生物信息學教學探索實踐

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［摘要］探討將哲學原理融入生物信息學課堂教學，不僅可以激發學生興趣和掌握知識，而且可以幫助學生樹立正確的世界觀和方法論。課題組在融入過程中始終貫穿以人為本、唯物辯證、知行合一的理念，運用馬克思主義哲學原理完善生物信息學教學理論，使晦澀抽象的理論轉化為學生可感知的、易于接受的、指導實踐的知識架構體系。

［關鍵詞］哲學；生物信息學；融入生物信息學

作為新興學科，其理論的產生、發展和完善蘊含著豐富的馬克思主義哲學思想。哲學作為關于一切運動最普遍規律的學科，對高等教育和生命科學領域復雜問題的解決，顯示出了強大生命力[1-3]。哲學是人類思維的高度概括和總結，其原理可以滲透到生物信息學教學的各個章節和領域。就當前國內而言，哲學與其他一級學科的融合發展尚未引起足夠重視[3]，生物信息學教材中也未出現哲學術語。筆者結合三年教學實踐，認為生物信息學課程雖為理科教育，但教學改革過程中穿插引入哲學思維至關重要，自覺滲透哲學原理，將有助于開拓學生視野和優化學生思維。筆者提出，教師要重視哲學思維，善用哲學方法。在總結生物信息學課堂教學不足的基礎上，下面從三方面對哲學原理融入課堂教學展開論述。

一、生物信息學課堂教學現狀和難題

生物信息學是生物學和信息學的交叉科學，包含了對各種組學數據（轉錄組、蛋白質組、非編碼RNA組、表觀遺傳組、代謝組、宏基因組等）的獲取、處理、存儲、分發、分析等以及生物系統層面的解讀，綜合運用數學、計算機科學、生物學和醫學的各種工具，來闡明和理解大量數據所包含的生物學意義[4]。課程理論教學內容包括生物數據庫及其信息檢索、序列比對與分子進化、核酸序列分析、蛋白質性質和結構分析、基因組信息學、蛋白質組信息學等；實踐教學引入了常用生物信息學數據庫的應用、核酸和蛋白質序列的比對分析、DNA序列的信息學和功能分析、蛋白質序列分析和結構預測、常用生物軟件的應用、綜合實驗等。學好本課程，準確找出與疾病有關的生物標志物，就是在實現和滿足人民對美好生活的向往。當前國內外頂尖的自然科學研究，一定是定量科學（干實驗）與實驗科學（濕實驗）并駕齊驅、相輔相成的一種研究模式。伴隨著高通量生物技術的快速發展和后基因組時代的到來，生物信息學課程在國內多所高校紛紛開設，成為生物學本科生必須掌握的基本知識和核心技能。借鑒各兄弟院校的課堂教學經驗[5-8]，發現國內生物信息學課堂教學目前面臨的難題主要有三方面：（1）大多偏重于結論性知識的傳授，很少關注理論產生的哲學內涵和思維。（2）課程對教師的授課水平和學生的學習能力要求較高，學生專業基礎差，遠不能適應生物信息學教學的需要[9]。（3）課程大都處于摸索和起步階段，教材內容不夠全面，實驗教學案例不足[10]。深入學習貫徹育人育才思想是新時代教育工作和教師工作的重中之重。從課程理論創新角度看，通過哲學原理從不同角度融入生物信息學課堂教學可以夯實高校育人育才思想根基和滿足學科發展需要[11]。

二、馬克思主義哲學原理融入課程教學改革的實現路徑

（一）以人為本以人為本，注重哲學教育對師生本身的完善。高校教師只有思想上清醒和認同“四有”好教師標準，才能培養出未來更優秀的社會發展中堅力量。部分新任教師雖然學歷較高，但思想拋錨、能力不足，距離“四有”好教師尚有差距，接受生物信息學的新理論新觀點不夠及時，對課堂上學生的個體差異未能完全掌握。新時代新作為，生物信息學教師要時刻牢記人民教師的職責定位，堅持潛心問道和關注社會，增強核心意識，提高政治站位；要在學思踐悟中聯系新時代中國特色社會主義思想，要當好宣傳員、示范員、戰斗員，做到內化于心、外化于行；要善于運用馬克思主義的世界觀和方法論，從哲學角度來認識和把握教學中蘊含的矛盾和問題，實現思想政治教育與知識體系教育的有機統一，為國家培養合格建設者和可靠接班人。大學時期是青年學生樹立“三觀”的關鍵時期，具有好學、好思、好問的特質。教師要善于抓住學生可塑性的一面，堅持立德樹人，把思想引導和價值觀塑造融入教學之中；要注重學生意識形態方面的正確引領和培育，引導他們及早樹立理想信念，激發他們主動學習的內生動力；要時刻以高尚的人格魅力贏得學生敬仰，以模范的言行舉止感染學生，引導他們在觀察、思考、實踐和領悟中播撒真善美的種子；要堅持以學生為中心，開發設置一系列辯證統一的問題，引導學生懂得質疑、猜疑、解疑，成為一個具有創新思維、創造力的人。實踐證明，生物信息學課堂上的教學出彩大多因為有充分發揮主觀能動性、努力思考、求真求實的學生，即使一些出錯學生的旁逸斜出也會給教學注入活力。（二）唯物辯證唯物辯證，注重理性思維在課堂上的潛移默化傳授。在課堂教學中，課本內容多呈現一般性的解讀、普遍性的結論和規律性的認識。若要加深理論的深刻性和科學性認識，就要求教師注重善用唯物辯證法培養學生的批判性思維。注重梳理和畫出思維導圖，使知識在學生頭腦中形成豎成串、橫成鏈的體系化網絡。生命大分子無時無刻不在運動和變化，通過生物信息學數據解讀系統生物學問題，必須堅持普遍聯系地進行分析，培養學生多個視角來思考的習慣、批判性思維能力和集成決策能力。綜合運用分析論證理論（比如還原分析、比較分析、挖掘背景、尋找替代等）以及數據挖掘方法（分類、關聯分析、聚類分析、異常檢測等），說明和預測有哪些問題是可以解決的，有哪些是可以計算的，有哪些僅僅停留在理解層面。例如，生物信息學可以更好揭示生物“表現型=基因型+環境”概念。DNA的表觀修飾有近20種，RNA的表觀修飾更多，用生物信息學對這些表觀修飾進行分析可以擴充“中心法則”的概念，也可以解釋為什么表現型不單單由基因型決定，還和所處環境有關。矛盾的對立統一規律是唯物辯證的核心，比如給學生講解人類基因組計劃可以了解疾病健康和基因遺傳的關系，但一旦每一個人的基因組測序能夠實現，則必然會出現基因歧視和種族滅絕的危險[12]。課堂教學運行是一個師生互動生成的動態過程，教師需要做好預設和生成之間的平衡處理，需要聯系理論動態和前沿熱點講述某理論的應用價值以引人入勝，需要簡明扼要地定義理論特點和推理過程，需要課后全面總結“預料之內”和“意料之外”的細節處理。教師要分清教師主導性和學生主體性的矛盾、教學內容與邏輯順序上的矛盾、教學內容和受眾對象非對等性的矛盾、教學內容和教材內容差異性的矛盾、教學內容和時間應用上的矛盾等。課程內容設計要堅持矛盾分析法中的“重點論”思維，既要全面又要突出重點。學生學習課程客觀上存在各章節時間分配的對立，要把主要精力放在基礎理論掌握和應用上；另一方面，課程各章節之間客觀上存在內容相關的統一，也要求學生了解其他關聯章節。在千頭萬緒的各類數據庫中，學生要善于抓住編程中推理分析的主要矛盾和矛盾的主要方面，玩出高雅，悟出智慧，學出成績，活出價值。（三）知行合一知行合一，注重理論聯系實際和實踐育人。理論指導實踐，實踐檢驗和豐富理論。課程理論抽象、實踐性強，背后隱藏了許多識別模式和順序，要求學生首先掌握生命科學和數理統計知識，并擁有數據庫、數據可視化和各類編程語言如Python等基礎知識。產業界的大數據人才，還要求掌握額外的關鍵技能，如文本挖掘、本體論、數據集成、機器學習和信息架構等，包括一系列的統計能力、計算能力和核心的編程能力，如C++或Java的編碼，或PERL或Python的腳本編寫，能夠控制操作系統如Linux，并具備促使數據可視化和建立簡約優美有效的用戶界面的能力。實現以上目標，不僅要聯系本地區學生實際循序漸進開展理論教學，更要注重引入實踐不斷健全課堂教學環節。完整的生物信息學課堂教學環節包含傳統講授、師生討論、上機實驗和寫作訓練。通過介紹我國大數據領域科學家的故事，引導學生崇尚科技創新、精益求精和用戶至上的工匠精神。通過介紹中國參與人類基因組計劃、無創產前基因檢測技術、癌癥早期診斷等，培養學生愛國憂國情懷。在授課中，教師要抓住知識體系的兩條主線：序列—結構—功能—進化；基因組—轉錄組—蛋白組—代謝組，多組學貫穿。教師要善于用接入外部互聯網的多媒體網絡教室演示生物信息學理論、數據庫搜索及軟件應用等，便于師生課堂交流。教師在課堂上要鼓勵學生隨時提問，培養他們的批判性思維和創新思考能力，將傳統的“傳遞”與“接受”轉變為積極主動的“發現”和“建構”。通過與學生心平氣和、推心置腹地交流溝通和答疑解惑，讓學生產生共鳴。教學不僅在課堂，更在課后，教師不僅要重視理論知識的傳授，更要強調學生知識建構能力的培養和生信技能的實際運用。要課后指導學生自己制訂實踐教學方案，鼓勵學生利用生物信息學網絡開放課程優質資源。例如，課堂上在介紹生物信息學的序列比對用法后，要求學生獨立從公共數據庫下載數據，挖掘有用信息完成上機操作。另外，要充分利用教師申報的各類科研項目，積極組建學生團隊開展生物信息學相關畢業設計訓練，提高就業競爭力。最后，要通過寫作體現學生的邏輯思維和人生感悟，并要求學生在課堂上通過幻燈片明晰透徹地報告所得結果。學完課程后，學生們將有能力進行數據庫搜索、序列比對、蛋白質結構預測等，最終達到預期的教學效果。

三、馬克思主義哲學原理融入生物信息學教學實踐的體會

馬克思主義哲學原理內涵豐富，蘊藏著無窮魅力，值得我們去實踐創新。它不僅包含了本文所探討的一些觀點，還包括許多經典的思想方法。比如，從有限到無限去領略基因組變化，從量變到質變去體驗蛋白質網絡和代謝網絡變化，從靜態到動態去感悟多序列分析算法規律，等等，這需要我們不斷實踐摸索。目前很多課堂面臨學生思維活動活躍度低、師生缺少互動和“低頭族”等難題，而育人育才重在育心育腦，因此，在課程教學中通過科學的思維方法傳授科學知識顯得愈加迫切。通過哲學原理有效融入課堂教學，使師生共有哲學思想，就容易達到同頻共振和培養默契。一方面，促進教學組完善課程設計，注重挖掘生物信息學課程中的哲學素材，并使用部分哲學觀點加以說明和解釋；另一方面，學生一旦開始注重運用哲學經典理論指導學習，將方便構建起相應的知識網絡，整體把握課程知識脈絡的前提和界限，“自覺”相信馬克思主義哲學的正確性和指導性。學生只有把哲學原理轉換成實踐操作技能，才能將哲學血肉化，避免花費大量時間刷題和死記硬背概念性、理解性知識，顯著提高了學生的動手分析能力和創新能力。

綜上所述，在生物信息學教學中滲入和體現馬克思主義哲學原理，符合新時期人才培養的要求。它不僅有助于學生提高對專業理論知識內涵的認識，而且可以開闊視野、活躍思維，及早樹立正確的世界觀和方法論。

作者:王芬 裴會敏 單位:黔南民族師范學院生物科學與農學院