn)而引入樹的雙親表示法、孩子表示法、孩子兄弟表示法；再由問題“此種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有何優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)？”引入樹的雙親孩子表示法。此外，針對一些實(shí)際應(yīng)用，教師以問題為導(dǎo)向引入知識點(diǎn)。如學(xué)習(xí)“有向無環(huán)圖的應(yīng)用”時（圖3），以修建地鐵的工序圖為例，提出3 個問題：地鐵工程按照工序圖能否順利完成？影響工程進(jìn)度的關(guān)鍵活動有哪些？工程完成最短時間是多少？同時引入與問題對應(yīng)的3 個知識點(diǎn)：拓?fù)渑判?、關(guān)鍵活動及關(guān)鍵路徑。

圖3 針對“有向無環(huán)圖的應(yīng)用”設(shè)計(jì)的問題

這種探討式教學(xué)模式，不僅讓學(xué)生在不斷的發(fā)問、思考的過程中清楚地認(rèn)識到這樣做的理由，讓學(xué)生從整體上掌握所學(xué)知識，融會貫通，而且讓學(xué)生學(xué)會了探究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了批判性思維，有“當(dāng)時我若在，也會提出問題，也會創(chuàng)新”的身臨其境的感受，增加了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新活動的信心。

（三）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新人格

學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不僅包含創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，也包含創(chuàng)新人格的培養(yǎng)[7]。在智力相近的情況下，人格對創(chuàng)新能力的影響尤為重要。創(chuàng)新人格對于擺脫“唯師、唯書、唯上”的心理定式、突破思維標(biāo)準(zhǔn)化和知識無活力化也起著重要的作用。引入課程內(nèi)容涉及的人物及事件，從意志力、觀察力、獨(dú)立精神、合作精神、樂觀精神、社會責(zé)任感等方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新人格。例如，在學(xué)習(xí)圖的“頂點(diǎn)間最短路徑”時，引入了兩位著名的計(jì)算機(jī)科學(xué)家E.W.迪克斯特拉（E.W.Dijkstra）和R.W.弗洛伊德（R.W.Floyd）及其相關(guān)事跡。此外，在知識活力化部分，應(yīng)用所學(xué)知識解決生物信息學(xué)實(shí)際問題時，可結(jié)合教師親身的科研經(jīng)歷進(jìn)行闡述，讓學(xué)生深刻體會到意志力、觀察力、合作精神等在創(chuàng)新中的重要性，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新人格。

四、重構(gòu)專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的先決條件

此外，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”授課教師還應(yīng)采用多樣性的討論形式（分組+ 獨(dú)立，課上+ 課下，線上+ 線下）。學(xué)生可以根據(jù)自己的愛好分組或獨(dú)立思考，對于課程中提出的問題，學(xué)生在雨課堂平臺進(jìn)行回答，教師選擇有代表性的回答與學(xué)生進(jìn)行再探討，其余回答將在雨課堂平臺進(jìn)行回復(fù)。對于課程最后布置的問題，學(xué)生在雨課堂平臺中提交，教師進(jìn)行歸類篩選，下次課進(jìn)行探討。

五、結(jié)束語

（一）教師自身的學(xué)科知識體系的完善

針對知識點(diǎn)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、提出符合知識發(fā)展的問題鏈，同時引入知識點(diǎn)對應(yīng)的人物、事件，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新人格，必然要求授課教師熟悉其所教課程及課程所屬學(xué)科的發(fā)展歷史，教師可以通過網(wǎng)絡(luò)查找資料及閱讀書籍等方式來完善自身的學(xué)科知識體系。例如，對于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程，教師可以參考《中國高等計(jì)算機(jī)教育發(fā)展史》《計(jì)算機(jī)發(fā)展史趣談》，以及《ACM 圖靈獎》等書籍。

（二）學(xué)生討論的積極性調(diào)動及形式的多樣性

在課堂教學(xué)過程中，需要不斷地提問，引導(dǎo)學(xué)生思考、探索。為了充分調(diào)動學(xué)生參與課堂討論的積極性，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”授課教師主要采用“利益驅(qū)動+興趣驅(qū)動+參與感提升”的方法。（1）利益驅(qū)動法主要是給積極參與討論的學(xué)生加分，作為平時成績的一部分。（2）興趣驅(qū)動主要是精選實(shí)際應(yīng)用案例，對于每個知識點(diǎn)，深入挖掘其所涉及的實(shí)際應(yīng)用案例，精選學(xué)生感興趣的或者與專業(yè)及學(xué)科前沿密切相關(guān)的應(yīng)用案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。（3）參與感提升主要通過呈現(xiàn)學(xué)生多樣化的想法來實(shí)現(xiàn)。教師設(shè)計(jì)問題鏈與學(xué)生進(jìn)行探討，避免不了學(xué)生會有很多想法，甚至有些學(xué)生思維方向偏離正軌。對于這些想法，教師要以高度的容忍精神和豁達(dá)的態(tài)度來對待，尊重學(xué)生與眾不同的想法，并分類整理呈現(xiàn)給學(xué)生，進(jìn)一步分析討論想法的可行性及可能存在的問題，及時“助燃智慧的火花”，讓學(xué)生體會到他們的思想是有價值的，提升學(xué)生的參與感，讓學(xué)生充分體會到參與討論的快樂。

文章通過重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)模式及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新人格的方式，鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并追求答案，既培養(yǎng)了學(xué)生的探究式、批判性思維，又讓學(xué)生學(xué)習(xí)了知識并具備相應(yīng)的實(shí)踐能力，使學(xué)生由“老師讓我創(chuàng)新”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獎?chuàng)新”，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。正如諾貝爾化學(xué)獎獲得者、美國生物化學(xué)家P.伯格（P.Berg）所說：“鼓勵青年人自己去發(fā)現(xiàn)他們追求的答案，不是一種最容易的學(xué)習(xí)方法，但卻是回報最豐厚的學(xué)習(xí)方法?！边@與教師進(jìn)行課程教學(xué)改革的初衷相一致。