工科專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)課程教學(xué)改革研究

金慶超　吳志革　金志華

摘要針對(duì)生物信息學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院工科專(zhuān)業(yè)該課程的教學(xué)實(shí)踐，初步對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法進(jìn)行了積極探索，重點(diǎn)討論了教學(xué)過(guò)程中如何強(qiáng)化理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高工科大學(xué)生的實(shí)踐能力，旨在為該課程的有效教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞生物信息學(xué)；教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)S-01；G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）36-0251-02

AbstractIn order to improve the teaching of bioinformatics effectively， the curriculum content， teaching methods， assessment methods were reformed according to the subject characteristics and teaching situation of bioinformatics， combining with the teaching practice of the course in engineering majors of Ningbo Institute of Technology， Zhejiang University. The emphasis of the discussion focused on strengthening the combination of theory and practice of teaching， improving the practice ability of engineering undergraduates， providing reference on teaching this course.

Key wordsBioinformatics；Teaching；Education reform

生物信息學(xué)是生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉融合的新興學(xué)科，可培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決科學(xué)問(wèn)題的思維水平和能力，學(xué)科內(nèi)容具有極強(qiáng)的前沿性、開(kāi)放性、實(shí)踐性和探索性，有助于培養(yǎng)寬口徑、厚基礎(chǔ)、創(chuàng)造性、應(yīng)用型的專(zhuān)業(yè)人才[1-2]。但因生物信息學(xué)的知識(shí)龐博、原理抽象，使得該課程不能采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，現(xiàn)行的課程教學(xué)方法尚未完善，需根據(jù)不同學(xué)校、不同專(zhuān)業(yè)的發(fā)展定位和學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)和開(kāi)展課程教學(xué)。浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院生物工程和生物技術(shù)為工科專(zhuān)業(yè)，以培養(yǎng)高水平的應(yīng)用型人才為目標(biāo)。近幾年開(kāi)設(shè)了生物信息學(xué)課程，通過(guò)不斷的課程教學(xué)改革和實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)影響教學(xué)效果的多方面因素，包括地方院校生物信息課程授課過(guò)程中的共性問(wèn)題[3]。逐步對(duì)課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法等方面進(jìn)行了有益探索，探索適合工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生的生物信息學(xué)課堂教學(xué)模式。通過(guò)努力，初步解決了浙江大學(xué)工科大學(xué)生的生物信息學(xué)課堂教學(xué)的主要問(wèn)題，有效提高課程教學(xué)效果，同時(shí)也獲得了一些經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)。

1工科專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)課程教學(xué)問(wèn)題

1.1課程教學(xué)內(nèi)容新穎繁多，與專(zhuān)業(yè)課程體系設(shè)計(jì)不匹配

生物信息學(xué)作為一門(mén)新興的交叉學(xué)科，要求學(xué)生了解、掌握的基礎(chǔ)知識(shí)非常多，但學(xué)校側(cè)重于工程人才培養(yǎng)，工科應(yīng)用課程多，生物基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，且將生物信息學(xué)作為專(zhuān)業(yè)選修課，僅安排24學(xué)時(shí)的授課時(shí)間，這就形成教學(xué)內(nèi)容新穎繁多與專(zhuān)業(yè)課程體系安排設(shè)計(jì)不匹配，難以有效利用已學(xué)知識(shí)對(duì)這個(gè)綜合性新興學(xué)科課程進(jìn)行全面學(xué)習(xí)，部分大學(xué)生還因?qū)W無(wú)所成或跟不上授課進(jìn)程而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

1.2授課學(xué)時(shí)短，教學(xué)和考核模式落后

生物信息學(xué)知識(shí)龐博、原理抽象、實(shí)踐性強(qiáng)，但因課程授課學(xué)時(shí)嚴(yán)重不足，課堂教學(xué)通常以理論教學(xué)為主，采用以教師講授為主體的傳授式教學(xué)方法，幻燈片課件展示容量很大，學(xué)生缺少足夠的時(shí)間思考和消化，常感到學(xué)習(xí)千頭萬(wàn)緒，不得要領(lǐng)。傳統(tǒng)教學(xué)方式無(wú)法滿足該課程教學(xué)需求，在生物信息學(xué)教學(xué)中存在較大局限性。在傳統(tǒng)教學(xué)方法下，課程考核仍以卷面形式進(jìn)行，忽視實(shí)踐技能，不能有效考查大學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。因此，傳統(tǒng)教學(xué)和考核方法忽視了該課程前沿性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，使學(xué)生失去了主動(dòng)思考和積極創(chuàng)新的動(dòng)力和機(jī)會(huì)。

1.3教學(xué)資源不充足，教材選擇困難

生物信息學(xué)作為一門(mén)新興學(xué)科，教學(xué)資源不充足成為普遍現(xiàn)象。生物信息學(xué)教材在教學(xué)內(nèi)容的新穎性、時(shí)效性和對(duì)各專(zhuān)業(yè)的適用性等方面有所欠缺，例如一些數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件總在不停更新，教材內(nèi)容有比較大的滯后性。由于高校開(kāi)設(shè)該課程的時(shí)間通常較晚，適用于工科專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)教學(xué)資源，如教學(xué)教案、多媒體課件、教學(xué)視頻等尤為欠缺。同時(shí)，由于生物信息學(xué)課程的前沿性，與生物信息學(xué)有關(guān)的網(wǎng)頁(yè)大部分都是英文，工科大學(xué)生的生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)詞匯極其匱乏，開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)時(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)非常吃力，甚至造成學(xué)生學(xué)習(xí)困難，教學(xué)效果比較差。

2工科專(zhuān)業(yè)的生物信息學(xué)課程教學(xué)改革

2.1根據(jù)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)改革教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合工科專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)及培養(yǎng)特色，選用相對(duì)簡(jiǎn)潔，基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合的教材，如陳銘編寫(xiě)《生物信息學(xué)（第二版）》等。同時(shí)不拘泥于教材，針對(duì)具體講授情況進(jìn)行有機(jī)取舍和補(bǔ)充，合理制訂教學(xué)方案。比如，對(duì)浙江大學(xué)生物工程專(zhuān)業(yè)的本科生來(lái)說(shuō)，生物信息學(xué)更多的是一種輔助分析工具，不需要深入學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建方法、軟件算法等基礎(chǔ)知識(shí)，更多的是培養(yǎng)他們應(yīng)用生物信息學(xué)技術(shù)和思維方法來(lái)服務(wù)本專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力。因此，大力引入實(shí)踐教學(xué)，大幅度壓縮理論教學(xué)，理論教學(xué)和實(shí)踐上機(jī)操作時(shí)間基本按等比例分配。改革后的理論教學(xué)內(nèi)容包括生物數(shù)據(jù)庫(kù)及其信息檢索、序列比對(duì)與分子進(jìn)化、核酸序列分析、蛋白質(zhì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)分析、基因組信息學(xué)、蛋白質(zhì)組信息學(xué)等；實(shí)踐教學(xué)引入了常用生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用、核酸和蛋白質(zhì)序列的進(jìn)化分析、DNA序列的信息學(xué)和功能分析、蛋白質(zhì)序列分析和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、常用生物軟件的應(yīng)用、綜合實(shí)驗(yàn)等。該教學(xué)計(jì)劃不僅使學(xué)生有效學(xué)習(xí)生物信息學(xué)的理論和技術(shù)，還可使學(xué)生深刻體會(huì)和貫通一些生物化學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程等生物課程的知識(shí)，夯實(shí)了工科大學(xué)生的生物學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，為學(xué)生開(kāi)展專(zhuān)業(yè)相關(guān)的實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目和后續(xù)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

2.2革新基于多媒體的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)方法

多媒體網(wǎng)絡(luò)教室借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)，輕松實(shí)現(xiàn)生物信息學(xué)理論講授、數(shù)據(jù)庫(kù)搜索及軟件應(yīng)用演示，便于師生課堂交流，增強(qiáng)學(xué)生的教學(xué)參與意識(shí)[4]。再加上大多生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)及軟件工具在因特網(wǎng)上免費(fèi)提供，引導(dǎo)學(xué)生充分利用這些網(wǎng)絡(luò)資源尤為重要。因此，必須建立有效的基于多媒體的生物信息學(xué)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)方法，給大學(xué)生提供更多動(dòng)手操作機(jī)會(huì)，改善學(xué)習(xí)效果，充分體現(xiàn)生物信息學(xué)的實(shí)踐性。基于此，將每個(gè)生物信息學(xué)教學(xué)主題的課堂講授內(nèi)容分為2部分：一是用幻燈片進(jìn)行理論知識(shí)講授和操作演示，二是指導(dǎo)學(xué)生利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和軟件工具完成相關(guān)上機(jī)實(shí)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索式練習(xí)，培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣。例如在GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)教學(xué)活動(dòng)中，首先用幻燈片講授該數(shù)據(jù)庫(kù)的簡(jiǎn)要情況；接著演示GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索方法和搜索結(jié)果的要點(diǎn)，結(jié)合搜索內(nèi)容講解核酸及蛋白序列的格式、主要字段的含義、序列下載的方式；最后，布置相關(guān)上機(jī)操作內(nèi)容，由學(xué)生上機(jī)操作該數(shù)據(jù)的搜索，并對(duì)搜索到的序列進(jìn)行解讀，教師全程指導(dǎo)解疑。另外，為擺脫該課程學(xué)時(shí)短的限制，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容適量安排課后作業(yè)，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間上機(jī)操作，鞏固和拓展生物信息學(xué)知識(shí)。這樣的教學(xué)方式簡(jiǎn)明扼要，既節(jié)約了課堂時(shí)間，還教會(huì)了學(xué)生主動(dòng)獲取信息的手段。

2.3開(kāi)設(shè)創(chuàng)新型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)

生物信息學(xué)課程的開(kāi)放性和前沿性可以開(kāi)拓學(xué)生的視野，幫助開(kāi)發(fā)新的思維方式。因此，在生物信息學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)增設(shè)創(chuàng)新型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)[5]，綜合采取啟發(fā)式、研討式、運(yùn)用式等教學(xué)方法[6]，強(qiáng)調(diào)大學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。新型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)包括演示實(shí)驗(yàn)實(shí)例模塊和綜合研究實(shí)驗(yàn)?zāi)K，讓學(xué)生自己提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)和探索解決方案，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考、大膽動(dòng)手，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、綜合分析處理問(wèn)題、信息的收集和整理、創(chuàng)造性思維等獨(dú)立動(dòng)手能力以及團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。就綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K而言，例如，學(xué)生想研究自己感興趣的一個(gè)基因，要求學(xué)生獨(dú)立查找相關(guān)文獻(xiàn)和資料，收集和分析核酸、蛋白質(zhì)序列及其同源性關(guān)系，預(yù)測(cè)該基因的結(jié)構(gòu)、功能，最后總結(jié)這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫(xiě)一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過(guò)創(chuàng)新型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，可以全方位、多角度、重能力地訓(xùn)練學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.4制訂理論與實(shí)踐并重的教學(xué)效果考核方法

根據(jù)新的教學(xué)內(nèi)容和模式，積極改革生物信息學(xué)考核方式，制定理論和實(shí)踐并重的考核制度，增強(qiáng)考察大學(xué)生對(duì)生物信息分析的基本技能的掌握程度以及對(duì)結(jié)果的分析能力。例如，課程的學(xué)生總評(píng)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)組成，分別占25%和75%。期末成績(jī)?cè)u(píng)定由理論考核和上機(jī)考核組成，比例分別占40%和35%。上機(jī)考核包括2部分：一是針對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容隨堂布置上機(jī)作業(yè)，讓學(xué)生深化理論教學(xué)和演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)，評(píng)定學(xué)生作業(yè)成績(jī)；二是讓學(xué)生選定感興趣的研究課題或教師設(shè)定研究主題，學(xué)生結(jié)合所學(xué)生物信息學(xué)知識(shí)，獨(dú)立制訂完整的研究方案，通過(guò)上機(jī)操作完成方案中的生物信息學(xué)操作，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行解讀，形成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師評(píng)定學(xué)生的報(bào)告成績(jī)。通過(guò)這種考核可以全面評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，同時(shí)還可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，為課程教學(xué)的進(jìn)一步優(yōu)化提供指導(dǎo)。

3結(jié)語(yǔ)

根據(jù)生物信息學(xué)課程特點(diǎn)，針對(duì)工科專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)特點(diǎn)，結(jié)合近年來(lái)筆者的課程教學(xué)實(shí)踐，精心選擇教學(xué)內(nèi)容，突出并合理組織實(shí)踐教學(xué)，注重培養(yǎng)大學(xué)生的核心技能；充分采用基于多媒體的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，增設(shè)創(chuàng)新型開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建多樣性教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)；注重教學(xué)效果評(píng)價(jià)，制訂突出實(shí)踐能力的考核方法，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。通過(guò)這些教學(xué)改革和實(shí)踐，逐步探索適合工科大學(xué)生的生物信息學(xué)課堂教學(xué)模式，有效提高課堂教學(xué)效果，切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能。

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