基于“認(rèn)知一實(shí)訓(xùn)一動(dòng)手”三層次的生物信息學(xué)課程教學(xué)改革實(shí)踐

中圖分類號(hào) G642.0;R318.04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1007-7731(2025)14-0118-04

DOI號(hào) 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.14.027

Practice of teaching reform in Bioinformatics coursebased onthe three levelsof \"cognition，practical training，hands-on operation\"

SHEN Danyu YE Wenwu DONG Suomeng (College of Plant Protection，Nanjing Agricultural University，Nanjing 21Oo95， China)

AbstractTo cultivate applied talents with innovativeconsciousness and practical hands-on ability，the application foundation of the three-level teaching modelof“cognition，practical training，hands-onoperation”introducedin the Bioinformatics course of Plant Protection major was analyzed，and carriedout teaching reform practice.Theapplication foundation includes three levels.Atthecognition level，students mainlylearn the basic theoretical knowledge to cultivatetheir interestin learning;；atthepractical training level，cultivatepracticalabilities throughcaseanalysis， simulated data operations，and other methods;atthe hands-on level，cultivate the ability to solve problems through innovative experiments，scientificresearch projects.Intermsof teachingreformpractice，integratingprofesional theoretical knowledge atthecognitivelevel，constructing interdisciplinary knowledge systems，and innovatingteaching methods；strengthenpractical skilsatthepractical training level，design training projectswith plantprotection characteristics，improve training facilitiesand teaching staff；promote interdisciplinary innovationpracticesatthe hands-onoperation level，facilitate theintegrationof scientificresearch projectswith learning，andparticipate in interdisciplinary competitionactivities.Inaddition，adopting diversified evaluation methods，emphasizingoutcome based evaluation，introducing studentself-evaluationand peer evaluation，and establishing acomprehensive evaluation file. The practical results shows that the teaching reform has produced good results，with 90% of students proficiently mastering the practical operation skills ofcommonlyused tols in thecourse，such as sequence alignment，evolutionary tree construction，andtheuseofbiologicaldatabases;a totalof16 studentteams have apliedandbeenapproved for the university level innovation training program basedontheir course learning achievements.Thisarticle provides references forcultivating more high qualityand information-based inteligent plant protection talents.

Keywordsplant protection; Bioinformatics; interdisciplinary integration; disease and pest identification

生物信息學(xué)作為一門快速發(fā)展的交叉學(xué)科，逐漸在生物學(xué)、農(nóng)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并成為生命科學(xué)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。在新農(nóng)科建設(shè)背景下，生物信息學(xué)相關(guān)技術(shù)在植物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一定研究。王金輝等研究指出，生物信息學(xué)為病蟲害鑒定與監(jiān)測(cè)、病原菌致病機(jī)理、作物抗病育種等提供了有力的技術(shù)支持，利用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害發(fā)生和傳播的早期監(jiān)測(cè)和預(yù)警，有助于種植戶采取精準(zhǔn)防治措施。張贊等2研究認(rèn)為，基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等方法有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)昆蟲基因數(shù)據(jù)的積累，在害蟲控制方面發(fā)揮了有效作用。林世強(qiáng)等3利用蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等方法研究了植物與病原微生物間的相互作用。蘭雨佳等4研究認(rèn)為，該學(xué)科具有內(nèi)容更新快、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)有的教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系等難以滿足當(dāng)前的科研和社會(huì)需求，亟須進(jìn)行改革以跟上時(shí)代發(fā)展步伐。

本文結(jié)合長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在生物信息學(xué)課程中探索引入“認(rèn)知一實(shí)訓(xùn)一動(dòng)手”三層次教學(xué)模式。在認(rèn)知階段，學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣;在實(shí)訓(xùn)階段，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)處理與分析等多樣化訓(xùn)練，逐步掌握解決具體問(wèn)題的實(shí)踐能力；在動(dòng)手階段，通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、科研項(xiàng)目等實(shí)踐，深化對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用，全面提升獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，對(duì)教學(xué)評(píng)價(jià)方式進(jìn)行改進(jìn)與拓展，全面培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和實(shí)踐能力。

1“認(rèn)知一實(shí)訓(xùn)一動(dòng)手”三層次教學(xué)模式的應(yīng)用基礎(chǔ)

1.1認(rèn)知層次：理論知識(shí)的構(gòu)建與理解

認(rèn)知層次屬于基礎(chǔ)層次，側(cè)重對(duì)學(xué)生理論知識(shí)的構(gòu)建與理解。在生物信息學(xué)通識(shí)課程中，學(xué)生需掌握生物信息學(xué)的基本概念、原理和方法，涵蓋序列比對(duì)與搜索、系統(tǒng)發(fā)育分析、蛋白質(zhì)序列特征與功能預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)、高通量測(cè)序、多組學(xué)、數(shù)據(jù)處理與可視化等內(nèi)容。在教學(xué)中融入植物保護(hù)專業(yè)知識(shí)和具體案例，通過(guò)課堂教學(xué)、在線學(xué)習(xí)、小組討論等方式，引導(dǎo)學(xué)生深入理解生物信息學(xué)在植物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，為后續(xù)實(shí)踐教學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在該層次教學(xué)中需注重知識(shí)的系統(tǒng)性和連貫性，通過(guò)整合相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建完整的知識(shí)體系，如在植物病害的鑒定中引人應(yīng)用序列比對(duì)與搜索等相關(guān)內(nèi)容；關(guān)注前沿研究進(jìn)展，及時(shí)引入最新的研究成果和人工智能技術(shù)，通過(guò)案例分析、問(wèn)題探討等方式，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維。

1.2實(shí)訓(xùn)層次：實(shí)踐技能的培養(yǎng)與提升

實(shí)訓(xùn)層次屬于關(guān)鍵層次，側(cè)重對(duì)學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)與提升。在通識(shí)課程中，學(xué)生需掌握常用軟件的操作技巧和數(shù)據(jù)分析方法，例如，使用BLAST進(jìn)行序列搜索，利用MEGA構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，使用InterproScan預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的功能域等。通過(guò)案例分析和模擬數(shù)據(jù)等操作，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)技能。在該層次教學(xué)中，需注重實(shí)踐環(huán)節(jié)的多樣性和靈活性，加強(qiáng)課堂實(shí)踐操作，如數(shù)據(jù)分析、軟件操作、試驗(yàn)設(shè)計(jì)等，讓學(xué)生在實(shí)踐中逐步掌握相關(guān)技能5；注重實(shí)踐環(huán)節(jié)的針對(duì)性和實(shí)用性，確保學(xué)生所學(xué)技能可真正應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題，如利用生物信息學(xué)工具預(yù)測(cè)植物病原菌的致病基因、分析植物抗病基因的進(jìn)化等。

1.3動(dòng)手層次：創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與拓展

動(dòng)手層次屬于最高層次，側(cè)重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與拓展。通過(guò)大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(SRT）、科研項(xiàng)目、科技競(jìng)賽等，讓學(xué)生綜合運(yùn)用相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)踐技能，發(fā)揮創(chuàng)造力，培養(yǎng)獨(dú)立思考、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的實(shí)際問(wèn)題。在該層次教學(xué)中，需注重發(fā)揮創(chuàng)新實(shí)踐的引導(dǎo)和支持作用，提倡以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。針對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的實(shí)踐項(xiàng)目，如利用生物信息學(xué)技術(shù)輔助作物抗病育種、病蟲害早期預(yù)警模型的建立等，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情和興趣。同時(shí)，提供導(dǎo)師指導(dǎo)、項(xiàng)自資金、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等資源支持，確保學(xué)生順利進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐；鼓勵(lì)學(xué)生積極參與學(xué)術(shù)交流和科技競(jìng)賽等活動(dòng)，拓寬其創(chuàng)新視野。

將“認(rèn)知一實(shí)訓(xùn)一動(dòng)手\"三層次教學(xué)模式應(yīng)用于植物保護(hù)專業(yè)的生物信息學(xué)通識(shí)課程，有助于全面提升學(xué)生的生物信息學(xué)素養(yǎng)和植物保護(hù)能力。在認(rèn)知層次，學(xué)生構(gòu)建和理解相關(guān)理論知識(shí)；在實(shí)訓(xùn)層次，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能；在動(dòng)手層次，提升其創(chuàng)新能力。這種教學(xué)模式符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和發(fā)展需求，有助于培養(yǎng)其綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力。

2基于三層次的生物信息學(xué)課程教學(xué)改革實(shí)踐

2.1 認(rèn)知層次：融合專業(yè)理論知識(shí)

2.1.1構(gòu)建跨學(xué)科知識(shí)體系 將課程內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，構(gòu)建跨學(xué)科知識(shí)體系。將植物病理學(xué)、昆蟲學(xué)、農(nóng)藥學(xué)等植物保護(hù)專業(yè)的核心課程內(nèi)容與生物信息學(xué)技術(shù)相結(jié)合，形成一體化教學(xué)，通過(guò)融合教學(xué)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)生物信息學(xué)理論知識(shí)的同時(shí)，深入理解其在植物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。例如，在講解序列比對(duì)與搜索時(shí)，引入植物病蟲害基因組序列的分析案例，讓學(xué)生理解通過(guò)生物信息學(xué)手段揭示病蟲害的遺傳特征；在系統(tǒng)發(fā)育分析部分，結(jié)合植物與病原菌或害蟲的進(jìn)化關(guān)系，探討其在生態(tài)系統(tǒng)中的相互作用。此外，引入最新學(xué)科技術(shù)、方法和應(yīng)用案例，使學(xué)生了解相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)和應(yīng)用前景；增加與植物保護(hù)相關(guān)的生物信息學(xué)內(nèi)容，如序列比對(duì)、多組學(xué)在植物病蟲害鑒定、致病機(jī)理研究等方面的應(yīng)用，使學(xué)生更好地將生物信息學(xué)知識(shí)與植物保護(hù)實(shí)踐相結(jié)合。此外，在教學(xué)過(guò)程中融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和思辨能力[8]。

2.1.2創(chuàng)新教學(xué)方法 通過(guò)講座、討論、案例分析等途徑，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升其參與度。邀請(qǐng)行業(yè)專家到學(xué)?，F(xiàn)場(chǎng)授課，分享前沿知識(shí)技術(shù)；在課堂討論和案例分析環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)具有植物保護(hù)特色的教學(xué)案例，如選取典型的植物病蟲害案例，引導(dǎo)學(xué)生利用生物信息學(xué)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，鼓勵(lì)其積極思考和討論，深入理解病蟲害的致病機(jī)理和防控策略，提高其分析和解決問(wèn)題的能力。

2.2實(shí)訓(xùn)層次：強(qiáng)化實(shí)踐技能

2.2.1設(shè)計(jì)具有植保特色的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 根據(jù)課程特點(diǎn)和植保專業(yè)需求，引入與植保實(shí)際問(wèn)題密切相關(guān)的生物信息學(xué)案例，設(shè)計(jì)一系列具有特色的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，注重對(duì)學(xué)生實(shí)際操作能力的培養(yǎng)。這些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目涵蓋了生物信息學(xué)的基本技能操作；緊密結(jié)合植物保護(hù)專業(yè)的實(shí)際需求，將各知識(shí)單元融人具體項(xiàng)目，如開展基于高通量測(cè)序數(shù)據(jù)的植物病蟲害鑒定實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，讓學(xué)生掌握利用生物信息學(xué)工具進(jìn)行測(cè)序數(shù)據(jù)分析，識(shí)別并鑒定病蟲害種類的方法；設(shè)計(jì)植物抗病基因挖掘等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，利用生物信息學(xué)方法分析作物基因組數(shù)據(jù)，挖掘潛在的抗病基因資源，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和綜合應(yīng)用能力。

2.2.2完善實(shí)訓(xùn)設(shè)施和師資隊(duì)伍 建立生物信息學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，配備先進(jìn)的生物信息學(xué)軟件和工具；加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，構(gòu)建知識(shí)、年齡、職稱結(jié)構(gòu)合理且充滿活力的師資團(tuán)隊(duì)，當(dāng)前團(tuán)隊(duì)授課教師均擁有生物信息學(xué)或植物保護(hù)學(xué)博士學(xué)位，每位教師的科研課題均涉及生物信息學(xué)分析。采用導(dǎo)師制、小組合作等方式開展實(shí)訓(xùn)，教師將個(gè)人科研工作經(jīng)驗(yàn)和成果融入教學(xué)內(nèi)容，提高了課程的豐富性和深度。

2.3動(dòng)手層次：推動(dòng)跨學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐

2.3.1促進(jìn)科研項(xiàng)目與實(shí)習(xí)相結(jié)合 鼓勵(lì)學(xué)生參與大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、科研項(xiàng)目和實(shí)習(xí)活動(dòng)，如參與植物病蟲害防控的科研項(xiàng)目，培養(yǎng)其創(chuàng)新動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。吸引學(xué)生參加校內(nèi)外各類科研項(xiàng)目，支持其開展具有創(chuàng)新性和實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；與企業(yè)合作建立實(shí)習(xí)基地或?qū)嶒?yàn)室，為學(xué)生提供豐富的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，有助于其了解植物保護(hù)領(lǐng)域的實(shí)際需求，將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的解決。

2.3.2參加跨學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng) 組織或參與跨學(xué)科的生物信息學(xué)與植物保護(hù)相關(guān)競(jìng)賽活動(dòng)，如生物信息學(xué)在植物保護(hù)中的應(yīng)用創(chuàng)新大賽等，為學(xué)生提供參賽指導(dǎo)。通過(guò)競(jìng)賽活動(dòng)，學(xué)生展示創(chuàng)新成果，與不同領(lǐng)域的專家交流學(xué)習(xí)，拓寬其學(xué)術(shù)視野，激發(fā)創(chuàng)新思維。

3改進(jìn)教學(xué)評(píng)價(jià)方式

在生物信息學(xué)通識(shí)課程中，改進(jìn)和拓展教學(xué)評(píng)價(jià)方式，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高其學(xué)習(xí)效果和綜合素質(zhì)。

3.1 采用多元化評(píng)價(jià)方式

在課程考核中，結(jié)合平時(shí)作業(yè)、上機(jī)實(shí)踐操作和期末考試，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[0]。引人多元化評(píng)價(jià)方式，包括課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成情況、小組討論參與度、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、項(xiàng)自實(shí)踐成果等。學(xué)生通過(guò)口頭報(bào)告、海報(bào)展示等方式，展示所學(xué)生物信息學(xué)分析技能及其在植物保護(hù)中的應(yīng)用，以全面評(píng)估個(gè)人學(xué)習(xí)成果和綜合能力。

3.2 強(qiáng)調(diào)結(jié)果性評(píng)價(jià)

通過(guò)平時(shí)作業(yè)、小組討論和實(shí)訓(xùn)完成結(jié)果等結(jié)果性評(píng)價(jià)，評(píng)估其在課程中所學(xué)的技能和知識(shí)應(yīng)用能力，鼓勵(lì)學(xué)生將生物信息學(xué)分析結(jié)果應(yīng)用于植物保護(hù)實(shí)踐中，如參與田間病蟲害監(jiān)測(cè)與防治等工作，從而全面評(píng)估學(xué)生的綜合能力和學(xué)習(xí)成效，了解其對(duì)知識(shí)的掌握程度和實(shí)際應(yīng)用能力，為后續(xù)教學(xué)提供反饋和改進(jìn)方向。

3.3 引入學(xué)生自評(píng)和互評(píng)

將教師評(píng)價(jià)、組內(nèi)學(xué)生自評(píng)和組間學(xué)生互評(píng)相結(jié)合，建立全方位多角度的評(píng)價(jià)體系[1]。在自評(píng)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從植物保護(hù)的視角出發(fā)，評(píng)估自己在生物信息學(xué)技能掌握、問(wèn)題分析與解決、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的表現(xiàn)。在互評(píng)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生跨學(xué)科交流和學(xué)習(xí)，例如，評(píng)價(jià)植物保護(hù)專業(yè)學(xué)生在分析數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)植物保護(hù)問(wèn)題的解釋和應(yīng)用方面的能力，評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)生物信息學(xué)數(shù)據(jù)獲取、處理和分析等技能的掌握程度。這種互評(píng)有助于增進(jìn)學(xué)生對(duì)兩個(gè)學(xué)科的理解和融合應(yīng)用。

3.4建立綜合評(píng)價(jià)檔案

建立學(xué)生綜合評(píng)價(jià)檔案，記錄其在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中的表現(xiàn)、成果和進(jìn)步，定期進(jìn)行審查和更新，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展和表現(xiàn)給予個(gè)性化的指導(dǎo)和反饋。對(duì)于在植物保護(hù)與生物信息學(xué)融合方面表現(xiàn)突出的學(xué)生給予表?yè)P(yáng)和獎(jiǎng)勵(lì)，通過(guò)建立綜合評(píng)價(jià)檔案和動(dòng)態(tài)評(píng)估機(jī)制，全面促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的提升。

4課程教學(xué)改革成效

基于“認(rèn)知一實(shí)訓(xùn)一動(dòng)手”三層次的生物信息學(xué)課程教學(xué)改革模式在植物保護(hù)學(xué)院進(jìn)行了3年的應(yīng)用實(shí)踐，產(chǎn)生了良好的效果。該課程體系和教學(xué)方式廣受學(xué)生歡迎，激發(fā)了其濃厚的熱情和學(xué)習(xí)興趣。課堂上，學(xué)生提問(wèn)頻率較改革前提升了 30% ，主動(dòng)參與實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的學(xué)生占比從 62% 提高至 89% 。據(jù)教學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用該模式的學(xué)生期末考試平均分較采用常規(guī)教學(xué)模式的學(xué)生高4.3分；課程結(jié)束后， 90% 的學(xué)生熟練掌握了該課程序列比對(duì)、進(jìn)化樹構(gòu)建和生物數(shù)據(jù)庫(kù)的使用等常用工具的實(shí)踐操作技能；學(xué)生的創(chuàng)新能力明顯提升，對(duì)參與課程相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和學(xué)科競(jìng)賽表現(xiàn)出更高的積極性，近3年累計(jì)16個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)?wèi){借課程學(xué)習(xí)成果申報(bào)并獲批校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。將科研思路引入教學(xué)，學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力得到了有效提高，教學(xué)實(shí)踐有助于教師全面了解生物信息學(xué)及相關(guān)學(xué)科的最新進(jìn)展，為其個(gè)人科研工作提供了新思路。

綜上，本文在植保專業(yè)生物信息學(xué)課程中引入“認(rèn)知一實(shí)訓(xùn)一動(dòng)手”三層次的教學(xué)模式，在認(rèn)知層次，學(xué)生主要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)，形成興趣點(diǎn)并提出問(wèn)題；在實(shí)訓(xùn)層次，通過(guò)案例分析、模擬數(shù)據(jù)操作等方式，培養(yǎng)實(shí)踐能力；在動(dòng)手層次，通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、科研項(xiàng)目等實(shí)踐活動(dòng)，掌握解決問(wèn)題的能力。這一教學(xué)模式豐富了專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和方法，為學(xué)生的職業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)，將繼續(xù)深化課程教學(xué)改革，緊跟學(xué)科發(fā)展前沿，不斷更新和完善課程知識(shí)體系，創(chuàng)新教學(xué)方法和手段，進(jìn)一步加強(qiáng)與植物保護(hù)專業(yè)的交叉融合，為培養(yǎng)更多高素質(zhì)、信息化的智慧植保人才提供參考。

參考文獻(xiàn)

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