農(nóng)林院校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系的生物信息學教學改革

顧龍江 徐莉 江海洋

摘要? ? 生物信息學作為一門專業(yè)核心課程，已在國內(nèi)各高校相繼開設，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要意義。針對安徽農(nóng)業(yè)大學生物信息學教學過程中存在的問題，本文從優(yōu)化生物信息學理論課的知識結構、精心組織課堂教學過程改以提升學效果、開設大學生創(chuàng)新訓練計劃項目提升學生獨立分析問題能力等方面進行了初步探索，以期提升教學效果、培育創(chuàng)新型人才。

關鍵詞? ? 農(nóng)林院校;生物信息學;創(chuàng)新型人才培養(yǎng);教學改革

中圖分類號? ? G642? ? ? ? ?文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）21-0250-01? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

隨著生物技術的快速發(fā)展，多種生物學數(shù)據(jù)大量積累，而生物信息學正是在這種大背景下蓬勃興起的交叉型學科，可以為解決重要的生物學問題提供新的思路和方法[1]。因此，自人類基因組草圖發(fā)布時起，國內(nèi)眾多高校相繼開設了生物信息學本科生和研究生課程[2]。安徽農(nóng)業(yè)大學是一所以農(nóng)林生命學科為優(yōu)勢的省屬高等院校，也緊跟時代步伐，于2008年開設了生物信息學課程。由于第二代測序技術的迅猛發(fā)展和第三代測序技術的不斷成熟，生物信息學知識體系發(fā)展迅速，研究領域不斷擴大[3]，而師資條件、實驗條件等限制性因素進一步導致生物信息學課程無法及時更新[4]。基于該課程主要存在的問題，提出了相應教學改革措施。

1? ? 存在的問題

1.1? ? 教學內(nèi)容陳舊

隨著生物技術的不斷發(fā)展，部分陳舊的內(nèi)容已不能反映出最新的科研結果，因而只有及時更新并追蹤生物信息學的學科發(fā)展前沿，才能培養(yǎng)出適應現(xiàn)代化社會以及滿足未來社會發(fā)展需要的專業(yè)人才[5]。

1.2? ? 教學方法單調

在生物信息學教學過程中最大的問題是缺乏有效互動。由于生物信息學課程中理論學習比重較大且內(nèi)容晦澀難懂，導致學生的課堂參與度較低，極大地降低學生的學習興趣，達不到預期的教學效果。

1.3? ? 課后實踐匱乏

通過課后實踐學習能將課程的理論學習與科學實踐有機結合起來，對學生更為深刻理解生物信息學具有重要作用。鼓勵大學生參與科學研究，可以有效激發(fā)其學習生物信息學的主動性和積極性。

2? ? 教學改革措施

針對以上可能存在的問題，筆者所在的教學團隊以改善教學效果、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為最終目的，對生物信息學課程總體設計進行了修訂，提出了若干措施改善教學效果，對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有一定的參考價值和理論意義。

2.1? ? 優(yōu)化課程總體設計

前期調研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外眾多高校的生物信息學課程主要側重于方法學介紹，比如全局比對算法、局部比對算法、神經(jīng)網(wǎng)絡構建等，需要較強的計算機編程能力才能完全理解。安徽農(nóng)業(yè)大學為農(nóng)林類院校，要求學生掌握較好的計算機基礎知識收效甚微。因此，課程內(nèi)容總體設計上應以如何利用已有的數(shù)據(jù)、軟件、數(shù)據(jù)庫來解決不同的生物學問題為主線，教師應結合最新的研究成果進行深入和細致的講解。課程的重點應該由理解算法原理、開發(fā)算法、開發(fā)軟件轉向如何利用生物信息學方法解決重要的生物學問題。

在介紹完生物信息學的研究現(xiàn)狀后，課程重點介紹常用的生物學數(shù)據(jù)庫，如NCBI、PDB以及Uniprot等數(shù)據(jù)庫，還應介紹如何精確地檢索相應數(shù)據(jù)庫。在掌握這些必備基礎知識之后，分多個專題詳述生物信息學最新的研究進展，如基因組的測序、組裝的基本原理、比較基因組學、真核生物的基因結構注釋、蛋白質的結構及其預測;在基因的表達方面，著重介紹RNA-seq的相關知識;此外，采用生物信息學手段解析表觀遺傳學的生物學問題，如組蛋白H3K27的甲基化修飾，不同堿基的甲基化修飾，如6mA、5mC是如何影響生長發(fā)育的。本課程設計的專題在內(nèi)容上相互銜接、由淺入深，中間貫穿著多種生物信息學方法和軟件的使用，以便學生能夠潛移默化地學到生物信息學知識。此外，以重要的生物學問題為中心進行的課程設計，有利于啟發(fā)學生思考，同時也能夠幫助學生了解科學前沿、擴展視野。

2.2? ? 提升教學效果

由于生物信息學課程理論性較強，內(nèi)容晦澀難懂，所以傳統(tǒng)的“教師講、學生聽”教學模式使得學生課堂參與度較低，極大地降低了學生的學習興趣，并最終導致學生的學習無法達到預期效果。很多研究證實，研討式教學能夠調動學生學習積極性，使其踴躍地參與課堂討論、活躍課堂氛圍，從而達到較好的教學效果。

2.2.1? ? 掌握重點，攻克難點。由于生物信息學研究范圍越來越廣，因而課程沒必要面面俱到，但一定要突出重點。在保證知識面的基礎上，將重要性較低的部分以課后作業(yè)的方式讓學生自己主動查閱資料;而對于重點內(nèi)容，為了便于學生理解，可以采用多種手段相結合。比如，在講解二代測序原理時，可以將不同的平臺進行比較，并且用動畫或者視頻的方式進行形象而生動地展示，非常有助于學生理解重要知識點。學生只有對重點內(nèi)容理解透徹，才能進一步激發(fā)出濃厚的學習興趣。

2.2.2? ? 講授生動有趣實例，拉近知識與現(xiàn)實的距離。傳統(tǒng)的生物信息學課程內(nèi)容較為呆板，如果授課教師能以生動有趣的實例進行講解，則會大大增加知識的趣味性。例如，在講完構建進化樹之后，舉例說明如何利用系統(tǒng)發(fā)育樹揭示 SA-RS病毒的傳播途徑;在蛋白質結構部分，討論“為什么濕著頭發(fā)睡覺，頭發(fā)容易變翹”;猜測以后會進入精準醫(yī)療時代，可能個人的基因組信息就像自己的血型一樣出現(xiàn)在病例上。將這些生動有趣的實例融入生物信息學，能夠拉近教學內(nèi)容與現(xiàn)實的距離，引導學生如何解決科學問題。

2.2.3? ? 增加課堂討論，引發(fā)學生思考。利用所學的生物信息學知識嘗試解釋生物學現(xiàn)象，例如“什么原因導致了種優(yōu)勢現(xiàn)象”“為什么基因組的大小與生物的復雜程度不是直接的正相關？也就是為什么會存在C值悖論”“一個個體所必需的最少基因有多少個？”“蛋白質折疊為什么不是隨機的？”等。針對這些問題適時地開展課堂研討，有助于活躍課堂氣氛，激發(fā)學生學習興趣，進而引發(fā)學生思考。

2.2.4? ? 課堂報告，全面鍛煉學生能力。鼓勵學生選擇感興趣的生物學問題，查閱相關文獻并進行課堂報告。讓學生進行講解，教師適時點評，引發(fā)其他學生討論，更有助于學生對重難點知識的理解。此外，學生課堂報告不僅更有助于教師從不同的角度去觀察學生所思所想，還可以較好地鍛煉學生收集和查閱文獻的能力、表達能力以及創(chuàng)新思維能力。

2.3? ? 開展大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，鍛煉創(chuàng)新能力

對于生物信息學的學習，不僅要掌握一定的理論知識，還要學會如何應用所學的理論知識解決實際科學問題。對生物信息學感興趣的學生，3～5人一組，由1名教師進行全方位指導，包括課題選題、選擇實驗材料、分析實驗數(shù)據(jù)以及規(guī)范地寫作實驗報告或者科學論文等。通過課題的順利實施，可以進一步激發(fā)學生探索未知世界的興趣和創(chuàng)新能力。

3? ? 結語

由于生物信息學發(fā)展迅速，研究領域不斷擴大，如何更新生物信息學理論課的知識結構，改善課堂教學效果，激發(fā)學生獨立分析問題、解決問題的能力，讓學生能夠了解生物信息學研究的最前沿進展，使其在課堂教學過程中也能在一定程度上體驗到科學研究的樂趣和成就，是每一位生物信息學課程教學工作者所需要思考的問題。本研究依據(jù)安徽農(nóng)業(yè)大學學科建設特征和人才培養(yǎng)方案，借助不同的教學手段調整教學形式、更新教學內(nèi)容，并建立完善的成績評定體系，形成具有鮮明特色的理論教學體系，旨在為促進高校人才培養(yǎng)和精品課建設提供參考。

4? ? 參考文獻

[1] 高亞梅，韓毅強，劉金文.生物信息學學生創(chuàng)新型培養(yǎng)體系的探索與實踐[J].黑龍江教育，2016（6）：78-79.

[2] 齊云峰，孫添添，于長春，等.淺談如何提高生物信息學教學質量[J].散文百家，2016（12）：122.

[3] 陳志雄，王少奎，李亞娟.科研導向的農(nóng)學類專業(yè)生物信息學教學內(nèi)容改革[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2018（46）：32.

[4] 楊敏，趙杏利，范丙友，等.生物信息學課程教學改革初探[J].教育教學論壇，2016（48）：140-141.

[5] 李曉玉，江海洋.農(nóng)林院校生物信息學課程教學方法改革探析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013（13）：340-342.