地方本科高校生物信息學課程教學改革與實踐

王興平 羅仍卓么 李峰

摘要在前期調研的基礎上，綜合多年教學經驗，總結了生物信息學課程教學在地方本科高校中存在的主要問題，提出了地方本科高校生物信息學課程教學定位，并對課程內容、教學方法、考核方法進行了改革，有效提高了教學效果。

關鍵詞生物信息學；生物科學；課程改革；應用型人才

中圖分類號S-01；G643.2文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）08-0245-02

Teaching Reform and Practice of Bioinformatics in Local Universities

WANG Xingping， LUORENG Zhuoma， LI Feng

（Zoology Key Laboratory of Hunan Higher Education，College of Life Science， Hunan University of Arts and Science，Changde，Hunan 415000）

AbstractOn the basis of previous research， combining years of teaching experience， the main problems in the teaching of bioinformatics course in local colleges and universities were summarized， teaching orientation of bioinformatics in local undergraduate colleges was mooted. Curriculum content， teaching methods， assessment methods were reformed in order to improve the teaching effect effectively.

Key wordsBioinformatics；Biological sciences；Curriculum reform；Applied talents

生物信息學是生物學、數學和計算機科學相結合而形成的一門交叉學科，其主要任務是以基因和蛋白質為主要研究對象，利用數學模型和計算機軟件，預測和分析基因和蛋白質的結構與功能，揭示其生物學意義[1]。近年來，隨著分子生物學研究的不斷深入，生物科學相關領域積累了大量的數據資料。對于現代生物科學相關專業的大學生和科研工作者而言，掌握生物信息學的相關知識及分析方法尤為重要。近年來，我國各大高校普遍開設了生物信息學課程，旨在培養學生對生物學數據的分析能力和綜合應用能力。湖南文理學院作為教育部深度轉型發展的地方本科高校之一，進一步明確了由傳統教學型向現代應用型高校深度轉型發展。與高校轉型發展相適應，課程建設及教學方式也需要向應用型改革。筆者在前期調研的基礎上，綜合多年教學經驗，總結了生物信息學課程教學在地方高校中存在的主要問題，提出了地方高校生物信息學課程教學定位，并對課程內容、教學方法、考核方法進行了改革，旨在提高教學效果。

1存在問題

2012—2014年連續對湖南文理學院生物科學專業共412名學生（其中二本316人，三本96人）進行了生物信息學課程教學與學習情況調研，結果顯示傳統的生物信息學課程建設與教學方式主要存在以下問題。

1.1學習過程中的語言障礙大，學生的信息發掘能力薄弱

我國生物信息學數據庫建設和軟件開發落后，在教學過程中所用到的生物信息學數據庫（如NCBI、EMBL和miRBase等）、生物信息學軟件（如DNAStar、BioEdit、DNAMan、RNAstructure、MEGA等）和在線工具（如BLAST和Expasy等）均為英文界面[2]。調研結果顯示，生物科學專業87.03%的二本學生和91.67%的三本學生認為生物信息學課程的英文界面是生物信息學課程學習的巨大障礙，嚴重增加了他們對數據的檢索、閱讀和分析的難度，從而使得學習效果不佳。調研結果更讓人驚訝的是，有85.12%的學生認為，由于自己專業英語基礎差，很難從大篇幅英文中找到有用的信息，從而對課程不感興趣。

1.2課程內容多，學時相對有限

生物信息課程內容較多，主要包括常用數據庫及其數據檢索、生物信息學的數學算法、生物信息學軟件使用、基因和蛋白質等生物分子的結構與功能分析等。包括湖南文理學院在內的很多高校將生物信息學課程學時設置為32學時，這樣使得豐富的課程內容與有限的學時產生極為突出的矛盾。這與筆者調研結果一致，生物科學專業97.15%的二本學生和85.42%的三本學生認為生物信息學課程非常重要，但是72.78%的二本學生和85.41%的三本學生認為生物信息學課程內容多，學時少，從而導致學習效果一般。

1.3數學算法及模型學習難度大

數學算法是生物信息學的基礎。生物信息學中所采用的常見數學算法或模型有概率論、隨機過程理論、運籌學、人工神經網絡方法和最優化理論與算法等，多數抽象難懂[2]。生物學信息學檢索工具、序列分析軟件及在線工具等均是在這些數學算法與數學模型基礎之上，通過計算機編程，以友好界面形式體現出來，供人們使用。在前期的生物信息學教學過程中設計了數學算法內容，調研結果顯示，生物科學專業85.44%的二本學生和87.50%的三本學生認為他們的數學基礎差，數學算法抽象，學習難度太大，導致學習效果不佳。

2地方本科高校生物信息學課程定位

生物信息學課程是一門實踐性很強的課程，其課程內容主要包括兩方面內容，一是理論學習，即學習數學模型或數學算法；二是應用實踐，即學習生物信息學應用，旨在掌握一些常用的生物學軟件、數據庫和生物大分子結構與功能的分析方法。與“985”“211”等一本重點高校相比，二本或三本地方高校存在學生生源差、基礎薄弱、學風差等因素。考慮到上述因素，地方本科高校的生物信息學課程教學不應面面俱到，可定位于生物信息學的應用與實踐，即了解常用數據庫，掌握常用生物信息學軟件的操作，掌握生物大分子的性質、結構和功能分析的實踐技能，為今后的研究生深造或開展相關科研工作奠定基礎。

3教學改革的具體措施

3.1課程內容優化

根據上述生物信息學課程教學中存在的問題，結合應用型人才培養方案，確定以培養學生生物信息學實踐技能為最終目標。2015—2016年調整和優化了教學內容，去除數學算法內容，但建議感興趣的學生自學。優化后的內容包括4個模塊：①常用生物信息學數據庫。該模塊主要了解生物信息學數據庫（如NCBI、Ensembl和miRBase數據庫等），掌握數據檢索方法。在教學過程中可適當放慢速度，讓學生適應英文界面學習的節奏。②常用生物信息學軟件和在線工具。了解常用軟件的用途，但具體使用方法可在模塊1和模塊4中用到相應軟件時穿插學習。③核酸序列特征、結構和功能分析。包括序列比對、系統發育樹構建、DNA序列特征分析和RNA結構及功能分析。④蛋白質序列、結構和功能分析。包括蛋白質序列比對、系統發育樹構建、蛋白質特征分析、蛋白質結構分析和蛋白質功能分析。在這4個教學模塊的教學安排中，同樣進行了優化，即慢速細講第1模塊，快速了解第2模塊，重點講解第3和第4模塊。

3.2教學方法改革

3.2.1以科學問題為導向，開展研究性教學。

生物信息學課程的主要任務是采用生物信息學方法預測和分析核酸和蛋白質的結構和功能，為實驗設計和結果分析服務，最終解決生物學問題[3]。因此，在生物信息學教學中，讓學生自主選擇感興趣的某個基因，以“某基因序列、結構和功能分析”總體問題為導向，細分若干小問題（圖1）。帶著這些問題，在教師的講解與指導下開展自主實踐訓練，探究自己感興趣的基因的結構與功能。

3.2.2理論和實踐教學有機統一。

生物信息學課程是一門實踐性很強的課程。為避免理論教學與實踐教學脫節，選擇在計算機網絡教室，采用紅蜘蛛多媒體網絡教室軟件，在局域網絡上實現多媒體信息的教學廣播，實現了集圖像、文字、動畫于一體的現代化交互教學模式[4]。在教學過程中采用3～4節課連上的方式，教師一邊講解理論，一邊實操演示。教師演示結束后，學生立即進行實踐操作，并由教師現場實際指導，大大提高了教學效果。

3.2.3考核方法改革。

生物信息學課程重在實踐，其目的是培養學生利用生物信息學手段解決生物學問題的能力。因此，變傳統的考試制度為過程考核，即根據圖1中的科學

問題，學生自主上機訓練，將實操訓練的過程整理為課程論

文提交，該成績占總成績的70%。另外，在考核中非常注重學生參與，故而考勤占總成績的30%。這樣的考核制度鼓勵了學生全程參與學習與實訓，有效培養了學生動手操作、分析問題和解決問題的能力[5]。

4教學改革效果分析

2015—2016年實施上述教學改革方案，并對212名生物科學專業學生進行了教學效果調查，結果顯示：94.34%的學生對生物信息學課程感興趣，84.9%的學生認為上述教學方法效果好，使他們了解了NCBI等常用的數據庫及其檢索方法，學會了常用軟件的操作，掌握了基因和蛋白質的結構與功能分析方法，也幫助他們理解和提高了分子生物學、遺傳學、細胞生物學中的知識。考研的學生都認為生物信息學課程對他們考研復習和繼續深造有很好的幫助。綜上所述，教學改革取得了比較理想的效果，然而教學改革永無止境，在生物信息學教學方面還有很多內容需要繼續摸索與實踐[6]。

參考文獻

[1] 吳祖建，高芳鑾，沈建國.生物信息學分析實踐[M].北京：科學出版社，2010.

[2] 吳春艷，王靖飛.生物信息學及其主要數學算法[C]//中國畜牧獸醫學會信息技術分會成立暨首屆學術研討會論文集.天津：中國畜牧獸醫學會，2005：125-128.

[3] 郭麗，趙楊，婁冬華，等.生物信息學實踐課教學改革探索[J].南京醫科大學學報（社會科學版），2014，14（2）：165-167.

[4] 劉瑞儒，張貞.“紅蜘蛛多媒體網絡教室”：網絡教學好助手[J].中國醫學教育技術，2003，17（3）：184-186.

[5] 姚正培，張樺，代培紅，等.農業院校生物信息學教學模式探索[J].教育教學論壇，2014（20）：214-215.

[6] 閆曉紅，王寧，滕曉華.生物信息學實驗課教學改革與實踐—PBL教學模式在實驗教學中的應用與探討[J].東北農業大學學報（社會科學版），2009，7（5）：99-101.