“生物信息學”教學模式探索

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摘要：隨著自然科學、生命科學研究進入迅猛發展階段，開設生物技術專業的地方農業高校逐步增多，而“生物信息學”是吉林農業大學生物技術專業的核心課程，是生命科學與大數據信息發展過程中的重要課程。本文針對吉林農業大學生物技術專業的生物信息學教學現狀，分析和總結了教學環節中存在的主要問題，嘗試從教材的選用、教學方法及教學改進三個方面對生物信息學教學體系的改革提出建議，希望對生命科學體系的教學改革提供一些幫助。

關鍵詞：生物技術專業；生物信息學；教學方法；教學改革

生物信息學（Bioinformatics）是隨著人類基因組計劃完成，越來越多物種的全基因組測序計劃開啟。生物信息學又是一門集數學、計算機科學和生物學于一體的綜合性學科，是從海量生物學數據信息中獲取、處理、存儲、解析和闡述等，并利用數學和計算科學來解析生命科學奧秘的交叉學科。它是當今生命科學和自然科學的前沿領域之一，也是21世紀生物技術的核心領域，具有前沿性新、交叉性廣、實踐性強等特點[1]。因此，地方農業研究型高校開設的生物技術專業會將生物信息學課程作為人才培養方案中的核心課程，以滿足生物技術行業對人才的迫切需要。在生物技術專業的課程中，生物信息學是生物技術專業重要的專業核心課，是基礎課與專業課之間的紐帶與橋梁課程，是成為生物技術專業教師開展科研工作的重要工具，也是生物專業本科生綜合運用所學專業知識提升專業技能途徑。生物信息學要學好，本科學生要有扎實的植物學、動物學、遺傳學、細胞生物學、生物化學和分子生物學等基礎生物學知識，但由于地方農業院校基礎課程教學相對薄弱，學生的基礎知識較為匱乏，同時教師多以傳統的“講解式”和“啟發式”教學方法為主，教學內容緊湊且進度快，實驗操作較少，使得學生在學習“生物信息學”課程時聽不懂、記不住、學不好，直接影響并降低了學生的學習積極性。本文針對吉林農業大學生物技術專業的生物信息學課程的教學現狀，分析和總結了教學環節中存在的主要問題，從教學方法、課程內容和考核方式等幾個角度進行教學模式的探討，以期在今后的教學環節取得更好的教學效果，提升學生對該課程的學習興趣。

1地方農業高校生物信息學課程的教學現狀與存在問題

生物信息學是一門集多學科知識體系綜合交叉性強的前沿學科，對該課程的專業教師要求儲備較強的生物科學知識和計算科學知識，還要將科學前沿知識與課程教育相融合，更要建立系統的完善的生物信息學知識板塊，這些都導致地方農業高校缺乏生物信息學師資隊伍，并影響我國農業生物信息學教育快速發展。1.1教學資源匱乏，教學內容過于陳舊。近些年，生物信息學發展速度較快，但地方農業高等院校開設時間相對較晚，課程設置內容單一、課程的建設方面投入較少。生物信息學是一門新興學科，學科發展時間較短，缺少豐富的多媒體資源、教學視頻、精品課等重要的教學資源，使其教學資源稀缺匱乏。同時，使用的教材和教學內容過于陳舊，不能滿足學科的快速發展，更不能及時進行教學內容的更新。1.2學生專業知識基礎差，理論功底不扎實。地方農業院校的學生在知識儲備和數據分析能力上與綜合性大學理工科學生存在差距。生物信息學課程理論性較強，地方農業高校學生在數學、計算機和專業英語等基礎知識方面不夠扎實，對生物信息學涉及的核心原理、應用算法等內容難以理解和消化，這些因素導致地方農業高校學生接受生物信息學課程的重要知識點存在較大困難，從而使部分學生的學習效果較差，不能靈活運用所學。1.3教學模式單一，學時少。目前，國內的生物信息學依舊是講授式的傳統教學模式，以理論講授為主體，實驗操作為輔助，以課堂為中心進行“滿堂灌”式教育，從而導致缺乏突出生物信息學課程特點的新式教學模式。以一般地方農業高校的生物信息學課程總學時32學時，理論教學為24學時，實驗學時僅為8學時，學時數較少，理論基礎講解不透徹，實驗操作內容簡單，對學生感興趣和具有實際應用價值的軟件無法進一步操作和實踐應用。

2地方農業高校生物信息學教學模式的改革建議

2.1權威優質教材的選用。優質的教材是一門課程有序延伸的基礎。生物信息學起源于國外，早期的課程教材均以翻譯本為主，近幾年我國生命科學發展較快，國內學者編著的教材越來越多，后期的教材均以國產教材為主，翻譯教材為輔。但教材的數目繁多，2018年，曾有學者對我國這門學科教材進行評價，主要將其分為兩大類，一類以生物信息學基本理論知識的講解為主，主要介紹生物信息學發展史，與生物信息學相關的生物學理論，例如，遺傳學、基因組學、蛋白質組學以及代謝組學等。與生物信息學相關的數學、統計學和計算機理論。例如，計算生物學、數據結構與模型以及網絡數據庫等，這類教材相對系統全面地介紹了生物信息學的基本概念和研究內容。另一類則以生物信息學技術和方法的應用為主，著重介紹各種數據庫，以及數據分析軟件、工具的使用方法和技巧，這類教材在生物信息學相關理論方面涉及較少，重點在于培養學生的實際操作能力。在我國現有的生物信息學教材中，陳銘主編的《生物信息學》（第3版）是國家規定的“十三五”規劃教材，權威性較高。從內容也可以看出，《生物信息學》（第3版）的核心內容是生物信息學的理論和方法，基礎性、系統性較強，是理論教學的首選參考書。而吳祖建等主編的《生物信息學分析實踐》是一本以實用性為主的教材，主要內容為介紹各項試驗、數據庫、及分析軟件的操作方法，同時會用一些實例來介紹各項操作和技術，通俗易懂，是實驗和實踐教學教材的首要選擇。針對地方農業高校出現的學生理論基礎較差，動手能力不強的現象，選擇將《生物信息學》（第3版）作為基礎理論教材，配合《生物信息學分析實踐》作為實驗和實踐教材，既可以增強學生的理論知識功底，又可以培養學生的實踐動手能力，有利于培養專業實踐型人才。2.2教學方法的選擇。隨著教學技術的發展及科技的進步，教育方法也不斷發展，先進的科學技術也逐漸普及。生物信息學是在生物學、數學和計算機科學等專業的基礎上建立起來的，因此，生物信息學教學課程一般安排在學生學習過生物學基礎課程、數學和計算機科學學習后進行。前期的生物學教學基礎包括遺傳學、生物化學、分子生物學、細胞生物學和基因組學等課程。以吉林農業大學生物技術專業為例，將該門課程設置在第六學期開設，包括上機實習在內共40學時，理論內容占20學時，實驗和實踐內容占20學時（由5個專題實驗組成）。與此同時要督促學生進行自學，生物信息學的大部分內容是數據資料庫及相應的分析軟件，均可在線操作。課堂上的多媒體不能完全保障學生的學習效果，在保證網絡穩定的情況下，可以讓學生自己進行操作學習，加深記憶，并掌握操作方法。2.3教學方式的改進。2.3.1實行“以點帶面”的教學方式。生物信息學的理論教學內容為數據庫的使用及實驗分析軟件工具的使用。生物信息學的數據庫琳瑯滿目，數量龐大，其中，以隸屬于美國國立醫學圖書館的國立生物技術信息中心NCBI數據庫、隸屬于歐洲生物信息研究所EMBL數據庫、瑞士日內瓦大學的SWISS-PROT蛋白質數據庫以及蛋白質結構數據庫PDB等為主要代表。以上幾個數據庫較為著名，而且屬于綜合性數據庫，可以將NCBI、EMBL、SWISS-PROT、PDB等常用核酸、蛋白質數據庫，以及這些數據庫中的重要功能，如BLAST、Pubmed、OMIM、EXAPASY等進行重點介紹，以其他數據庫進行特點補充，“以點帶面”進行教學，既能使學生了解常規的數據信息，又可以根據自身的興趣挑選其他數據庫進行應用。同時，生物信息分析的軟件工具種類也較多，在實際教學中可以先選擇最常用的核酸、蛋白質分析軟件，如：DNAMAN、Primer5.0、BioEdit、ClustalW、MEGAX等軟件為突破口，讓學生掌握其基本操作，同時引入其他軟件的優缺點，讓學生了解其優勢功能，起到“以點帶面”的作用。實驗和實踐教學內容可以采用仿真模擬操作，并操作方法流程圖教學的方法。嘗試為學生提供幾個基因或蛋白質名稱，通過數據庫查詢獲得基因，然后，進行Blast搜索比對，結構和序列分析等操作，使學生對基因或蛋白質的性質、功能等有著深刻的了解，并在教師指導下深入解讀，同時可以將部分內容通過實驗課、項目研究及大學生競賽等形式進行論證，既能調動學生的學習積極性，激發學生的學習興趣，又能使學生清晰了解如何使用數據庫和軟件分析。科研及實踐相結合的教學方式還會提高學生的創新實踐能力，增強科研思維意識，為以后的進一步深造和熟練應用技術打下良好的基礎。2.3.2重視英語教學當前著名的綜合型數據庫和主流分析。軟件都來源于國外，因此，界面為英文，而且有大量的專業詞匯都是用英文表示，英文水平相對較弱的學生應用起來較為吃力。針對這種情況，可以在授課中先介紹相關英文概念，等待學生熟悉后再進行操作上教學，以免學生在操作時發生錯誤，從而產生抗拒情緒。引導注重英語單詞的教授不僅可以提高學生的學習效率，還可以提升教師的素質，在不斷的提高和完善中，實現培養高層次人才的目標。

3結語

生物信息學教學是生物科學教學的全新內容之一，本文通過對教材的選用、教學方法的選擇、教學方式的改進三個方面進行系統的分析，提出了選用權威教材、合理分配理論學習和上機實踐的課時、以點帶面的教學方式以及英語教學的應對策略。希望在經濟和科技高速發展的新形勢下，通過以上幾個方面的教學體系改革，能夠提高學生的創新能力，以及實踐動手能力，滿足當前地方農業高校教育和就業的雙重需求。同時，在今后的教學實踐中，隨著生物信息學專業教師自身素質的提高，生物信息學課程教學模式也將不斷完善，以進一步提高生物信息學的教學質量。

作者:王康宇 單位:吉林農業大學生命科學學院