農學專業(yè)生物信息學概論本科教學實踐探討

袁道軍， 楊細燕

(華中農業(yè)大學植物科技學院，湖北武漢 430070)

?

農學專業(yè)生物信息學概論本科教學實踐探討

袁道軍， 楊細燕

(華中農業(yè)大學植物科技學院，湖北武漢 430070)

摘要隨著分子生物學的飛速發(fā)展，尤其是二代測技術(Next Generation Sequence, NGS)的出現，生物信息學在農學等生命科學研究領域的重要性日益顯現。華中農業(yè)大學農學專業(yè)從2012年開始開設生物信息學概論課程。筆者結合3年多的教學實踐，從課程內容體系的確立與完善，一體化網絡教學平臺的構建，四階段學習法的實施，課程考核體系的改革等方面，探索該課程建設與實踐的特點方法，并分析存在的問題和提出了改革的思路。研究旨在提高學生關于生物信息學概論的學習熱情，改善教學方法，進而提高教學水平，增強學生的綜合實力。

關鍵詞生物信息學；課程建設；農學專業(yè)；研究性教學；開放式教學

生物信息學是借助教學、生物學的理論方法，利用信息技術對生物學研究過程中產生的數據進行收集、儲存與分析的科學。生物信息學是一門新型交叉科學，它涵蓋生命過程中各種信息的獲取、處理、存儲、發(fā)布、分析和解釋等各個方面，綜合運用生物學、信息科學、計算機科學等方法與技術，發(fā)掘和闡釋海量生物學數據所包含的生物學意義。隨著20世紀80年代人類基因組計劃的實施，生物信息學蓬勃發(fā)展，并滲透入生物學研究的各個領域。隨著人類基因組計劃的完成，越來越多物種的全基因組測序計劃全面啟動[1]，包括許多農作物基因組。自從雙子葉和單子葉模式植物擬南芥[2]和水稻[3]的基因組分別于2000年和2002年測序完成后，目前大部分主要農作物均已釋放全基因組草圖，例如玉米、小麥、大豆、油菜和棉花等[4]。除了全基因組數據，各類組學數據(轉錄組、蛋白組和代謝組等)和重測序數據更是迅猛增長，致使存儲在NCBI(National Center for Biotechnology Information)中的數據每年以TB級的指數式增長[5]。如何充分利用這些數據，從中提取有用的信息，挖掘并識別農作物的重要基因，開展分子標記輔助選擇育種、分子設計育種等，快速培育高產、優(yōu)質、多抗的作物新品種[6-7]，是生物信息學研究的主要內容。隨著生物信息學在農業(yè)各研究領域的廣泛應用，掌握生物信息學相關技術及分析能力已成為對農學專業(yè)畢業(yè)生的必然要求，其課程也必將在各相關專業(yè)建設中占據越來越重要的地位。目前部分農業(yè)院校已經開設了生物信息學課程，但主要是面向研究生開設。華中農業(yè)大學從2012年起在農學專業(yè)第3學年的下學期開設生物信息學概論課程。筆者總結了3年多的生物信息學課程的教學實踐經驗，從課程內容體系、教學平臺、教學方式、考核體系等幾個方面進行深入思考和探索，分析了教學過程中存在的問題，以期在今后的教學中取得更好的成效。

1課程內容體系

隨著信息技術和分子生物學的快速發(fā)展，生物信息技術在農業(yè)相關的學習、科研和工作中日益重要。該課程開設的目的是引導學生進入一個新的交叉領域，了解生物信息學的基本理論，掌握生物信息技術的基本操作，觸發(fā)生物信息學的學習和科研興趣，為日后研究生階段的科研和走上其他工作崗位構架良好的知識體系。課程大綱主要分為3個部分。

1.1信息技術基礎生物信息學的信息技術涉及基本的計算機操作、互聯網技術和數據庫技術等。隨著測序技術的迅猛發(fā)展，基于網絡和Windows操作系統(tǒng)的生物信息工具的低效和低通量的弊端逐漸顯現，生物信息的大批量處理日益重要。鑒于學生已經完成了計算機基礎和程序設計等課程的學習，該課程主要開展Linux操作系統(tǒng)的基礎知識的教學，引導學生學會利用網絡平臺和本地化的軟件處理批量序列。該課程遵循與時俱進、授人以漁的原則，利用4～6個課時，講解Linux操作系統(tǒng)，讓學生了解一個全新的操作系統(tǒng)，掌握基礎的命令操作，為日后大批量數據處理打下基礎。

1.2生物信息學基本技術及操作這部分內容是生物信息學的核心內容，主要涉及基本數據庫介紹、數據庫檢索與利用，序列的比對及進化樹構建、基因預測及蛋白質的基本理化性質計算等。在這部分內容中，除了借助網絡軟件和平臺進行分析，部分內容也采取基于Linux的高通量處理技術，例如本地化的blast分析。

1.3生物信息前沿專題生物信息技術發(fā)展迅猛，很多新的技術日益涌現，并廣泛應用于科學研究中。完成基本生物信息技術內容后，可根據科研進展，開展一些科研前沿熱門專題的內容學習，例如全基因組測序、轉錄組測序、重測序等。讓學生了解科研前沿，觸發(fā)科研興趣，同時也可以綜合運用課程相關的知識和技術。

2教學平臺

該課程全程在計算機網絡實驗室進行，理論課和實踐教學全程打通。為了達到更好的教學效果，構建了一體化網絡教學平臺，主要分為3個部分：①學生PC終端，每人配備一臺高性能PC機。PC機安裝Windows操作系統(tǒng)和常用的生物信息學軟件。②所有學生用機和教師用機組建成一個局域網。教師機通過多媒體教學系統(tǒng)，可以控制學生終端PC，實現同步直播、分發(fā)文件、作業(yè)提交、師生交流、網絡連接控制等功能。在局域網里，還配置一臺服務器，安裝Linux操作系統(tǒng)和本地化的一些生物信息學數據庫及工具，供學生遠程連接服務器，練習Linux命令和批量處理數據。這樣即使在互聯網無法連接的情況下，教學或考核過程依然可以通過局域網連接服務器而順利進行，同時也保證了高通量數據通訊的要求。③所有的PC機和服務器都連接到互聯網，便于在教學中利用網絡上的生物信息學工具。

3教學方式

生物信息學是一門實踐性很強的課程，需要在了解基本原理的情況下進行練習，掌握相關軟件和數據庫的應用，以及計算結果的生物學解析?？紤]到課程特點，在教學中打通理論課和實驗課，每次課程4學時，全程在計算機網絡實驗室進行。借鑒德國現代職業(yè)教育的四階段教學法[8]，以學生為中心，注重培養(yǎng)學生的自主學習能力和動手能力，實現講解、演示、模仿和練習的無縫銜接。具體教學過程如下。

3.1課堂講解主要為生物信息學基本理論知識的講解。通過簡單的專業(yè)案例引導，闡述該章節(jié)內容的重要性，充分激發(fā)學生的學習興趣和求知欲，同時也會兼顧學生畢業(yè)課題涉及的研究內容及案例。理論知識部分講解不能過于枯燥，主要涉及基本原理，不過多涉及農科學生不擅長的、復雜的數學和信息技術理論。在實踐中，發(fā)現部分學生的遺傳學、分子生物學等生物學基本知識不牢，需適當復習和引導，以利于對課程內容的理解。

3.2教師演示內容主要為實踐操作講解。操作演示始終圍繞著5個問題展開，即做什么，怎樣做，為何要這樣做，可以得到什么樣的結果，結果說明什么。教師熟練、準確、詳細地示范操作步驟，向學生講解每步的操作要領。教師每一步的操作均通過屏幕截屏或者錄屏工具，制作成詳細的操作指導文檔或視頻。

3.3學生模仿通過教師演示，學生從感官上熟悉了操作練習的步驟。學生根據自己所觀察學習到的，結合詳細的操作文檔或視頻，立即完全重復教師演示操作步驟，分析同樣的數據，解析同樣的數據結果。每30個學生配備指導教師和研究生助教各1名，全程指導監(jiān)督，觀察學生的操作過程，步步跟蹤糾正，直到完全重復教師的實驗結果。

3.4實踐練習和提升學生通過模仿，基本掌握了分析流程和詳細操作，然后就是對不同的數據或案例進行分析，分析內容適當加以延伸或綜合前面課程所學的內容，舉一反三，觸類旁通，鞏固實踐，提升學習能力，以期使學生逐步對所學的理論知識達到完全掌握和熟練運用的程度。

4考評體系

生物信息學是一門實踐性極強的課程，若僅通過常規(guī)的結業(yè)考試進行考核，常常達不到考核的目的。該課程采取課堂過程考核、課內外實踐考核以及開卷結業(yè)考試相結合的多元化考評方式，綜合評價學生的學習效果?？己顺煽儽嚷史峙淙缦拢赫n堂考勤及提問等平時表現占考核成績的10%，課內外的實踐作業(yè)占30%，期末考試占60%，期末考試成績在50分及以上的學生才能參加綜合測評的考核。期末考試采取開卷的、上機操作的方式進行，學生可以攜帶任何學習資料及充分利用網絡資源，但嚴令禁止利用網絡和他人進行溝通交流。考卷內容極少量地涉及基本知識點和概念，其他均為需要通過上機多步驟操作的綜合性題目，并且注重對計算結果的生物意義解讀能力的考核。這種開放的、多元化的考核評價體系加強了教學過程的管理，杜絕了學生平時學習不積極、考前投機、不重視實踐過程的現象，提高了課堂效率，并且注重平時的操作練習，更能夠準確客觀地評價學生實踐動手操作能力和知識運用能力。

5結語

上述生物信息學課程教學方法使學生學習熱情高漲。很多學生畢業(yè)后進入研究生階段還經常交流課程相關內容。這些措施對于增強學生學習的主觀能動性，提高農業(yè)生物類專業(yè)學生的實踐操作能力，融合分子生物學知識和信息技術完善自身專業(yè)知識體系，最終提高學生解決問題的綜合應用能力具有一定的積極意義。經過幾年的探索和實踐，筆者雖然積累了一定經驗，探索出具有一定成效的教學模式，完善了課程體系，但是在課程實施中也遇到了一些共性問題。例如學生專業(yè)英語水平不足[9]，針對本專業(yè)的教材缺乏[10]等諸多問題，需要在以后的教學中不斷地思考、改革、實踐和完善，逐步提高該課程的教學質量和效果。

參考文獻

[1] 鄭小紅.“千種動植物基因組計劃”已啟動505種基因組測序[EB/OL].(2011-07-12)[2016-03-10].http://www.chinanews.com/gn/2011/07-12/3173972.shtml.

[2] The Arabidopsis Genome Initiative. Analysis of the genome sequence of the flowering plantArabidopsisthaliana[J]. Nature，2000, 408:796-815.

[3] SASAKI T,MATSUMOTO T,YAMAMOTO K,et al. The genome sequence and structure of rice chromosome 1[J].Nature,2002, 420:312-316.

[4] MICHAEL T P,VAN BUREN R. Progress, challenges and the future of crop genomes[J]. Current opinion in plant biology,2015, 24:71-81.

[5] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/statistics/.

[6] BOLGER M E,WEISSHAAR B,SCHOLZ U,et al. Plant genome sequencing:Applications for crop improvemen[J].Current opinion in biotechnology,2014, 26:31-37.

[7] 萬建民.作物分子設計育種[J].作物學報，2006(3):455-462．

[8] 張藝.德國“四階段教學法”在中職實訓類課程教學中的應用[J].現代企業(yè)教育，2007,4(8):12-13．

[9] 杜娟.農業(yè)院校生物信息學本科教學模式探討[J].現代農業(yè)科技，2015(24):322.

[10] 張幸果,丁俊強,朱偉,等.關于如何提高生物信息學教學質量的探討[J].江西農業(yè)學報，2010,22(3):194-195.

基金項目湖北省教學研究項目(2013186)。

作者簡介袁道軍(1979- )，男，湖北竹山人，講師，博士，從事生物信息學與基因組進化研究。

收稿日期2016-04-11

中圖分類號S-01

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-304-02

Undergraduate Teaching Practice and Discussion of the Introduction of Bioinformatics in Agriculture Specialty

YUAN Dao-jun, YANG Xi-yan

(College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan, Hubei 430070)

AbstractWith the rapid development of molecular biology, especially the emergence of next generation sequence(NGS), the importance of bioinformatics in the field of life science is becoming increasingly apparent. The Introduction of Bioinformatics was set up from 2012 in agriculture specialty in Huazhong Agricultural University. Combined with more than three years of teaching practice, the characteristics of the course construction and practice were explored from aspects of establishment and perfection of the curriculum content system, construction of the integrated network teaching platform, implementation of the four stage learning method, reform of the evaluation system, the existing problems were analyzed and reform ideas were proposed. The aim was to improve students’ learning enthusiasm, perfect teaching method, thus to improve teaching level and enhance students’ comprehensive ability.

Key wordsBioinformatics; Course construction; Agriculture specialty; Research teaching; Open type teaching