農(nóng)業(yè)院校生物信息學(xué)教學(xué)模式探索

姚正培，張 樺，代培紅，夏木斯亞

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

農(nóng)業(yè)院校生物信息學(xué)教學(xué)模式探索

姚正培，張 樺，代培紅，夏木斯亞

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

生物信息學(xué)是一門由生命科學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)相互滲透形成的新型交叉學(xué)科，其發(fā)展迅速、應(yīng)用性強(qiáng)，已成為生命科學(xué)研究者強(qiáng)有力的輔助工具。生物信息學(xué)課程在農(nóng)業(yè)院校相關(guān)專業(yè)中的地位日益提高。本文作者結(jié)合自身教學(xué)實踐探索，針對生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的無合適教材、網(wǎng)絡(luò)資料繁雜、教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)手段單一、考核模式簡單等問題，從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核辦法等方面進(jìn)行了論述，旨在為農(nóng)業(yè)院校開展生物信息學(xué)課程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

生物信息學(xué)；教學(xué)模式；探索

生物信息學(xué)是一門由生命科學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)相互滲透形成的新型交叉學(xué)科，它利用各種計算機(jī)軟件、生物學(xué)工具及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對生命科學(xué)研究中產(chǎn)生的各種生物數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、加工及分析，從而達(dá)到理解數(shù)據(jù)中的生物學(xué)含義的目標(biāo)[1-3]。當(dāng)前，生物信息學(xué)已經(jīng)成為生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)等生命領(lǐng)域各學(xué)科發(fā)展的強(qiáng)大推動力量，已成為生命科學(xué)研究者強(qiáng)有力的輔助工具。近年來，隨著分子生物學(xué)在動物植物育種、遺傳資源創(chuàng)新、品種改良、病蟲害防治等農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，生物信息學(xué)作為一種實用、高效的手段被充分利用。《生物信息學(xué)》課程也相應(yīng)地被列入各農(nóng)業(yè)院校大學(xué)生教學(xué)計劃。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)根據(jù)學(xué)校專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及學(xué)生培養(yǎng)需求于2010年將《生物信息學(xué)》課程作為生物技術(shù)專業(yè)的必修專業(yè)課，通過三年來的教學(xué)實踐，針對課程教學(xué)中存在的無合適教材、網(wǎng)絡(luò)資料繁雜、教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)手段單一、考核模式簡單等問題[4-5]，筆者在課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核辦法等方面進(jìn)行了初步探索，本文現(xiàn)就該課程教學(xué)模式作一論述。

一、教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容

由于生物信息學(xué)是一門新興學(xué)科，其理論及相關(guān)分析工具發(fā)展迅速、不斷更新，在課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容上也在不斷變化。我認(rèn)為對于當(dāng)前農(nóng)業(yè)院校生物技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和要求是讓學(xué)生理解掌握生物信息學(xué)相關(guān)的一些基本理論、實驗技術(shù)及實踐操作，以核酸序列及蛋白質(zhì)序列的實際分析為主要側(cè)重點，著重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，使他們能適應(yīng)今后工作學(xué)習(xí)的需要。據(jù)此，確定了以下的教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容共36學(xué)時，分為理論基礎(chǔ)和上機(jī)實踐兩部分，理論課中穿插實例示范，共24學(xué)時。理論教學(xué)內(nèi)容包括：生物信息學(xué)緒論、生物信息學(xué)的生物學(xué)基礎(chǔ)、生物信息數(shù)據(jù)庫及其檢索、序列的基本信息分析及比對、分子系統(tǒng)發(fā)育分析、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測及分析、組學(xué)技術(shù)及信息學(xué)分析；上機(jī)實踐共12學(xué)時，內(nèi)容包括：常用生物數(shù)據(jù)庫的查詢與搜索、核酸序列的分析方法實踐、多序列比對和系統(tǒng)發(fā)育分析、蛋白質(zhì)序列分析及空間結(jié)構(gòu)預(yù)測、DNA序列中基因結(jié)構(gòu)預(yù)測分析。在理論授課中介紹與農(nóng)業(yè)相關(guān)生物信息數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用，在實例分析中選用本校教師相關(guān)研究結(jié)果作為數(shù)據(jù)來源，拉近學(xué)生與知識點的距離，提高學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生認(rèn)識到學(xué)習(xí)本課程的意義，通過講練結(jié)合使學(xué)生掌握相關(guān)實踐分析能力。

二、教學(xué)材料

1.教材的選擇。生物信息學(xué)目前仍處于飛速發(fā)展時期，尤其是隨著各種新技術(shù)、新理論及組學(xué)的發(fā)展，涉及到的學(xué)科越來越多。當(dāng)前生物信息學(xué)專著及教材層出不窮，但中文版書籍中影印國外原版教科書和翻譯書籍仍占很大比例，這類書籍中，專著專業(yè)性過強(qiáng)，而教材又多是針對生物信息學(xué)專業(yè)的學(xué)生或“一本”的學(xué)生編寫的，難度較大，并且各自側(cè)重點不同，并不適合作為一般的農(nóng)業(yè)院校的生物信息學(xué)教材。筆者在教學(xué)過程中先后使用了由鐘揚(yáng)等編寫、高等教育出版社出版的《簡明生物信息學(xué)》及由肖浪濤主編、中國農(nóng)業(yè)出版社出版的全國高等農(nóng)林院校“十一五”規(guī)劃教材《生物信息學(xué)》作為主要的參考教材。但是，在教學(xué)實踐中筆者感到《簡明生物信息學(xué)》由于出版時間較早（2001年）已不能滿足實際教學(xué)工作的需要，書中的很多內(nèi)容都已更新，很多網(wǎng)站頁面也已重組或失效，而近年被廣泛使用的一些著名生物信息學(xué)軟件亦未涉及。而《生物信息學(xué)》一書偏重理論知識介紹，實例分析及操作應(yīng)用偏少。因此，筆者根據(jù)本校專業(yè)建設(shè)需要及學(xué)生水平編寫了適用于本校學(xué)生使用的簡明教材。教材中理論部分主要參考上述兩本教材，并進(jìn)行了簡化，降低難度，舍去算法、模型等專業(yè)性較強(qiáng)的章節(jié)；實踐部分參考薛慶中等主編、科學(xué)出版社出版的DNA和蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)分析工具（第2版，2010年）一書，并附具體實例，最終形成理論部分簡明易懂，實踐部分易學(xué)易用的實用型教材。

2.生物信息學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)庫及軟件的選擇。生物信息學(xué)發(fā)展迅速，相關(guān)生物信息數(shù)據(jù)庫及生物信息軟件數(shù)量不斷增加，版本不斷更新，這為生命科學(xué)相關(guān)研究提供了極大便利，但同時也為《生物信息學(xué)》課程實踐部分的教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)與壓力。例如要分析一條蛋白質(zhì)序列的分子量、等電點、氨基酸組成等信息，我們可以使用DNAMAN、Bioedit、DNAStar、Vector NTI等本地軟件分析，也可以使用Prot-Param、SAPS等網(wǎng)絡(luò)在線程序分析。在有限的教學(xué)時間內(nèi)，如何選擇數(shù)據(jù)庫及高效易用的生物信息學(xué)分析軟件也是教學(xué)中一個重要的問題。通過參考相關(guān)生物信息學(xué)分析的書籍及近年文獻(xiàn)，綜合考慮數(shù)據(jù)庫及軟件的通用型、易用性及本校學(xué)生的英語水平、計算機(jī)操作水平，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容，我們選擇常用的核酸序列數(shù)據(jù)庫GenBank、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫PDB等，軟件方面選擇DNAMAN、Bioedit、Clustal W、MEGA、Primer Premier、RasMol等常見的生物信息學(xué)離線分析軟件及整合于NCBI、EXPASY、PDB等網(wǎng)站上的在線分析軟件開展實踐教學(xué)，而其他軟件在課堂上只做簡單介紹，具體操作方法作為輔助資料供學(xué)生自學(xué)。這樣學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)可掌握更多的分析內(nèi)容，達(dá)到“高效”的教學(xué)目的。

三、教學(xué)方法

1.及時更新完善多媒體教學(xué)資料。生物信息學(xué)課程理論知識較抽象，實踐操作多，與計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系緊密，內(nèi)容更新快，當(dāng)代大學(xué)生已習(xí)慣并樂于使用各種多媒體途徑獲取信息，這些特點決定了其非常適于進(jìn)行多媒體教學(xué)。為此，我們根據(jù)教學(xué)內(nèi)容開發(fā)制作了一套多媒體教學(xué)資料并及時更新完善。教學(xué)多媒體資料包括PowerPoint課件和Flash動畫，課件注重知識的層次性、聯(lián)系性，將理論基礎(chǔ)、實驗技術(shù)操作流程等較抽象的生物信息學(xué)知識通過大量圖片形象地展示給學(xué)生，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并加快學(xué)生對抽象知識的理解；動畫的內(nèi)容是利用屏幕錄像軟件將實例分析過程錄像并配音，最后轉(zhuǎn)為Flash格式，穿插在理論教學(xué)及實踐教學(xué)過程中使用，從而使學(xué)生在自己實踐操作前先有一個形象的認(rèn)識，將理論知識與實踐操作有機(jī)聯(lián)系在一起。

2.充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺輔助教學(xué)。生物信息學(xué)是一門以互聯(lián)網(wǎng)為媒介、計算機(jī)為工具的學(xué)科。在教學(xué)中，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的使用在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)師生互動、強(qiáng)化教學(xué)效果等方面起到了很好的輔助作用。利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，教師可將課程課件、動畫、分析工具、實踐教學(xué)內(nèi)容等共享給學(xué)生并及時了解學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)，學(xué)生可將實驗報告、作業(yè)、學(xué)習(xí)問題及意見反饋給教師，師生可以通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的論壇版塊在課余就學(xué)習(xí)或?qū)嵺`中的問題進(jìn)行討論，達(dá)到“教學(xué)相長”的教學(xué)目的。此外，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺還可將課堂中未詳細(xì)講述的大量數(shù)據(jù)庫、軟件的使用過程及相關(guān)電子參考書、文獻(xiàn)共享給學(xué)生，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性并拓寬課程外延。

3.邊講邊練，理論知識密切聯(lián)系實踐操作。德國心理學(xué)家艾賓浩斯研究發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)和記憶過程中，最初階段遺忘速度最快，隨著時間推延，遺忘越來越慢。因此，為了讓學(xué)生能牢固掌握所學(xué)知識及實踐技能，我們在教學(xué)中采取邊講邊練的形式。對于理論知識，我們采取課前提問、課中提問、小測驗及實踐操作過程中知識點重現(xiàn)等方式，使重要理論知識在整個教學(xué)過程中多次出現(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生對課程知識體系的系統(tǒng)認(rèn)知并強(qiáng)化其對理論知識的記憶。對于實踐操作，我們采取案例式教學(xué)，直接將實例分析穿插在理論授課過程中，并在理論課后及時安排學(xué)生在計算機(jī)房上機(jī)聯(lián)網(wǎng)操作，如在講授序列比對理論課時，實例演示使用DNAMAN、Blast等軟件進(jìn)行序列比對的過程，并在理論課后緊跟DNAMAN軟件使用、數(shù)據(jù)庫搜索的實踐操作，這樣既加深學(xué)生對理論知識的理解，還有利于學(xué)生掌握實踐操作能力。

4.布置實踐任務(wù)，加強(qiáng)綜合能力培養(yǎng)。生物信息學(xué)教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實踐能力培養(yǎng)。因此，在教學(xué)設(shè)計上，我們將學(xué)生按4～5人分成小組，通過學(xué)生自選或制定的方式布置特定實踐任務(wù)，要求學(xué)生以小組為單位，利用本課程所學(xué)知識及技能完成任務(wù)并提交任務(wù)報告。例如，在課程一開始講授數(shù)據(jù)庫時，要求學(xué)生通過查文獻(xiàn)、了解本校相關(guān)分子生物學(xué)研究內(nèi)容并結(jié)合自己的興趣選擇特定基因，圍繞該基因，在后續(xù)整個課程的學(xué)習(xí)過程中利用掌握的各種生物信息學(xué)分析方法對其進(jìn)行序列查詢、引物設(shè)計、序列比對、編碼區(qū)分析、蛋白理化性質(zhì)預(yù)測、保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測、結(jié)構(gòu)預(yù)測、分子系統(tǒng)發(fā)育分析等操作，過程中學(xué)生互相討論、取長補(bǔ)短，最終協(xié)作完成實踐任務(wù)。這樣既使學(xué)生較全面地掌握了課程內(nèi)容，同時又加強(qiáng)了學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力。

四、考核辦法

在課程考核方面，本著生物信息學(xué)課程培養(yǎng)實踐應(yīng)用能力的教學(xué)原則，為使學(xué)生真正掌握生物信息學(xué)的基本理論及實踐操作，我們改變了過去閉卷考試占主體或?qū)懻n程論文的簡單考核方式，采取了過程考核、實踐考核并結(jié)合考試考核的方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行綜合評價。考勤及口頭提問占考核成績的10%，4次隨堂測驗占考核成績的20%，上機(jī)操作占考核成績的20%，實踐任務(wù)作業(yè)占考核成績的20%，期末閉卷考試占考核成績的30%。這樣考核雖然過程復(fù)雜，對學(xué)生及教師都帶來更大壓力，但杜絕了學(xué)生平時不學(xué)，期末突擊，忽視實踐的現(xiàn)象，學(xué)生必須注重平時的學(xué)習(xí)及實踐操作才能順利通過課程考核。這樣的考核辦法能夠更客觀準(zhǔn)確地評價一個學(xué)生對課程的實際掌握情況。

隨著生物信息學(xué)在農(nóng)業(yè)各研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，掌握生物信息學(xué)知識及分析能力已成為農(nóng)業(yè)院校相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生的必備要求，生物信息學(xué)課程也必將在農(nóng)業(yè)院校各相關(guān)專業(yè)建設(shè)中占據(jù)越來越重要的地位。通過本課程的教學(xué)實踐探索，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、實踐操作能力、最終學(xué)習(xí)效果均得到提高，筆者也積累了一定經(jīng)驗，取得了一定的教學(xué)成效，找到了一些適合農(nóng)業(yè)院校的切入點，但是課程教學(xué)中還有很多需要進(jìn)一步完善改進(jìn)的地方。生物信息學(xué)學(xué)科的快速發(fā)展，也決定了本課程的教學(xué)模式必將是一個動態(tài)發(fā)展的過程，相信隨著對生物信息學(xué)學(xué)科的深入認(rèn)識，生物信息學(xué)課程教學(xué)模式也將不斷完善，形成自己的獨特體系。

[1]鐘揚(yáng)，張亮，趙瓊.簡明生物信息學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]肖浪濤.生物信息學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2006.

[3]王祿山，高培基.生物信息學(xué)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4]胡娜，常軍，徐玲.生物信息學(xué)教學(xué)改革與探索[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（3）：1588-1589.

[5]梁琛，張建海.農(nóng)科類生物信息學(xué)課程教學(xué)中存在的問題及對策[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2010，30（5）：136-137.

G642.0

A

1674-9324（2014）20-0214-02

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)課程建設(shè)項目。

姚正培，碩士，講師，2007年至今任教于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，在校主講生物信息學(xué)、生物化學(xué)等課程，研究方向為植物抗逆分子生物學(xué)。