農林院校生物信息學專業數據庫技術課程教學改革芻議

農林院校生物信息學專業數據庫技術課程教學改革芻議

鄭珂暉,溫永仙*

(福建農林大學計算機與信息學院,福州 350002)

摘要：生物信息學是一門交叉學科，對于現代生物學研究具有重要的意義。數據庫技術是生物信息學的基礎之一。本文對農林院校的生物信息學專業的數據庫技術課程的教學現狀做了一些介紹，對目前生物信息專業數據庫教學存在的問題進行了分析 。結合教學的實踐，有針對性的提出了一些教學改革的具體措施。

關鍵詞：生物信息學；數據庫教學;教學改革

中圖分類號：TP392;R318.04;H191文獻標志碼：A

收稿日期：2015-01-13;修回日期：2015-03-12.

基金項目：浙江省教育廳科研項目(Y201328526)。

作者簡介：黃方亮，男,博士，研究方向：細菌基因組測序；E-mail:huangfl@zju.edu.cn.

doi:10.3969/j.issn.1672-5565.2015.02.07

Discussion about reform of database teaching of bioinformatics in the university

of agriculture and forestry

ZHENG Kehui,WEN Yongxian*

(ComputerandInformationCollegeFujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)

Abstract：Bioinformatics is an interdisciplinary subject which is important and significant for the modern biological research. Database technology is one of the basic content of bioinformatics. In this article, we introduce the situation of teaching bioinformatics database in agriculture and Forestry University, and discuss some problems in teaching database. Combining with the practice in teaching, We put forward some detailed methods of teaching reform.

Keywords：Bioinformatics;Database teaching ; Reform in Education

21世紀是生物學的世紀，傳統的生物學是以實驗觀察作為基本的研究手段，已經不能滿足現代生物學的需求；利用計算機、數學、統計學作為工具對生物學數據進行分析、解讀和挖掘已成為現代生物學研究不可缺少的手段[1]。自上個世紀末生物信息學作為一門新興交叉學科出現至今，對生物學的研究和發展起了重要的作用[2]。近些年來，生物信息學發展迅速，產生了許多研究方向，產生了大量的數據庫，如美國NCBI管理的genebank，歐洲建立的EBI和日本建立的DDBJ等。由此可見，數據庫技術是生物信息學研究的重要基礎，現代生物學產生的海量數據只有利用數據庫技術才能進行有效的管理，才能挖掘出隱藏在大量數據背后的規律。

1農林院校生物信息專業數據庫技術課程教學的現狀分析

一些歐美先進國家生物信息學研究起步較早，生物信息相關產業鏈發展成熟，人材培養機制也較完善。我國生物信息學的發展相對先進國家而言稍晚起步，但是這幾年發展勢頭很好，如近年來在國際知名刊物上發表的有關生物信息的論文數量和質量都有大幅的提升，相關科研機構陸續發布了一些重要的、有影響力的數據庫，如大熊貓基因組、毛竹基因組、小菜蛾基因組數據庫等，而一些企業如華大公司已經成世界上有名的基因組測序中心。

我國農林產業在世界上還處在較低的水平，目前，在生物信息學等新興生物學方向的推動下，農林生產將會發生翻天覆地的變化，農林院校擔負著為國家培養農林人才的重任。在當前我國生物信息學基礎研究和相關產業都在高速發展的新形勢下，就要求各農林院校能培養大量優秀的生物信息學人才，為我國的農林生產和科研作貢獻。

目前，全國共有22所高校開設了本科生物信息學專業，其中農林院校有4所[3]；有16所高校開設了生物信息碩士專業，其中有7所是農林院校。各開設生物信息專業的農林院校根據自身的特點，構建了相應的課程體系，在各農林院校生物信息專業的課程體系中，可以分成生物學和信息學兩大部份，在各學校的課程體系中，數據庫技術均是主要課程，是一門核心基礎課。

在計算機專業，數據庫技術已經是一門較為成熟的課程，已經有了大量的好教材、好的教學方法和教學理念。由于生物信息學是一門新興的交叉學科，在對該專業學生的數據庫技術課程教學時，具有其自身的特點。教學目標、掌握程度等均與計算機專業有所不同。但是目前，我國農林院校生物信息學專業中的數據庫課程的教學組織、教學方法、教材建設才剛剛起步，并沒有太多現成的經驗可供任課教師借鑒。

在實際教學過程中，生物信息學專業的課程中有關信息科學的部份課程常常借鑒計算機專業的課程來設置，數據庫技術課程也是這種情況。目前，大多數農林院校的生物信息專業的數據庫技術課程從教材、教學手段、教學理念和教學素材上借鑒計算機專業的數據庫教學。例如：在福建農林大學，生物信息學數據庫技術課程的學時設置為60學時，其中理論課40學時，上機實驗20學時，就是借鑒了計算機專業的數據庫課程的學時進行設置的，在教材選用、教學大綱編寫上也和計算機專業相近。

在生物信息學專業設立的初期，數據庫技術課程的設置和教學由于缺少教學經驗和教學材料而不得不借鑒計算機專業。雖然這種課程的組織和教學也為農林院校生物信息學專業學生掌握數據庫基本操作技能、了解數據庫基本原理、運用數據庫技術解決實際問題起了積極的作用，但隨著生物信息學的學科發展，也發現完全借鑒計算機專業數據庫課程的教學模式存在著一些問題[4-6]。

(1)教學過程中強調理論知識過多，數據庫在生物信息學的具體應用介紹較少

因為計算機專業的數據庫課程對數據庫的基本原理和理論知識介紹的較多，這和計算機專業的教學要求是相符的。而生物信息學專業的數據庫知識更多的應該是體現在“如何用，如何用好”上，而不能過多強調數據庫的基礎理論和基本原理[7]。在教學實踐過程中，筆者發現，在學過一學期的數據庫課程以后，有些同學對數據庫的基本概念雖有所了解，但是卻不會具體的應用，例如：筆者曾讓同學們在NCBI網站上用綜合檢索的方法查找一些信息，大多數同學完成不了，更不用說一些生物信息學中常用的數據庫的查找、下載和本地化建庫等。這樣，就對學生后續的課程和科研、實驗造成了一定的影響，如筆者就曾遇到其它課程的老師反映他們在后續課程還要給學生補上生物信息學數據庫具體使用的知識。

(2)對現有的生物信息學數據庫介紹相對簡單，教材上的內容相對滯后

由于生物信息學正處于高速發展期，生物信息學數據庫建設和更新速度都很快，而教材的編寫和出版周期相對較長[8]。所以，實際教學中發現：學生經常反映按教材上介紹的步驟進行操作，卻難得要領，甚至有的教材上介紹的數據庫在實際中已經較少應用或是更換了網址、整合到其它的數據庫之中。這時，學生就會認為老師的教學內容過于陳舊，不能反應生物信息學數據庫發展的現狀，覺得學了沒意義，從而失去了學習數據庫技術的興趣。

(3)實踐環節相對薄弱，難以較好的解決生物信息學研究的實際問題

現有的生物信息學數據庫技術課程多采用課堂教學配以少量的上機練習，上機練習也多以計算機專業的數據庫上機練習內容為主，主要是：SQL語言的操作、查詢和完整性約束等，和生物信息學的實踐要求差距較大，學生在學習過程中常常感到所學所用有所脫節，實驗課程學習的內容不鮮活，較少反應出生物信息學課程的特色，距離生物信息學研究的實際問題太遠，不能解決這些實際問題。

(4)教學課程對學科發展的前沿介紹較少，難以捕捉最新的研究進展

生物信息學的研究發展很快，可以說是日新月異，但是在進行數據庫教學時，難以對生物信息學研究中出現的新數據庫和一些新的使用數據庫的工具軟件，使用方法介紹較少，難以讓學生了解到學科發展的最新動態，從而使學生感覺到學習的內容不能緊跟生物信息學數據庫發展的實際，很多教學內容都是些過時或即將過時的內容。

(5)教學手段較為單一，難以引發學生的興趣

數據庫技術理論教學目前在各農林高校中一般均是采用計算機專業的上課模式，由主講教師在課堂上利用課件或黑板進行理論基礎的介紹，在實驗室上機掌握一些基本的操作。這種教學手段較為單一，不能很好的激發學生的學習興趣。學生反應較為枯燥。

2農林院校生物信息學專業數據庫技術課程教學改革的思路和具體措施

筆者在參考了國內兄弟院校生物信息學專業數據庫教學的有益經驗并在網上查找國外有關生物信息學數據庫教學的相關資料結合自身的教學實踐，在經歷了幾輪的生物信息學數據庫技術課程教學后，提出在農林院校生物信息專業進行數據庫教學改革的思路和幾點具體措施。

2.1農林院校生物信息專業數據庫課程教學改革的思路

隨著社會的進步，教育理念也在不斷發展：從傳統的傳授學生知識發展成培養學生能力、從傳統的填鴨式教學轉變為現在的啟發式教學、從重課堂教學發展為課堂內外并重、從以課程考試為考核轉化為綜合能力為考核。

在這種形勢下，農林院校的生物信息學專業的數據庫教學改革的方向應該是提倡以人為本，重在培養學生的自主學習和解決問題的能力。在教學過程中，教學內容強調與時俱進，選擇合適的教學方法以激發學生的學習興趣。課程的考核不應再以考試成績論高低，而應該以綜合能力作為考核標準，以解決實際問題作為培養的基本目標。

2.2農林院校生物信息學專業數據庫課程教學改革的具體措施

在經歷了數輪的生物信息學專業的數據庫課程教學實踐，筆者在教材選用、實踐環節、教學手段、考核模式等方面采取了一些具體的教學改革措施，經過實踐證明具有一定的效果。

(1)教材的選用借鑒歐美國家的先進經驗，采用經典教材加最新論文的模式

因為生物信息學的發展十分迅速，所以在進行教材選擇上，采用經典的教材來講授原理，而有選擇性的選取一些最新的研究性論文或綜述來使學生們即能知道某些基本概念的準確定義，又能了解學科發展的現狀[9]。在具體實踐中，經典教材選用歐美的有關生物信息學數據庫技術的經典教材，如《Bioinformatics Databases: Design, Implementation, and Usage》，而論文一般選擇Nucleic Acid Research雜志每年的第1期中有關數據庫的綜述。此外，鑒于當前慕課(MOOC)在當前發展迅速，網上有許多世界名校的公開課，在教學過程中鼓勵學生多去網上看些與本課程有關的公開課視頻，并在課堂上進行討論[10]。

(2)實踐環節的設計要貼近生物信息學專業的實際

實踐環節在生物信息學專業的數據庫技術課程中很重要。所以，實踐環節的設計要貼近生物信息專業的要求，以培養學生解決實際問題的能力為主要目標[11]。在實踐內容的設計上，一般是根據生物學問題作為出發點，以如何解決這些問題作為主線。例如：在進行基因組研究時，Blast是一項基本的工作，可以給出一段具體的序列，要求學生利用Blast工具進行基本的比對分析，并得出正確的結果。在這個過程中，有關Blast的基本原理所做的介紹相對較少，重點是在“用”字上下功夫。經過實踐，發現同學們在學的過程中興趣相對較高，掌握也較好。在“會用”的基礎上，在給出一些相對較難的題目作為課后作業，讓同學們嘗試解決，力圖在“會用”的基礎上實現“用好”。若有部份同學對具體的原理感興趣的，再向他們推薦參考網頁或文檔，鼓勵他們的學習興趣，有一些學生在了解理論的原理后，甚至能夠提出一些現有的生物信息數據庫建設中的一些不足，會來和教師討論解決某一生物信息學問題時，用什么數據庫好，好在哪；而不用什么數據庫，缺點在哪，教學效果較好。

(3)在教學過程中做到以人為本，合理組織教學并運用多媒體教學等先進的教學手段

大多數農林院校生源相對于985、211學校而言基礎稍弱，不同生源地的學生的基礎也參差不齊。所以，在教學的過程中，要根據學生的實際情況來進行教學的組織，引導學生、鼓勵學生、服務學生，最終使學生學有所得，學有所成。

在課程開始前，應對班級學生對數據庫知識了解的情況有一個大體的掌握。例如學生的數學基礎如何、計算機實際操作能力如何。了解了這些基本情況以后，在組織教學時就可以心中有數。例如：生物信息專業的學生有的計算機和數學基礎好、有的生物學基礎好。這時，可以將不同特長的同學編排在一個小組里。讓這些小組的同學們在學習過程中間，一起討論，互相幫助。任課教師要常和學生溝通，了解他們在學習過程中遇到的問題并給他們點撥一下，提出一些解決問題的方法或思路。

在教學手段上可以采用多媒體教學，對一些較難理解的抽象概念可以綜合運用動畫、視頻來演示，使學生較好的理解[12-13]。例如：數據庫中的三層模式的概念較為抽象，初讀起來不好理解，通過多媒體課件并借用建筑學中蓋房子的例子對三層模式進行形象化的比喻，使學生有了一定的感性認識，而后再進行系統的理論介紹，學生學習起來就較容易理解。

另外，在教材中選擇了部份和實踐較為接近的章節，不在課堂和實驗室教學，而是通過參觀、座談的方式來進行教學。例如：邀請了電信和醫藥行業的企業的數據庫管理人員來給學生們介紹大數據如何進行有效管理；數據庫在醫藥研發和管理工作中的應用等專項講座，同學們聽了后，回頭再結合課堂所學，實驗室所練，可以知道自己學了什么，是不是懂了，學的東西能做什么。

(4)考核模式進行了一些改革，激發學生平時學習的積極性

生物信息學專業的數據庫教學過程中，學生平時學習積極性不高，總想著在期末通過突擊復習通過期末考試就行。筆者在教學過程中，筆者對這種情況做了分析，認為：平時學習的積極性不高，原因有很多，但是平時學習的情況未能作為考核評價的一部份也許是一個重要的原因。所以，在課程考核的模式上，做了一些變革，將平時的課堂學習、課后作業，實驗環節、課程論文等均作為考核的內容，從而提高了學生學習的積極性[14-15]。例如：在學校的規章制度范圍內，不采取傳統的期末考成績就是課程最終成績的作法，將期末成績的比例降至30%，其它部分為70%，這平時的70%的分數包含了同學們在實驗課上完成的情況的考核、課程小論文的考核和課程內的小討論會的發言等方面。通過這樣的評價機制的變更，學生平時學習的積極性和主動性都增加了，例如：同學們在實驗課前會認真準備，課程小論文也積極主動的上網找資料，在小討論會上也積極發言，形成了比較好的學習氛圍，學習成績自然上去了，學習效果也好了。

(5)鼓勵學生多渠道了解數據庫技術在生物信息學應用的前沿進展

因為生物信息學的數據庫建設和相關的工具的研發正處在一個高速的發展期，在教學中，鼓勵學生多渠道了解數據庫技術在生物信息學應用的前沿對于培養學生的學習興趣、提高學生解決問題的能力大有益處[16]。根據筆者所在單位的實際情況，向學生推薦使用學校圖書館提供中國知網、維普和萬方數據庫，鼓勵他們在里面找一些與生物信息數據庫相關的較新的綜述或研究性文章，以拓展視野、了解前沿，提高學習興趣，甚至在教師上課時，介紹教材上的相關內容時，學生還能提示一下老師教材上一些內容已經有最新的研究進展，課堂教學氣氛也活絡了，同學們也了解到了一些新進展。

3結束語

農林院校開設生物信息學專業的時間大都在近十年之內，教學的方法和模式仍在不斷的探索和發展。數據庫技術作為生物信息專業的核心課程，如何教、如何教得更好、如何讓學生學到東西都是教師要考慮和探索的內容，在今后的教學工作中，仍需要進一步的探索和提高。

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