地方本科高校生物信息學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

王興平 羅仍卓么 李峰

摘要在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了生物信息學(xué)課程教學(xué)在地方本科高校中存在的主要問題，提出了地方本科高校生物信息學(xué)課程教學(xué)定位，并對課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方法進(jìn)行了改革，有效提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞生物信息學(xué)；生物科學(xué)；課程改革；應(yīng)用型人才

中圖分類號S-01；G643.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）08-0245-02

Teaching Reform and Practice of Bioinformatics in Local Universities

WANG Xingping， LUORENG Zhuoma， LI Feng

（Zoology Key Laboratory of Hunan Higher Education，College of Life Science， Hunan University of Arts and Science，Changde，Hunan 415000）

AbstractOn the basis of previous research， combining years of teaching experience， the main problems in the teaching of bioinformatics course in local colleges and universities were summarized， teaching orientation of bioinformatics in local undergraduate colleges was mooted. Curriculum content， teaching methods， assessment methods were reformed in order to improve the teaching effect effectively.

Key wordsBioinformatics；Biological sciences；Curriculum reform；Applied talents

生物信息學(xué)是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合而形成的一門交叉學(xué)科，其主要任務(wù)是以基因和蛋白質(zhì)為主要研究對象，利用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)軟件，預(yù)測和分析基因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，揭示其生物學(xué)意義[1]。近年來，隨著分子生物學(xué)研究的不斷深入，生物科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域積累了大量的數(shù)據(jù)資料。對于現(xiàn)代生物科學(xué)相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生和科研工作者而言，掌握生物信息學(xué)的相關(guān)知識及分析方法尤為重要。近年來，我國各大高校普遍開設(shè)了生物信息學(xué)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生對生物學(xué)數(shù)據(jù)的分析能力和綜合應(yīng)用能力。湖南文理學(xué)院作為教育部深度轉(zhuǎn)型發(fā)展的地方本科高校之一，進(jìn)一步明確了由傳統(tǒng)教學(xué)型向現(xiàn)代應(yīng)用型高校深度轉(zhuǎn)型發(fā)展。與高校轉(zhuǎn)型發(fā)展相適應(yīng)，課程建設(shè)及教學(xué)方式也需要向應(yīng)用型改革。筆者在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了生物信息學(xué)課程教學(xué)在地方高校中存在的主要問題，提出了地方高校生物信息學(xué)課程教學(xué)定位，并對課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方法進(jìn)行了改革，旨在提高教學(xué)效果。

1存在問題

2012—2014年連續(xù)對湖南文理學(xué)院生物科學(xué)專業(yè)共412名學(xué)生（其中二本316人，三本96人）進(jìn)行了生物信息學(xué)課程教學(xué)與學(xué)習(xí)情況調(diào)研，結(jié)果顯示傳統(tǒng)的生物信息學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)方式主要存在以下問題。

1.1學(xué)習(xí)過程中的語言障礙大，學(xué)生的信息發(fā)掘能力薄弱

我國生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫建設(shè)和軟件開發(fā)落后，在教學(xué)過程中所用到的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫（如NCBI、EMBL和miRBase等）、生物信息學(xué)軟件（如DNAStar、BioEdit、DNAMan、RNAstructure、MEGA等）和在線工具（如BLAST和Expasy等）均為英文界面[2]。調(diào)研結(jié)果顯示，生物科學(xué)專業(yè)87.03%的二本學(xué)生和91.67%的三本學(xué)生認(rèn)為生物信息學(xué)課程的英文界面是生物信息學(xué)課程學(xué)習(xí)的巨大障礙，嚴(yán)重增加了他們對數(shù)據(jù)的檢索、閱讀和分析的難度，從而使得學(xué)習(xí)效果不佳。調(diào)研結(jié)果更讓人驚訝的是，有85.12%的學(xué)生認(rèn)為，由于自己專業(yè)英語基礎(chǔ)差，很難從大篇幅英文中找到有用的信息，從而對課程不感興趣。

1.2課程內(nèi)容多，學(xué)時(shí)相對有限

生物信息課程內(nèi)容較多，主要包括常用數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)檢索、生物信息學(xué)的數(shù)學(xué)算法、生物信息學(xué)軟件使用、基因和蛋白質(zhì)等生物分子的結(jié)構(gòu)與功能分析等。包括湖南文理學(xué)院在內(nèi)的很多高校將生物信息學(xué)課程學(xué)時(shí)設(shè)置為32學(xué)時(shí)，這樣使得豐富的課程內(nèi)容與有限的學(xué)時(shí)產(chǎn)生極為突出的矛盾。這與筆者調(diào)研結(jié)果一致，生物科學(xué)專業(yè)97.15%的二本學(xué)生和85.42%的三本學(xué)生認(rèn)為生物信息學(xué)課程非常重要，但是72.78%的二本學(xué)生和85.41%的三本學(xué)生認(rèn)為生物信息學(xué)課程內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果一般。

1.3數(shù)學(xué)算法及模型學(xué)習(xí)難度大

數(shù)學(xué)算法是生物信息學(xué)的基礎(chǔ)。生物信息學(xué)中所采用的常見數(shù)學(xué)算法或模型有概率論、隨機(jī)過程理論、運(yùn)籌學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和最優(yōu)化理論與算法等，多數(shù)抽象難懂[2]。生物學(xué)信息學(xué)檢索工具、序列分析軟件及在線工具等均是在這些數(shù)學(xué)算法與數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，通過計(jì)算機(jī)編程，以友好界面形式體現(xiàn)出來，供人們使用。在前期的生物信息學(xué)教學(xué)過程中設(shè)計(jì)了數(shù)學(xué)算法內(nèi)容，調(diào)研結(jié)果顯示，生物科學(xué)專業(yè)85.44%的二本學(xué)生和87.50%的三本學(xué)生認(rèn)為他們的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差，數(shù)學(xué)算法抽象，學(xué)習(xí)難度太大，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。

2地方本科高校生物信息學(xué)課程定位

生物信息學(xué)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，其課程內(nèi)容主要包括兩方面內(nèi)容，一是理論學(xué)習(xí)，即學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)算法；二是應(yīng)用實(shí)踐，即學(xué)習(xí)生物信息學(xué)應(yīng)用，旨在掌握一些常用的生物學(xué)軟件、數(shù)據(jù)庫和生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的分析方法。與“985”“211”等一本重點(diǎn)高校相比，二本或三本地方高校存在學(xué)生生源差、基礎(chǔ)薄弱、學(xué)風(fēng)差等因素。考慮到上述因素，地方本科高校的生物信息學(xué)課程教學(xué)不應(yīng)面面俱到，可定位于生物信息學(xué)的應(yīng)用與實(shí)踐，即了解常用數(shù)據(jù)庫，掌握常用生物信息學(xué)軟件的操作，掌握生物大分子的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能分析的實(shí)踐技能，為今后的研究生深造或開展相關(guān)科研工作奠定基礎(chǔ)。

3教學(xué)改革的具體措施

3.1課程內(nèi)容優(yōu)化

根據(jù)上述生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案，確定以培養(yǎng)學(xué)生生物信息學(xué)實(shí)踐技能為最終目標(biāo)。2015—2016年調(diào)整和優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，去除數(shù)學(xué)算法內(nèi)容，但建議感興趣的學(xué)生自學(xué)。優(yōu)化后的內(nèi)容包括4個(gè)模塊：①常用生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫。該模塊主要了解生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫（如NCBI、Ensembl和miRBase數(shù)據(jù)庫等），掌握數(shù)據(jù)檢索方法。在教學(xué)過程中可適當(dāng)放慢速度，讓學(xué)生適應(yīng)英文界面學(xué)習(xí)的節(jié)奏。②常用生物信息學(xué)軟件和在線工具。了解常用軟件的用途，但具體使用方法可在模塊1和模塊4中用到相應(yīng)軟件時(shí)穿插學(xué)習(xí)。③核酸序列特征、結(jié)構(gòu)和功能分析。包括序列比對、系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建、DNA序列特征分析和RNA結(jié)構(gòu)及功能分析。④蛋白質(zhì)序列、結(jié)構(gòu)和功能分析。包括蛋白質(zhì)序列比對、系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建、蛋白質(zhì)特征分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和蛋白質(zhì)功能分析。在這4個(gè)教學(xué)模塊的教學(xué)安排中，同樣進(jìn)行了優(yōu)化，即慢速細(xì)講第1模塊，快速了解第2模塊，重點(diǎn)講解第3和第4模塊。

3.2教學(xué)方法改革

3.2.1以科學(xué)問題為導(dǎo)向，開展研究性教學(xué)。

生物信息學(xué)課程的主要任務(wù)是采用生物信息學(xué)方法預(yù)測和分析核酸和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析服務(wù)，最終解決生物學(xué)問題[3]。因此，在生物信息學(xué)教學(xué)中，讓學(xué)生自主選擇感興趣的某個(gè)基因，以“某基因序列、結(jié)構(gòu)和功能分析”總體問題為導(dǎo)向，細(xì)分若干小問題（圖1）。帶著這些問題，在教師的講解與指導(dǎo)下開展自主實(shí)踐訓(xùn)練，探究自己感興趣的基因的結(jié)構(gòu)與功能。

3.2.2理論和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)統(tǒng)一。

生物信息學(xué)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。為避免理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，選擇在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教室，采用紅蜘蛛多媒體網(wǎng)絡(luò)教室軟件，在局域網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)多媒體信息的教學(xué)廣播，實(shí)現(xiàn)了集圖像、文字、動畫于一體的現(xiàn)代化交互教學(xué)模式[4]。在教學(xué)過程中采用3～4節(jié)課連上的方式，教師一邊講解理論，一邊實(shí)操演示。教師演示結(jié)束后，學(xué)生立即進(jìn)行實(shí)踐操作，并由教師現(xiàn)場實(shí)際指導(dǎo)，大大提高了教學(xué)效果。

3.2.3考核方法改革。

生物信息學(xué)課程重在實(shí)踐，其目的是培養(yǎng)學(xué)生利用生物信息學(xué)手段解決生物學(xué)問題的能力。因此，變傳統(tǒng)的考試制度為過程考核，即根據(jù)圖1中的科學(xué)

問題，學(xué)生自主上機(jī)訓(xùn)練，將實(shí)操訓(xùn)練的過程整理為課程論

文提交，該成績占總成績的70%。另外，在考核中非常注重學(xué)生參與，故而考勤占總成績的30%。這樣的考核制度鼓勵(lì)了學(xué)生全程參與學(xué)習(xí)與實(shí)訓(xùn)，有效培養(yǎng)了學(xué)生動手操作、分析問題和解決問題的能力[5]。

4教學(xué)改革效果分析

2015—2016年實(shí)施上述教學(xué)改革方案，并對212名生物科學(xué)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)效果調(diào)查，結(jié)果顯示：94.34%的學(xué)生對生物信息學(xué)課程感興趣，84.9%的學(xué)生認(rèn)為上述教學(xué)方法效果好，使他們了解了NCBI等常用的數(shù)據(jù)庫及其檢索方法，學(xué)會了常用軟件的操作，掌握了基因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能分析方法，也幫助他們理解和提高了分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)中的知識?？佳械膶W(xué)生都認(rèn)為生物信息學(xué)課程對他們考研復(fù)習(xí)和繼續(xù)深造有很好的幫助。綜上所述，教學(xué)改革取得了比較理想的效果，然而教學(xué)改革永無止境，在生物信息學(xué)教學(xué)方面還有很多內(nèi)容需要繼續(xù)摸索與實(shí)踐[6]。

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