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      大數(shù)據(jù)背景下計(jì)算生物學(xué)“教學(xué)科研一體化”模式的應(yīng)用探究

      2022-03-17 02:01:05郭文娜馬珊珊趙慧智關(guān)方霞
      教育現(xiàn)代化 2022年15期
      關(guān)鍵詞:教學(xué)科研科研成果生物學(xué)

      郭文娜,馬珊珊,趙慧智,關(guān)方霞

      (鄭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 鄭州)

      一 引言

      計(jì)算生物學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域的一門新興學(xué)科,主要是應(yīng)用數(shù)據(jù)分析及理論的方法、結(jié)合數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等來研究生物學(xué)問題。計(jì)算生物學(xué)研究范疇廣泛,具有多學(xué)科綜合交叉、生物學(xué)數(shù)據(jù)量大、實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng)、與計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)緊密結(jié)合等特點(diǎn)。計(jì)算生物學(xué)的研究結(jié)果可以減少生物學(xué)中的重復(fù)實(shí)驗(yàn),為生物學(xué)研究提供新的研究思路,將傳統(tǒng)的“實(shí)踐到理論總結(jié)”的研究思路,改變?yōu)樾碌摹袄碚摬聹y到實(shí)踐檢驗(yàn)再到理論總結(jié)”的研究思路。隨著生命科學(xué)領(lǐng)域數(shù)據(jù)的大量增長,計(jì)算生物學(xué)方法在現(xiàn)代生物學(xué)研究中越來越重要和復(fù)雜,逐漸成為核心方法之一。英國劍橋大學(xué)的 Florian Markowetz于2017年在《Plos Biology》上發(fā)文稱“All biology is computational biology”。他認(rèn)為計(jì)算生物學(xué)的發(fā)展促使了我們對生命現(xiàn)象的理解,使我們可以對傳統(tǒng)的生物學(xué)概念進(jìn)行計(jì)算測試,規(guī)范了研究者對生物學(xué)的見解。他認(rèn)為數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法等將驅(qū)動生物學(xué)的下一個(gè)重大進(jìn)化,將生物學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槎靠茖W(xué)。

      計(jì)算生物學(xué)是在生物信息學(xué)的基礎(chǔ)上利用計(jì)算方法解決生物學(xué)問題,具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,同時(shí)通過計(jì)算技術(shù)對生物學(xué)問題進(jìn)行研究,為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究提供分析方法和技術(shù)。運(yùn)用計(jì)算生物學(xué),有助于認(rèn)識生物生長發(fā)育、進(jìn)化等的規(guī)律。近年來,國內(nèi)外對計(jì)算生物學(xué)對重視不斷增加。在國內(nèi),計(jì)算生物學(xué)是我國國家自然科學(xué)基金委員會重點(diǎn)資助的研究方向之一。在國外,國際計(jì)算生物學(xué)學(xué)會(ISCB)自1997年成立以來,已擁有來自70多個(gè)國家的2500多名會員。斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)等多個(gè)國際名校都成立了計(jì)算生物學(xué)中心。越來越多的研究者也意識到在大數(shù)據(jù)背景下運(yùn)用計(jì)算生物學(xué)方法分析數(shù)據(jù)解決問題的重要性,計(jì)算生物學(xué)人才的需求量也隨之增加,因此計(jì)算生物學(xué)的教學(xué)也顯得尤為重要。

      目前,許多高校的本科教學(xué)已開展《計(jì)算生物學(xué)》專業(yè)課程?!队?jì)算生物學(xué)》是我院(鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院)生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生的必修課程,該課程共設(shè)置了 48 學(xué)時(shí),包含序列比對、DNA序列拼接、基因預(yù)測、基因功能分析、RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測等相關(guān)算法等介紹與應(yīng)用等?!队?jì)算生物學(xué)》課程的開設(shè)不僅讓學(xué)生了解計(jì)算生物學(xué)及其應(yīng)用,還有助于學(xué)生了解當(dāng)今生物學(xué)發(fā)展的前沿,為學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)工作奠定基礎(chǔ),同時(shí)還能為繼續(xù)研究生學(xué)習(xí)的學(xué)生提供良好的知識背景和分析方法。然而,由于計(jì)算生物學(xué)涉及的內(nèi)容較繁雜,且與多個(gè)學(xué)科存在交叉滲透,傳統(tǒng)的“以課本為基礎(chǔ),以教師為中心”的教學(xué)方式并不完全適合《計(jì)算生物學(xué)》的教學(xué)。教學(xué)科研一體化的教學(xué)模式將科研融入教學(xué),可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高學(xué)生的科研興趣與科研思維,鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力,以更好地滿足當(dāng)代社會的需求。本文從高校《計(jì)算生物學(xué)》課程教學(xué)中存在的問題出發(fā),對計(jì)算生物學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和方式、教學(xué)方法,及教學(xué)科研一體化模式在計(jì)算生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用等進(jìn)行探索,為高校計(jì)算生物學(xué)教學(xué)改革的奠定基礎(chǔ)。

      二 計(jì)算生物學(xué)教學(xué)中存在的問題

      結(jié)合我院生物信息專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)計(jì)劃、課程教學(xué)大綱和實(shí)際授課情況,我們選擇楊晶等人編著的《生物計(jì)算—生物序列的分析方法與應(yīng)用》作為主要參考教材,同時(shí)結(jié)合《生物序列分析》《第二代測序信息處理》等多本參考書,授課內(nèi)容將計(jì)算生物學(xué)的基本算法、基本理論、技術(shù)進(jìn)展、相關(guān)軟件及其應(yīng)用相結(jié)合。目前計(jì)算生物學(xué)教學(xué)存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

      (一) 優(yōu)秀的計(jì)算生物學(xué)師資缺乏

      作為一門新興學(xué)科,我國計(jì)算生物學(xué)教師隊(duì)伍的數(shù)量和質(zhì)量與該學(xué)科的快速發(fā)展規(guī)模不匹配。就我院而言,計(jì)算生物學(xué)是由在相關(guān)教學(xué)和科研方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)的教師講授,但目前學(xué)院教師中具有專業(yè)的計(jì)算生物學(xué)背景的博士較少,大部分老師為理學(xué)專業(yè)的博士,很少老師具備良好計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)及算法的基礎(chǔ)知識,因此很難系統(tǒng)專業(yè)地講授計(jì)算生物學(xué)課程。

      (二) 計(jì)算生物學(xué)與其他學(xué)科的合作交流有待加強(qiáng)

      計(jì)算生物學(xué)與其他專業(yè)之間存在交叉聯(lián)系。計(jì)算生物學(xué)教師應(yīng)與其他學(xué)科的教師之間交流合作,提高計(jì)算生物學(xué)的教學(xué)。而實(shí)際上不同專業(yè)學(xué)科的教師缺乏交流合作,難以實(shí)現(xiàn)其高效教學(xué)。如我院開設(shè)的相關(guān)課程有《生物信息學(xué)》《系統(tǒng)生物學(xué)》《R語言》等,但由于教師之間缺乏溝通,造成有些內(nèi)容不同學(xué)科教師重復(fù)講授、不同學(xué)科間不能相互結(jié)合,為其他學(xué)科提供基礎(chǔ)。而且不同授課老師根據(jù)自身的情況,其側(cè)重點(diǎn)也不一樣。如醫(yī)學(xué)院的授課教師可能側(cè)重于疾病相關(guān)信息的分析鑒定;理學(xué)院教師的授課則可能側(cè)重于計(jì)算生物學(xué)應(yīng)用有關(guān)的數(shù)學(xué)方法、理論及算法的原理等;而計(jì)算機(jī)專業(yè)教師的授課可能側(cè)重于程序的編寫、相關(guān)數(shù)據(jù)庫的查詢與構(gòu)建、算法的上機(jī)實(shí)踐等方面。計(jì)算生物學(xué)側(cè)重于算法,以計(jì)算為工具,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與方法對生物學(xué)問題進(jìn)行分析研究,最終解決生物學(xué)問題。因此,各相關(guān)專業(yè)的教師應(yīng)該加強(qiáng)交流學(xué)習(xí),提高課程教學(xué)。

      (三) 缺乏理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)整合

      教師關(guān)注系統(tǒng)知識的傳授及授課計(jì)劃的完成,而在學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)方面有所忽略,缺乏理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合。首先,通過計(jì)算生物學(xué)方法得到的結(jié)果的有效性需要靠有意義的生物實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。然而目前生物專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較為單一,只是以驗(yàn)證基本理論為目的,創(chuàng)新性較差,缺乏對學(xué)生實(shí)際動手操作能力以及創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。其次,對計(jì)算生物學(xué)而言,計(jì)算機(jī)上機(jī)實(shí)踐操作能夠直觀地檢測驗(yàn)證相關(guān)結(jié)果,上機(jī)實(shí)踐教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性以及創(chuàng)新思維能力,目前的計(jì)算生物學(xué)教學(xué)缺乏上機(jī)實(shí)踐。

      (四) 缺乏科研成果與教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)融合

      目前計(jì)算生物學(xué)在科學(xué)研究中得到越來越多的應(yīng)用,也取得了許多科研成果。但是,前沿科研成果仍未能有效地融入到當(dāng)前的計(jì)算生物學(xué)課程教學(xué)中,主要表現(xiàn)在:一方面,教師未能及時(shí)將科研成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化,融入實(shí)際課堂教學(xué)中,另一方面,教學(xué)內(nèi)容太偏理論,與實(shí)際科研應(yīng)用存在脫節(jié)。這導(dǎo)致學(xué)生并不知道學(xué)習(xí)計(jì)算生物學(xué)在當(dāng)前科學(xué)研究中能做什么,該如何做,不能將所學(xué)的課堂理論知識很好地應(yīng)用于科研實(shí)踐中,學(xué)起來難免有點(diǎn)枯燥無味。因此,在計(jì)算生物學(xué)課程中嘗試應(yīng)用教學(xué)科研一體化的教學(xué)模式,通過科研成果與理論教學(xué)的有機(jī)融合,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與科研興趣,在完成系統(tǒng)知識傳授和授課計(jì)劃的同時(shí),培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和素質(zhì)。

      (五) 缺乏適合的理論和實(shí)踐教材

      此外,計(jì)算生物學(xué)還缺乏適合的理論和實(shí)踐教材。目前,并沒有明確的計(jì)算生物學(xué)教材,相關(guān)教材主要是國外教科的翻譯書籍,國內(nèi)研究者自編的教材卻寥寥無幾,如《計(jì)算生物學(xué)導(dǎo)論——圖譜,序列和基因組》《生物序列分析》都是翻譯書籍。課本內(nèi)容更新較慢,而計(jì)算生物學(xué)發(fā)展迅速,教材中缺乏計(jì)算生物學(xué)相關(guān)的新技術(shù)和新方法的介紹。而且,目前教材還普遍存在內(nèi)容零散、系統(tǒng)性弱的問題。

      三 教學(xué)科研一體化模式在計(jì)算生物學(xué)教學(xué)中的改革和應(yīng)用

      教學(xué)科研一體化模式是指將已有的與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的科學(xué)研究成果融入實(shí)際教學(xué)課堂中,采用以科研帶動教學(xué)的思路來提高教學(xué),同時(shí)通過提高教學(xué)水平來促進(jìn)科學(xué)研究的發(fā)展,使二者有機(jī)融合、協(xié)同發(fā)展?!敖潭谎袆t淺,研而不教則空”,科研是教學(xué)的“源頭活水”,如果缺乏科研作為支撐,課堂教學(xué)就會缺少“靈魂”。因此,如何將科研成果有效地融入到實(shí)際教學(xué)中,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)理論教學(xué)方法與現(xiàn)代科研一體化模式的改變,進(jìn)而提高學(xué)生將理論知識學(xué)習(xí)與科研應(yīng)用相結(jié)合的能力,是目前計(jì)算生物學(xué)課程教學(xué)中需要解決的重要問題之一。

      (一) 規(guī)范計(jì)算生物學(xué)教學(xué)大綱和授課計(jì)劃

      計(jì)算生物學(xué)開好的前提是要有較好的教學(xué)大綱和授課計(jì)劃。學(xué)院應(yīng)根據(jù)學(xué)校相關(guān)專業(yè)學(xué)生的人才培養(yǎng)要求,結(jié)合前期計(jì)算生物學(xué)及相關(guān)課程的教學(xué)與學(xué)生反饋情況,組織老師制定詳細(xì)的適合計(jì)算生物學(xué)的教學(xué)大綱,并編寫授課計(jì)劃。由于不同授課老師的興趣可能更偏向某個(gè)領(lǐng)域或某一方面,而計(jì)算生物學(xué)涉及多個(gè)學(xué)科,因此,在制定教學(xué)大綱時(shí),應(yīng)組織不同研究領(lǐng)域的教師及研究人員進(jìn)行溝通交流,根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)需要適當(dāng)調(diào)整教學(xué)方法。同時(shí)考慮在實(shí)際教學(xué)中需要融入相關(guān)領(lǐng)域的科研成果,教師要了解專業(yè)前沿,改革教學(xué)內(nèi)容。大綱應(yīng)概括每個(gè)章節(jié)的基本內(nèi)容與要求、相關(guān)科研成果、教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)及建議、課后練習(xí)題等內(nèi)容。教學(xué)大綱的制定要把握以下幾個(gè)原則:教學(xué)科研相融合,具有連貫與整體性,同時(shí)要避免重復(fù)。

      (二) 科研成果與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合

      教師在課堂教學(xué)時(shí),應(yīng)該將科學(xué)研究與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合,把“學(xué)習(xí)計(jì)算生物學(xué)的相關(guān)知識點(diǎn)在科學(xué)研究中能做什么?怎么做?是否已有相關(guān)研究?”等問題貫穿到實(shí)際教學(xué)活動中,將已有的前沿科學(xué)研究成果融入實(shí)際教學(xué)內(nèi)容。通過問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí),啟發(fā)學(xué)生主動思考,并通過合作或自主探討等方式進(jìn)行學(xué)習(xí),從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。教師提出相關(guān)問題,鼓勵(lì)學(xué)生通過不同方法方式尋找解決方案,然后學(xué)生對各種解決方案進(jìn)行討論和評價(jià),教師進(jìn)行歸納總結(jié),探討不同解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí),加強(qiáng)與學(xué)生間的互動,教師要及時(shí)了解國內(nèi)外前沿進(jìn)展,隨時(shí)補(bǔ)充和完善教學(xué)知識體系,將科研成果有效融入到課堂教學(xué)內(nèi)容中,實(shí)現(xiàn)課本理論基礎(chǔ)知識與科研前沿動態(tài)的良好結(jié)合。此外,鼓勵(lì)學(xué)生充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源,了解學(xué)習(xí)計(jì)算生物學(xué)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源,拓寬知識面。

      (三) 教學(xué)科研與實(shí)踐相結(jié)合

      對于高校教學(xué)改革而言,實(shí)踐教學(xué)是重要的環(huán)節(jié)之一。實(shí)踐教學(xué)是提高素質(zhì)教育的最有效的教學(xué)方式之一。實(shí)踐教學(xué)通過實(shí)踐應(yīng)用可以檢測學(xué)生對課程基礎(chǔ)理論知識的掌握程度。計(jì)算生物學(xué)不僅理論性強(qiáng),而且實(shí)踐性要求也很高。計(jì)算生物學(xué)實(shí)踐應(yīng)用主要是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算生物學(xué)軟件進(jìn)行實(shí)踐操作學(xué)習(xí)。實(shí)踐應(yīng)用與理論知識講授相結(jié)合的教學(xué)方式對于培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和能力非常重要。傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式限制了學(xué)生獨(dú)立探索問題及實(shí)際操作解決問題的能力。因此,需要將教學(xué)科研與實(shí)踐相結(jié)合,將學(xué)生簡單被動接收課堂知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿鲗W(xué)習(xí)知識,提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)與實(shí)踐能力。

      采用教學(xué)科研一體化模式,針對計(jì)算生物學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn),倡導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和小組協(xié)作學(xué)習(xí)的方式,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神,鍛煉學(xué)生的主觀能動性,提高學(xué)生對相關(guān)信息資源和軟件的應(yīng)用能力。比如,讓學(xué)生積極參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目,或者參加教師的科研課題等,通過教學(xué)與科研結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力;或者教師給定待選課題或?qū)W生根據(jù)自身興趣查閱相關(guān)科研文獻(xiàn)報(bào)道選擇課題,根據(jù)計(jì)算生物學(xué)學(xué)習(xí)的知識,以個(gè)人或小組討論的形式提出分析方案、進(jìn)行分析整理、并對分析結(jié)果給出解釋、整理結(jié)果撰寫小論文、進(jìn)行匯報(bào)。同時(shí),不同小組學(xué)生進(jìn)行討論和點(diǎn)評,最后教師進(jìn)行點(diǎn)評與總結(jié),學(xué)生進(jìn)行總結(jié)思考,從而提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)以及技能和知識應(yīng)用的能力。在學(xué)生學(xué)習(xí)討論點(diǎn)評的過程中,提高學(xué)生的科研意識和科研思維能力,進(jìn)而提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

      (四) 教學(xué)科研與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合

      計(jì)算生物學(xué)利用計(jì)算方法和技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,從大量的測序或分子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中探究背后潛藏的信息,基于數(shù)據(jù)提出假設(shè),然后結(jié)合數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型,最后通過計(jì)算機(jī)模擬方法來進(jìn)一步檢驗(yàn)假設(shè)與模型,為進(jìn)一步的體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)研究提供參考。數(shù)據(jù)挖掘和模型驗(yàn)證是交互進(jìn)行的,一方面,通過計(jì)算生物學(xué)分析預(yù)測得到的模型可以為進(jìn)一步的分子實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo),另一方面,從新的體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)未知知識,進(jìn)一步修正假設(shè)、完善模型,最終深入理解生命活動的現(xiàn)象和本質(zhì)。因此,在計(jì)算生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)將教學(xué)科研與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有機(jī)結(jié)合。

      四 結(jié)語

      計(jì)算生物學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科,其內(nèi)容新穎、數(shù)據(jù)量大、發(fā)展迅速、技術(shù)手段先進(jìn)、實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng),而且與其他學(xué)科交叉性強(qiáng),目前已在多個(gè)研究領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。因此,教學(xué)過程中計(jì)算生物學(xué)的授課方式也非常重要。隨著測序技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,計(jì)算生物學(xué)需要對產(chǎn)生的大規(guī)模的組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。教師要及時(shí)了解計(jì)算生物學(xué)最新發(fā)展動態(tài)和科研進(jìn)展,掌握前沿知識,將科研前沿成果融入到課堂教學(xué)中,創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容和方式,使教學(xué)基礎(chǔ)知識與科研有機(jī)結(jié)合、良性互動和協(xié)調(diào)發(fā)展,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)與科研熱情和潛能,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、和科研思維能力,同時(shí)讓學(xué)生積極參與科研,提高學(xué)生將理論知識和實(shí)際科研應(yīng)用相結(jié)合的能力,從而提高教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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