應(yīng)用型專業(yè)生物信息學(xué)教學(xué)體系改進(jìn)與實(shí)踐

石曉衛(wèi), 張 靖, 王林嵩

(1. 新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院， 新鄉(xiāng) 453003； 2. 河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 新鄉(xiāng) 453007)

生物信息學(xué)是現(xiàn)代生命科學(xué)與信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等學(xué)科相互滲透而形成的交叉學(xué)科，是集生物學(xué)、數(shù)學(xué)、信息學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)一體化的一門新興學(xué)科[1-2]；它的形成和發(fā)展僅有近20年的時(shí)間，我國(guó)有20余所高校開設(shè)有生物信息學(xué)專業(yè)，更多的學(xué)校則開設(shè)有生物信息學(xué)課程[3]。與生命科學(xué)其他學(xué)科不同的是，生物信息學(xué)不是主要依賴于理論上的重大突破，生物信息學(xué)發(fā)展的源動(dòng)力來自于從實(shí)驗(yàn)中獲得的海量數(shù)據(jù)、基于這些數(shù)據(jù)建立的生物信息數(shù)據(jù)庫以及新的軟件工具的開發(fā)?；蚪M信息學(xué)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬以及藥物設(shè)計(jì)是生物信息學(xué)的3個(gè)有機(jī)結(jié)合的重要組成部分[4]。由此可見，生物信息學(xué)是一門應(yīng)用學(xué)科，作為獨(dú)立學(xué)院的新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院，人才培養(yǎng)的目標(biāo)是為地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)提供應(yīng)用技術(shù)型人才。本文根據(jù)作者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)就應(yīng)用型專業(yè)生物信息學(xué)教學(xué)體系改進(jìn)提出自己的見解，以圖推進(jìn)生物信息學(xué)的教學(xué)改革。

1 生物信息學(xué)教材的選用

教學(xué)首先要選擇合適的教材。雖然生物信息學(xué)是一門新興學(xué)科，但相關(guān)教材琳瑯滿目，早期以翻譯教材為主，現(xiàn)在由我國(guó)學(xué)者編著的教材占據(jù)主導(dǎo)地位。2006年，向太和[5]曾撰文對(duì)我國(guó)現(xiàn)有“生物信息學(xué)”教材進(jìn)行了評(píng)價(jià)?？傮w來講，“生物信息學(xué)”教材可分為兩大類。一類以生物信息學(xué)基本理論知識(shí)的講解為主，主要介紹生物信息學(xué)發(fā)展史，與生物信息學(xué)相關(guān)的生物學(xué)理論，如：基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物進(jìn)化等，與生物信息學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)理論，如：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隱馬爾可夫模型、支持向量機(jī)等，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫等，這類教材相對(duì)系統(tǒng)全面地介紹了生物信息學(xué)的基本概念和研究?jī)?nèi)容。另一類教材則以生物信息學(xué)技術(shù)和方法的應(yīng)用為主，著重介紹各種數(shù)據(jù)庫，以及數(shù)據(jù)分析軟件、工具的使用方法和技巧，這類教材將生物信息學(xué)相關(guān)理論的介紹點(diǎn)到為止，重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力。

我們學(xué)校自2008年開始，為本科生物技術(shù)、生物工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)“生物信息學(xué)”課程，使用過的教材有張陽德主編的《生物信息學(xué)》、陳銘主編的《生物信息學(xué)》和吳祖建等[6]主編的《生物信息學(xué)分析實(shí)踐》。將陳銘主編的國(guó)家“十二五”規(guī)劃教材《生物信息學(xué)》(第2版)和吳祖建等主編的《生物信息學(xué)分析實(shí)踐》的主要內(nèi)容進(jìn)行比較不難發(fā)現(xiàn)，《生物信息學(xué)》一書全面而且系統(tǒng)地介紹了生物信息學(xué)理論和方法，理論性較強(qiáng)，而《生物信息學(xué)分析實(shí)踐》則以操作方法介紹和技術(shù)應(yīng)用為目的，通過具體實(shí)例介紹數(shù)據(jù)庫資源、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)分析工具等的使用方法，實(shí)用性較強(qiáng)，有利于實(shí)際操作。目前，在教材選用方面，我們的做法是以《生物信息學(xué)分析實(shí)踐》為實(shí)踐教學(xué)教材，輔以陳銘主編的國(guó)家“十二五”規(guī)劃教材《生物信息學(xué)》(第2版)作為理論教學(xué)參考書。從我們使用的體會(huì)來看，針對(duì)新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，同時(shí)所面對(duì)的學(xué)生理論基礎(chǔ)較弱，但思維活躍、動(dòng)手能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，目前選用教材的做法相對(duì)適合應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 生物信息學(xué)教學(xué)安排和教學(xué)方法

隨著教育教學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的教育方法和教學(xué)手段不斷融入各學(xué)科教學(xué)中[7-8]。生物信息學(xué)的教學(xué)安排一般在學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的生物學(xué)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)后，即在第五或第六學(xué)期學(xué)習(xí)該課程，學(xué)時(shí)為理論36學(xué)時(shí)加上機(jī)實(shí)習(xí)12學(xué)時(shí)，或36學(xué)時(shí)包括上機(jī)實(shí)習(xí)學(xué)時(shí)[9-11]。我校生物信息學(xué)課程安排在第五學(xué)期，此時(shí)學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)完專業(yè)基礎(chǔ)課，如：生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和微生物學(xué)等，且正在或即將學(xué)習(xí)基因工程、酶工程、細(xì)胞工程等專業(yè)課，同時(shí)畢業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)制作也將于第七學(xué)期開始，都有可能使用生物信息學(xué)的技術(shù)方法。學(xué)時(shí)安排方面，由于培養(yǎng)方案中整體學(xué)時(shí)限制，實(shí)行的是理論講授和上機(jī)操作共計(jì)36學(xué)時(shí)，兩者學(xué)時(shí)比例約為1∶2的模式?？傮w來看，生物信息學(xué)的教學(xué)還處于一種學(xué)時(shí)少內(nèi)容多的狀態(tài)，因此，學(xué)生的自學(xué)凸顯重要。

從教學(xué)內(nèi)容上來看，生物信息學(xué)以數(shù)據(jù)庫和相應(yīng)軟件、工具的使用為主要內(nèi)容和教學(xué)重點(diǎn)，所以僅有圖文并茂的多媒體教學(xué)不足以很好地完成教學(xué)內(nèi)容，況且大部分軟件、工具還是在線操作，因此，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)生物信息學(xué)的教學(xué)十分重要。我?，F(xiàn)已建成覆蓋整個(gè)校園的有線及無線網(wǎng)絡(luò)，為生物信息學(xué)教學(xué)體系的改進(jìn)和實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

3 生物信息學(xué)教學(xué)改進(jìn)

3.1 以點(diǎn)帶面、以點(diǎn)串線

生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫總數(shù)已超過1000個(gè)，不僅數(shù)量大而且內(nèi)容多，比較著名的綜合性數(shù)據(jù)庫有隸屬于美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書館的國(guó)立生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information，NCBI)數(shù)據(jù)庫、隸屬于歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(European Molecular Biology Laboratory，EMBL)的歐洲生物信息研究所(European Bioinformatics Institute，EBI)數(shù)據(jù)庫等，和瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的SWISS-PROT、國(guó)際蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫PIR，以及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫PDB等。由于學(xué)時(shí)限制不可能對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)庫都進(jìn)行詳細(xì)介紹，我們根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生特點(diǎn)，在教學(xué)中重點(diǎn)介紹了NCBI、PIR、PDB等常用核酸、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，以及這些數(shù)據(jù)庫中的重要功能，如BLAST、Pubmed、OMIM、EXAPASY等，其他數(shù)據(jù)庫僅點(diǎn)出其獨(dú)特之處作為補(bǔ)充，從而起到“以點(diǎn)帶面”的作用。這種方式使學(xué)生既熟練掌握了部分常用數(shù)據(jù)庫，用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的常規(guī)系統(tǒng)分析，又了解其他數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生興趣自學(xué)、應(yīng)用。

類似于數(shù)據(jù)庫，用于生物信息分析的軟件工具也十分豐富，而每種軟件又都有其優(yōu)缺點(diǎn)，在教學(xué)中我們同樣以最常用的核酸、蛋白質(zhì)分析軟件，如：DNAMAN、Primer、BioEdit、Clustal、MEGA、ANTHEPRAOT等為突破口，讓學(xué)生掌握其操作，并用來熟練分析各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)簡(jiǎn)單介紹其他軟件的優(yōu)勢(shì)功能，起到“以點(diǎn)串線”的作用。

同樣，在學(xué)生上機(jī)實(shí)踐中，采用綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的模式，為學(xué)生提供幾個(gè)基因(蛋白質(zhì))名稱，讓學(xué)生選擇其中之一，從數(shù)據(jù)庫獲得該基因開始，到Blast搜索比對(duì)、電子克隆、引物設(shè)計(jì)、基因結(jié)構(gòu)分析、蛋白序列分析、結(jié)構(gòu)域分析、空間結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和進(jìn)化樹構(gòu)建等進(jìn)行模擬仿真操作，對(duì)該基因(蛋白質(zhì))進(jìn)行全面深入分析，并得出結(jié)果。同時(shí)，在教師指導(dǎo)下對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行解讀，認(rèn)識(shí)該基因(蛋白質(zhì))的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能，并鼓勵(lì)學(xué)生將分析結(jié)果中的部分內(nèi)容通過實(shí)驗(yàn)課、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和大學(xué)生科研課題、“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)制作等形式進(jìn)行驗(yàn)證。

通過這種模式不僅使學(xué)生從枯燥的理論中解放出來，極大增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又讓學(xué)生學(xué)會(huì)了如何使用數(shù)據(jù)庫和分析軟件，同時(shí)也有一個(gè)清晰的思路將基因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能之間聯(lián)系起來，為相關(guān)課程理論、實(shí)驗(yàn)和將來的應(yīng)用，特別是畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)制作打下良好基礎(chǔ)。

3.2 流程圖指導(dǎo)課上課下實(shí)踐鍛煉

針對(duì)獨(dú)立學(xué)院應(yīng)用技術(shù)型人才培養(yǎng)目標(biāo)(以實(shí)踐能力培養(yǎng)為主)和學(xué)生“動(dòng)多于靜”，且學(xué)生個(gè)人電腦、移動(dòng)設(shè)備和學(xué)校網(wǎng)絡(luò)已普及等特點(diǎn)[12]，我們?cè)谡n堂上將每種分析操作方法繪制成流程圖，例如PCR引物設(shè)計(jì)流程圖(圖1)和蛋白質(zhì)分析流程圖(圖2)等，并結(jié)合相應(yīng)軟件或數(shù)據(jù)庫的演示，講解流程圖的使用，使學(xué)生從抽象的理論以及眾多的數(shù)據(jù)中有一個(gè)明確的思路。結(jié)合課后作業(yè)，讓學(xué)生以流程圖為指導(dǎo)，利用課余時(shí)間進(jìn)一步熟悉相關(guān)數(shù)據(jù)庫和軟件的使用，從而提高學(xué)生的操作能力。

圖1 引物設(shè)計(jì)流程圖

3.3 重視英語的教與學(xué)

目前，生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫和分析軟件均為英文界面，而獨(dú)立學(xué)院學(xué)生英語水平相對(duì)較弱，況且生物信息學(xué)中英語專業(yè)詞匯較多。為此，我們?cè)诮虒W(xué)中先介紹相關(guān)英文單詞，督促學(xué)生學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在熟悉這些詞匯后學(xué)習(xí)操作方法，避免操作上的誤判以及畏難情緒，從而提高學(xué)習(xí)效率。

幾年來，我們針對(duì)應(yīng)用型專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，在生物信息學(xué)教學(xué)過程中，對(duì)其教學(xué)體系進(jìn)行了一些改革和實(shí)踐，對(duì)提高學(xué)生能力和老師素質(zhì)都起到較好的促進(jìn)作用。我們同樣認(rèn)為這僅僅是開始，相信在未來會(huì)不斷完善和提高，以適應(yīng)應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)的需要。