以提升研究生數(shù)據(jù)分析能力為目標(biāo)導(dǎo)向的《分子進(jìn)化生物學(xué)》教學(xué)改革

周志軍 李秀敏

（河北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002）

摘? 要：研究生教育的核心就是研究方法的傳授、研究能力的培養(yǎng)。主要介紹了在分子進(jìn)化生物學(xué)課程教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生將一些前沿研究案例的數(shù)據(jù)分析過程進(jìn)行復(fù)盤，以激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)術(shù)視野，快速提升數(shù)據(jù)分析能力的思路和做法。實(shí)踐證明，該方法不僅能夠加快科研成果向教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化，學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力提升以后，還可促進(jìn)本專業(yè)科研水平的提高，真正做到科研與教學(xué)相互促進(jìn)，共同發(fā)展。在今后的教學(xué)過程中具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：研究生教育;分子進(jìn)化生物學(xué);研究型教學(xué);研究案例復(fù)盤

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）21-0141-04

Abstract： The core of graduate education is the teaching of research methods and the cultivation of research ability. This paper introduces the method of guiding students replaying data analysis of some cutting-edge research cases to stimulate their interest in learning， expanding academic horizons， and rapidly improving data analysis ability in the teaching reform of molecular evolutionary biology. This method not only accelerates the transformation of scientific research achievements to teaching contents， but also promotes the improvement of the scientific research level of this specialty as the improvement of data analysis capability of postgraduate students. At the same time it makes sure that scientific research and teaching can promote each other and develop together. It has a certain value of promotion in the future teaching process

Keywords： postgraduate education; Molecular Evolutionary Biology; research teaching; replaying research case

研究生教育的核心是研究思維的培養(yǎng)、研究方法的訓(xùn)練、獨(dú)立開展研究能力的提升。課程教學(xué)是研究生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式注重知識(shí)的傳授，容易忽視對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對研究方法的講解和訓(xùn)練不足。學(xué)生即使修完全部專業(yè)課程，仍不具備獨(dú)立開展研究的能力。專業(yè)文獻(xiàn)閱讀量與閱讀效果都是差強(qiáng)人意，不僅無法將自身興趣與研究組承擔(dān)課題有機(jī)結(jié)合，做到自主選題;即便是面對確定好的研究課題，也不能做到獨(dú)立規(guī)劃試驗(yàn)方案。已有的教學(xué)效果實(shí)驗(yàn)研究表明，課堂講授的教學(xué)效果是最差的，24小時(shí)之后所學(xué)內(nèi)容僅剩5%。要達(dá)到相對好的教學(xué)效果，就需要分組討論、親手實(shí)踐、學(xué)以致用[1]。

研究生教育的核心就是研究方法的教育[2]、研究能力的培養(yǎng)。在專業(yè)課程教學(xué)過程中，最常見的研究方法教學(xué)是融入專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容和過程之中的。問題驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning， PBL）模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，把學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問題情景中，通過學(xué)習(xí)者的自主探究和合作來解決問題，從而學(xué)習(xí)隱含在問題背后的科學(xué)知識(shí)，鍛煉解決問題的能力[3-4]。

河北大學(xué)動(dòng)物學(xué)專業(yè)碩士研究生招生規(guī)模大約30人/年。主要研究特色是昆蟲及蛛形動(dòng)物分類和系統(tǒng)進(jìn)化研究。近年來，各個(gè)研究組對開展分子進(jìn)化研究需求強(qiáng)烈，并具備如下優(yōu)勢：1. 對研究類群存在的系統(tǒng)學(xué)問題具有深刻的認(rèn)識(shí)。2. 積累了豐富的實(shí)驗(yàn)材料。3. 能夠?qū)?shí)驗(yàn)材料進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定。但是，由于剛剛涉足分子進(jìn)化研究，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力非常欠缺，對研究結(jié)果的認(rèn)識(shí)僅停留在簡單描述，無法用分子進(jìn)化理論對其進(jìn)行解讀。尤其是在分子進(jìn)化軟件的使用過程中，只滿足于（或只能做到）使用默認(rèn)參數(shù)“Step by Step”得到一個(gè)結(jié)果。對軟件的各個(gè)參數(shù)所蘊(yùn)含的生物學(xué)意義缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，不會(huì)調(diào)整、也不敢調(diào)整。

隨著高通量測序技術(shù)在分子進(jìn)化研究領(lǐng)域的運(yùn)用，非模式生物的組學(xué)數(shù)據(jù)完全可以交由專業(yè)的生物技術(shù)公司獲得。一般分子數(shù)據(jù)的獲得更是通過短期訓(xùn)練即可順利完成。分子進(jìn)化研究的工作重心已由前期的“數(shù)據(jù)生產(chǎn)”轉(zhuǎn)向“對數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的進(jìn)化信息進(jìn)行深度挖掘”。要求研究人員最好可以掌握1～2門計(jì)算機(jī)語言（如：Perl、R、Java、Python等），能夠編寫一些簡單腳本。即便無法達(dá)到上述要求，起碼也要對常用分子進(jìn)化分析軟件的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型假設(shè)能夠有較深認(rèn)識(shí)。為此，我們嘗試對《分子進(jìn)化生物學(xué)》課程的教學(xué)過程進(jìn)行改革，試圖通過引導(dǎo)學(xué)生對分子進(jìn)化領(lǐng)域的前沿研究案例的數(shù)據(jù)分析過程進(jìn)行復(fù)盤，拓寬研究生的學(xué)術(shù)視野，提升其數(shù)據(jù)分析實(shí)踐能力。

一、梳理課程內(nèi)容，建立新型教學(xué)體系

1859年，達(dá)爾文的《物種起源》發(fā)表以來，以自然選擇學(xué)說和共同祖先原則為核心的進(jìn)化論不斷發(fā)展、完善。1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)以來，分子生物學(xué)的迅速發(fā)展使得進(jìn)化生物學(xué)發(fā)展的步伐大大加快。如今，進(jìn)化生物學(xué)，作為研究生命進(jìn)化的歷史過程、機(jī)制和規(guī)律的學(xué)科，不僅是解釋生物學(xué)現(xiàn)象的框架，還為人類自身的許多問題提供了答案。例如，當(dāng)我們運(yùn)用DNA測序技術(shù)查明自己的祖先譜系時(shí)，便直接使用了分子進(jìn)化生物學(xué)的研究成果。

如何才能更好地理解生物進(jìn)化、學(xué)好分子進(jìn)化生物學(xué)？由于生物及其特征都是進(jìn)化改變的歷史產(chǎn)物，所以進(jìn)化生物學(xué)的范疇遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生命科學(xué)其他任何領(lǐng)域。分子進(jìn)化生物學(xué)課程不能拘泥于特定生物類群的演化細(xì)節(jié)，要強(qiáng)調(diào)進(jìn)化的普適原理、學(xué)會(huì)進(jìn)化假說的檢驗(yàn)、解讀研究實(shí)例中的分析結(jié)果、推斷其進(jìn)化歷程。

為了滿足研究生即將從事科研工作的需求，我們嘗試減少教師課堂進(jìn)化理論講授的學(xué)時(shí)比例，增加學(xué)生在教師指導(dǎo)下的自主閱讀、專題研討和獨(dú)立研究學(xué)時(shí)。注重經(jīng)典文獻(xiàn)閱讀，數(shù)據(jù)分析過程復(fù)盤重現(xiàn)，引入多元化的課程考評體系，具體設(shè)計(jì)思路見表1。

二、增設(shè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，促進(jìn)數(shù)據(jù)分析能力培養(yǎng)

在進(jìn)行分子進(jìn)化理論講授的同時(shí)，增加數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)。引導(dǎo)學(xué)生閱讀文獻(xiàn)，借助本專業(yè)的一些前沿和熱點(diǎn)問題有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)檢索和閱讀能力。文獻(xiàn)選自生物系統(tǒng)進(jìn)化領(lǐng)域Trends in Ecology & Evolution、Systematic Biology、Molecular Biology and Evolution、Molecular Phylogenetics and Evolution、Cladistics等高水平雜志。在文獻(xiàn)選取時(shí)，既要考慮分子進(jìn)化領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)問題，也要兼顧本專業(yè)學(xué)生后期研究工作的實(shí)際需求。通過文獻(xiàn)研讀，師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，吃透一篇好文章的思想和架構(gòu)，需要解決的科學(xué)問題、分子標(biāo)記選擇的標(biāo)準(zhǔn)、高效利用公共數(shù)據(jù)庫中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源、熟練掌握數(shù)據(jù)分析方法和寫作技巧。例如，系統(tǒng)進(jìn)化樹的構(gòu)建是分子進(jìn)化研究中最重要內(nèi)容之一，我們不僅要讓學(xué)生“讀懂”進(jìn)化樹、明白各種建樹方法背后的進(jìn)化假設(shè)，還要讓學(xué)生熟練掌握各種建樹方法，以便于他們將其運(yùn)用于日后的研究工作中。

根據(jù)學(xué)生個(gè)人興趣和實(shí)驗(yàn)室近期研究方向，將學(xué)生分為若干小組。綜合考慮該項(xiàng)研究的原始數(shù)據(jù)可獲得性、所需軟件及現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)（個(gè)人電腦+學(xué)院小型服務(wù)器）能夠滿足需要，每組選定1個(gè)前沿研究案例對其進(jìn)行深度剖析，整理形成一個(gè)數(shù)據(jù)分析流程對其數(shù)據(jù)分析過程進(jìn)行復(fù)盤（圖1）。積極引入“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)模式，建立課程微信群，隨時(shí)溝通復(fù)盤過程中遇到的問題，解決傳統(tǒng)教學(xué)模式下場所、時(shí)間固定等難題。這樣不僅有助于鍛煉研究生數(shù)據(jù)分析能力，對授課教師自身也大有裨益，真正做到了教學(xué)相長。

近年來，河北大學(xué)動(dòng)物學(xué)專業(yè)主要專注于蛛形動(dòng)物、昆蟲綱鞘翅目、直翅目分類及系統(tǒng)進(jìn)化研究。利用線粒體基因組、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)重建高級(jí)階元間系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系和基于DNA條形碼進(jìn)行物種分子界定是各研究組近期最為關(guān)注的兩項(xiàng)研究內(nèi)容。本文結(jié)合我們課題組近期發(fā)表的兩篇論文進(jìn)行研究案例復(fù)盤舉例，主要有以下兩方面考慮：1. 讓學(xué)生覺著這些研究工作自己完全可以做到，增加學(xué)生自信心;2. 響應(yīng)教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見（教高〔2018〕2號(hào)），提出的強(qiáng)化科教協(xié)同育人，將最新科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為教育教學(xué)內(nèi)容，以高水平科學(xué)研究支撐高質(zhì)量本科人才培養(yǎng)。

研究案例I：基于線粒體基因組數(shù)據(jù)的螽亞目系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系重建[5]

該項(xiàng)研究發(fā)表于Molecular Phylogenetics and Evolution 108：22-33，分別使用長距PCR擴(kuò)增后Sub-PCR擴(kuò)增產(chǎn)物ABI Sanger測序和Illumina HiSeq2000高通量測序策略獲得32螽亞目昆蟲線粒體基因組序列。聯(lián)合由公共數(shù)據(jù)庫NCBI下載的27種螽亞目昆蟲線粒體基因組序列數(shù)據(jù)，以2種蝗亞目昆蟲為外群，對螽亞目系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系進(jìn)行重建，數(shù)據(jù)分析過程涉及的軟件如表2所示。

研究案例II：基于COI-5P物種界定揭示中國螽斯高水平隱存/未描述物種多樣性[6]

該項(xiàng)研究發(fā)表于BMC Evolutionary Biology 19：79，共產(chǎn)生2131條高質(zhì)量的COI-5P螽斯DNA條形碼序列，使用NJ-K2P建樹和7種物種界定常用方法（表3）。并對不同物種界定方法劃分的OUT結(jié)果進(jìn)行了成對比較。目的在于使學(xué)生熟悉基于DNA條形碼進(jìn)行物種分子鑒定的原理、BOLD系統(tǒng)的架構(gòu)及其整合的數(shù)據(jù)分析工具，如：RESL、Distance Summary、Barcode Gap Analysis、Geo-Distance Correlation等。

不同方法OTU劃分結(jié)果比較 Website Comparing Part

itions（http：//www.comparingpartitions.info/）

三、建立多元化課程考核評價(jià)體系

充分認(rèn)識(shí)建立多元化課程考核評價(jià)體系對教學(xué)改革工作的重要影響。科學(xué)的課程評價(jià)體系能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，達(dá)到教與學(xué)的良性循環(huán)。一般情況下，研究生課程考核由過程性考核（30%）+期末考試（70%）構(gòu)成。過程性評價(jià)主要包括課堂出勤、課堂紀(jì)律、課堂回答問題等。期末考試則通過試卷答題評價(jià)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)情況，無法對學(xué)生實(shí)踐能力進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

新的課程考核評價(jià)體系采用過程評價(jià)為主（70%）、總結(jié)性評價(jià)為輔（30%）的綜合式評價(jià)體系。通過對經(jīng)典研究案例的數(shù)據(jù)分析過程進(jìn)行復(fù)盤，設(shè)置分組討論、根據(jù)復(fù)盤過程中學(xué)生的階段性復(fù)盤結(jié)果多媒體匯報(bào)、課程結(jié)束后提交復(fù)盤報(bào)告等予以評分。在階段性復(fù)盤結(jié)果多媒體匯報(bào)時(shí)，不參與匯報(bào)的小組針對匯報(bào)組同學(xué)的講解提問，形成生生討論的學(xué)習(xí)氛圍。不僅活躍了課堂氣氛，還讓學(xué)生在分享、討論、展示的過程中提升科學(xué)思維和語言表達(dá)能力。課程教學(xué)評價(jià)改為匯報(bào)小組的評分項(xiàng)目包括：內(nèi)容正確性、框架清晰、形式多樣、講解生動(dòng)流利程度、時(shí)間把控準(zhǔn)確性、組內(nèi)成員合作體現(xiàn)、PPT制作美觀性、面對提問環(huán)節(jié)互動(dòng)性等。提問小組的評分主要從所提問題的針對性、深度、現(xiàn)場互動(dòng)效果等方面進(jìn)行。將課程考核作為獲取新技能、拓展新視野的重要環(huán)節(jié)，貫徹于整個(gè)課程學(xué)習(xí)過程，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂和課后學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

四、教學(xué)實(shí)踐效果

相對于傳統(tǒng)的課堂講授教學(xué)，通過對研究案例的數(shù)據(jù)分析過程進(jìn)行復(fù)盤，可使學(xué)生直觀地看到一些軟件參數(shù)設(shè)置的變化導(dǎo)致不同的分析結(jié)果。學(xué)生在以后實(shí)際使用時(shí)也會(huì)自然而然地在關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置加以注意。該方法與“對錯(cuò)比較教學(xué)法”[7]類似，以所選文獻(xiàn)的分析結(jié)果為參照，不僅加強(qiáng)了學(xué)生對數(shù)據(jù)分析軟件原理及方法的理解，還鍛煉了學(xué)生思維、調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性。整個(gè)實(shí)踐過程中，我們始終把數(shù)據(jù)分析實(shí)踐融入到教學(xué)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中去，綜合“案例教學(xué)”、“研討式教學(xué)”等優(yōu)點(diǎn)，讓學(xué)生在“做中學(xué)，邊學(xué)邊做，邊做邊學(xué)”。不僅通過課堂講授獲得了扎實(shí)的分子進(jìn)化生物學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且領(lǐng)略了最新的分子進(jìn)化研究思路、快速提升其數(shù)據(jù)分析實(shí)踐能力。我們認(rèn)為值得在今后的分子進(jìn)化生物學(xué)教學(xué)實(shí)踐中加以推廣。

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[7]薛雅蓉，劉常宏.“對錯(cuò)比較教學(xué)法”在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（11）：141-143，159.

*基金項(xiàng)目：河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“復(fù)盤經(jīng)典研究案例教學(xué)法促進(jìn)科研成果向教學(xué)資源轉(zhuǎn)化——以《分子進(jìn)化生物學(xué)》為例”（編號(hào)：2018GJJG019）;河北大學(xué)科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源項(xiàng)目“校園常見昆蟲分子鑒定”（編號(hào)：KYZJX18151）

作者簡介：周志軍（1980-），男，漢族，山西長治人，博士，副教授，研究方向：螽亞目昆蟲分子進(jìn)化生物學(xué)。