生物信息學(xué)浪潮下動(dòng)植物檢疫專業(yè)教學(xué)策略研究

王金輝 馬樹(shù)杰 陳雪蛟

摘要 生物信息學(xué)快速崛起，高通量測(cè)序、生物大數(shù)據(jù)、專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和多維組學(xué)等生物信息學(xué)技術(shù)日漸普及，該學(xué)科與醫(yī)藥、生物和農(nóng)學(xué)等生命類學(xué)科正深度交叉融合。實(shí)踐中，少數(shù)農(nóng)林院校開(kāi)設(shè)的動(dòng)植物檢疫專業(yè)的本科生人才培養(yǎng)體系中有專業(yè)針對(duì)性的生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程尚待完善，部分現(xiàn)有的課程設(shè)置已不完全符合未來(lái)信息化背景下專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。本文分析了動(dòng)植物檢疫專業(yè)教學(xué)與生物信息學(xué)交叉融合程度有待提升的原因，從重要性認(rèn)識(shí)提升、課程體系更新、師資力量建設(shè)及教學(xué)案例建設(shè)4個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐。

關(guān)鍵詞 動(dòng)植物檢疫；生物信息學(xué)；跨學(xué)科融合；生物數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào) G642.0；S40 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 1007-7731（2024）07-0128-04

Teaching strategies for animal and plant quarantine under the wave of bioinformatics

WANG Jinhui? ? MA Shujie? ? CHEN Xuejiao

（Hebei Agricultural University， Baoding 071000， China）

Abstract The rapid rise of bioinformatics had led to the increasing popularity of bioinformatics technologies such as high-throughput sequencing， biological big data， professional databases， and multi-dimensional omics. This discipline was deeply integrated with life sciences such as medicine， biology， and agriculture. In practice， few agricultural and forestry colleges had established undergraduate talent training systems for animal and plant quarantine majors， and there was still room for improvement in the specialized bioinformatics basic courses. Some existing course offerings were no longer fully in line with the requirements of professional talent training in the future information technology background. This article analyzed the reasons for the lack of cross integration between animal and plant quarantine teaching and bioinformatics， and proposes teaching reform suggestions from four aspects， including improving importance awareness， updating curriculum system， building teacher resources， and constructing teaching cases.

Keywords animal and plant quarantine; bioinformatics; interdisciplinary integration; biological bank

當(dāng)前，生物信息學(xué)學(xué)科正迅速崛起，成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域不可或缺的學(xué)科之一。其背后的高通量測(cè)序技術(shù)、組學(xué)大數(shù)據(jù)以及龐大的生物數(shù)據(jù)庫(kù)已成為現(xiàn)代生命科學(xué)研究的重要支柱[1]。生物信息學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生物和農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，為解決健康、環(huán)境和食品安全等問(wèn)題提供一定的可能性。生物信息學(xué)的重要性日漸凸顯，實(shí)踐中部分農(nóng)林院校的動(dòng)植物檢疫專業(yè)與生物信息學(xué)之間的關(guān)聯(lián)尚待進(jìn)一步加深，專門為動(dòng)植物檢疫專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程有限，可能導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法及時(shí)獲得必要的生物信息學(xué)技能和知識(shí)，以應(yīng)對(duì)未來(lái)專業(yè)信息化發(fā)展的挑戰(zhàn)[2]。

動(dòng)植物檢疫工作在實(shí)踐中發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯[3]，不僅有利于確保食品安全和阻止病害傳播，還能積極保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)免受入侵物種的威脅等[4]。因此，采用先進(jìn)的信息化工具和技術(shù)來(lái)支持決策制定和實(shí)施至關(guān)重要。目前，生物信息學(xué)技術(shù)在動(dòng)植物檢疫工作中得到廣泛應(yīng)用[5]。在病原菌檢測(cè)中，利用大數(shù)據(jù)可以監(jiān)測(cè)傳播趨勢(shì)，并預(yù)測(cè)病原菌的變異。利用高通量測(cè)序技術(shù)能夠快速識(shí)別和鑒定不同的病原菌株，并采取針對(duì)性的控制措施。生物信息學(xué)技術(shù)也可用于識(shí)別不明生物物種，尤其是檢測(cè)入侵物種。通過(guò)比對(duì)DNA條形碼數(shù)據(jù)或基因組數(shù)據(jù)，檢疫人員可以準(zhǔn)確鑒定風(fēng)險(xiǎn)物種。通過(guò)大規(guī)?；蚪M數(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)和分析病原群體間的遺傳關(guān)系，可以研究風(fēng)險(xiǎn)物種的進(jìn)化和親緣關(guān)系，揭示遺傳特征、抗藥性和適應(yīng)性。生物信息學(xué)可用于生態(tài)系統(tǒng)的健康評(píng)估[6-7]。通過(guò)分析環(huán)境DNA數(shù)據(jù)，檢測(cè)生態(tài)系統(tǒng)中物種的多樣性，有助于及早發(fā)現(xiàn)生態(tài)異常情況和監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的跡象。此外，生物信息學(xué)技術(shù)還可以用于構(gòu)建專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)挖掘工具，并提供決策支持，以制定更有效的檢疫策略等。

實(shí)踐中，動(dòng)植物檢疫專業(yè)教育要積極迎接信息化挑戰(zhàn)，包括重塑本科課程結(jié)構(gòu)，以確保學(xué)生能熟練掌握生物信息學(xué)的基本技能，如數(shù)據(jù)庫(kù)條目檢索、DNA條形碼數(shù)據(jù)分析、病原系統(tǒng)發(fā)生分析和以基因組為代表的組學(xué)數(shù)據(jù)分析等。動(dòng)植物檢疫本科課程體系中引入專門的生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程，可幫助學(xué)生拓寬職業(yè)發(fā)展機(jī)會(huì)，使其在動(dòng)植物檢疫領(lǐng)域取得成就。

本文分析動(dòng)植物檢疫專業(yè)教學(xué)與生物信息學(xué)交叉融合程度有待提升的原因，從重要性認(rèn)識(shí)提升、課程體系更新、師資力量建設(shè)及教學(xué)案例建設(shè)4個(gè)方面提出了教學(xué)改革實(shí)踐。

1 農(nóng)業(yè)院校動(dòng)植物檢疫專業(yè)現(xiàn)狀分析

1.1 對(duì)專業(yè)的重要程度與重視意識(shí)方面

生物信息學(xué)與動(dòng)植物檢疫專業(yè)的融合有助于重構(gòu)和拓展學(xué)科內(nèi)涵，促進(jìn)學(xué)科與時(shí)俱進(jìn)發(fā)展，并為學(xué)生提供更廣泛的就業(yè)機(jī)會(huì)。實(shí)踐中，部分農(nóng)林院?？赡軙何闯浞终J(rèn)識(shí)到將生物信息學(xué)融入動(dòng)植物檢疫專業(yè)的潛力和重要性，部分院?？赡軐?duì)農(nóng)林專業(yè)與信息技術(shù)領(lǐng)域融合的重視程度不足，可能會(huì)使得專業(yè)教學(xué)暫未及時(shí)改革創(chuàng)新 [8]。同時(shí)，動(dòng)植物檢疫專業(yè)畢業(yè)生進(jìn)入的行業(yè)領(lǐng)域?qū)ι镄畔W(xué)的未來(lái)巨大價(jià)值認(rèn)識(shí)不夠充分，行業(yè)倒逼高校課程改革的推力尚待進(jìn)一步增強(qiáng)，因此部分院校對(duì)其主動(dòng)改革的緊迫感不深。學(xué)生通常傾向于選擇職業(yè)前景明確的相關(guān)課程，生物信息學(xué)領(lǐng)域的職業(yè)路徑可能相對(duì)模糊，對(duì)生物信息學(xué)及本專業(yè)未來(lái)職業(yè)發(fā)展的影響有待深入認(rèn)識(shí)。因此，學(xué)生對(duì)生物信息學(xué)的興趣尚待進(jìn)一步提升，積極主動(dòng)學(xué)習(xí)專業(yè)技能的動(dòng)力有待進(jìn)一步增強(qiáng)，以在未來(lái)職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中獲得專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.2 專業(yè)課程體系設(shè)置方面

部分農(nóng)林院校的動(dòng)植物檢疫專業(yè)課程設(shè)置未能與時(shí)俱進(jìn)，課程內(nèi)容以農(nóng)林科學(xué)、生物學(xué)和生態(tài)學(xué)等為主，專業(yè)課程體系中尚待進(jìn)一步增加生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程板塊[9]。生物信息學(xué)是不斷演進(jìn)的學(xué)科領(lǐng)域，新的工具和技術(shù)不斷涌現(xiàn)。在已有專業(yè)課程中，涉及生物信息學(xué)技術(shù)的部分也有待及時(shí)更新，以納入生物信息學(xué)的最新前沿發(fā)展技術(shù)。部分學(xué)?？赡茉谡n程設(shè)置中未能給予生物信息學(xué)課程足夠的重視，或者賦予的權(quán)重有待提高，僅將其納入拓展選修課范疇，學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)投入熱情有待進(jìn)一步激發(fā)。這導(dǎo)致教育體系可能與信息化發(fā)展水平的匹配度有待進(jìn)一步提升，使學(xué)生獲得必要知識(shí)和技能的空間與機(jī)會(huì)有待進(jìn)一步擴(kuò)大，影響了對(duì)學(xué)生大數(shù)據(jù)和組學(xué)思維的培養(yǎng)，也可能影響農(nóng)林院校的學(xué)科競(jìng)爭(zhēng)力。

1.3 跨學(xué)科背景的師資力量方面

生物信息學(xué)是一門集信息學(xué)、生物學(xué)、基因組學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域的跨專業(yè)學(xué)科。在部分農(nóng)林院校，具備多重學(xué)科背景的教師隊(duì)伍有待進(jìn)一步壯大，這類教師既懂得生物信息學(xué)的專業(yè)知識(shí)，又能熟練掌握生物信息學(xué)技能，同時(shí)熟知?jiǎng)又参餀z疫專業(yè)的背景和需求。培育壯大具有綜合背景的教師隊(duì)伍對(duì)促進(jìn)生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。因?yàn)樯镄畔W(xué)需要采用理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)方法，以便學(xué)生能將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到動(dòng)植物檢疫的實(shí)際問(wèn)題中，包括病害疫情傳播的數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建，基因組數(shù)據(jù)分析，以及病害病原的高通量分子檢測(cè)等前沿交叉領(lǐng)域。實(shí)踐中，部分農(nóng)林高校在生物信息學(xué)教學(xué)方面可能存在硬件設(shè)施有待進(jìn)一步完善的情況，如部分教學(xué)機(jī)房中的計(jì)算機(jī)型號(hào)可能老舊，故障率偏高，性能參數(shù)無(wú)法滿足教學(xué)需求。暫缺少適用于生物信息學(xué)運(yùn)算的服務(wù)器或工作站，或者尚待采購(gòu)云計(jì)算服務(wù)等。部分學(xué)?？赡苄枰哟罅Χ冉ㄔO(shè)校園全覆蓋的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)一步提升多媒體教室的計(jì)算機(jī)性能，以滿足課堂演示教學(xué)需求。

1.4 課程內(nèi)容與專業(yè)結(jié)合的應(yīng)用范例方面

在動(dòng)植物檢疫專業(yè)，生物信息學(xué)等課程教學(xué)的目的是解決本專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題[10]。因此，將生物信息學(xué)教學(xué)內(nèi)容與本專業(yè)實(shí)際應(yīng)用范例相結(jié)合尤為重要。實(shí)踐中，部分農(nóng)業(yè)院校動(dòng)植物檢疫專業(yè)涉及生物信息學(xué)的教學(xué)內(nèi)容可能與本專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題和需求匹配度有待進(jìn)一步提升，本專業(yè)領(lǐng)域真實(shí)的應(yīng)用范例有待進(jìn)一步增加，如海關(guān)檢驗(yàn)檢疫部門檢疫性病害病原實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地檢測(cè)和口岸檢驗(yàn)檢疫的真實(shí)案例等。部分學(xué)生以跨專業(yè)選修課學(xué)習(xí)生物信息學(xué)的入門課程，可能會(huì)因與本專業(yè)的聯(lián)系程度不高而導(dǎo)致教學(xué)最終效果不夠理想。

2 動(dòng)植物檢疫專業(yè)生物信息學(xué)教學(xué)的優(yōu)化策略

2.1 提高重要性認(rèn)知度

首先，農(nóng)業(yè)院校動(dòng)植物檢疫專業(yè)以及其所在學(xué)院層面應(yīng)加強(qiáng)宣傳和推廣。例如，通過(guò)舉辦專題講座、主題班會(huì)、學(xué)生會(huì)科協(xié)研討會(huì)和信息化科普等活動(dòng)，幫助提高專業(yè)教師和學(xué)生對(duì)生物信息學(xué)的興趣，提高其對(duì)新興交叉學(xué)科的認(rèn)知度。其次，在專業(yè)教師隊(duì)伍中深入貫徹信息化教學(xué)改革理念，鼓勵(lì)教師積極融入生物信息學(xué)的新內(nèi)容和新方法。加強(qiáng)對(duì)生物信息技術(shù)、生物大數(shù)據(jù)、高通量測(cè)序和組學(xué)思維等的教育，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到相關(guān)知識(shí)技能對(duì)未來(lái)職業(yè)發(fā)展的重要性。最后，組織本專業(yè)生物信息學(xué)技能競(jìng)賽，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與并展示所學(xué)技能，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，選拔實(shí)踐操作能力較強(qiáng)的學(xué)生，引導(dǎo)其孵育具有較高信息化水平和學(xué)科交叉特色的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。

2.2 更新專業(yè)課程體系

首先，對(duì)動(dòng)植物檢疫專業(yè)的課程體系進(jìn)行適當(dāng)重構(gòu)。將生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程知識(shí)點(diǎn)納入必修課范疇，包括生物信息學(xué)的基本知識(shí)、方法和分析技能等內(nèi)容。將課程內(nèi)容拆分為基礎(chǔ)模塊和拓展模塊，每個(gè)模塊涵蓋生物信息學(xué)的不同方面。例如，基礎(chǔ)模塊包括數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索、分子檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)發(fā)生分析、高通量測(cè)序技術(shù)和基因組學(xué)基礎(chǔ)等，拓展模塊可以朝轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏基因組等方向延伸。學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人興趣或需求選擇拓展模塊，以使其學(xué)習(xí)路徑更加個(gè)性化。其次，定期審查和更新課程內(nèi)容，確保該課程與最新生物信息學(xué)技術(shù)和應(yīng)用密切相關(guān)。持續(xù)關(guān)注生物信息學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，定期更新課程內(nèi)容，以確保課程內(nèi)容保持前沿性。最后，建立緊密聯(lián)系的跨學(xué)科教研小組，促進(jìn)不同專業(yè)之間的合作和交流，有助于課程內(nèi)容充分反映專業(yè)特色和實(shí)際需求。

2.3 加強(qiáng)專業(yè)師資力量建設(shè)

首先，培育壯大多重學(xué)科教師隊(duì)伍。積極招聘具備多重學(xué)科背景的教師，這類教師扮演跨學(xué)科橋梁的角色，不僅熟悉生物信息學(xué)，還深刻理解動(dòng)植物檢疫專業(yè)的需求，可以實(shí)現(xiàn)綜合性教育。同時(shí)，積極引導(dǎo)現(xiàn)有師資力量進(jìn)行跨專業(yè)聯(lián)合授課，鼓勵(lì)現(xiàn)有生物信息學(xué)專業(yè)教師加入動(dòng)植物檢疫專業(yè)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，確保專業(yè)知識(shí)講授的全面性。其次，設(shè)立跨學(xué)科聘用崗位，吸引具有生物信息學(xué)和專業(yè)領(lǐng)域背景的專家參與合作教學(xué)項(xiàng)目，提供跨學(xué)科視角。為現(xiàn)有動(dòng)植物檢疫專業(yè)教師提供生物信息學(xué)培訓(xùn)和進(jìn)修機(jī)會(huì)，包括參加研討會(huì)、培訓(xùn)課程以及提供在線學(xué)習(xí)資源等，以提高其在該領(lǐng)域的教學(xué)水平。最后，鼓勵(lì)教師積極參與生物信息學(xué)研究和應(yīng)用項(xiàng)目，這不僅可以豐富教師的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，還能使其將最新研究成果融入教學(xué)內(nèi)容，使課程教學(xué)內(nèi)容更具生動(dòng)性和前沿性。最后，設(shè)立教育激勵(lì)措施，鼓勵(lì)教師積極參與專業(yè)師資力量建設(shè)，包括獎(jiǎng)勵(lì)教師在生物信息學(xué)教育和研究方面的杰出貢獻(xiàn)。另外，逐步提升教學(xué)硬件設(shè)施水平，配套專業(yè)機(jī)房和購(gòu)置服務(wù)器，并利用校園網(wǎng)絡(luò)選擇購(gòu)買云計(jì)算服務(wù)等，以更好地服務(wù)于生物信息學(xué)教學(xué)。

2.4 引入實(shí)際應(yīng)用教學(xué)范例

首先，在生物信息學(xué)基礎(chǔ)課程中大量引入與動(dòng)植物檢疫實(shí)際問(wèn)題密切相關(guān)的生物信息學(xué)范例，讓其在實(shí)踐中學(xué)會(huì)將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。該教學(xué)方法有利于學(xué)生更好地理解相關(guān)理論知識(shí)，并培養(yǎng)其解決實(shí)際問(wèn)題的能力。其次，與行業(yè)相關(guān)單位或企業(yè)建立緊密的合作關(guān)系，從行業(yè)一線單位的工作和生產(chǎn)活動(dòng)中發(fā)掘教學(xué)案例。如與相關(guān)檢驗(yàn)檢疫部門建立合作關(guān)系，獲取病害疫情監(jiān)測(cè)、病原溯源等檢疫案例，以獲取真實(shí)的檢疫性病原分子檢測(cè)數(shù)據(jù)。將這些案例作為課程的組成部分，供學(xué)生分析和討論。再次，利用生物信息學(xué)工具和軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生模擬分析生物信息數(shù)據(jù)，如檢疫調(diào)查數(shù)據(jù)、分子檢測(cè)數(shù)據(jù)和基因組序列等，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中鍛煉相關(guān)技能。最后，開(kāi)展動(dòng)植物檢疫專業(yè)與生物信息學(xué)融合的創(chuàng)新研究項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與，幫助學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際技能，培養(yǎng)其實(shí)際應(yīng)用能力，使其豐富實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

生物信息學(xué)在生命類學(xué)科中的應(yīng)用趨勢(shì)明顯。這不僅豐富了對(duì)生命科學(xué)的理解，也對(duì)高等專業(yè)教育提出了全新的挑戰(zhàn)。在農(nóng)林院校動(dòng)植物檢疫專業(yè)教育中，生物信息學(xué)的重要性日益凸顯，其教育體系有待及時(shí)跟進(jìn)。本文對(duì)動(dòng)植物檢疫專業(yè)中的生物信息學(xué)教學(xué)策略進(jìn)行概括。主要為4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：提高認(rèn)知水平，更新課程設(shè)置，強(qiáng)化師資力量，以及引入實(shí)際應(yīng)用范例。這些策略有助于提高動(dòng)植物檢疫專業(yè)生物信息學(xué)教育質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生在未來(lái)職業(yè)發(fā)展中所需的專業(yè)知識(shí)和技能，培養(yǎng)具備綜合素質(zhì)的專業(yè)人才，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供人才支持。

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（責(zé)編：楊 歡）

基金項(xiàng)目 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才專項(xiàng)（YJ2020015）。

作者簡(jiǎn)介 王金輝（1985—），男，河南鄭州人，博士，講師，從事植物保護(hù)、動(dòng)植物檢疫專業(yè)教學(xué)工作。